小型化渦旋光模式解復(fù)用器:原理、制備及應(yīng)用*

楊鑫宇 葉華朋? 李佩蕓 廖鶴麟 袁冬? 周國富

1)(華南師范大學(xué),響應(yīng)型材料與器件集成國際聯(lián)合實驗室,國家綠色光電國際研究中心,廣州 510006)

2)(華南師范大學(xué),華南先進光電子研究院,廣東省光信息材料與技術(shù)重點實驗室,彩色動態(tài)電子紙顯示技術(shù)研究所,廣州 510006)

渦旋光因其具有光學(xué)軌道角動量(orbital angular momentum,OAM) 而在近二十年倍受關(guān)注.由于具有不同 OAM 的渦旋光相互正交,渦旋光在光通信領(lǐng)域展現(xiàn)了巨大的潛力,為未來實現(xiàn)高速、大容量的光通信技術(shù)提供了潛在的解決方案.本文旨在介紹渦旋光OAM 模式解復(fù)用技術(shù)的基本原理、小型化器件加工方法和在光通信領(lǐng)域的新興應(yīng)用.首先,回顧OAM 模式解復(fù)用工作原理的發(fā)展歷程;隨后,針對渦旋光OAM 模式解復(fù)用,將介紹多種典型的小型化器件制備方法;最后探討基于軌道角動量的渦旋光模式解復(fù)用在通信領(lǐng)域中的新興應(yīng)用,并對OAM 模式解復(fù)用的未來發(fā)展趨勢及前景進行了深入分析和展望.

1 引言

光子具有多個自由度,包括頻率/波長、時間、復(fù)振幅(振幅、相位)、偏振和空間結(jié)構(gòu),操縱光子的這些物理維度可以實現(xiàn)光相關(guān)應(yīng)用的多樣性[1-3].除了傳統(tǒng)上對頻率、時間、復(fù)振幅和偏振的關(guān)注之外,另一個已知的光子的物理維度——空間結(jié)構(gòu)也受到越來越多的關(guān)注[4,5].1992年,Allen 等[6-8]指出光場的螺旋相位結(jié)構(gòu)與光子的光學(xué)軌道角動量(orbital angular momentum,OAM)之間存在關(guān)聯(lián).渦旋光是具有螺旋型等相位面的光束,相位分布為 exp(ilφ),其中l(wèi)為軌道角動量角量子數(shù),也被稱為拓?fù)潆姾蓴?shù),表征了渦旋光束中每一個光子所攜帶的軌道角動量的大小l?(? 是普朗克常數(shù)除以2π),φ 為方位角坐標(biāo).空間結(jié)構(gòu)光領(lǐng)域的進展不僅拓寬了光學(xué)研究的范疇,還為各種應(yīng)用領(lǐng)域帶來了新的機遇和挑戰(zhàn),包括量子信息編碼、光學(xué)操縱、光學(xué)超分辨成像、光學(xué)測量以及天文學(xué)等[9-17].特別地,由于渦旋光束具有的所有OAM模式都是正交的,理論上存在無窮多個本征態(tài),這種無限制的額外自由度給了光一個潛在的非約束和相互正交的狀態(tài)空間,因此可以被利用來提高各種光通信系統(tǒng)的信息容量[18,19].因為不同模式之間相互正交互不干擾,OAM 復(fù)用光通信技術(shù)的通信容量已遠(yuǎn)超傳統(tǒng)方案,突破了Tbit 量級,從而可以提高光路的頻譜效率和信息容量,可以作為多路復(fù)用器應(yīng)用于光通信中[20-23].

渦旋光的生成和渦旋光解復(fù)用是渦旋光應(yīng)用開發(fā)的關(guān)鍵所在.渦旋光束的產(chǎn)生方法包括光學(xué)元件的設(shè)計,以及光場調(diào)控技術(shù)的應(yīng)用.到目前為止,研究人員提出了各種利用光束轉(zhuǎn)換器進行自旋-軌道角動量轉(zhuǎn)換產(chǎn)生渦旋光束的方法[24].常見的方法包括螺旋相位板法[25]、計算全息法[26]、模式轉(zhuǎn)換法[8]、超表面[27,28]、空間光調(diào)制器法[29,30]和液晶q 片[31].除了光學(xué)渦旋,渦旋場的研究對象也逐漸擴展到其他領(lǐng)域,如電子渦旋、太赫茲渦旋和聲學(xué)渦旋[32-37].渦旋光束的探測手段主要包括干涉法和衍射法等,目前存在多種方案可用于測量拓?fù)浜?包括圓形孔徑衍射、三角孔徑衍射、同軸干涉等方法[38-40].通過觀察遠(yuǎn)場衍射光斑陣列和干涉條紋,可以推斷出渦旋光的軌道角動量大小和正負(fù)方向.然而,這些方法僅適用于探測單一OAM 模式的渦旋光束,不適用于多個OAM 模式疊加的渦旋光束.對于多個OAM 模式疊加的光束,以及需要靈活、高精度測量的情況,這些方法將失效.因此,在實現(xiàn)多個OAM 模式疊加光束和高精度測量時,需要采用其他更復(fù)雜的技術(shù)和方法.OAM 解復(fù)用器是OAM 通信系統(tǒng)中的核心器件之一,其主要功能是對共軸傳輸?shù)牟煌琌AM 模式在空間上實現(xiàn)有效分離,使得不同模式攜帶的信息可以互不干擾地被處理和探測.迄今為止,研究者已經(jīng)提出了多種有效的方法對具有不同拓?fù)潆姾芍档臏u旋光束進行解復(fù)用,如基于馬赫-曾德干涉儀[41]的干涉測量系統(tǒng)和使用衍射光學(xué)元件(如定制相位元件[42-44])的各種方法等.

本文綜述了基于渦旋光OAM 模式解復(fù)用領(lǐng)域的研究,首先簡述了渦旋光模式解復(fù)用原理的發(fā)展歷程,從早期的干涉法到目前廣泛采用的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法;隨后,針對渦旋光模式解復(fù)用,介紹了多種典型的小型化器件制備方法,如光柵、超表面和液晶器件等,用于實現(xiàn)多個OAM 模式的分離和解復(fù)用;在進一步討論中,探討了基于軌道角動量的渦旋光解復(fù)用在模式復(fù)用通信領(lǐng)域中的潛在應(yīng)用;最后,對渦旋光OAM 模式解復(fù)用技術(shù)面臨的一些挑戰(zhàn)和未來的應(yīng)用方向進行了簡要總結(jié)和展望.

2 渦旋光模式解復(fù)用的原理

隨著無線光通信的迅速發(fā)展,傳統(tǒng)的調(diào)制和復(fù)用技術(shù)難以滿足未來對大容量、高速率和高保密性通信的需求.然而,軌道角動量復(fù)用通信技術(shù)為無線光通信帶來了新的可能性,可以實現(xiàn)多維度的軌道角動量復(fù)用通信系統(tǒng),從而提升通信帶寬.渦旋光OAM 解復(fù)用器是OAM 通信系統(tǒng)中的核心器件之一,其主要功能是對共軸傳輸?shù)牟煌琌AM 模式在空間上實現(xiàn)有效分離,實現(xiàn) OAM 模式的識別、分選等.渦旋光OAM 模式解復(fù)用的目標(biāo)是通過設(shè)計衍射光學(xué)元件,實現(xiàn)渦旋光OAM 分量在空間上的分離.

2.1 干涉法

過去的研究表明,利用exp(ilφ)光束及其鏡像進行干涉可以生成具有2l個徑向輻條的干涉圖,從而測量攜帶相同模式多光子的光束的OAM.雖然這種技術(shù)可以區(qū)分多種狀態(tài),但無法測量單個光子的狀態(tài),因為這需要多個光子才能形成完整的干涉圖案[45].2002年,Leach 等[41]提出了一種利用馬赫-曾德干涉儀的方法來分類單光子的OAM,如圖1(a)所示.他們在干涉裝置中引入道威棱鏡,通過調(diào)整道威棱鏡的旋轉(zhuǎn)角度,將具有不同階數(shù)的渦旋光束傳播到不同的輸出端口,實現(xiàn)OAM 模式的分類.具體而言,通過調(diào)整旋轉(zhuǎn)角度,可以使相移呈現(xiàn)lα的形式.對于特定的l和α組合,旋轉(zhuǎn)后的光束可以與原始光束同相或異相.當(dāng)將這種旋轉(zhuǎn)結(jié)合到雙光束干涉儀的臂中時,兩個臂之間的相移將依賴于l值.因此,通過設(shè)置單級MZ 干涉裝置的旋轉(zhuǎn)角度(α=π),可以在兩個不同的端口實現(xiàn)奇數(shù)和偶數(shù)階拓?fù)潆姾蓴?shù)l的渦旋光束的分選.如圖1(b)所示,當(dāng)級聯(lián)多個干涉裝置產(chǎn)生更多分選通道時,對于奇數(shù)階拓?fù)潆姾蓴?shù)l并沒有合適的旋轉(zhuǎn)角度進行分選,因此需要通過全息圖法將奇數(shù)階拓?fù)潆姾蓴?shù)l轉(zhuǎn)為偶數(shù)階拓?fù)潆姾蓴?shù)l+Δl進行進一步分選.通過干涉進行單個光子OAM 的分選方法在原理上是100%有效的,僅受到組件效率的限制.為了提高測量渦旋光整數(shù)階拓?fù)潆姾芍档碾A數(shù),2015年,Martelli 等[46]利用柱面透鏡的像變換特性,將干涉儀裝置中的道威棱鏡替換為柱透鏡,使用改進的馬赫-曾德干涉儀測量拉蓋爾-高斯渦旋光束的高階拓?fù)潆姾呻A數(shù)高達90.為了測試模式間的串?dāng)_,他們通過測量輸入端相應(yīng)的單個OAM模式的兩個干涉儀輸出端的功率分配比來進行實驗.實驗結(jié)果顯示,在OAM模式為l=0時,獲得了-10.3dB的串?dāng)_,而在l=1時,獲得了-8.0dB的串?dāng)_.

圖1 基于馬赫-曾德干涉儀的OAM 分選方案(a) OAM 分類器的第1 階段;(b) OAM 分類器的前3 個階段,每個灰色框代表(a)圖所示的干涉儀[41];(c) 基于柱面透鏡干涉的OAM 多路復(fù)用器/解復(fù)用器方案;(d) l=0時,BER 的測量值隨OAM 模式解復(fù)用后接收的光功率的變化規(guī)律,正方形為單個OAM 模式,不受l=1 模式串?dāng)_,三角形為兩個OAM 模式,受l=1 模式串?dāng)_[46]Fig.1.The schematic of the OAM sorter based on Mach-Zehnder interferometer:(a) The first stage of the OAM sorter;(b) the first three stages of the OAM sorter,the gray boxes in each stage represent the interferometer shown in Fig.1(a) [41];(c) OAM multiplexer/demultiplexer based on interference via cylindrical lens;(d) BER values measured against the received optical power after OAM demultiplexing for mode l=0,line denoted with triangles represents two OAM modes with crosstalk because of mode l=1,while line denoted with squares represents single OAM mode without crosstalk[46].

在渦旋光OAM 解復(fù)用領(lǐng)域,干涉測量方法被廣泛應(yīng)用于多個OAM 狀態(tài)的分類.然而,這種方法的分選裝置需要進行多個階段的分類,其中需要(n-1)個干涉儀和(2n-2)個臂來實現(xiàn)對n個不同的OAM 狀態(tài)的分選.隨著待分選的OAM 狀態(tài)數(shù)量的增加,系統(tǒng)的復(fù)雜度和信號損失也會急劇增加.系統(tǒng)的復(fù)雜性和信號損失限制了其在實際應(yīng)用中的可擴展性.因此,進一步的研究將致力于尋找更簡化和高效的分選裝置,以提高渦旋光OAM 解復(fù)用技術(shù)的性能和可靠性.

2.2 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換法

2.2.1 對數(shù)-極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換法及改進方法

2.2.1.1 對數(shù)-極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換法

由于馬赫-曾德干涉儀存在系統(tǒng)較復(fù)雜和耗損隨著模式數(shù)的增大而增大的可擴展性問題,無法滿足實際光通信系統(tǒng)的小型化要求.近年來,基于光學(xué)坐標(biāo)變換的分選系統(tǒng)被認(rèn)為是一種應(yīng)用前景廣泛的有效解決方案[47-49].

渦旋光束具有螺旋相位結(jié)構(gòu),呈現(xiàn)出一個特征方位角相位項exp(ilφ).渦旋光的螺旋相位大小和方向隨著位置的變化而發(fā)生變化,因此渦旋光的螺旋相位呈現(xiàn)出一個空間分布的角向梯度.渦旋光的角向相位梯度與光束的軌道角動量大小和方向密切相關(guān).具體而言,角動量的大小與渦旋光的角量子數(shù)l有關(guān),而方向則受到光束旋轉(zhuǎn)方向和偏振方向的影響.在光束傳播過程中,渦旋光的角向相位梯度會隨著傳播距離的增加而增大.通過將渦旋光束的螺旋相位梯度轉(zhuǎn)換為橫向相位梯度,然后使用透鏡將經(jīng)過轉(zhuǎn)換后具有不同橫向相位梯度的平面波聚焦到不同的位置的方式,可以將不同OAM 模式的光束在空間位置上被有效地分離出來,實現(xiàn)OAM 模式的高效分選.

基于上述想法,2010年,Berkhout 等[50]首次提出了利用對數(shù)-極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法進行渦旋光解復(fù)用的方法,如圖2(a)所示.他們通過使用兩個定制的光學(xué)元件將笛卡爾坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為對數(shù)極坐標(biāo),成功地將攜帶OAM 狀態(tài)的螺旋相位光束轉(zhuǎn)換為具有橫向相位梯度的高斯光束.接下來,透鏡將每個輸入的OAM 狀態(tài)聚焦到不同的橫向位置,實現(xiàn)了OAM 模式的分選.在這種方法中,關(guān)鍵的光學(xué)元件是將輸入光束的方位角位置轉(zhuǎn)換為輸出光束的橫向位置,即將螺旋相位光束轉(zhuǎn)換為橫向相位梯度的光學(xué)元件,這相當(dāng)于將包含同心圓的輸入圖像轉(zhuǎn)換為包含平行線的輸出圖像.

圖2 利用對數(shù)-極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換法實現(xiàn)OAM 模式分離的原理(a) 對數(shù)-極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換法實驗裝置圖[50];(b) 基于對數(shù)-極坐標(biāo)變換的緊湊OAM 模式解復(fù)用方案[52];(c) 使用折射光學(xué)元件將 OAM 狀態(tài)轉(zhuǎn)換為橫向動量狀態(tài)的光路示意圖[51]Fig.2.The principle of realizing OAM mode separation based on logarithmic-polar coordinate transformation method:(a) The schematic of the experimental setup based on log-polar coordinate transformation method [50];(b) the scheme of compact OAM mode demultiplexer based on logarithmic-polar coordinate transformation method[52];(c) the optical path of converting the OAM state into a transverse momentum state using refractive optical elements[51].

然而,這種轉(zhuǎn)換會引入光程長度的變化,導(dǎo)致需要對相位失真進行校正.因此,轉(zhuǎn)換系統(tǒng)包括兩個定制的光學(xué)元件:一個用于執(zhí)行圖像轉(zhuǎn)換的解復(fù)用器件,另一個位于解復(fù)用器件的傅立葉平面中,用于校正相位失真的相位矯正器件.解復(fù)用器件執(zhí)行映射(x,y) →(u,v),其中(x,y)和(u,v) 分別表示輸入和輸出平面中的笛卡爾坐標(biāo)系,而相位矯正器件則對前一步驟中引入的偏差進行相位校正.然而,由于空間光調(diào)制器(SLM)的衍射效率有限,大約有四分之三的輸入光束損失,導(dǎo)致相鄰OAM 模式的分離度受到衍射的限制.

為了改善這一問題,2012年,Lavery 等[51]改進了所需的實驗裝置,將之前使用的衍射光學(xué)元件替換為折射光學(xué)元件(圖2(c)),實驗證明光學(xué)元件能夠在單光子水平上分離輸入渦旋光的 OAM 狀態(tài).這項改進提高了攜帶OAM 的光束分離效率,最終測得攜帶OAM 的光束分離到探測器上的離散區(qū)域效率為85%.這種方法可用于生成和檢測量子通信或量子密鑰分配系統(tǒng)中使用的 OAM 狀態(tài),從而增加可編碼到單個光子上的信息量.

由于對數(shù)-極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換法的解復(fù)用器被分為兩個相位組件,在實際過程中對準(zhǔn)要求非常嚴(yán)格.為了簡化兩個相位元件的對準(zhǔn)過程,提高光學(xué)體系結(jié)構(gòu)的緊湊性和小型化水平,研究人員在器件集成、設(shè)計優(yōu)化和采用新型材料等方面進行了深入而系統(tǒng)的研究[52-56].2017年,Ruffato 等[52]提出了一種基于對數(shù)-極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換法的緊湊型 OAM 模式解復(fù)用器方案(圖2(b)),將這種解復(fù)用技術(shù)應(yīng)用于完美旋渦光的OAM 分選,并通過將兩個光學(xué)元件集成到一個衍射光學(xué)元件中,進一步提高了器件的微型化水平.具體而言,解復(fù)用器件分為外部解復(fù)用區(qū)和內(nèi)部相位矯正區(qū),渦旋光束首先通過外部展開區(qū)(而內(nèi)部相位矯正區(qū)的輸入強度為零)進行解碼,然后光束被反射鏡反射并照亮解復(fù)用器件的內(nèi)部相位矯正區(qū)域.通過自動設(shè)計這兩個元件的同軸性、對準(zhǔn)性和平行性,有利于簡化對準(zhǔn)操作,并實現(xiàn)了器件的小型化和集成化.實驗結(jié)果顯示,當(dāng)Δl=4時,可以有效地分離遠(yuǎn)場光斑,并且降低串?dāng)_值低于-15dB,達到高達96%的分離效率.最近,Li 等[56]驗證了一種新型的光子總角動量(total angular momentum,TAM)調(diào)制器,實現(xiàn)了TAM 的選擇性提取.在該工作中,他們采用對數(shù)-極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的方法設(shè)計了液晶衍射元件,證實了其工作性能穩(wěn)定并且OAM 模式分離的串?dāng)_很小.這表明該緊湊型模式解復(fù)用器方案能夠在高效的同時實現(xiàn)較低的串?dāng)_和高分離效率.

2.2.1.2 模式復(fù)制法

使用對數(shù)-極坐標(biāo)變換進行解復(fù)用是一種簡單高效的方法,但其分辨率受到模式串?dāng)_的限制.由于方位角變量在該數(shù)學(xué)變換中的周期局限于2π,無法完全對應(yīng)于螺旋相位,導(dǎo)致解復(fù)用結(jié)果存在顯著重疊,從而限制了識別分辨率,并在分離的通道之間產(chǎn)生串?dāng)_.這是該方法固有的局限性,無法通過放大變換后的平面波來避免.放大平面波會減小其波前的傾斜角,雖然放大后的平面波可以聚焦到更小的點上,但這些點之間的間距也相應(yīng)減小,導(dǎo)致重疊程度沒有改善.

為了改善這種情況,2013年,Mirhosseini 等[57]受到Berkhout 等[50,51]的啟發(fā),提出了一種基于對數(shù)-極坐標(biāo)變換的“模式復(fù)制”方法,并在之后的工作中通過對軌道角動量的弱測量和對角位置的強測量,探索其在高緯度狀態(tài)的檢測潛力,實現(xiàn)了在軌道角動量的離散基中高維狀態(tài)向量的實際直接測量[58],實驗裝置如圖3(a)所示.該方法的原理是將每個OAM 模式映射到傾斜平面波前的多個副本.在這種情況下,變換光束的寬度增大,而傾斜角度保持不變.需要注意的是,截斷平面波的相鄰副本之間的周期性相位跳躍等于2π 的整數(shù)倍,因此產(chǎn)生的光束具有平滑的波前.這些轉(zhuǎn)換后的模式可以聚焦到一系列點上,這些點的間距與之前相同,但寬度更窄,實現(xiàn)了更高分辨率的分選.Malik等[58]利用這種方法測量了量子數(shù)為l=-12到l=12 的OAM 模式,并計算出正確檢測到OAM模式的平均概率為92.1%±0.7%.這表明模式復(fù)制方法能夠提高解復(fù)用的分辨率和減少串?dāng)_效應(yīng).這一研究為光渦旋解復(fù)用技術(shù)的發(fā)展提供了新的思路,通過模式復(fù)制的方法克服了對數(shù)-極坐標(biāo)變換的局限性,實現(xiàn)了更高的解復(fù)用性能.

圖3 (a) 模式復(fù)制方案分選的光路圖[58];(b) 螺旋極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換原理與對數(shù)極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換原理的對比示意圖;(c) 螺旋極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換原理的分選光路圖[59]Fig.3.(a) The schematic of the experimental setup of the mode sorter based on refractive beam-copying method[58];(b) comparison between the principle of spiral-polar coordinate transformation method and the principle of the log-polar coordinate transformation method;(c) the diagram of the optical path based on spiral-polar coordinate transformation method[59].

2.2.1.3 螺旋-極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換法

值得注意的是,采用增加相位的方式可能會引入大量冗余數(shù)值優(yōu)化,并需要額外的相位元件來實現(xiàn).為了克服這些問題,2018年,Wen 等[59]提出了一種更普遍適用的光學(xué)變換方案,稱為螺旋坐標(biāo)轉(zhuǎn)換,如圖3(b)所示.與之前的對數(shù)極坐標(biāo)變換不同,螺旋坐標(biāo)轉(zhuǎn)換沿著螺旋線路徑對光場的波前進行分解,實現(xiàn)了從OAM 模式到傾斜平面波模式的轉(zhuǎn)換,進而實現(xiàn)對不同的OAM 模式的分離.

螺旋坐標(biāo)轉(zhuǎn)換通過沿著螺旋線路徑提取更多的相位信息,可以實現(xiàn)對OAM 光場的更高分辨率測量.相比之前的變換方法,螺旋變換能有效地克服相鄰解復(fù)用模式在空間上部分重疊引起的串?dāng)_問題.這意味著螺旋坐標(biāo)轉(zhuǎn)換具有更好的解復(fù)用性能和分辨率,能夠更準(zhǔn)確地分離和識別不同的OAM 模式.螺旋坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的提出為光渦旋解復(fù)用技術(shù)的進一步發(fā)展提供了新的途徑.該方法不僅提高了解復(fù)用性能,還減少了對額外相位元件的依賴,具有更好的普適性和實用性.

2.2.2 多平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換法

盡管坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方案在緊湊性和高分辨率方面有了很大的改進,但是它的模式容量仍然存在限制.上述方案報道的解復(fù)用 OAM 模式數(shù)量為幾個或數(shù)十個,無法滿足大規(guī)模高容量光通信系統(tǒng)的需求.為了解決上述挑戰(zhàn),研究人員提出了一種名為多平面光轉(zhuǎn)換器(multi-plane light conversion,MPLC)的方案,實現(xiàn)了數(shù)百個OAM 模式的空間解復(fù)用.MPLC 是一組以一定距離依次連接的定制相位調(diào)制板,由于MPLC 具有較大的模式容量,研究人員將其應(yīng)用于渦旋光場的復(fù)用與解復(fù)用技術(shù),使得多個OAM 模式可以同時傳輸并實現(xiàn)高效的解復(fù)用過程[60-65].

2019年,Fontaine 等[60]提出了一種特殊的變換方法,用于將笛卡爾坐標(biāo)系中的點(x,y)轉(zhuǎn)換為Hermite-Gaussian(HG)模式中的笛卡爾指數(shù)(m,n),通過使用少量的等間距相位平面就可以實現(xiàn).如圖4(a)所示,這種變換方法利用了多平面光轉(zhuǎn)換設(shè)備,研究人員成功地演示了超過325 種模式的分離.MPLC 設(shè)備具有高度復(fù)雜的相位變換能力,它可以將輸入光場轉(zhuǎn)換為包含多個光學(xué)模式的輸出光場.通過優(yōu)化相位分布和光學(xué)元件的設(shè)計,MPLC 設(shè)備能夠高效地實現(xiàn)OAM 模式的解復(fù)用,并且具備較大的模式容量.這項研究的結(jié)果表明,利用特殊變換方法和MPLC 設(shè)備可以實現(xiàn)更大規(guī)模的OAM 模式解復(fù)用.此類研究成果對實現(xiàn)高容量的光通信系統(tǒng)具有重要意義,它為進一步提升光通信的數(shù)據(jù)傳輸速率和容量提供了新的途徑.通過采用特殊變換方法和MPLC 設(shè)備,可以有效地利用OAM 模式的多樣性和大容量特性,為光通信領(lǐng)域帶來更加廣闊的發(fā)展前景.最近,研究者也提出了一種光學(xué)衍射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),結(jié)合深度學(xué)習(xí)和光場調(diào)制功能,用于調(diào)制OAM 模式,顯示出出色的信息處理能力[67-72].然而,這些方法主要集中在對單個渦旋光束的模式轉(zhuǎn)換.

圖4 (a) 用于HG/LG 疊加態(tài)分解的多平面光轉(zhuǎn)換器件[60];(b) 準(zhǔn)小波共形映射示意圖[66];(c) 基于光衍射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的寬帶、低串?dāng)_和大信道OAM 模式解復(fù)用[60]Fig.4.(a) Multi-plane optical converter for HG/LG superposition state decomposition[60];(b) the schematic of quasi-wavelet conformal mapping[66];(c) low crosstalk OAM mode demultiplexer based on optical diffraction neural network[60].

2.3 準(zhǔn)小波變換法

為了解決坐標(biāo)變換方案輸出重疊導(dǎo)致分選后相鄰 OAM 模式之間的嚴(yán)重串?dāng)_問題,2023年,Cao 等[66]提出了一種新穎獨特的方法,稱為準(zhǔn)小波變換法,該方法比多平面光轉(zhuǎn)換方法所需的相平面更少.準(zhǔn)小波變換法的工作原理是將輸入平面劃分為多個同心環(huán),并將這些同心環(huán)轉(zhuǎn)換為多個傾斜平面波,然后將它們排列成一條直線,如圖4(b)所示.通過這個操作,可以得到N倍周期的傾斜平面波,其中N取決于劃分的同心環(huán)的數(shù)量.傾斜平面波具有周期性延伸和增大長度的特性,因此能夠減少重疊和模式串?dāng)_.

與先前提出的極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換法中的一對多映射不同,準(zhǔn)小波共形映射方法實際上是一對一的共形映射.這意味著每個輸入OAM 模式都被映射到一個唯一的傾斜平面波,避免了多個模式之間的重疊.實驗表明,準(zhǔn)小波變換法可以實現(xiàn)多達15個通道(OAM-7到OAM+7)的OAM解復(fù)用,并且模式間串?dāng)_小于-12.1 dB.這種方法的提出為解決OAM 模式解復(fù)用中的串?dāng)_問題提供了一種新的有效途徑,并且具有較高的解復(fù)用容量和較低的串?dāng)_水平.

2.4 基于光衍射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的OAM 模式解復(fù)用

光的波長、時間、偏振和復(fù)雜振幅的光通信技術(shù)正在接近瓶頸,而空間維度則相對未被探索.為了有效利用光的空間維度,寬帶和低串?dāng)_的OAM模式解復(fù)用器件是必不可少的.如圖4(c)所示,用于OAM 模式解復(fù)用的光學(xué)衍射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型首先通過級聯(lián)一組相位板來構(gòu)建[60],以該器件的解復(fù)用過程為例,右端口輸入的同軸渦旋光束通過自由空間衍射和被相位板P1—PN調(diào)制后,將逐漸轉(zhuǎn)化為分離的渦旋光束陣列.由于這組相位板的結(jié)構(gòu)是通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來優(yōu)化設(shè)計的,因此可以快速地預(yù)測模型結(jié)構(gòu).得益于光學(xué)衍射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的大操作自由度,該器件可以支持16 種OAM 模式(l=±1—±8),并有可能進一步擴展通道數(shù),實現(xiàn)定制化的寬帶、低串?dāng)_和大信道OAM 模式解復(fù)用.

基于光學(xué)坐標(biāo)變換的分選系統(tǒng)已經(jīng)在實驗中得到驗證,并展示出較高的分類效果和穩(wěn)定性.相對于干涉測量方法,基于光學(xué)坐標(biāo)變換的分選系統(tǒng)具有許多優(yōu)勢.首先,它可以減少光學(xué)系統(tǒng)的復(fù)雜度和體積,僅需少量的光學(xué)元件便可實現(xiàn)分類,而無需使用數(shù)個干涉儀和臂.其次,它可以減小信號損失,因為光學(xué)坐標(biāo)變換不涉及干涉過程,避免了干涉引起的能量損耗.然而,仍然存在一些挑戰(zhàn)需要克服,例如光學(xué)元件的設(shè)計和制備精度、系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性等方面.因此,未來的研究可以集中在優(yōu)化光學(xué)坐標(biāo)變換分選系統(tǒng)的性能,并探索適用于實際光通信系統(tǒng)的高效設(shè)計.此外,基于光衍射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的OAM 模式解復(fù)用通過多層衍射面結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了空間維度的解復(fù)用,為光通信技術(shù)提供了新的維度.

3 渦旋光模式解復(fù)用器的制備方法

需要注意的是,之前提到用于產(chǎn)生渦旋光束的無源設(shè)備也可以應(yīng)用于渦旋光解復(fù)用.本節(jié)將回顧一些有效的渦旋光解復(fù)用方法和設(shè)備,這些方法和設(shè)備主要基于對渦旋光束的分類或檢測,以實現(xiàn)渦旋光的解復(fù)用.渦旋光解復(fù)用的方法和裝置通常依據(jù)以下原理進行設(shè)計:將具有不同拓?fù)潆姾芍档臏u旋光束傳輸?shù)讲煌目臻g位置,或?qū)u旋光束轉(zhuǎn)換為其他容易測量的物理參數(shù).這些方法為渦旋光的解復(fù)用提供了一種可行的途徑.

3.1 傳統(tǒng)制備方法

在過去的二十年里,已經(jīng)開發(fā)了一系列技術(shù)來制備OAM 分選器.使用叉狀全息圖、液晶q 片或超表面可以高精度地分選不同的 OAM 模式,但通常受到 1/N的成功率的限制,其中N是涉及分離的 OAM 模式的數(shù)量.基于馬赫-曾德爾干涉儀的方案可以實現(xiàn)接近單位的效率來測量N態(tài),但這種方法受到多個分選階段的復(fù)雜性和尺寸的影響.

液晶是一種具有可調(diào)控光學(xué)性質(zhì)的材料,可以通過外加電場改變其折射率,從而調(diào)制光的相位,實現(xiàn)對OAM 的分選[73-75].2009年,Karimi 等[76]利用液晶雙折射片(q 片)的特性提出了一種高效產(chǎn)生和分選具有單位拓?fù)潆姾傻臏u旋光OAM的方法.如圖5(a)所示,裝置由四分之一波片,q片和四分之一波片構(gòu)成.實施步驟如下:首先,使用波長為532 nm 的線偏振TEM00激光束作為＞激光束作為＞激光束作為＞激光束作為＞激光束作為＞激光束作為＞激光束作為＞激光束作為＞激光束作為輸入光,通過四分之一波片控制光的偏振狀態(tài)為左旋或右旋.然后,光束通過q 片轉(zhuǎn)換為渦旋光.在分選實驗中,研究人員利用空間光調(diào)制器和四分之一波片依次創(chuàng)建了四個光子狀態(tài)|L,2〉,|L,-2〉,|R,2〉,|R,-2〉.隨后,這4個狀態(tài)通過q 片分別變?yōu)閨R,4〉,|R,0〉,|L,0〉,|L,4〉.進一步使用四分之一波片,這些狀態(tài)又分別轉(zhuǎn)換為|H,4〉,|H,0〉,|V,0〉,|V,-4〉.其中,|H,4〉和|H,0〉透過偏振分束器傳輸,而|V,0〉和|V,-4〉將被反射.由于q 片的作用,反射和透射光束中的兩個狀態(tài)具有不同的光子軌道角動量值(m=0 和m=4).在遠(yuǎn)場或透鏡的焦平面上,這兩個模式可以通過它們不同的徑向分布進行分離,從而將具有m=0 的中心光斑和m=4 的外環(huán)區(qū)分開來,最終成功將所有4 個初始自旋軌道模式分類為獨立的光束.實驗測試結(jié)果顯示,當(dāng)對比度大于103時,分選效率為50%,當(dāng)對比度大于106時,分選效率為10%.然而由于液晶的性能可能受到溫度和環(huán)境變化的影響,需要外部穩(wěn)定控制,且液晶q 片的響應(yīng)速度較慢,因此利用液晶q 片作為渦旋光分選器可能不適用于高速通信系統(tǒng).

圖5 (a) 光子的SAM 變化轉(zhuǎn)換為OAM 的裝置示意圖[76];(b) 基于達曼光柵進行OAM(解)復(fù)用的自由空間光通信示意圖[22];(c) 使用雙光子光刻技術(shù)在少模光纖表面上制造渦旋光柵示意圖[80];(d)基于電子束刻蝕法制作的超表面流程圖[81]Fig.5.(a) The schematic of SAM-OAM mode converter[76];(b) the schematic of free-space optical communication based on Dammann grating for OAM(de)multiplexing[22];(c) the details of fabricating vortex gratings on the surface of few-mode optical fibers using two-photon lithography[80];(d) flow chart of producing metasurface based on electron beam etching[81].

叉狀全息圖是一種常用于制備渦旋光分選器的方法,通過光的干涉來實現(xiàn)不同渦旋光模式的分選[77-79].2015年,Lei 等[22]提出了一種名為達曼光柵的新型解復(fù)用光學(xué)器件.如圖5(b)所,該器件利用達曼光柵對光信號進行編碼和解碼,實現(xiàn)了光學(xué)信號的解復(fù)用.具體而言,通過將具有平面波前的高斯形光束投射到達曼光柵上,光束經(jīng)過零級衍射后被編碼到同軸渦旋光束的不同OAM 通道中.在接收端,通過同樣的達曼光柵進行解復(fù)用,將所有的OAM 信道解碼為相應(yīng)衍射級的高斯光束.這種達曼光柵方案能夠支持10 個通道的渦旋光束的解復(fù)用,從而實現(xiàn)高達80/160 Tbit/s 的高速光通信.

研究團隊采用紫外光刻技術(shù)制造達曼光柵.他們設(shè)計了尺寸為5.12 mm × 5.12 mm 的相位掩模,具有1024 像素 × 1024 像素的高分辨率,光柵周期尺寸為50 μm.制備過程如下:首先,在石英襯底上涂覆了AR-N4340 光刻膠,并控制光刻膠厚度為1.285 μm;然后,經(jīng)過軟烘烤處理后,使用365 nm 的紫外波長和20 mW/cm2的曝光劑量,利用MJB4 掩模對準(zhǔn)儀進行曝光;曝光完成后,進行后烘烤和顯影處理,成功制備出所需的達曼光柵結(jié)構(gòu),其尺寸和圖案與設(shè)計一致.

在2018 年的研究中,Xie 等[80]提出了一種集成光纖式的OAM(解)復(fù)用器,利用在光纖端面制備的渦旋光柵實現(xiàn)了直接的渦旋光OAM 復(fù)用和解復(fù)用.經(jīng)過5 km 的少模光纖傳輸后,誤比特率測量結(jié)果證實了該方案的有效性和可行性.制備渦旋光柵的光纖端面制作工藝示意圖如圖5(c)所示.該實驗裝置解決了在端面上通過雙光子光刻進行三維微納結(jié)構(gòu)制作的困難.所采用的少模光纖的芯徑為20 μm,包層直徑為125 μm.光纖和蓋玻片被放置在一個支架上,可以微米級精度地調(diào)節(jié)切割面和蓋玻片之間的距離.渦旋光柵的寫入使用了三維光刻系統(tǒng),并且通過計算機控制的樣品臺精確操控激光焦點相對于光纖端面的位置.渦旋光柵的模型使用計算機輔助設(shè)計軟件按照定義的方程進行建模.隨后,將三維設(shè)計轉(zhuǎn)化為與光刻系統(tǒng)控制軟件兼容的代碼,光刻系統(tǒng)通過數(shù)字寫入過程將設(shè)計好的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到光刻膠中.

由于光柵的制備過程中涉及特定的角度,使得該方法對于角度變化非常敏感,因此在實際應(yīng)用中需要精密的角度控制.每個叉狀全息圖通常只能分選一種渦旋光模式,對于多個渦旋光模式的分選需要多個全息圖,增加了系統(tǒng)復(fù)雜性.

片上集成OAM 分選對于解決數(shù)據(jù)流量指數(shù)增長所帶來的挑戰(zhàn)至關(guān)重要.雖然已經(jīng)取得了一些成功,但當(dāng)前的多路分解技術(shù)要么會顯著降低效率,要么會犧牲系統(tǒng)的緊湊性[81-87].2022年,Cheng 等[81]報道了一種在CMOS 芯片上實現(xiàn)模式分選的超緊湊型OAM 解復(fù)用器.為了實現(xiàn)分選功能,他們在互補金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)相機上集成了TiO2超表面.實驗測量結(jié)果顯示,該分選器在拓?fù)潆姾煞秶鸀閙=-3—+3的渦旋光模式分離方面表現(xiàn)出高效率和低串?dāng)_.分選器的分離效率達到了77.3%,串?dāng)_水平為-6.43dB.該研究團隊采用了以下工藝步驟來制備基于TiO2納米棒的超表面(sub＞納米棒的超表面(sub＞納米棒的超表面(sub＞納米棒的超表面(sub＞納米棒的超表面).首先,使用電子束蒸發(fā)在具有氧化銦錫(ITO)涂層的玻璃基底上沉積一定厚度的TiO2薄膜.隨后旋涂電子束抗蝕膠后,使用電子束光刻技術(shù)進行圖案制作,在顯影后形成反轉(zhuǎn)圖案.接著,使用電子束蒸發(fā)沉積一定厚度的鉻,并通過去除掉光刻膠來形成鉻硬掩膜.最后,使用等離子刻蝕將光刻圖案轉(zhuǎn)移到TiO2薄膜上,并用Cr 蝕刻液去除Cr 掩膜,從而實現(xiàn)TiO2納米棒超表面的制作.整個過程的處理時間為10 min.通過優(yōu)化刻蝕過程,他們能夠?qū)崿F(xiàn)更高的縱橫比(35 以上)并將表面粗糙度降至最低.所有這些高質(zhì)量的制備工藝確保了基于超表面的軌道角動量分選系統(tǒng)的高性能.超表面的軌道角動量分選系統(tǒng)的高性能.超表面的軌道角動量分選系統(tǒng)的高性能.超表面的軌道角動量分選系統(tǒng)的高性能.超表面的軌道角動量分選系統(tǒng)的高性能.超表面的軌道角動量分選系統(tǒng)的高性能.超表面的軌道角動量分選系統(tǒng)的高性能.超表面的軌道角動量分選系統(tǒng)的高性能.超表面的軌道角動量分選系統(tǒng)的高性能.

基于電子束光刻技術(shù)制備的超緊湊尺寸的OAM分選器與光纖系統(tǒng)兼容,電子束刻蝕法的定位精度非常高,可以實現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的精確制作.與一些其他制備技術(shù)相比,電子束刻蝕法的制作速度較慢,可能不適用于大規(guī)模生產(chǎn),且制作面積有限,可能需要多次曝光和刻蝕才能制作大尺寸的器件.

3.2 新興的制備方法

利用光控取向液晶制作渦旋光分選器是一種常見的方法,通過設(shè)計渦旋結(jié)構(gòu)的光柵圖案,適當(dāng)調(diào)整電場或激光束的參數(shù),使得不同渦旋光的分量在液晶層中以不同的方式傳播,實現(xiàn)渦旋光的分選.2018年,Fang 等[88]提出了一種創(chuàng)新的圓柱矢量光束多路復(fù)用通信方案.該方案利用了基于光取向液晶制造的Pancharatnam-Berry 光學(xué)元件器件,通過這些器件可以實現(xiàn)自旋相關(guān)的光學(xué)幾何變換(圖6(a)).這種變換能夠?qū)A柱矢量光束從甜甜圈形狀轉(zhuǎn)換為兩條直線,從而實現(xiàn)對拓?fù)潆姾芍翟?10—+10 之間的柱矢量光進行分選.實驗結(jié)果顯示,該方案具有高達61.7%的分選效率.

圖6 (a) Pancharatnam-Berry 光學(xué)元件器件的相位分布圖[88];(b) 基于使用單層超表面的太赫茲頻段 OAM 復(fù)用方案的天線結(jié)構(gòu)示意圖[89];(c) 攜帶OAM 的光束的光電流測量示意圖[90]Fig.6.(a) Phase distribution of Pancharatnam-Berry photonic device[88];(b) the schematic of the nanoantenna of single-layer metasurface for terahertz OAM multiplexing[89];(c) the schematic of the photocurrent measurement for optical beams carrying OAM[90].

為了設(shè)計和制備Pancharatnam-Berry 光學(xué)元件液晶器件,該團隊采用了基于無掩模動態(tài)投影曝光系統(tǒng)的光控取向技術(shù).首先,在制備器件之前先對ITO 玻璃基底進行了超聲波和紫外臭氧清潔(玻璃尺寸為1.5 cm×2.0 cm).接下來,使用磺酸基偶氮染料SD1 作為取向劑,并將其旋涂在二甲基甲酰胺上.經(jīng)過100 ℃下固化10 min后,該團隊將兩個玻璃基底組裝在一起,并用環(huán)氧膠封裝形成間格為6 μm 的液晶盒.填充液晶后,SD1 分子將通過分子間相互作用局部引導(dǎo)液晶分子的取向.需要注意的是,由于SD1 分子具有二色性吸收特性,并對入射光的偏振態(tài)敏感,當(dāng)吸收紫外偏振光時,染料分子發(fā)生異構(gòu)化,最終趨向于與局部偏振方向垂直,從而只記錄最終的光致取向.為了將偏振全息圖轉(zhuǎn)移到SD1 層上,他們使用基于數(shù)字微鏡陣列(DMD)的曝光技術(shù).經(jīng)過偏振片和準(zhǔn)直系統(tǒng)的紫外偏振光通過透鏡到達 DMD 表面,DMD像素微鏡可以通過計算機輸入圖像進行控制,使反射的紫外線偏振光中攜帶曝光圖案信息,最終實現(xiàn)液晶高精度圖案化取向.

綜合考慮,光控取向液晶制作渦旋光分選器具有實時可調(diào)、高效率和緊湊性等優(yōu)點,但也存在響應(yīng)速度有限和對波長敏感等缺點.

近幾年,基于亞波長天線陣列的超表面技術(shù)已在各個領(lǐng)域展示了巨大的應(yīng)用價值.通過引入突變的相位梯度,超表面已被廣泛應(yīng)用于光的波前整形.通過調(diào)制電磁波的相位和振幅,超表面可以很容易地被用于渦旋光的復(fù)用和解復(fù)用中.Zhao 等[89]對基于單層超表面的太赫茲波段OAM 復(fù)用進行了理論和實驗驗證,他們所設(shè)計的器件可以將入射高斯光束調(diào)制為4 個具有不同拓?fù)潆姾蓴?shù)的聚焦渦旋光束,這意味著該技術(shù)可以支持四通道OAM 復(fù)用.當(dāng)使用每個單獨的渦流光束作為入射光束時,在焦斑處僅識別和提取一個通道,即實現(xiàn)了OAM 模式解復(fù)用.該器件由100×100 個天線單元組成,采用真空蒸發(fā)、光刻和隨后的沉積工藝相結(jié)合的方法制造,圖6(b)為該器件的部分天線示意圖,所制造的解復(fù)用器結(jié)構(gòu)尺寸約為1.0 cm×1.0 cm,厚度在亞波長范圍內(nèi),其優(yōu)點包括小尺寸、輕重量和低成本等.

近幾十年來,研究人員對于在緊湊設(shè)備中實現(xiàn)微米級和納米級渦旋光發(fā)生器和探測器的研究興趣逐漸增加.2020年,Ji 等[90]設(shè)計了一種基于二碲化鎢的光電探測器,旨在直接表征渦旋光的軌道角動量的拓?fù)潆姾?圖6(c)).這種探測器采用了精心設(shè)計的電極幾何形狀,可以將渦旋光信號直接轉(zhuǎn)化為電信號.該光電探測器利用螺旋相位梯度驅(qū)動的軌道光電流效應(yīng),通過測量圍繞光束軸纏繞的電流來區(qū)分不同OAM 模式.這種電流的大小與OAM模式的量化值成比例,從而實現(xiàn)對OAM 拓?fù)潆姾傻闹苯訙y量.

為了實現(xiàn)光芯片的制備,首要任務(wù)是獲取二碲化鎢薄膜.該團隊采用化學(xué)氣相傳輸法將多晶狀態(tài)下的二碲化鎢粉末和轉(zhuǎn)運劑碘在的耐熱石英容器中密封.在高溫的環(huán)境下,讓單晶二碲化鎢在容器內(nèi)生長.數(shù)天后用冰水對容器內(nèi)的二碲化鎢薄膜進行冷萃.隨后,利用脫模劑聚二甲硅氧烷對薄膜進行機械剝離.最后,利用物理氣相沉積和電子束光刻的方法在薄膜上附上接收光電流的電極.因此利用該方法制備的光電探測器可以直接測量OAM,然而,利用光電探測器僅能測量單一的拓?fù)潆姾芍?無法對同軸的多個渦旋光束進行有效分選.

4 渦旋光在模式復(fù)用通信方面的應(yīng)用

近年來,OAM 在光通信中的應(yīng)用是OAM 子領(lǐng)域中最活躍的研究方向之一[91-95].關(guān)鍵原因是光的自旋角動量只有兩個正交狀態(tài),而OAM 具有可能無限多個狀態(tài).早在2004年,Padgett 等[96]就在自由空間通信中首次明確使用了OAM,他們在幾米范圍內(nèi)的望遠(yuǎn)鏡-望遠(yuǎn)鏡光學(xué)鏈路中應(yīng)用了OAM.該早期系統(tǒng)利用空間光調(diào)制器(SLM)制造和測量了8 種不同的OAM 狀態(tài)之一,盡管其固有光學(xué)測量效率為1/8.隨后,利用兩個共同傳播但可區(qū)分的OAM 信道進行了長路徑長度演示[97],在射頻領(lǐng)域取得了成功.盡管存在這些早期的演示,但直到Wang 等[98,99]將OAM 與他們在實際通信系統(tǒng)中的專業(yè)知識相結(jié)合,OAM 在擴展多路復(fù)用選項范圍方面的潛力才得到真正的認(rèn)可.

在OAM 多路復(fù)用光通信領(lǐng)域,近年來出現(xiàn)了兩種主要方案:自由空間通信[96,98,100]和光纖通信[101,102].OAM 復(fù)用光通信已經(jīng)實現(xiàn)了超過Tbit級別的傳輸容量,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了傳統(tǒng)方案,從而極大地拓寬了其應(yīng)用范圍.同時,隨著渦旋光在大氣中傳播的研究的不斷深入,利用渦旋光進行自由空間通信的性能也在逐步改善和提升.2012年,Wang 等[98]在渦旋光OAM 解復(fù)用領(lǐng)域取得了重要突破,成功展示了4 個偏振復(fù)用的軌道角動量光束的復(fù)用和解復(fù)用技術(shù).如圖7(a)所示,他們利用正交幅度調(diào)制(16-QAM)信號傳輸每個光束,實現(xiàn)了每個符號4 位的數(shù)據(jù)傳輸,每個光束承載了(42.8 × 4) Gbit/s 的數(shù)據(jù)速率.通過復(fù)用4 個軌道角動量光束和兩個偏振狀態(tài),總傳輸容量達到了1369.6 Gbit/s,頻譜效率達到了25.6 bit/s/Hz(使用50 GHz 網(wǎng)格).他們還在空間域展示了可擴展性,通過利用兩組同心環(huán),每組包含8 個偏振復(fù)用的軌道角動量光束.每個光束承載著(20 × 4)Gbit/s 的16-QAM 信號,從而實現(xiàn)了令人矚目的2560 Gbit/s 的傳輸容量.通過復(fù)用8 個軌道角動量光束、兩個偏振狀態(tài)和兩組同心環(huán),頻譜效率達到了95.7 bit/s/Hz(使用25 GHz 網(wǎng)格).此外,他們還成功展示了兩個軌道角動量光束之間的數(shù)據(jù)交換,每個光束承載了100 Gbit/s 的差分正交相移鍵控(DQPSK)信號.這些重要研究結(jié)果推動了渦旋光OAM 解復(fù)用技術(shù)的發(fā)展,并為高容量、高效率的光通信系統(tǒng)提供了有力的支持.

圖7 (a)載有信息的渦旋光束的復(fù)用/解復(fù)用以及偏振復(fù)用/解復(fù)用[98];(b)埃爾朗根天際線1.6 km 遠(yuǎn)的自由空間扭曲光路徑和實驗裝置圖[103];(c) 用于表征生成的渦旋光束的實驗裝置[104];(d) OAM-SDM-WDM 數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶嶒炑b置[105];(e) OAM 復(fù)用光纖通信系統(tǒng)的實驗裝置,實驗裝置包括發(fā)射器、OAM(解)復(fù)用器和接收器[80]Fig.7.(a) De/multiplexing of OAM beams carrying information and de/multiplexing of polarization [98];(b) 1.6 km free-space link in the city of Erlangen and the corresponding experimental setup[103];(c) experimental setup for characterizing the generated OAM beam[104];(d) experimental setup of OAM-SDM-WDM data transmission[105];(e) experimental setup of the optical fiber communication system for OAM multiplexing,including a transmitter,an OAM,de/multiplexer and a receiver[80].

2017年,Lavery 等[103]進行了一項重要實驗,他們在渦旋光OAM 解復(fù)用領(lǐng)域取得了新的突破.如圖7(b)所示,他們在實驗中疊加了兩束具有不同軌道角動量狀態(tài)的波長為809 nm 的光束,并將其傳輸穿越了埃爾朗根市區(qū),距離達到了1.6 km.這些光束不僅穿越了公路,還經(jīng)過了高聳的建筑物,在日常的城市環(huán)境中受到了噪音和大氣湍流的干擾.通過這個實驗,研究人員成功地探索了在真實的城市環(huán)境中傳輸高維結(jié)構(gòu)化光場的可行性.這一成果為進一步推動渦旋光OAM 解復(fù)用技術(shù)在實際應(yīng)用中的發(fā)展提供了重要的實證基礎(chǔ).

實驗中的具體步驟如下.首先,使用二極管激光源產(chǎn)生光束,然后利用空間光調(diào)制器(SLM)在光束上編碼了具有l(wèi)分叉全息圖的OAM 模式.在本實驗中,所使用的是線偏振模式.接下來,通過望遠(yuǎn)鏡對這些模式進行進一步擴展,使其具有約40 mm 的近似光束尺寸.隨后,這些光束通過1.6 km 的自由空間鏈路進行傳輸.實驗中的模式接收器由一個直徑為150 mm、焦距為800 mm 的聚光透鏡組成.測量結(jié)果顯示,當(dāng)l=1時,在接收孔徑處接收到的光功率損失約為5.64 dB.

望遠(yuǎn)鏡中還包括第2 個透鏡,用于對收集到的光束進行縮小,使其直徑約為10 mm.為了檢測OAM 內(nèi)容以及OAM 通道之間的串?dāng)_,他們在縮小光束的望遠(yuǎn)鏡輸出處放置了一個稱為模式分選器的設(shè)備.該模式分選器利用兩個折射元件將OAM 態(tài)轉(zhuǎn)換為橫向動量態(tài)(即傾斜的平面波).透鏡用于將這些轉(zhuǎn)換后的態(tài)聚焦到放置在焦平面上的電荷耦合器件(CCD)攝像機上的離散點上.在測量的CCD 圖像中,他們定義了相鄰且大小相等的區(qū)域,每個區(qū)域?qū)?yīng)于特定的OAM 模式.每個區(qū)域中測得的像素值之和與每個OAM 模式中的光束功率成比例.這種方法提供了一種全新的無線點對點數(shù)據(jù)傳輸方式.由于該方案基于軌道角動量量子態(tài),它還展示了量子糾纏現(xiàn)象的特性.這意味著該技術(shù)有潛力在量子密碼學(xué)領(lǐng)域得到應(yīng)用.通過利用量子糾纏,可以實現(xiàn)更安全的通信和數(shù)據(jù)傳輸,進一步推動信息安全領(lǐng)域的發(fā)展.

與自由空間OAM 通信相比,基于光纖的OAM 通信系統(tǒng)在湍流大氣中具有更好的穩(wěn)定性.在2018年,Heng 等[104]提出并展示了一種用于穩(wěn)定生成和傳播軌道角動量光束全光纖方案.如圖7(c)所示,方案利用自行設(shè)計和制造的梯度折射率少模纖維(GI-FMF)和兼容的模式選擇耦合器(MSC).MSC 由傳統(tǒng)的單模光纖(SMF)和GI-FMF 組成,實現(xiàn)了有效的SMF 基模到GI-FMF目標(biāo)OAM 模式的耦合,滿足相位匹配條件.同時,GI-FMF 打破了所選擇的本征模式和相鄰矢量模式之間的退化,確保了所選擇OAM 模式的保持和傳播.經(jīng)過實驗驗證,研究人員成功實現(xiàn)了在|l|=1 的穩(wěn)定OAM 模式下工作的全光纖器件.實驗結(jié)果表明,渦旋光束能夠穩(wěn)定地傳播,模式純度約為95%,帶寬達到100 nm.這種全光纖器件為進一步開發(fā)寬帶軌道角動量模式分割復(fù)用應(yīng)用提供了可行性.這種全光纖器件可用于進一步開發(fā)寬帶軌道角動量模式分割復(fù)用應(yīng)用.

在2022年,Liu 等[105]提出了一種創(chuàng)新的OAM空間多路復(fù)用(OAM-SDM)方案,并成功實現(xiàn)了高容量的光纖傳輸系統(tǒng)實驗.如圖7(d)所示,他們設(shè)計了一種具有離軸相位補償?shù)? 通道模式轉(zhuǎn)換相位板,并在自研的7 環(huán)芯OAM 光纖中實現(xiàn)了低串?dāng)_的發(fā)射和傳輸,包括纖芯間以及纖芯內(nèi)部模式信道組之間的傳輸.在接收端,僅使用了固定規(guī)模的4×4 多輸入多輸出(MIMO)算法來補償模式組內(nèi)部4 個簡并模式之間的串?dāng)_.該方案通過增加每個纖芯中模式組的數(shù)量來擴展復(fù)用信道的數(shù)量,而不是增加纖芯的數(shù)量,從而保證了光纖的總直徑小于200 μm.基于這一創(chuàng)新的OAMSDM 方案,結(jié)合C+L 波段密集波分復(fù)用技術(shù),他們首次展示了Pbit/s 級別的OAM 復(fù)用光纖傳輸系統(tǒng)實驗.在單根光纖內(nèi)傳輸了24960 個數(shù)據(jù)信道,傳輸距離達到34 km.該系統(tǒng)的總(凈)容量可達1.223(1.02) Pbit/s,并且具有較高的頻譜效率,可達156.8(130.7) bit/(s·Hz).

5 總結(jié)與展望

本文從渦旋光束的基本理論出發(fā),對渦旋光的解復(fù)用原理、加工制備方法以及新興應(yīng)用等相關(guān)研究進展進行了綜述.首先簡述了OAM 解復(fù)用原理的發(fā)展歷程.隨后,針對渦旋光OAM 解復(fù)用,介紹了多種典型的適用于實現(xiàn)多個渦旋OAM 的分離和解復(fù)用器件的制備方法.盡管利用馬赫-曾德干涉儀的方法可以對單個光子的OAM 進行分類,但隨著待分選的OAM 狀態(tài)數(shù)量的增加,系統(tǒng)的復(fù)雜度和信號損失也會迅速增加.這種復(fù)雜性和信號損失的上升限制了其在實際應(yīng)用中的可擴展性.然而,幾何坐標(biāo)變換技術(shù)在多個領(lǐng)域已經(jīng)取得了顯著的成功,這種技術(shù)可以將螺旋相位光束轉(zhuǎn)換為橫向相位梯度,從而實現(xiàn)渦旋光OAM 的有效分選.新近提出的多平面光轉(zhuǎn)換器方案具有更高的潛力,可以實現(xiàn)數(shù)百個不同OAM 模式的空間解復(fù)用,這為光通信領(lǐng)域帶來了更為廣闊的發(fā)展前景.

在過去二十年,渦旋光OAM 分選器的制備技術(shù)得到了廣泛研究與發(fā)展.電子束刻蝕法利用電子束對光刻膠進行圖案化,能夠形成高分辨率、精確度高的渦旋光解復(fù)用器件結(jié)構(gòu),適用于微小結(jié)構(gòu).然而,該方法制備效率低,工藝流程復(fù)雜,難以用于大規(guī)模生產(chǎn),且可制備器件面積有限,可能需要多次曝光和刻蝕才能制作大尺寸器件.激光直寫法通過將聚焦的激光束直接寫入光敏材料,從而制備所需結(jié)構(gòu).雖然適用于微小渦旋光器件,但相較于電子束刻蝕法,其分辨率依然較低.利用聚合光敏材料和激光的非線性光學(xué)效應(yīng),可以實現(xiàn)亞微米尺度的高分辨率制備.雙光子聚合法適用于制備具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)和高度定制化的渦旋光解復(fù)用器件,但通常分辨率相對較低.新興的光控取向液晶制備渦旋光分選器具有實時可調(diào)、高效率和緊湊性等優(yōu)點,但也存在響應(yīng)速度有限和對波長敏感等問題.這些技術(shù)為小型化渦旋光OAM 分選器的制備提供了多樣化的選擇,但在選擇時需要權(quán)衡其優(yōu)缺點以滿足特定應(yīng)用需求.

除了渦旋光束在粒子操控、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用,近年來OAM 在通信領(lǐng)域的應(yīng)用也備受關(guān)注.由于渦旋光OAM 在理論上具有無限多的拓?fù)潆姾梢约安煌琌AM 態(tài)之間的相互正交性,OAM為光通信系統(tǒng)提供了一個全新的物理維度.通過利用OAM 作為新的光通信自由度,可以與現(xiàn)有的多路復(fù)用傳輸系統(tǒng)合并兼容,這有望為光通信技術(shù)帶來巨大的變革.這篇綜述文章還提供了對OAM 在光通信領(lǐng)域的應(yīng)用研究的概述和總結(jié),為進一步探索和發(fā)展基于OAM 的高容量光通信技術(shù)提供了參考.

盡管近年來渦旋光發(fā)展迅速,但仍充滿挑戰(zhàn)和機遇.為了進一步推動渦旋光的發(fā)展,需要改進渦旋光的生成、檢測和操控方法和設(shè)備.這包括發(fā)展更高效、更精確的渦旋光生成技術(shù),設(shè)計更靈敏、更可靠的渦旋光檢測方法,并提供更靈活、更可控的渦旋光操控設(shè)備.此外,還需要深入研究渦旋光的更高級應(yīng)用,探索其在新領(lǐng)域和新技術(shù)中的潛在應(yīng)用,以實現(xiàn)更廣泛的應(yīng)用和影響.隨著技術(shù)的不斷進步和理解的深入,渦旋光必將在光學(xué)領(lǐng)域中扮演越來越重要的角色,并為科學(xué)研究和實際應(yīng)用帶來更多創(chuàng)新和突破.