楊鑫宇 葉華朋? 李佩蕓 廖鶴麟 袁冬? 周?chē)?guó)富

1)(華南師范大學(xué),響應(yīng)型材料與器件集成國(guó)際聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室,國(guó)家綠色光電國(guó)際研究中心,廣州 510006)

2)(華南師范大學(xué),華南先進(jìn)光電子研究院,廣東省光信息材料與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,彩色動(dòng)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(dòng)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(lái)實(shí)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(duì)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(dòng)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(duì)OAM 模式解復(fù)用的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)及前景進(jìn)行了深入分析和展望.

1 引言

光子具有多個(gè)自由度,包括頻率/波長(zhǎng)、時(shí)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(shí)現(xiàn)光相關(guān)應(yīng)用的多樣性[1-3].除了傳統(tǒng)上對(duì)頻率、時(shí)間、復(fù)振幅和偏振的關(guān)注之外,另一個(gè)已知的光子的物理維度——空間結(jié)構(gòu)也受到越來(lái)越多的關(guān)注[4,5].1992年,Allen 等[6-8]指出光場(chǎng)的螺旋相位結(jié)構(gòu)與光子的光學(xué)軌道角動(dòng)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(dòng)量角量子數(shù),也被稱(chēng)為拓?fù)潆姾蓴?shù),表征了渦旋光束中每一個(gè)光子所攜帶的軌道角動(dòng)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(jìn)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(lái)了新的機(jī)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(cè)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(wú)窮多個(gè)本征態(tài),這種無(wú)限制的額外自由度給了光一個(gè)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(lái)提高各種光通信系統(tǒng)的信息容量[18,19].因?yàn)椴煌Ｊ街g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(jí),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(kāi)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(jì),以及光場(chǎng)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(jìn)行自旋-軌道角動(dòng)量轉(zhuǎn)換產(chǎn)生渦旋光束的方法[24].常見(jiàn)的方法包括螺旋相位板法[25]、計(jì)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(chǎng)的研究對(duì)象也逐漸擴(kuò)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(cè)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(cè)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(guò)觀察遠(yuǎn)場(chǎng)衍射光斑陣列和干涉條紋,可以推斷出渦旋光的軌道角動(dòng)量大小和正負(fù)方向.然而,這些方法僅適用于探測(cè)單一OAM 模式的渦旋光束,不適用于多個(gè)OAM 模式疊加的渦旋光束.對(duì)于多個(gè)OAM 模式疊加的光束,以及需要靈活、高精度測(cè)量的情況,這些方法將失效.因此,在實(shí)現(xiàn)多個(gè)OAM 模式疊加光束和高精度測(cè)量時(shí),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(duì)共軸傳輸?shù)牟煌琌AM 模式在空間上實(shí)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(cè).迄今為止,研究者已經(jīng)提出了多種有效的方法對(duì)具有不同拓?fù)潆姾芍档臏u旋光束進(jìn)行解復(fù)用,如基于馬赫-曾德干涉儀[41]的干涉測(cè)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(jiǎn)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(duì)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(shí)現(xiàn)多個(gè)OAM 模式的分離和解復(fù)用;在進(jìn)一步討論中,探討了基于軌道角動(dòng)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(duì)渦旋光OAM 模式解復(fù)用技術(shù)面臨的一些挑戰(zhàn)和未來(lái)的應(yīng)用方向進(jìn)行了簡(jiǎn)要總結(jié)和展望.

2 渦旋光模式解復(fù)用的原理

隨著無(wú)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(lái)對(duì)大容量、高速率和高保密性通信的需求.然而,軌道角動(dòng)量復(fù)用通信技術(shù)為無(wú)線光通信帶來(lái)了新的可能性,可以實(shí)現(xiàn)多維度的軌道角動(dòng)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(duì)共軸傳輸?shù)牟煌琌AM 模式在空間上實(shí)現(xiàn)有效分離,實(shí)現(xiàn) OAM 模式的識(shí)別、分選等.渦旋光OAM 模式解復(fù)用的目標(biāo)是通過(guò)設(shè)計(jì)衍射光學(xué)元件,實(shí)現(xiàn)渦旋光OAM 分量在空間上的分離.

2.1 干涉法

過(guò)去的研究表明,利用exp(ilφ)光束及其鏡像進(jìn)行干涉可以生成具有2l個(gè)徑向輻條的干涉圖,從而測(cè)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(wú)法測(cè)量單個(gè)光子的狀態(tài),因?yàn)檫@需要多個(gè)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(lái)分類(lèi)單光子的OAM,如圖1(a)所示.他們?cè)诟缮嫜b置中引入道威棱鏡,通過(guò)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(shí)現(xiàn)OAM 模式的分類(lèi).具體而言,通過(guò)調(diào)整旋轉(zhuǎn)角度,可以使相移呈現(xiàn)lα的形式.對(duì)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(shí),兩個(gè)臂之間的相移將依賴(lài)于l值.因此,通過(guò)設(shè)置單級(jí)MZ 干涉裝置的旋轉(zhuǎn)角度(α=π),可以在兩個(gè)不同的端口實(shí)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(jí)聯(lián)多個(gè)干涉裝置產(chǎn)生更多分選通道時(shí),對(duì)于奇數(shù)階拓?fù)潆姾蓴?shù)l并沒(méi)有合適的旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行分選,因此需要通過(guò)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(jìn)行進(jìn)一步分選.通過(guò)干涉進(jìn)行單個(gè)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(cè)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(jìn)的馬赫-曾德干涉儀測(cè)量拉蓋爾-高斯渦旋光束的高階拓?fù)潆姾呻A數(shù)高達(dá)90.為了測(cè)試模式間的串?dāng)_,他們通過(guò)測(cè)量輸入端相應(yīng)的單個(gè)OAM模式的兩個(gè)干涉儀輸出端的功率分配比來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,在OAM模式為l=0時(shí),獲得了-10.3dB的串?dāng)_,而在l=1時(shí),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(lèi)器的第1 階段;(b) OAM 分類(lèi)器的前3 個(gè)階段,每個(gè)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(shí),BER 的測(cè)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(gè)OAM 模式,不受l=1 模式串?dāng)_,三角形為兩個(gè)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(cè)量方法被廣泛應(yīng)用于多個(gè)OAM 狀態(tài)的分類(lèi).然而,這種方法的分選裝置需要進(jìn)行多個(gè)階段的分類(lèi),其中需要(n-1)個(gè)干涉儀和(2n-2)個(gè)臂來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)n個(gè)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(hào)損失也會(huì)急劇增加.系統(tǒng)的復(fù)雜性和信號(hào)損失限制了其在實(shí)際應(yīng)用中的可擴(kuò)展性.因此,進(jìn)一步的研究將致力于尋找更簡(jiǎn)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(duì)數(shù)-極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換法及改進(jìn)方法

2.2.1.1 對(duì)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(kuò)展性問(wèn)題,無(wú)法滿足實(shí)際光通信系統(tǒng)的小型化要求.近年來(lái),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(gè)特征方位角相位項(xiàng)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(gè)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(dòng)量大小和方向密切相關(guān).具體而言,角動(dòng)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(guò)程中,渦旋光的角向相位梯度會(huì)隨著傳播距離的增加而增大.通過(guò)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(guò)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(lái),實(shí)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(duì)數(shù)-極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法進(jìn)行渦旋光解復(fù)用的方法,如圖2(a)所示.他們通過(guò)使用兩個(gè)定制的光學(xué)元件將笛卡爾坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為對(duì)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(lái),透鏡將每個(gè)輸入的OAM 狀態(tài)聚焦到不同的橫向位置,實(shí)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(duì)數(shù)-極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換法實(shí)現(xiàn)OAM 模式分離的原理(a) 對(duì)數(shù)-極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換法實(shí)驗(yàn)裝置圖[50];(b) 基于對(duì)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(dòng)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(huì)引入光程長(zhǎng)度的變化,導(dǎo)致需要對(duì)相位失真進(jìn)行校正.因此,轉(zhuǎn)換系統(tǒng)包括兩個(gè)定制的光學(xué)元件:一個(gè)用于執(zhí)行圖像轉(zhuǎn)換的解復(fù)用器件,另一個(gè)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(duì)前一步驟中引入的偏差進(jìn)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(wèn)題,2012年,Lavery 等[51]改進(jìn)了所需的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(xiàng)改進(jìn)提高了攜帶OAM 的光束分離效率,最終測(cè)得攜帶OAM 的光束分離到探測(cè)器上的離散區(qū)域效率為85%.這種方法可用于生成和檢測(cè)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(gè)光子上的信息量.

由于對(duì)數(shù)-極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換法的解復(fù)用器被分為兩個(gè)相位組件,在實(shí)際過(guò)程中對(duì)準(zhǔn)要求非常嚴(yán)格.為了簡(jiǎn)化兩個(gè)相位元件的對(duì)準(zhǔn)過(guò)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(jì)優(yōu)化和采用新型材料等方面進(jìn)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(duì)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(guò)將兩個(gè)光學(xué)元件集成到一個(gè)衍射光學(xué)元件中,進(jìn)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(guò)外部展開(kāi)區(qū)(而內(nèi)部相位矯正區(qū)的輸入強(qiáng)度為零)進(jìn)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(guò)自動(dòng)設(shè)計(jì)這兩個(gè)元件的同軸性、對(duì)準(zhǔn)性和平行性,有利于簡(jiǎn)化對(duì)準(zhǔn)操作,并實(shí)現(xiàn)了器件的小型化和集成化.實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,當(dāng)Δl=4時(shí),可以有效地分離遠(yuǎn)場(chǎng)光斑,并且降低串?dāng)_值低于-15dB,達(dá)到高達(dá)96%的分離效率.最近,Li 等[56]驗(yàn)證了一種新型的光子總角動(dòng)量(total angular momentum,TAM)調(diào)制器,實(shí)現(xiàn)了TAM 的選擇性提取.在該工作中,他們采用對(duì)數(shù)-極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的方法設(shè)計(jì)了液晶衍射元件,證實(shí)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(shí)實(shí)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(duì)數(shù)-極坐標(biāo)變換進(jìn)行解復(fù)用是一種簡(jiǎn)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(wú)法完全對(duì)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(shí)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(wú)法通過(guò)放大變換后的平面波來(lái)避免.放大平面波會(huì)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(diǎn)上,但這些點(diǎn)之間的間距也相應(yīng)減小,導(dǎo)致重疊程度沒(méi)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(duì)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(guò)對(duì)軌道角動(dòng)量的弱測(cè)量和對(duì)角位置的強(qiáng)測(cè)量,探索其在高緯度狀態(tài)的檢測(cè)潛力,實(shí)現(xiàn)了在軌道角動(dòng)量的離散基中高維狀態(tài)向量的實(shí)際直接測(cè)量[58],實(shí)驗(yàn)裝置如圖3(a)所示.該方法的原理是將每個(gè)OAM 模式映射到傾斜平面波前的多個(gè)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?cái)嗥矫娌ǖ南噜徃北局g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(diǎn)上,這些點(diǎn)的間距與之前相同,但寬度更窄,實(shí)現(xiàn)了更高分辨率的分選.Malik等[58]利用這種方法測(cè)量了量子數(shù)為l=-12到l=12 的OAM 模式,并計(jì)算出正確檢測(cè)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(guò)模式復(fù)制的方法克服了對(duì)數(shù)-極坐標(biāo)變換的局限性,實(shí)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(duì)數(shù)極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換原理的對(duì)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(huì)引入大量冗余數(shù)值優(yōu)化,并需要額外的相位元件來(lái)實(shí)現(xiàn).為了克服這些問(wèn)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(chēng)為螺旋坐標(biāo)轉(zhuǎn)換,如圖3(b)所示.與之前的對(duì)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(duì)光場(chǎng)的波前進(jìn)行分解,實(shí)現(xiàn)了從OAM 模式到傾斜平面波模式的轉(zhuǎn)換,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)不同的OAM 模式的分離.

螺旋坐標(biāo)轉(zhuǎn)換通過(guò)沿著螺旋線路徑提取更多的相位信息,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)OAM 光場(chǎng)的更高分辨率測(cè)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(wèn)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(shí)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(jìn)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(duì)額外相位元件的依賴(lài),具有更好的普適性和實(shí)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(jìn),但是它的模式容量仍然存在限制.上述方案報(bào)道的解復(fù)用 OAM 模式數(shù)量為幾個(gè)或數(shù)十個(gè),無(wú)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(shí)現(xiàn)了數(shù)百個(gè)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(chǎng)的復(fù)用與解復(fù)用技術(shù),使得多個(gè)OAM 模式可以同時(shí)傳輸并實(shí)現(xiàn)高效的解復(fù)用過(guò)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(diǎn)(x,y)轉(zhuǎn)換為Hermite-Gaussian(HG)模式中的笛卡爾指數(shù)(m,n),通過(guò)使用少量的等間距相位平面就可以實(shí)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(guò)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(chǎng)轉(zhuǎn)換為包含多個(gè)光學(xué)模式的輸出光場(chǎng).通過(guò)優(yōu)化相位分布和光學(xué)元件的設(shè)計(jì),MPLC 設(shè)備能夠高效地實(shí)現(xiàn)OAM 模式的解復(fù)用,并且具備較大的模式容量.這項(xiàng)研究的結(jié)果表明,利用特殊變換方法和MPLC 設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)更大規(guī)模的OAM 模式解復(fù)用.此類(lèi)研究成果對(duì)實(shí)現(xiàn)高容量的光通信系統(tǒng)具有重要意義,它為進(jìn)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(guò)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(lái)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(chǎng)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(duì)單個(gè)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(wèn)題,2023年,Cao 等[66]提出了一種新穎獨(dú)特的方法,稱(chēng)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(gè)同心環(huán),并將這些同心環(huán)轉(zhuǎn)換為多個(gè)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(guò)這個(gè)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(zhǎng)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(duì)多映射不同,準(zhǔn)小波共形映射方法實(shí)際上是一對(duì)一的共形映射.這意味著每個(gè)輸入OAM 模式都被映射到一個(gè)唯一的傾斜平面波,避免了多個(gè)模式之間的重疊.實(shí)驗(yàn)表明,準(zhǔn)小波變換法可以實(shí)現(xiàn)多達(dá)15個(gè)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(wèn)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(zhǎng)、時(shí)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(duì)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(guò)級(jí)聯(lián)一組相位板來(lái)構(gòu)建[60],以該器件的解復(fù)用過(guò)程為例,右端口輸入的同軸渦旋光束通過(guò)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(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)優(yōu)化設(shè)計(jì)的,因此可以快速地預(yù)測(cè)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(jìn)一步擴(kuò)展通道數(shù),實(shí)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(shí)驗(yàn)中得到驗(yàn)證,并展示出較高的分類(lèi)效果和穩(wěn)定性.相對(duì)于干涉測(cè)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(shì).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(shí)現(xiàn)分類(lèi),而無(wú)需使用數(shù)個(gè)干涉儀和臂.其次,它可以減小信號(hào)損失,因?yàn)楣鈱W(xué)坐標(biāo)變換不涉及干涉過(guò)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(jì)和制備精度、系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性等方面.因此,未來(lái)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(shí)際光通信系統(tǒng)的高效設(shè)計(jì).此外,基于光衍射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的OAM 模式解復(fù)用通過(guò)多層衍射面結(jié)構(gòu)實(shí)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(wú)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(duì)渦旋光束的分類(lèi)或檢測(cè),以實(shí)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(jìn)行設(shè)計(jì):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(cè)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(guò)去的二十年里,已經(jīng)開(kāi)發(fā)了一系列技術(shù)來(lái)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?tīng)柛缮鎯x的方案可以實(shí)現(xiàn)接近單位的效率來(lái)測(cè)量N態(tài),但這種方法受到多個(gè)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(guò)外加電場(chǎng)改變其折射率,從而調(diào)制光的相位,實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)施步驟如下:首先,使用波長(zhǎng)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(guò)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(guò)q 片轉(zhuǎn)換為渦旋光.在分選實(shí)驗(yàn)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(gè)光子狀態(tài)|L,2〉,|L,-2〉,|R,2〉,|R,-2〉.隨后,這4個(gè)狀態(tài)通過(guò)q 片分別變?yōu)閨R,4〉,|R,0〉,|L,0〉,|L,4〉.進(jìn)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(guò)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(gè)狀態(tài)具有不同的光子軌道角動(dòng)量值(m=0 和m=4).在遠(yuǎn)場(chǎng)或透鏡的焦平面上,這兩個(gè)模式可以通過(guò)它們不同的徑向分布進(jìn)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(kāi)來(lái),最終成功將所有4 個(gè)初始自旋軌道模式分類(lèi)為獨(dú)立的光束.實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果顯示,當(dāng)對(duì)比度大于103時(shí),分選效率為50%,當(dāng)對(duì)比度大于106時(shí),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(dá)曼光柵進(jìn)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(guò)光的干涉來(lái)實(shí)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(dá)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(dá)曼光柵對(duì)光信號(hào)進(jìn)行編碼和解碼,實(shí)現(xiàn)了光學(xué)信號(hào)的解復(fù)用.具體而言,通過(guò)將具有平面波前的高斯形光束投射到達(dá)曼光柵上,光束經(jīng)過(guò)零級(jí)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(guò)同樣的達(dá)曼光柵進(jìn)行解復(fù)用,將所有的OAM 信道解碼為相應(yīng)衍射級(jí)的高斯光束.這種達(dá)曼光柵方案能夠支持10 個(gè)通道的渦旋光束的解復(fù)用,從而實(shí)現(xiàn)高達(dá)80/160 Tbit/s 的高速光通信.

研究團(tuán)隊(duì)采用紫外光刻技術(shù)制造達(dá)曼光柵.他們?cè)O(shè)計(jì)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(guò)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(guò)軟烘烤處理后,使用365 nm 的紫外波長(zhǎng)和20 mW/cm2的曝光劑量,利用MJB4 掩模對(duì)準(zhǔn)儀進(jìn)行曝光;曝光完成后,進(jìn)行后烘烤和顯影處理,成功制備出所需的達(dá)曼光柵結(jié)構(gòu),其尺寸和圖案與設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)了直接的渦旋光OAM 復(fù)用和解復(fù)用.經(jīng)過(guò)5 km 的少模光纖傳輸后,誤比特率測(cè)量結(jié)果證實(shí)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(shí)驗(yàn)裝置解決了在端面上通過(guò)雙光子光刻進(jìn)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(gè)支架上,可以微米級(jí)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(xiě)入使用了三維光刻系統(tǒng),并且通過(guò)計(jì)算機(jī)控制的樣品臺(tái)精確操控激光焦點(diǎn)相對(duì)于光纖端面的位置.渦旋光柵的模型使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件按照定義的方程進(jìn)行建模.隨后,將三維設(shè)計(jì)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(guò)數(shù)字寫(xiě)入過(guò)程將設(shè)計(jì)好的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到光刻膠中.

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

片上集成OAM 分選對(duì)于解決數(shù)據(jù)流量指數(shù)增長(zhǎng)所帶來(lái)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(huì)顯著降低效率,要么會(huì)犧牲系統(tǒng)的緊湊性[81-87].2022年,Cheng 等[81]報(bào)道了一種在CMOS 芯片上實(shí)現(xiàn)模式分選的超緊湊型OAM 解復(fù)用器.為了實(shí)現(xiàn)分選功能,他們?cè)诨パa(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)相機(jī)上集成了TiO2超表面.實(shí)驗(yàn)測(cè)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(dá)到了77.3%,串?dāng)_水平為-6.43dB.該研究團(tuán)隊(duì)采用了以下工藝步驟來(lái)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(jìn)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(guò)去除掉光刻膠來(lái)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(shí)現(xiàn)TiO2納米棒超表面的制作.整個(gè)過(guò)程的處理時(shí)間為10 min.通過(guò)優(yōu)化刻蝕過(guò)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(dòng)量分選系統(tǒng)的高性能.超表面的軌道角動(dòng)量分選系統(tǒng)的高性能.超表面的軌道角動(dòng)量分選系統(tǒng)的高性能.超表面的軌道角動(dòng)量分選系統(tǒng)的高性能.超表面的軌道角動(dòng)量分選系統(tǒng)的高性能.超表面的軌道角動(dòng)量分選系統(tǒng)的高性能.超表面的軌道角動(dòng)量分選系統(tǒng)的高性能.超表面的軌道角動(dòng)量分選系統(tǒng)的高性能.超表面的軌道角動(dòng)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(shí)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(jiàn)的方法,通過(guò)設(shè)計(jì)渦旋結(jié)構(gòu)的光柵圖案,適當(dāng)調(diào)整電場(chǎng)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(shí)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(guò)這些器件可以實(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)拓?fù)潆姾芍翟?10—+10 之間的柱矢量光進(jìn)行分選.實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,該方案具有高達(dá)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(cè)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(jì)和制備Pancharatnam-Berry 光學(xué)元件液晶器件,該團(tuán)隊(duì)采用了基于無(wú)掩模動(dòng)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(duì)ITO 玻璃基底進(jìn)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(lái),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(guò)100 ℃下固化10 min后,該團(tuán)隊(duì)將兩個(gè)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(guò)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(duì)入射光的偏振態(tài)敏感,當(dāng)吸收紫外偏振光時(shí),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(guò)偏振片和準(zhǔn)直系統(tǒng)的紫外偏振光通過(guò)透鏡到達(dá) DMD 表面,DMD像素微鏡可以通過(guò)計(jì)算機(jī)輸入圖像進(jìn)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(shí)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(shí)時(shí)可調(diào)、高效率和緊湊性等優(yōu)點(diǎn),但也存在響應(yīng)速度有限和對(duì)波長(zhǎng)敏感等缺點(diǎn).

近幾年,基于亞波長(zhǎng)天線陣列的超表面技術(shù)已在各個(gè)領(lǐng)域展示了巨大的應(yīng)用價(jià)值.通過(guò)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(guò)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(duì)基于單層超表面的太赫茲波段OAM 復(fù)用進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,他們所設(shè)計(jì)的器件可以將入射高斯光束調(diào)制為4 個(gè)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(gè)單獨(dú)的渦流光束作為入射光束時(shí),在焦斑處僅識(shí)別和提取一個(gè)通道,即實(shí)現(xiàn)了OAM 模式解復(fù)用.該器件由100×100 個(gè)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(zhǎng)范圍內(nèi),其優(yōu)點(diǎn)包括小尺寸、輕重量和低成本等.

近幾十年來(lái),研究人員對(duì)于在緊湊設(shè)備中實(shí)現(xiàn)微米級(jí)和納米級(jí)渦旋光發(fā)生器和探測(cè)器的研究興趣逐漸增加.2020年,Ji 等[90]設(shè)計(jì)了一種基于二碲化鎢的光電探測(cè)器,旨在直接表征渦旋光的軌道角動(dòng)量的拓?fù)潆姾?圖6(c)).這種探測(cè)器采用了精心設(shè)計(jì)的電極幾何形狀,可以將渦旋光信號(hào)直接轉(zhuǎn)化為電信號(hào).該光電探測(cè)器利用螺旋相位梯度驅(qū)動(dòng)的軌道光電流效應(yīng),通過(guò)測(cè)量圍繞光束軸纏繞的電流來(lái)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(shí)現(xiàn)對(duì)OAM 拓?fù)潆姾傻闹苯訙y(cè)量.

為了實(shí)現(xiàn)光芯片的制備,首要任務(wù)是獲取二碲化鎢薄膜.該團(tuán)隊(duì)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(yùn)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(zhǎng).數(shù)天后用冰水對(duì)容器內(nèi)的二碲化鎢薄膜進(jìn)行冷萃.隨后,利用脫模劑聚二甲硅氧烷對(duì)薄膜進(jìn)行機(jī)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(cè)器可以直接測(cè)量OAM,然而,利用光電探測(cè)器僅能測(cè)量單一的拓?fù)潆姾芍?無(wú)法對(duì)同軸的多個(gè)渦旋光束進(jìn)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(lái),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(dòng)量只有兩個(gè)正交狀態(tài),而OAM 具有可能無(wú)限多個(gè)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?cè)趲酌追秶鷥?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(cè)量了8 種不同的OAM 狀態(tài)之一,盡管其固有光學(xué)測(cè)量效率為1/8.隨后,利用兩個(gè)共同傳播但可區(qū)分的OAM 信道進(jìn)行了長(zhǎng)路徑長(zhǎng)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?cè)趯?shí)際通信系統(tǒng)中的專(zhuān)業(yè)知識(shí)相結(jié)合,OAM 在擴(kuò)展多路復(fù)用選項(xiàng)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(lái)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(shí)現(xiàn)了超過(guò)Tbit級(jí)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(shí),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(jìn)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(gè)偏振復(fù)用的軌道角動(dòng)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(hào)傳輸每個(gè)光束,實(shí)現(xiàn)了每個(gè)符號(hào)4 位的數(shù)據(jù)傳輸,每個(gè)光束承載了(42.8 × 4) Gbit/s 的數(shù)據(jù)速率.通過(guò)復(fù)用4 個(gè)軌道角動(dòng)量光束和兩個(gè)偏振狀態(tài),總傳輸容量達(dá)到了1369.6 Gbit/s,頻譜效率達(dá)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(kuò)展性,通過(guò)利用兩組同心環(huán),每組包含8 個(gè)偏振復(fù)用的軌道角動(dòng)量光束.每個(gè)光束承載著(20 × 4)Gbit/s 的16-QAM 信號(hào),從而實(shí)現(xiàn)了令人矚目的2560 Gbit/s 的傳輸容量.通過(guò)復(fù)用8 個(gè)軌道角動(dòng)量光束、兩個(gè)偏振狀態(tài)和兩組同心環(huán),頻譜效率達(dá)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(gè)軌道角動(dòng)量光束之間的數(shù)據(jù)交換,每個(gè)光束承載了100 Gbit/s 的差分正交相移鍵控(DQPSK)信號(hào).這些重要研究結(jié)果推動(dòng)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(shí)驗(yàn)裝置圖[103];(c) 用于表征生成的渦旋光束的實(shí)驗(yàn)裝置[104];(d) OAM-SDM-WDM 數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)驗(yàn)裝置[105];(e) OAM 復(fù)用光纖通信系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)裝置,實(shí)驗(yàn)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(jìn)行了一項(xiàng)重要實(shí)驗(yàn),他們?cè)跍u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?cè)趯?shí)驗(yàn)中疊加了兩束具有不同軌道角動(dòng)量狀態(tài)的波長(zhǎng)為809 nm 的光束,并將其傳輸穿越了埃爾朗根市區(qū),距離達(dá)到了1.6 km.這些光束不僅穿越了公路,還經(jīng)過(guò)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(guò)這個(gè)實(shí)驗(yàn),研究人員成功地探索了在真實(shí)的城市環(huán)境中傳輸高維結(jié)構(gòu)化光場(chǎng)的可行性.這一成果為進(jìn)一步推動(dòng)渦旋光OAM 解復(fù)用技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的發(fā)展提供了重要的實(shí)證基礎(chǔ).

實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)中,所使用的是線偏振模式.接下來(lái),通過(guò)望遠(yuǎn)鏡對(duì)這些模式進(jìn)行進(jìn)一步擴(kuò)展,使其具有約40 mm 的近似光束尺寸.隨后,這些光束通過(guò)1.6 km 的自由空間鏈路進(jìn)行傳輸.實(shí)驗(yàn)中的模式接收器由一個(gè)直徑為150 mm、焦距為800 mm 的聚光透鏡組成.測(cè)量結(jié)果顯示,當(dāng)l=1時(shí),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(gè)透鏡,用于對(duì)收集到的光束進(jìn)行縮小,使其直徑約為10 mm.為了檢測(cè)OAM 內(nèi)容以及OAM 通道之間的串?dāng)_,他們?cè)诳s小光束的望遠(yuǎn)鏡輸出處放置了一個(gè)稱(chēng)為模式分選器的設(shè)備.該模式分選器利用兩個(gè)折射元件將OAM 態(tài)轉(zhuǎn)換為橫向動(dòng)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(jī)上的離散點(diǎn)上.在測(cè)量的CCD 圖像中,他們定義了相鄰且大小相等的區(qū)域,每個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)于特定的OAM 模式.每個(gè)區(qū)域中測(cè)得的像素值之和與每個(gè)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(wú)線點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸方式.由于該方案基于軌道角動(dòng)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(guò)利用量子糾纏,可以實(shí)現(xiàn)更安全的通信和數(shù)據(jù)傳輸,進(jìn)一步推動(dòng)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(dòng)量光束全光纖方案.如圖7(c)所示,方案利用自行設(shè)計(jì)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(shí)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(shí),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(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,研究人員成功實(shí)現(xiàn)了在|l|=1 的穩(wěn)定OAM 模式下工作的全光纖器件.實(shí)驗(yàn)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(dá)到100 nm.這種全光纖器件為進(jìn)一步開(kāi)發(fā)寬帶軌道角動(dòng)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(jìn)一步開(kāi)發(fā)寬帶軌道角動(dòng)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(shí)現(xiàn)了高容量的光纖傳輸系統(tǒng)實(shí)驗(yàn).如圖7(d)所示,他們?cè)O(shè)計(jì)了一種具有離軸相位補(bǔ)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(shí)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(lái)補(bǔ)償模式組內(nèi)部4 個(gè)簡(jiǎn)并模式之間的串?dāng)_.該方案通過(guò)增加每個(gè)纖芯中模式組的數(shù)量來(lái)擴(kuò)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(jí)別的OAM 復(fù)用光纖傳輸系統(tǒng)實(shí)驗(yàn).在單根光纖內(nèi)傳輸了24960 個(gè)數(shù)據(jù)信道,傳輸距離達(dá)到34 km.該系統(tǒng)的總(凈)容量可達(dá)1.223(1.02) Pbit/s,并且具有較高的頻譜效率,可達(dá)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(duì)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(jìn)展進(jìn)行了綜述.首先簡(jiǎn)述了OAM 解復(fù)用原理的發(fā)展歷程.隨后,針對(duì)渦旋光OAM 解復(fù)用,介紹了多種典型的適用于實(shí)現(xiàn)多個(gè)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(duì)單個(gè)光子的OAM 進(jìn)行分類(lèi),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(hào)損失也會(huì)迅速增加.這種復(fù)雜性和信號(hào)損失的上升限制了其在實(shí)際應(yīng)用中的可擴(kuò)展性.然而,幾何坐標(biāo)變換技術(shù)在多個(gè)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(shí)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(shí)現(xiàn)數(shù)百個(gè)不同OAM 模式的空間解復(fù)用,這為光通信領(lǐng)域帶來(lái)了更為廣闊的發(fā)展前景.

在過(guò)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(duì)光刻膠進(jìn)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(xiě)法通過(guò)將聚焦的激光束直接寫(xiě)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(shí)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(duì)較低.新興的光控取向液晶制備渦旋光分選器具有實(shí)時(shí)可調(diào)、高效率和緊湊性等優(yōu)點(diǎn),但也存在響應(yīng)速度有限和對(duì)波長(zhǎng)敏感等問(wèn)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(shí)需要權(quán)衡其優(yōu)缺點(diǎn)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(lái)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(wú)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(gè)全新的物理維度.通過(guò)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(lái)巨大的變革.這篇綜述文章還提供了對(duì)OAM 在光通信領(lǐng)域的應(yīng)用研究的概述和總結(jié),為進(jìn)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(lái)渦旋光發(fā)展迅速,但仍充滿挑戰(zhàn)和機(jī)遇.為了進(jìn)一步推動(dòng)渦旋光的發(fā)展,需要改進(jìn)渦旋光的生成、檢測(cè)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(jì)更靈敏、更可靠的渦旋光檢測(cè)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(jí)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(shí)現(xiàn)更廣泛的應(yīng)用和影響.隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和理解的深入,渦旋光必將在光學(xué)領(lǐng)域中扮演越來(lái)越重要的角色,并為科學(xué)研究和實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)更多創(chuàng)新和突破.