突破通信限制：涡旋光复用的新解法

撰稿 | 杨大海 (哈工大，博士生)

5G的发展来自于对移动数据日益增长的需求。随着移动互联网的发展，越来越多的设备接入到移动网络中，新的服务和应用需要更大更快的数据流，所以移动数据流量的暴涨给网络带来了严峻的挑战。而目前，通信的主要手段是通过电磁波来传输信号。但是，频率的利用已经饱和，频率方法已达到极限。这就是为什么大家在收音机上收听的电台只有那么几个的原因。

为了解决上述问题，人们已经提出了很多种提高通信容量的方法。例如：时分复用（TDM）（名词解释 >）；波分复用(WDM)（名词解释 >）；频分复用技术（FDM）（名词解释 >）等相关技术。但是，除了频率、偏振和波长之外，轨道角动量(OAM)的研究引起了科学家们的广泛关注。因为它能提供一个指数级的数据传输能力，具有无限的自由度，原则上可以支持无限大的数据量。

图源：Johan Jarnestad / 瑞典皇家科学院

携带轨道角动量（OAM）的涡旋光是下一代光通信应用中最具代表性的，其为光波的空间域利用提供了一个新的空间维度资源。并且具有不同OAM模式值的涡旋光束又相互正交，因此将OAM模式引入传统光通信领域，进而衍生出两种新的应用机制——OAM键控(OAM-SK)与OAM复用(OAM-DM)，这为未来实现高速、大容量及高频谱效率的光通信技术提供了潜在的解决方案。

但是，“目前，仍存在的挑战是找到一种可靠的方法来产生无限数量的OAM光束。尤其是在芯片级别的设备上产生高拓扑电荷的OAM光束。”所以，怎样很好的产生OAM光一直是光学涡旋研究领域中的一个重点问题。

为了解决上述问题，近日，来自美国加州大学圣地亚哥分校与美国加州大学伯克利分校的研究学者们，提出了基于量子霍尔效应（名词解释 >）的超大复用OAM光源。该成果以“Photonic quantum Hall effect and multiplexed light sources of large orbital angular momenta”为题发表在Nature Physics上。

图源：加州大学伯克利分校

其实，光学涡旋的研究已经到了而立之年，这一路走来怎样很好的产生涡旋光，一直是科研工作者们孜孜不倦而求索的目标。到目前发展为止，有如下常见的六种方法：

1. 螺旋相位板；

2. 双柱透镜模式转换器（也称之为π/2模式转换器）；

3. 空间光调制器；

4. 双直角棱镜光腔；

5. 液晶Q板；

6. 菲涅尔锥镜；

常见的6种OAM光产生方法汇总

图源：Optics & Photonics News

图译：杨大海/撰稿人

基于量子霍尔效应的OAM光发生器这是第一次被提出，而这一现象一直以来被人们认为是不可能的，因为人们认为带有磁场的量子霍尔效应可以用于电子学，但不能应用于光学。而要想利用量子霍尔效应来产生OAM光，关键在于器件设计的创新性，而设计器件包括器件材料的选择与结构的分布。

霍尔效应的简要发展和关键人物介绍

图源：(1)The Nobel Prize，（2）Science

制图：杨大海/撰稿人

该设计方法与材料的选择是将InGaAsP（磷砷化镓铟）拓扑结构，刻蚀在yttrium iron garnet（钇铁石榴石衬底上），创造了支持一种被称为“光量子霍尔效应”现象的条件。在这种结构与材料（拓扑光子晶体）之下光子会随外界磁场的作用而运动，迫使光在圆环中只向一个方向传播，从而在两种拓扑结构网格的交界处形成“漏波（leaky-wave）”。

研究人员将具有拓扑结构的网格（三角形网格与方形网格）设计成三个同心圆图案，彼此之间进行整体嵌套形成量子霍尔环（量子阱）以捕获光子（整体最大的直径约为50微米），从而实现了单一OAM和复用OAM发生器的制备。

实现超大复用OAM发射的光量子霍尔效应器件

实物扫面电镜图与局部放大图

图源：Nature Physics

其次，通过此方法产生的OAM光的拓扑电荷数与形成的光子晶体的角向共振阶数相等，所以通过控制霍尔环中的晶格数量，就可以随意的改变涡旋的输出值。通过研究发现，其涡旋光的最小拓扑荷值为5，最大拓扑荷值无上限，但其效率等参数会显著下降。并且，还可产生超大复用的OAM光，这是第一次实现超大复用OAM光直接在微纳器件上的产生。

实物器件与OAM光实验图

图源：Nature Physics / 图译：撰稿人 杨大海

本文中报道的拓扑结构器件有很强的鲁棒性而且还非常小，大约与头发丝的直径一般。同时，这种发射天线不仅适用于光波，同样对于其它波段也是适用的。所以，在未来光通信应用领域，这样的器件可以直接集成到芯片上。

总而言之，这项技术力图从光源本质上出发，通过轨道角动量光的产生和复用来克服当前数据容量的限制。为生物成像、量子密码学、高容量通信以及传感器等方面的应用研究带来突破。所以，我们不难发现对涡旋光的相关方面进行不断深入的研究，不仅具有重要的基础科学研究价值，而且更有助于推动进一步的应用技术开发。

参考资料

1. 吕百达，奇点光学概论；四川师范大学学报（自然科学版），Vol.34，No.6;2011

2. 郭忠义，龚超凡，刘洪郡，李晶晶，王子坤，杨阳，宫玉彬，OAM光通信技术研究进展；光电工程，Vol.47，No3；2020

3. Communication with spatially modulated light through turbulent air across Vienna；New Journal of Physics 16 (2014) 113028；doi:10.1088/1367-2630/16/11/113028

4. OPTICS & PHOTONICS NEWS JUNE 2017

5. Cui-Zu Chang, Jinsong Zhang, Xiao Feng,.etc; Experimental Observation of the Quantum Anomalous Hall Effect in a Magnetic Topological Insulator；SCIENCE VOL 340 12 APRIL 2013

6. Daniel C. Tsui – Biographical. NobelPrize.org. Nobel Media

7. Klaus von Klitzing – Biographical. NobelPrize.org. Nobel Media

论文信息

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).

论文地址

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