基于轨道角动量复用的快速自动对准水下无线光通信

在过去几年中，地面、太空和水下无线光通信已被广泛探索，以满足不断增长的数据容量需求。[1,2]与地面和太空链路相比，水下无线光链路由于其复杂性而相对较少被探索。[3] 水下环境中的各种物理过程使得稳定的水下无线光链路难以实现。[4]然而，由于巨大的商业、军事和科学价值，对水下无线光通信的兴趣有所增加。[5,6]水下通信的主流技术水声通信的性能受到低带宽、高时延、低能效、时变多径传播和多普勒扩频等缺点的限制。[7-9]没有这些缺点的水下无线光通信（UWOC）是更好的选择，特别是对于短距离的高数据速率传输。由于光频率下吸水率严重，距离限制，幸运的是有一个相对低衰减的蓝光和绿光光学窗口，能够证明足够距离的高带宽水下通信。[10-14]

然而，水下无线光通信仍将面临许多挑战。由于吸收、散射和湍流的影响，水下无线光通信存在信号衰减、延迟扩散和衰落等问题，导致通信距离有限，可靠性降低。[15,16]水下机械振动、海洋暗流或其他湍流源是不可避免的，因此在这种环境中保持稳定的链接也是一个巨大的挑战。为了解决吸收、散射和湍流引起的问题，科学家们做了大量的研究，并取得了很大的进展。[17]然而，对收发器振动引起的信号损失的关注较少。早期的相关研究和实际应用通过增加发散角来处理这个问题，但最近也提出了安全性低、保密性低的问题。[18,19]因此，快速自动对准系统用于快速抵抗光束振动并保持光束传输稳定性。这样，我们不仅可以解决光路稳定性问题，还可以保证光传输路径的安全性和保密性。

空分复用（SDM）是提高自由空间和光纤通信容量可扩展性的一种很有前途的技术。[20]为了提高传输能力，SDM的一个子集，具有轨道角动量（OAM）模式的模分复用（MDM）引起了越来越多的关注。[21-26]最近，OAM已被引入水下无线光通信[27-31]，性能令人印象深刻。OAM 模式集是 MDM 的一个选项，因为它有可能适应具有正交性的无限状态。由于不同的OAM模式承载着不同的数据信息，OAM复用技术可以提高通信系统的传输能力。[10,32]自适应湍流补偿和快速自动对准技术已用于自由空间光学涡旋光束通信，以克服大气湍流。[33]对于基于OAM的水下无线光通信，已经对水下湍流信道进行了建模，并研究了UWOC系统中OAM传播的统一统计分布。[34]自适应光学（AO）技术也被提出来减轻基于OAM的UWOC系统中的湍流效应。[35]此外，纵向轨道角动量复用（LOAMM）系统已被证明具有提高UWOC安全性能的潜在优势。[36]

在本文中，我们演示了一种基于OAM的快速自动对准2米水下无线光链路。拓扑电荷为+3和-3的两种OAM模式是多路复用的。水下传播后的多式联运串扰小于-9 dB。演示了在不同振动条件下使用正交相移键控（QPSK）信号进行数据的OAM多路复用。在快速自动对准系统之后，工况下的振动都大大减少，以保持稳定的连杆。