动态散射环境下基于紧凑型散射解复用器的水下无线光学OAM复用数据传输技术

本刊推荐一项突破性研究：作者团队开发出具有抗扰动能力的紧凑型散射解复用器（CSD），结合散斑关联散射矩阵与模式分解技术，在动态浑浊水域中实现了24通道轨道角动量（OAM）复用的高精度数据传输，误码率低至0.09%，串扰低至–18.10 dB，为浑浊水下环境的高容量通信提供了创新解决方案。

　　

Highlight

方法

图1展示了动态散射水下环境中OAM复用无线光学通信（UWOC）的概念框架。在传输数据流中，N比特数据被编码为光学OAM叠加模式。第n比特取二进制值c_n = 0或1，编码数据的光场表示为：

E_s = ∑^N_n=1 c_n E_ln

其中OAM本征态E_ln = exp(i l_n φ)对应第n比特的数据通道。由于浑浊水中的多重光学散射，原本独立的OAM通道发生混合，导致接收端信号串扰。

实验装置

为实现浑浊水中OAM复用光学数据传输，需对液体环境的传输矩阵（TM）进行实验校准。本研究采用基于并行波前优化的无参考校准方法，使用数字微镜器件（DMD, V-7001, Vialux）以22.27 kHz切换速率加速TM校准并编码复用OAM模式。实验装置如图2所示。

结果与讨论

我们首先演示了通过动态浑浊水介质传输光场的重构。使用DMD生成拓扑荷l = -24, -22, -20, -12, -8, 4, 12, 14, 18, 20, 22的叠加涡旋光束，在悬浮液与水比例（SWR）为1×10^-3的0.4米浑浊水介质中传播。图3a和3b分别展示了叠加涡旋光束的理论振幅和相位分布。CSD测量的强度分布呈现动态散斑图案，通过计算重构可恢复原始OAM模式信息。

结论

我们开发了一种紧凑型OAM解复用器（CSD），能够应对动态散射液体环境，实现水下无线光学OAM复用数据传输。该方法展现强大的抗扰动能力，仅需单次散斑强度检测即可在动态浑浊水中直接解复用OAM信息。通过构建UWOC系统并模拟动态散射流体环境，验证了技术的可行性。