小型化渦旋光模式解復用器:原理、制備及應用*

楊鑫宇 葉華朋? 李佩蕓 廖鶴麟 袁冬? 周國富

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

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

渦旋光因其具有光學軌道角動量(orbital angular momentum,OAM) 而在近二十年倍受關注.由于具有不同 OAM 的渦旋光相互正交,渦旋光在光通信領域展現了巨大的潛力,為未來實現高速、大容量的光通信技術提供了潛在的解決方案.本文旨在介紹渦旋光OAM 模式解復用技術的基本原理、小型化器件加工方法和在光通信領域的新興應用.首先,回顧OAM 模式解復用工作原理的發展歷程;隨后,針對渦旋光OAM 模式解復用,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用在通信領域中的新興應用,并對OAM 模式解復用的未來發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、復振幅(振幅、相位)、偏振和空間結構,操縱光子的這些物理維度可以實現光相關應用的多樣性[1-3].除了傳統上對頻率、時間、復振幅和偏振的關注之外,另一個已知的光子的物理維度——空間結構也受到越來越多的關注[4,5].1992年,Allen 等[6-8]指出光場的螺旋相位結構與光子的光學軌道角動量(orbital angular momentum,OAM)之間存在關聯.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為軌道角動量角量子數,也被稱為拓撲電荷數,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?(? 是普朗克常數除以2π),φ 為方位角坐標.空間結構光領域的進展不僅拓寬了光學研究的范疇,還為各種應用領域帶來了新的機遇和挑戰,包括量子信息編碼、光學操縱、光學超分辨成像、光學測量以及天文學等[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,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空間,因此可以被利用來提高各種光通信系統的信息容量[18,19].因為不同模式之間相互正交互不干擾,OAM 復用光通信技術的通信容量已遠超傳統方案,突破了Tbit 量級,從而可以提高光路的頻譜效率和信息容量,可以作為多路復用器應用于光通信中[20-23].

渦旋光的生成和渦旋光解復用是渦旋光應用開發的關鍵所在.渦旋光束的產生方法包括光學元件的設計,以及光場調控技術的應用.到目前為止,研究人員提出了各種利用光束轉換器進行自旋-軌道角動量轉換產生渦旋光束的方法[24].常見的方法包括螺旋相位板法[25]、計算全息法[26]、模式轉換法[8]、超表面[27,28]、空間光調制器法[29,30]和液晶q 片[31].除了光學渦旋,渦旋場的研究對象也逐漸擴展到其他領域,如電子渦旋、太赫茲渦旋和聲學渦旋[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撲荷,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,在實現多個OAM 模式疊加光束和高精度測量時,需要采用其他更復雜的技術和方法.OAM 解復用器是OAM 通信系統中的核心器件之一,其主要功能是對共軸傳輸的不同OAM 模式在空間上實現有效分離,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,研究者已經提出了多種有效的方法對具有不同拓撲電荷值的渦旋光束進行解復用,如基于馬赫-曾德干涉儀[41]的干涉測量系統和使用衍射光學元件(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 模式解復用領域的研究,首先簡述了渦旋光模式解復用原理的發展歷程,從早期的干涉法到目前廣泛采用的坐標轉換方法;隨后,針對渦旋光模式解復用,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,用于實現多個OAM 模式的分離和解復用;在進一步討論中,探討了基于軌道角動量的渦旋光解復用在模式復用通信領域中的潛在應用;最后,對渦旋光OAM 模式解復用技術面臨的一些挑戰和未來的應用方向進行了簡要總結和展望.

2 渦旋光模式解復用的原理

隨著無線光通信的迅速發展,傳統的調制和復用技術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,軌道角動量復用通信技術為無線光通信帶來了新的可能性,可以實現多維度的軌道角動量復用通信系統,從而提升通信帶寬.渦旋光OAM 解復用器是OAM 通信系統中的核心器件之一,其主要功能是對共軸傳輸的不同OAM 模式在空間上實現有效分離,實現 OAM 模式的識別、分選等.渦旋光OAM 模式解復用的目標是通過設計衍射光學元件,實現渦旋光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.雖然這種技術可以區分多種狀態,但無法測量單個光子的狀態,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,通過調整道威棱鏡的旋轉角度,將具有不同階數的渦旋光束傳播到不同的輸出端口,實現OAM 模式的分類.具體而言,通過調整旋轉角度,可以使相移呈現lα的形式.對于特定的l和α組合,旋轉后的光束可以與原始光束同相或異相.當將這種旋轉結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,通過設置單級MZ 干涉裝置的旋轉角度(α=π),可以在兩個不同的端口實現奇數和偶數階拓撲電荷數l的渦旋光束的分選.如圖1(b)所示,當級聯多個干涉裝置產生更多分選通道時,對于奇數階拓撲電荷數l并沒有合適的旋轉角度進行分選,因此需要通過全息圖法將奇數階拓撲電荷數l轉為偶數階拓撲電荷數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階拓撲電荷值的階數,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撲電荷階數高達90.為了測試模式間的串擾,他們通過測量輸入端相應的單個OAM模式的兩個干涉儀輸出端的功率分配比來進行實驗.實驗結果顯示,在OAM模式為l=0時,獲得了-10.3dB的串擾,而在l=1時,獲得了-8.0dB的串擾.

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 多路復用器/解復用器方案;(d) l=0時,BER 的測量值隨OAM 模式解復用后接收的光功率的變化規律,正方形為單個OAM 模式,不受l=1 模式串擾,三角形為兩個OAM 模式,受l=1 模式串擾[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 解復用領域,干涉測量方法被廣泛應用于多個OAM 狀態的分類.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)個臂來實現對n個不同的OAM 狀態的分選.隨著待分選的OAM 狀態數量的增加,系統的復雜度和信號損失也會急劇增加.系統的復雜性和信號損失限制了其在實際應用中的可擴展性.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 解復用技術的性能和可靠性.

2.2 坐標轉換法

2.2.1 對數-極坐標轉換法及改進方法

2.2.1.1 對數-極坐標轉換法

由于馬赫-曾德干涉儀存在系統較復雜和耗損隨著模式數的增大而增大的可擴展性問題,無法滿足實際光通信系統的小型化要求.近年來,基于光學坐標變換的分選系統被認為是一種應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構,呈現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生變化,因此渦旋光的螺旋相位呈現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.具體而言,角動量的大小與渦旋光的角量子數l有關,而方向則受到光束旋轉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換為橫向相位梯度,然后使用透鏡將經過轉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-極坐標轉換方法進行渦旋光解復用的方法,如圖2(a)所示.他們通過使用兩個定制的光學元件將笛卡爾坐標轉換為對數極坐標,成功地將攜帶OAM 狀態的螺旋相位光束轉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 狀態聚焦到不同的橫向位置,實現了OAM 模式的分選.在這種方法中,關鍵的光學元件是將輸入光束的方位角位置轉換為輸出光束的橫向位置,即將螺旋相位光束轉換為橫向相位梯度的光學元件,這相當于將包含同心圓的輸入圖像轉換為包含平行線的輸出圖像.

圖2 利用對數-極坐標轉換法實現OAM 模式分離的原理(a) 對數-極坐標轉換法實驗裝置圖[50];(b) 基于對數-極坐標變換的緊湊OAM 模式解復用方案[52];(c) 使用折射光學元件將 OAM 狀態轉換為橫向動量狀態的光路示意圖[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,這種轉換會引入光程長度的變化,導致需要對相位失真進行校正.因此,轉換系統包括兩個定制的光學元件:一個用于執行圖像轉換的解復用器件,另一個位于解復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.解復用器件執行映射(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元件替換為折射光學元件(圖2(c)),實驗證明光學元件能夠在單光子水平上分離輸入渦旋光的 OAM 狀態.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中使用的 OAM 狀態,從而增加可編碼到單個光子上的信息量.

由于對數-極坐標轉換法的解復用器被分為兩個相位組件,在實際過程中對準要求非常嚴格.為了簡化兩個相位元件的對準過程,提高光學體系結構的緊湊性和小型化水平,研究人員在器件集成、設計優化和采用新型材料等方面進行了深入而系統的研究[52-56].2017年,Ruffato 等[52]提出了一種基于對數-極坐標轉換法的緊湊型 OAM 模式解復用器方案(圖2(b)),將這種解復用技術應用于完美旋渦光的OAM 分選,并通過將兩個光學元件集成到一個衍射光學元件中,進一步提高了器件的微型化水平.具體而言,解復用器件分為外部解復用區和內部相位矯正區,渦旋光束首先通過外部展開區(而內部相位矯正區的輸入強度為零)進行解碼,然后光束被反射鏡反射并照亮解復用器件的內部相位矯正區域.通過自動設計這兩個元件的同軸性、對準性和平行性,有利于簡化對準操作,并實現了器件的小型化和集成化.實驗結果顯示,當Δl=4時,可以有效地分離遠場光斑,并且降低串擾值低于-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)調制器,實現了TAM 的選擇性提取.在該工作中,他們采用對數-極坐標轉換的方法設計了液晶衍射元件,證實了其工作性能穩定并且OAM 模式分離的串擾很小.這表明該緊湊型模式解復用器方案能夠在高效的同時實現較低的串擾和高分離效率.

2.2.1.2 模式復制法

使用對數-極坐標變換進行解復用是一種簡單高效的方法,但其分辨率受到模式串擾的限制.由于方位角變量在該數學變換中的周期局限于2π,無法完全對應于螺旋相位,導致解復用結果存在顯著重疊,從而限制了識別分辨率,并在分離的通道之間產生串擾.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減小,導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,提出了一種基于對數-極坐標變換的“模式復制”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的檢測潛力,實現了在軌道角動量的離散基中高維狀態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 的整數倍,因此產生的光束具有平滑的波前.這些轉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,實現了更高分辨率的分選.Malik等[58]利用這種方法測量了量子數為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%.這表明模式復制方法能夠提高解復用的分辨率和減少串擾效應.這一研究為光渦旋解復用技術的發展提供了新的思路,通過模式復制的方法克服了對數-極坐標變換的局限性,實現了更高的解復用性能.

圖3 (a) 模式復制方案分選的光路圖[58];(b) 螺旋極坐標轉換原理與對數極坐標轉換原理的對比示意圖;(c) 螺旋極坐標轉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-極坐標轉換法

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值優化,并需要額外的相位元件來實現.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變換方案,稱為螺旋坐標轉換,如圖3(b)所示.與之前的對數極坐標變換不同,螺旋坐標轉換沿著螺旋線路徑對光場的波前進行分解,實現了從OAM 模式到傾斜平面波模式的轉換,進而實現對不同的OAM 模式的分離.

螺旋坐標轉換通過沿著螺旋線路徑提取更多的相位信息,可以實現對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用模式在空間上部分重疊引起的串擾問題.這意味著螺旋坐標轉換具有更好的解復用性能和分辨率,能夠更準確地分離和識別不同的OAM 模式.螺旋坐標轉換的提出為光渦旋解復用技術的進一步發展提供了新的途徑.該方法不僅提高了解復用性能,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 多平面坐標轉換法

盡管坐標轉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用 OAM 模式數量為幾個或數十個,無法滿足大規模高容量光通信系統的需求.為了解決上述挑戰,研究人員提出了一種名為多平面光轉換器(multi-plane light conversion,MPLC)的方案,實現了數百個OAM 模式的空間解復用.MPLC 是一組以一定距離依次連接的定制相位調制板,由于MPLC 具有較大的模式容量,研究人員將其應用于渦旋光場的復用與解復用技術,使得多個OAM 模式可以同時傳輸并實現高效的解復用過程[60-65].

2019年,Fontaine 等[60]提出了一種特殊的變換方法,用于將笛卡爾坐標系中的點(x,y)轉換為Hermite-Gaussian(HG)模式中的笛卡爾指數(m,n),通過使用少量的等間距相位平面就可以實現.如圖4(a)所示,這種變換方法利用了多平面光轉換設備,研究人員成功地演示了超過325 種模式的分離.MPLC 設備具有高度復雜的相位變換能力,它可以將輸入光場轉換為包含多個光學模式的輸出光場.通過優化相位分布和光學元件的設計,MPLC 設備能夠高效地實現OAM 模式的解復用,并且具備較大的模式容量.這項研究的結果表明,利用特殊變換方法和MPLC 設備可以實現更大規模的OAM 模式解復用.此類研究成果對實現高容量的光通信系統具有重要意義,它為進一步提升光通信的數據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,為光通信領域帶來更加廣闊的發展前景.最近,研究者也提出了一種光學衍射神經網絡,結合深度學習和光場調制功能,用于調制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換.

圖4 (a) 用于HG/LG 疊加態分解的多平面光轉換器件[60];(b) 準小波共形映射示意圖[66];(c) 基于光衍射神經網絡的寬帶、低串擾和大信道OAM 模式解復用[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 準小波變換法

為了解決坐標變換方案輸出重疊導致分選后相鄰 OAM 模式之間的嚴重串擾問題,2023年,Cao 等[66]提出了一種新穎獨特的方法,稱為準小波變換法,該方法比多平面光轉換方法所需的相平面更少.準小波變換法的工作原理是將輸入平面劃分為多個同心環,并將這些同心環轉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的數量.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擾.

與先前提出的極坐標轉換法中的一對多映射不同,準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,準小波變換法可以實現多達15個通道(OAM-7到OAM+7)的OAM解復用,并且模式間串擾小于-12.1 dB.這種方法的提出為解決OAM 模式解復用中的串擾問題提供了一種新的有效途徑,并且具有較高的解復用容量和較低的串擾水平.

2.4 基于光衍射神經網絡的OAM 模式解復用

光的波長、時間、偏振和復雜振幅的光通信技術正在接近瓶頸,而空間維度則相對未被探索.為了有效利用光的空間維度,寬帶和低串擾的OAM模式解復用器件是必不可少的.如圖4(c)所示,用于OAM 模式解復用的光學衍射神經網絡模型首先通過級聯一組相位板來構建[60],以該器件的解復用過程為例,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調制后,將逐漸轉化為分離的渦旋光束陣列.由于這組相位板的結構是通過神經網絡來優化設計的,因此可以快速地預測模型結構.得益于光學衍射神經網絡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,實現定制化的寬帶、低串擾和大信道OAM 模式解復用.

基于光學坐標變換的分選系統已經在實驗中得到驗證,并展示出較高的分類效果和穩定性.相對于干涉測量方法,基于光學坐標變換的分選系統具有許多優勢.首先,它可以減少光學系統的復雜度和體積,僅需少量的光學元件便可實現分類,而無需使用數個干涉儀和臂.其次,它可以減小信號損失,因為光學坐標變換不涉及干涉過程,避免了干涉引起的能量損耗.然而,仍然存在一些挑戰需要克服,例如光學元件的設計和制備精度、系統的穩定性和可靠性等方面.因此,未來的研究可以集中在優化光學坐標變換分選系統的性能,并探索適用于實際光通信系統的高效設計.此外,基于光衍射神經網絡的OAM 模式解復用通過多層衍射面結構實現了空間維度的解復用,為光通信技術提供了新的維度.

3 渦旋光模式解復用器的制備方法

需要注意的是,之前提到用于產生渦旋光束的無源設備也可以應用于渦旋光解復用.本節將回顧一些有效的渦旋光解復用方法和設備,這些方法和設備主要基于對渦旋光束的分類或檢測,以實現渦旋光的解復用.渦旋光解復用的方法和裝置通常依據以下原理進行設計:將具有不同拓撲電荷值的渦旋光束傳輸到不同的空間位置,或將渦旋光束轉換為其他容易測量的物理參數.這些方法為渦旋光的解復用提供了一種可行的途徑.

3.1 傳統制備方法

在過去的二十年里,已經開發了一系列技術來制備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 模式的數量.基于馬赫-曾德爾干涉儀的方案可以實現接近單位的效率來測量N態,但這種方法受到多個分選階段的復雜性和尺寸的影響.

液晶是一種具有可調控光學性質的材料,可以通過外加電場改變其折射率,從而調制光的相位,實現對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生和分選具有單位拓撲電荷的渦旋光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為左旋或右旋.然后,光束通過q 片轉換為渦旋光.在分選實驗中,研究人員利用空間光調制器和四分之一波片依次創建了四個光子狀態|L,2〉,|L,-2〉,|R,2〉,|R,-2〉.隨后,這4個狀態通過q 片分別變為|R,4〉,|R,0〉,|L,0〉,|L,4〉.進一步使用四分之一波片,這些狀態又分別轉換為|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具有不同的光子軌道角動量值(m=0 和m=4).在遠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 的外環區分開來,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.實驗測試結果顯示,當對比度大于103時,分選效率為50%,當對比度大于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境變化的影響,需要外部穩定控制,且液晶q 片的響應速度較慢,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.

圖5 (a) 光子的SAM 變化轉換為OAM 的裝置示意圖[76];(b) 基于達曼光柵進行OAM(解)復用的自由空間光通信示意圖[22];(c) 使用雙光子光刻技術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用光學器件.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,實現了光學信號的解復用.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用,將所有的OAM 信道解碼為相應衍射級的高斯光束.這種達曼光柵方案能夠支持10 個通道的渦旋光束的解復用,從而實現高達80/160 Tbit/s 的高速光通信.

研究團隊采用紫外光刻技術制造達曼光柵.他們設計了尺寸為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構,其尺寸和圖案與設計一致.

在2018 年的研究中,Xie 等[80]提出了一種集成光纖式的OAM(解)復用器,利用在光纖端面制備的渦旋光柵實現了直接的渦旋光OAM 復用和解復用.經過5 km 的少模光纖傳輸后,誤比特率測量結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構制作的困難.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節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,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計軟件按照定義的方程進行建模.隨后,將三維設計轉化為與光刻系統控制軟件兼容的代碼,光刻系統通過數字寫入過程將設計好的結構轉移到光刻膠中.

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,增加了系統復雜性.

片上集成OAM 分選對于解決數據流量指數增長所帶來的挑戰至關重要.雖然已經取得了一些成功,但當前的多路分解技術要么會顯著降低效率,要么會犧牲系統的緊湊性[81-87].2022年,Cheng 等[81]報道了一種在CMOS 芯片上實現模式分選的超緊湊型OAM 解復用器.為了實現分選功能,他們在互補金屬氧化物半導體(CMOS)相機上集成了TiO2超表面.實驗測量結果顯示,該分選器在拓撲電荷范圍為m=-3—+3的渦旋光模式分離方面表現出高效率和低串擾.分選器的分離效率達到了77.3%,串擾水平為-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進行圖案制作,在顯影后形成反轉圖案.接著,使用電子束蒸發沉積一定厚度的鉻,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移到TiO2薄膜上,并用Cr 蝕刻液去除Cr 掩膜,從而實現TiO2納米棒超表面的制作.整個過程的處理時間為10 min.通過優化刻蝕過程,他們能夠實現更高的縱橫比(35 以上)并將表面粗糙度降至最低.所有這些高質量的制備工藝確保了基于超表面的軌道角動量分選系統的高性能.超表面的軌道角動量分選系統的高性能.超表面的軌道角動量分選系統的高性能.超表面的軌道角動量分選系統的高性能.超表面的軌道角動量分選系統的高性能.超表面的軌道角動量分選系統的高性能.超表面的軌道角動量分選系統的高性能.超表面的軌道角動量分選系統的高性能.超表面的軌道角動量分選系統的高性能.

基于電子束光刻技術制備的超緊湊尺寸的OAM分選器與光纖系統兼容,電子束刻蝕法的定位精度非常高,可以實現復雜結構的精確制作.與一些其他制備技術相比,電子束刻蝕法的制作速度較慢,可能不適用于大規模生產,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,通過設計渦旋結構的光柵圖案,適當調整電場或激光束的參數,使得不同渦旋光的分量在液晶層中以不同的方式傳播,實現渦旋光的分選.2018年,Fang 等[88]提出了一種創新的圓柱矢量光束多路復用通信方案.該方案利用了基于光取向液晶制造的Pancharatnam-Berry 光學元件器件,通過這些器件可以實現自旋相關的光學幾何變換(圖6(a)).這種變換能夠將圓柱矢量光束從甜甜圈形狀轉換為兩條直線,從而實現對拓撲電荷值在-10—+10 之間的柱矢量光進行分選.實驗結果顯示,該方案具有高達61.7%的分選效率.

圖6 (a) Pancharatnam-Berry 光學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 復用方案的天線結構示意圖[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].

為了設計和制備Pancharatnam-Berry 光學元件液晶器件,該團隊采用了基于無掩模動態投影曝光系統的光控取向技術.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敏感,當吸收紫外偏振光時,染料分子發生異構化,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移到SD1 層上,他們使用基于數字微鏡陣列(DMD)的曝光技術.經過偏振片和準直系統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、高效率和緊湊性等優點,但也存在響應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已在各個領域展示了巨大的應用價值.通過引入突變的相位梯度,超表面已被廣泛應用于光的波前整形.通過調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用和解復用中.Zhao 等[89]對基于單層超表面的太赫茲波段OAM 復用進行了理論和實驗驗證,他們所設計的器件可以將入射高斯光束調制為4 個具有不同拓撲電荷數的聚焦渦旋光束,這意味著該技術可以支持四通道OAM 復用.當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,即實現了OAM 模式解復用.該器件由100×100 個天線單元組成,采用真空蒸發、光刻和隨后的沉積工藝相結合的方法制造,圖6(b)為該器件的部分天線示意圖,所制造的解復用器結構尺寸約為1.0 cm×1.0 cm,厚度在亞波長范圍內,其優點包括小尺寸、輕重量和低成本等.

近幾十年來,研究人員對于在緊湊設備中實現微米級和納米級渦旋光發生器和探測器的研究興趣逐漸增加.2020年,Ji 等[90]設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撲電荷(圖6(c)).這種探測器采用了精心設計的電極幾何形狀,可以將渦旋光信號直接轉化為電信號.該光電探測器利用螺旋相位梯度驅動的軌道光電流效應,通過測量圍繞光束軸纏繞的電流來區分不同OAM 模式.這種電流的大小與OAM模式的量化值成比例,從而實現對OAM 拓撲電荷的直接測量.

為了實現光芯片的制備,首要任務是獲取二碲化鎢薄膜.該團隊采用化學氣相傳輸法將多晶狀態下的二碲化鎢粉末和轉運劑碘在的耐熱石英容器中密封.在高溫的環境下,讓單晶二碲化鎢在容器內生長.數天后用冰水對容器內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撲電荷值,無法對同軸的多個渦旋光束進行有效分選.

4 渦旋光在模式復用通信方面的應用

近年來,OAM 在光通信中的應用是OAM 子領域中最活躍的研究方向之一[91-95].關鍵原因是光的自旋角動量只有兩個正交狀態,而OAM 具有可能無限多個狀態.早在2004年,Padgett 等[96]就在自由空間通信中首次明確使用了OAM,他們在幾米范圍內的望遠鏡-望遠鏡光學鏈路中應用了OAM.該早期系統利用空間光調制器(SLM)制造和測量了8 種不同的OAM 狀態之一,盡管其固有光學測量效率為1/8.隨后,利用兩個共同傳播但可區分的OAM 信道進行了長路徑長度演示[97],在射頻領域取得了成功.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中的專業知識相結合,OAM 在擴展多路復用選項范圍方面的潛力才得到真正的認可.

在OAM 多路復用光通信領域,近年來出現了兩種主要方案:自由空間通信[96,98,100]和光纖通信[101,102].OAM 復用光通信已經實現了超過Tbit級別的傳輸容量,遠遠超越了傳統方案,從而極大地拓寬了其應用范圍.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 解復用領域取得了重要突破,成功展示了4 個偏振復用的軌道角動量光束的復用和解復用技術.如圖7(a)所示,他們利用正交幅度調制(16-QAM)信號傳輸每個光束,實現了每個符號4 位的數據傳輸,每個光束承載了(42.8 × 4) Gbit/s 的數據速率.通過復用4 個軌道角動量光束和兩個偏振狀態,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 網格).他們還在空間域展示了可擴展性,通過利用兩組同心環,每組包含8 個偏振復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,從而實現了令人矚目的2560 Gbit/s 的傳輸容量.通過復用8 個軌道角動量光束、兩個偏振狀態和兩組同心環,頻譜效率達到了95.7 bit/s/Hz(使用25 GHz 網格).此外,他們還成功展示了兩個軌道角動量光束之間的數據交換,每個光束承載了100 Gbit/s 的差分正交相移鍵控(DQPSK)信號.這些重要研究結果推動了渦旋光OAM 解復用技術的發展,并為高容量、高效率的光通信系統提供了有力的支持.

圖7 (a)載有信息的渦旋光束的復用/解復用以及偏振復用/解復用[98];(b)埃爾朗根天際線1.6 km 遠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 數據傳輸的實驗裝置[105];(e) OAM 復用光纖通信系統的實驗裝置,實驗裝置包括發射器、OAM(解)復用器和接收器[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 解復用領域取得了新的突破.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的波長為809 nm 的光束,并將其傳輸穿越了埃爾朗根市區,距離達到了1.6 km.這些光束不僅穿越了公路,還經過了高聳的建筑物,在日常的城市環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境中傳輸高維結構化光場的可行性.這一成果為進一步推動渦旋光OAM 解復用技術在實際應用中的發展提供了重要的實證基礎.

實驗中的具體步驟如下.首先,使用二極管激光源產生光束,然后利用空間光調制器(SLM)在光束上編碼了具有l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.測量結果顯示,當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 內容以及OAM 通道之間的串擾,他們在縮小光束的望遠鏡輸出處放置了一個稱為模式分選器的設備.該模式分選器利用兩個折射元件將OAM 態轉換為橫向動量態(即傾斜的平面波).透鏡用于將這些轉換后的態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域,每個區域對應于特定的OAM 模式.每個區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據傳輸方式.由于該方案基于軌道角動量量子態,它還展示了量子糾纏現象的特性.這意味著該技術有潛力在量子密碼學領域得到應用.通過利用量子糾纏,可以實現更安全的通信和數據傳輸,進一步推動信息安全領域的發展.

與自由空間OAM 通信相比,基于光纖的OAM 通信系統在湍流大氣中具有更好的穩定性.在2018年,Heng 等[104]提出并展示了一種用于穩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 由傳統的單模光纖(SMF)和GI-FMF 組成,實現了有效的SMF 基模到GI-FMF目標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.經過實驗驗證,研究人員成功實現了在|l|=1 的穩定OAM 模式下工作的全光纖器件.實驗結果表明,渦旋光束能夠穩定地傳播,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寬帶軌道角動量模式分割復用應用提供了可行性.這種全光纖器件可用于進一步開發寬帶軌道角動量模式分割復用應用.

在2022年,Liu 等[105]提出了一種創新的OAM空間多路復用(OAM-SDM)方案,并成功實現了高容量的光纖傳輸系統實驗.如圖7(d)所示,他們設計了一種具有離軸相位補償的7 通道模式轉換相位板,并在自研的7 環芯OAM 光纖中實現了低串擾的發射和傳輸,包括纖芯間以及纖芯內部模式信道組之間的傳輸.在接收端,僅使用了固定規模的4×4 多輸入多輸出(MIMO)算法來補償模式組內部4 個簡并模式之間的串擾.該方案通過增加每個纖芯中模式組的數量來擴展復用信道的數量,而不是增加纖芯的數量,從而保證了光纖的總直徑小于200 μm.基于這一創新的OAMSDM 方案,結合C+L 波段密集波分復用技術,他們首次展示了Pbit/s 級別的OAM 復用光纖傳輸系統實驗.在單根光纖內傳輸了24960 個數據信道,傳輸距離達到34 km.該系統的總(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 總結與展望

本文從渦旋光束的基本理論出發,對渦旋光的解復用原理、加工制備方法以及新興應用等相關研究進展進行了綜述.首先簡述了OAM 解復用原理的發展歷程.隨后,針對渦旋光OAM 解復用,介紹了多種典型的適用于實現多個渦旋OAM 的分離和解復用器件的制備方法.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 狀態數量的增加,系統的復雜度和信號損失也會迅速增加.這種復雜性和信號損失的上升限制了其在實際應用中的可擴展性.然而,幾何坐標變換技術在多個領域已經取得了顯著的成功,這種技術可以將螺旋相位光束轉換為橫向相位梯度,從而實現渦旋光OAM 的有效分選.新近提出的多平面光轉換器方案具有更高的潛力,可以實現數百個不同OAM 模式的空間解復用,這為光通信領域帶來了更為廣闊的發展前景.

在過去二十年,渦旋光OAM 分選器的制備技術得到了廣泛研究與發展.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用器件結構,適用于微小結構.然而,該方法制備效率低,工藝流程復雜,難以用于大規模生產,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,從而制備所需結構.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效應,可以實現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雜結構和高度定制化的渦旋光解復用器件,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、高效率和緊湊性等優點,但也存在響應速度有限和對波長敏感等問題.這些技術為小型化渦旋光OAM 分選器的制備提供了多樣化的選擇,但在選擇時需要權衡其優缺點以滿足特定應用需求.

除了渦旋光束在粒子操控、生物醫學等領域的應用,近年來OAM 在通信領域的應用也備受關注.由于渦旋光OAM 在理論上具有無限多的拓撲電荷以及不同OAM 態之間的相互正交性,OAM為光通信系統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,可以與現有的多路復用傳輸系統合并兼容,這有望為光通信技術帶來巨大的變革.這篇綜述文章還提供了對OAM 在光通信領域的應用研究的概述和總結,為進一步探索和發展基于OAM 的高容量光通信技術提供了參考.

盡管近年來渦旋光發展迅速,但仍充滿挑戰和機遇.為了進一步推動渦旋光的發展,需要改進渦旋光的生成、檢測和操控方法和設備.這包括發展更高效、更精確的渦旋光生成技術,設計更靈敏、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備.此外,還需要深入研究渦旋光的更高級應用,探索其在新領域和新技術中的潛在應用,以實現更廣泛的應用和影響.隨著技術的不斷進步和理解的深入,渦旋光必將在光學領域中扮演越來越重要的角色,并為科學研究和實際應用帶來更多創新和突破.