超构光子学助力大容量柱矢量光通信

大自然中大到海洋环流、龙卷风，小到液氮中的量子涡，都存在“旋涡”。同样，光也存在光学旋涡（optical vortices），主要表现形式有相位型“光学旋涡”（如拉盖尔高斯LG光束等）和偏振型“光学旋涡”（如柱矢量光束等）。

光学旋涡独特的动力学特性和拓扑结构，可以大幅提高人们对光场的驾驭能力。特别是在通信领域，利用光学旋涡的正交模式来进行信息复用，不仅可以大幅提升通信容量密度，还能通过无源光器件来进行模式转换实现信息的全光互连。

图1： “漩涡”示意图

相比于相位型光学旋涡光束，柱矢量光束具有更强的大气湍流抵抗性能。并且，作为少模光纤的本征模式，柱矢量光束还有望通过光纤来实现长距离传输，在未来高速光通信以及全光互连中具有广阔的应用前景。

如何实现多路柱矢量光束的耦合和分离是柱矢量光复用走向应用前必须解决的关键问题。

传统光束的耦合和分离主要依赖于光学分束器，需要组合多个光学器件来进行，光路复杂，不利于系统集成。光束离轴调控技术的提出，为单个器件实现多路光束的耦合和分离提供了可能。此前，研究者们利用达曼涡旋光栅的多级衍射机制，实现了涡旋光束的复用/解复用。然而，这种相位型光栅只适用于均匀偏振光束的离轴调控，如何实现非均匀偏振光束的离轴调控一直是研究的难点，也是打开大容量偏振型“光学旋涡”光通信的“钥匙”。

理论上，柱矢量光束可以分解为两个相互正交的圆偏振涡旋光束。因此，通过对这两个正交圆偏振分量进行独立的离轴相位操控，有望实现柱矢量光束的离轴调控。

光学超构表面是一种通过排布人工微纳结构来调控光场的振幅、相位及偏振等物理维度的纳米光子器件，且在自旋-轨道相互作用机制下，能够实现圆偏振相关的相位调控。因此，光学超构表面为正交圆偏振分量的独立相位调控提供了一种有效途径。

图2：柱矢量光复用和解复用示意图

近日，深圳大学范滇元院士、袁小聪教授和李瑛教授领导的团队报道了基于超构光子学的大容量柱矢量光复用通信技术。

该研究通过结合几何相位与传输相位来设计金属型超构表面对柱矢量光束的正交圆偏振分量进行独立的离轴相位调控，进而实现了非均匀偏振光束的离轴调控，并在实验上利用该超构表面成功实现了矢量光束的复用和解复用，通信容量达1.56 Tbit/s。

图3a：超构表面产生的柱矢量光及偏振检测结果，

图3b：理论及实验上超构表面在不同波长下的反射效率

图4a：实验测量的模式串扰，

图4b：不同接收功率下的信号误码率，

图4c：相同接收功率下不同模式信道的信号星座图

该论文以”Cylindrical vector beam multiplexer/demultiplexer using off-axis polarization control“为题发表在 Light: Science & Applications。

1、传统相位型光栅器件只适用于均匀偏振光束的离轴调控，该研究通过结合几何相位与传输相位来设计金属型超构表面，实现了对柱矢量光束的正交圆偏振分量的独立离轴相位调控，突破了柱矢量光复用通信中的非均匀偏振光束离轴调控难点。

2、柱矢量光携带的正交模式独立于波长和偏振，有望实现多物理维度的联合复用。该研究设计的基于偏振离轴调制的柱矢量光复用/解复用器件具有超过300 nm的带宽和正交偏振响应特性，能够兼容传统波分复用和偏分复用。

论文信息：

本论文的通讯作者为深圳大学的袁小聪教授和李瑛教授，深圳大学的陈书青副教授、谢智强博士和华南师范大学的叶华朋副教授为论文的共同第一作者。本研究工作得到了国家自然科学基金、中国博士后科学基金、广东省基础与应用基础研究基金、以及深圳市基础研究项目等的资助。