Light | 慶祝光學軌道角動量30周年——展望高維結構光

2022-09-29 07:30

來源：澎湃新聞·澎湃號·湃客

說明：本文由課題組投稿

我們的教科書上從傳統光學的角度定義了光作為電磁波的一種形式，具有波長、頻率、振幅、相位與偏振等特性。然而實質上，光的結構卻可以無限復雜。通過從時間到空間上調整光的多個自由度，我們可以得到多種復雜排列組合的結構光。

軌道角動量(OAM)可能是最熱門的例子，其中一些攜帶了軌道角動量的結構光也不乏更高維的表現形式，這些高維結構光組成了一個解決實際工程問題的工具包，助力光的傳輸、存儲、檢測等領域的發展。盡管對光的自由度的調控正慢慢受到廣泛的關注，從量子態和經典態的角度充分利用這些新的自由度仍然具有挑戰性，處于起步階段。

為慶祝光學軌道角動量概念誕生30周年，Light: Science & Applications最近以“Towards higher-dimensional structured light”為題發表回顧與前瞻（Perspective）文章。

本篇文章，我們討論了為高維結構光創建、檢測和控制多個自由度的方法、挑戰和機遇。討論了產生、檢測和控制高維結構光的多個自由度更高維度的方法、挑戰和機會。提出了從基礎研究到應用的未來發展趨勢路線圖，集中在更大容量、更高安全性的信息處理和通信等方面的潛力。這篇文章涵蓋了高度熱點和爆炸性的結構光領域，隨著越來越多的自由度在我們的控制下，結構光正在獲得牽引力。

光有多少自由度？我們如何控制它們？

從光波基本表達式，我們可以直觀地總結出幾個基本自由度：空間、時間、幅度、波長（或頻率）、相位和偏振（光子的自旋）。然而與光的復雜行為相關的自由度不受這六個基本要素的限制。

例如，光的軌道角動量（OAM），揭示渦旋光束中的螺旋相位分布是一個空間和相位的組合自由度。如果我們考慮更復雜的空間分布，結合 OAM 所具有的相位奇點和拓撲性質，可以推廣到結構更為復雜的渦旋晶格或多奇點陣列等概念。

總角動量 (TAM) 是其中更為典型的一個例子：TAM 是 OAM 與自旋角動量（SAM）之和，能夠描述具有空間變化的更一般的矢量渦旋光束的特性，從而使結構光束實現更多應用。

我們還可以考慮將時間作為一個調制自由度，從而產生結構脈沖，打破傳統分離變量解的限制。時空調制的結構光在探索新物理中也起著重要作用，時間和波長/頻率相結合得到的結構啁啾脈沖可以催生各種脈沖整形技術，如產生波長（或光譜）與 OAM 共同調制的結構光，并使用其強大的復用能力實現大容量通信。

按照這樣的策略，我們可以從理論上無限地創建新的自由度，并通過多個的基本自由度的結合，推動基礎科學研究，刺激新興應用方式的產生。

圖1：構造高維結構光的多種潛在自由度

下面我們用幾個展望（文章中幾個代表性例子），代表性地展示我們能從高維結構光的發現和控制中得到什么？

展望1：基于結構光高維復用維度的光學信息傳輸

現有的光通信方案正在迅速接近其信息容量的極限，需要進一步拓展傳輸光的維度，從而實現更高信息量的數據傳輸。一個較為典型的想法是利用光的空間自由度實現復用，從而獲得更多的通道和更大的通道容量，代表性方法為空分復用 (SDM)或模分復用 (MDM)。多路復用技術的關鍵在于軌道角動量的使用，以及與其他調控自由度配合，以在通信中實現超高容量、速度和低誤碼率。

展望2：基于結構光的多維信息存儲

光學信息存儲是多路復用技術的另一重要應用。傳統的光學數據存儲方法具有原理上的局限性，即數據記錄單元被限制在衍射極限區域，因此容量只能達到幾十千兆字節 (GB)。但近年來結構光與納米光子學技術的革命性發展，為超越GB量級的超高光學數據存儲的實現鋪平了新的道路。納米粒子材料具有偏振選擇性和光譜選擇性等獨特優勢，為光存儲帶來了多維復用可能性, 能夠實現空間、偏振和波長實現5D光復用。在此基礎上，使用光的軌道角動量作為附加維度，可以將多路復用數據存儲擴展到6D。結構光的多維復用能夠有效提升信息存儲的讀寫速度、容量和安全性。

圖2：面向高維光信息存儲和傳輸的結構光復用技術

展望3：高維光場調制器件和方法

自適應光學（Adaptive optics）是一項使用自適應器件對波前畸變進行校準的技術，其在天體觀測、顯微、通信等領域都有著廣泛的應用。當下自適應光學的使用范圍主要聚焦在補償相位像差。隨著矢量光學的發展（如矢量光通信、矢量顯微成像）及光復用維度的增加，為了精確獲得矢量信息，校準光學系統中的矢量像差變得越來越重要。為此，下一代矢量自適應光學應運而生（用于同時校準偏振和相位的像差）。特別的，在無傳感器的校準方法中，矢量澤尼克爾的多項式 (Zernike polynomials) 提供了高維光復用的另一種可能性。此外，基于激光直寫的新型液晶（liquid crystal）器件、以及用于復雜光場進行調制的超平面（metasureface）器件，近年來也受到廣泛的關注。它們的快速發展也為下一代多維光復用提供了重要的器件保障和方法支撐。

圖3：自適應光學助力的自由結構光場調控

展望4：高維量子結構光

除了經典領域的進展之外，近年來，結構光的量子態同樣得到了巨大的發展和應用。產生光量子態的基礎是利用非線性光學晶體自發參量下轉換（SPDC）技術。在SPDC過程中，輸入一個藍色的高能光子到非線性晶體中，它可以轉換和產生出兩個相同的紅色的低能量的糾纏光子，這就是產生光量子糾纏的基本原理。而傳統意義上，在這個過程中光子是局限于高斯基模的空間結構。隨著結構光在量子領域的發展，具有結構光模式的量子糾纏已經被實驗和理論證實，并開啟了復雜結構光子糾纏的新研究方向。第一個結構光的量子糾纏實驗利用的是光子的OAM模式作為自由度，與傳統偏振糾纏光子類似，但是具有無限的維度，開啟了拓展到多個量子比特空間的量子信息學的研究。

今天，OAM 糾纏結構光已被推廣到各種渦旋光模式，以及具有自旋-軌道（SAM-OAM）混合自由度的多個結構光子糾纏，并實現各種高維量子信息和通訊協議的實驗實現。對于高維量子結構光的應用，當前的挑戰不僅在于拓展所需的維度，更在于將利用其編碼的信息完整地安全的通過信道傳輸，例如，通過自由空間或光纖傳輸結構光子進行更快更安全的量子通信。在高維量子信息發展的路上，雖然還有許多里程碑有待達到，但是實用化全球量子通信網絡已經值得期待了。

圖4：高維量子結構光

展望5：探尋光學新結構—斯格明子

在最新的對于量子系統、手性磁介質等多成分凝聚態的研究中，斯格明子（Skyrmion）作為一種在多參量連續對稱性下的非平庸拓撲態被廣泛報道。斯格明子最初由英國粒子物理學家托尼·斯格明（Tony Skyrme）在1962年提出作為核子的統一模型，它的行為就像具有精致紋理的納米級磁漩渦。這種紋理可以理解為將一個帶刺的矢量球展開到一個二維平面上，類似于球極投影，這種局限在二維平面的三維矢量場就表示一個斯格明子，就像我們可以多樣地梳理“球上的毛發”，斯格明子具有豐富的拓撲態去調控。

斯格明子起初是一種特殊的拓撲自旋結構，在量子場論、固體物理、磁介質等領域中有重要的地位。由于其獨特的拓撲穩定性而被廣泛認為是一種具有高速度，高密度，低能耗等特點的高效信息載體，對下一代信息存儲和傳輸技術革新具有重要作用。并且，最新的研究發現斯格明子也同樣可以在光場中形成和被調控，高維結構光的發展為構造高維斯格明子復雜拓撲結構提供了可能。

現在，在實驗上能夠產生的自由調控拓撲結構的光學斯格明子在學界仍然是一項巨大挑戰。如果可以打破這種斯格明子拓撲難以大范圍自由調控局限，如果可以產生拓撲態可自由操控的斯格明子，將為下一代信息革命開辟了無限可能，如光通信、信息加密、自旋軌道相互作用和拓撲相變，為先進光子學基礎理論拓展和實際應用帶來新的機遇。