突破通信限制：最新渦旋光復用的新解法

5G的發(fā)展來自于對移動數(shù)據(jù)日益增長的需求。隨著移動互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，越來越多的設備接入到移動網(wǎng)絡中，新的服務和應用需要更大更快的數(shù)據(jù)流，所以移動數(shù)據(jù)流量的暴漲給網(wǎng)絡帶來了嚴峻的挑戰(zhàn)。而目前，通信的主要手段是通過電磁波來傳輸信號。但是，頻率的利用已經(jīng)飽和，頻率方法已達到極限。這就是為什么大家在收音機上收聽的電臺只有那么幾個的原因。

為了解決上述問題，人們已經(jīng)提出了很多種提高通信容量的方法。例如：時分復用（TDM）（名詞解釋 》）；波分復用（WDM）（名詞解釋 》）；頻分復用技術（FDM）（名詞解釋 》）等相關技術。但是，除了頻率、偏振和波長之外，軌道角動量（OAM）的研究引起了科學家們的廣泛關注。因為它能提供一個指數(shù)級的數(shù)據(jù)傳輸能力，具有無限的自由度，原則上可以支持無限大的數(shù)據(jù)量。

攜帶軌道角動量（OAM）的渦旋光是下一代光通信應用中最具代表性的，其為光波的空間域利用提供了一個新的空間維度資源。并且具有不同OAM模式值的渦旋光束又相互正交，因此將OAM模式引入傳統(tǒng)光通信領域，進而衍生出兩種新的應用機制——OAM鍵控（OAM-SK）與OAM復用（OAM-DM），這為未來實現(xiàn)高速、大容量及高頻譜效率的光通信技術提供了潛在的解決方案。

但是，“目前，仍存在的挑戰(zhàn)是找到一種可靠的方法來產(chǎn)生無限數(shù)量的OAM光束。尤其是在芯片級別的設備上產(chǎn)生高拓撲電荷的OAM光束?！彼裕鯓雍芎玫漠a(chǎn)生OAM光一直是光學渦旋研究領域中的一個重點問題。

為了解決上述問題，近日，來自美國加州大學圣地亞哥分校與美國加州大學伯克利分校的研究學者們，提出了基于量子霍爾效應（名詞解釋 》）的超大復用OAM光源。該成果以“Photonic quantum Hall effect and multiplexed light sources of large orbital angular momenta”為題發(fā)表在Nature Physics上。

其實，光學渦旋的研究已經(jīng)到了而立之年，這一路走來怎樣很好的產(chǎn)生渦旋光，一直是科研工作者們孜孜不倦而求索的目標。到目前發(fā)展為止，有如下常見的六種方法：

螺旋相位板；

雙柱透鏡模式轉換器（也稱之為π/2模式轉換器）；

空間光調制器；

雙直角棱鏡光腔；

液晶Q板；

菲涅爾錐鏡；

常見的6種OAM光產(chǎn)生方法匯總

圖源：Optics & Photonics News

圖譯：楊大海/撰稿人

基于量子霍爾效應的OAM光發(fā)生器這是第一次被提出，而這一現(xiàn)象一直以來被人們認為是不可能的，因為人們認為帶有磁場的量子霍爾效應可以用于電子學，但不能應用于光學。而要想利用量子霍爾效應來產(chǎn)生OAM光，關鍵在于器件設計的創(chuàng)新性，而設計器件包括器件材料的選擇與結構的分布。

霍爾效應的簡要發(fā)展和關鍵人物介紹

圖源：（1）The Nobel Prize，（2）Science

制圖：楊大海/撰稿人

該設計方法與材料的選擇是將InGaAsP（磷砷化鎵銦）拓撲結構，刻蝕在yttrium iron garnet（釔鐵石榴石襯底上），創(chuàng)造了支持一種被稱為“光量子霍爾效應”現(xiàn)象的條件。在這種結構與材料（拓撲光子晶體）之下光子會隨外界磁場的作用而運動，迫使光在圓環(huán)中只向一個方向傳播，從而在兩種拓撲結構網(wǎng)格的交界處形成“漏波（leaky-wave）”。

研究人員將具有拓撲結構的網(wǎng)格（三角形網(wǎng)格與方形網(wǎng)格）設計成三個同心圓圖案，彼此之間進行整體嵌套形成量子霍爾環(huán)（量子阱）以捕獲光子（整體最大的直徑約為50微米），從而實現(xiàn)了單一OAM和復用OAM發(fā)生器的制備。

實現(xiàn)超大復用OAM發(fā)射的光量子霍爾效應器件實物掃面電鏡圖與局部放大圖圖源：Nature Physics

其次，通過此方法產(chǎn)生的OAM光的拓撲電荷數(shù)與形成的光子晶體的角向共振階數(shù)相等，所以通過控制霍爾環(huán)中的晶格數(shù)量，就可以隨意的改變渦旋的輸出值。通過研究發(fā)現(xiàn)，其渦旋光的最小拓撲荷值為5，最大拓撲荷值無上限，但其效率等參數(shù)會顯著下降。并且，還可產(chǎn)生超大復用的OAM光，這是第一次實現(xiàn)超大復用OAM光直接在微納器件上的產(chǎn)生。

實物器件與OAM光實驗圖

圖源：Nature Physics / 圖譯：撰稿人 楊大海

本文中報道的拓撲結構器件有很強的魯棒性而且還非常小，大約與頭發(fā)絲的直徑一般。同時，這種發(fā)射天線不僅適用于光波，同樣對于其它波段也是適用的。所以，在未來光通信應用領域，這樣的器件可以直接集成到芯片上。

總而言之，這項技術力圖從光源本質上出發(fā)，通過軌道角動量光的產(chǎn)生和復用來克服當前數(shù)據(jù)容量的限制。為生物成像、量子密碼學、高容量通信以及傳感器等方面的應用研究帶來突破。所以，我們不難發(fā)現(xiàn)對渦旋光的相關方面進行不斷深入的研究，不僅具有重要的基礎科學研究價值，而且更有助于推動進一步的應用技術開發(fā)。

論文信息

Bahari， B.， Hsu， L.， Pan， S.H.et al. Photonic quantum Hall effect and multiplexed light sources of large orbital angular momenta. Nat. Phys. （2021）。

論文地址

https://doi.org/10.1038/s41567-021-01165-8

編輯：jq