少模光纤首次呈现横向光子轨道角动量传输

研究背景

自三十年前L. Allen团队发现具有螺旋相位波前的高阶拉盖尔高斯涡旋光束具有纵向OAM，涡旋光束已经广泛应用于量子光学、光通信、超分辨率显微镜等领域并取得巨大成功。2020年，光子OAM研究从纵向OAM拓展到了横向OAM。科学家们从理论和实验两方面证明了以STOV脉冲形式存在的光学波包可以携带光子横向OAM。

与涡旋光束不同，STOV脉冲在时空域内具有螺旋相位，脉冲内的光子携带大小正比于拓扑电荷数的横向OAM。自此，多个研究课题组陆续报导了STOV脉冲传播动力学研究结果、STOV脉冲的新型表征方法、基于STOV脉冲的新型时空成像方法以及新型时空光场的设计与生成。这些研究为未来的新型光通信、新型OAM激光器和非线性光学等研究方向带来了新的机遇。

由于STOV脉冲具有时空域耦合的光场分布，当色散相位与衍射相位不平衡时，STOV脉冲会发生严重的扭曲，导致其所携涡旋相位的分裂，波包也会在时空域中分裂成多个波瓣。这种性质限制了STOV脉冲在一些需要长相互作用的研究场景中的应用。为了克服该传输限制，可以通过设计时空域贝塞尔STOV脉冲，使得STOV电荷被限制在紧密的时空截面内。然而，这种设计方法需要适应介质的色散关系，且脉冲保持传播不变的距离仍受脉冲的空间域展宽以及谱宽的限制。

另一种方法是利用光波导结构对脉冲进行引导，阶跃折射率光纤在特定情况下可以支持多种导模，构成了支持STOV脉冲在光纤中传输的基本条件。上海理工大学的研究人员利用商用标准通信光纤SMF-28作为实验平台，研究了STOV脉冲在光纤中的传输过程，分析其在光纤中的演化过程，以及其在光纤中的最大传输距离等特性。

研究结果

图1展示了 STOV脉冲在SMF-28所支持的线偏振（LP）模下的模式分解，可以看到由LP模式组成的STOV脉冲仍能保持其时空位相特征。当STOV脉冲在不同长度光纤中传输时，光纤中的群速度失配（GVM）是影响STOV脉冲在光纤中最大传输距离的决定性因素。图2展示了数值模拟仿真的结果，可以看到当光纤长度在100 cm时，传输后的STOV脉冲仍能维持其时空域内相位奇点。

同时，团队进行了实验研究，利用一台锁模掺镱光纤激光器产生了拓扑电荷数l为+1和-1的正啁啾STOV脉冲。STOV脉冲被耦合至一根1 m长的SMF-28光纤，其传输后的三维光场分布也得以测量，结果如图3所示。结果表明，STOV脉冲在单模光纤中传输100 cm后，仍能保持其时空域相位奇点结构。在脉冲尾部，GVM引起的LP模间干涉图也与模拟结果吻合较好。

总结与展望

研究团队首次展示了时空光涡旋（STOV）脉冲及其所携光子横向轨道角动量（OAM）在阶跃折射率少模光纤（SMF-28）中的传播。当STOV脉冲累计少量群延时差（GVM）时，脉冲可以维持其时空域内的涡旋相位，实现横向OAM在光纤中的传输。设计具有更小GVM的光纤，例如渐变折射率光纤，可以进一步延长STOV脉冲在光纤中的传输距离。值得注意是，光纤内不同LP模在时域上的干涉可以产生与部分相干光STOV十分类似的时空域涡旋相位结构，这可能构成一种产生光子横向OAM源的新方法，有望为未来的时空光场研究领域开拓新的研究方向。