撰稿|课题组供稿
近日，山西大学激光光谱研究所汪丽蓉教授、元晋鹏教授课题组与陈刚教授课题组首次在实验上采用完美庞加莱光束实现了一种高维频率转换器，在利用空间振幅、空间相位、空间偏振自由度的同时保证了信息传输的高保真度。研究团队通过Mach-Zehnder干涉仪和液晶空间光调制器制备了参数精密可控的完美庞加莱光束，并利用Sagnac非线性干涉仪构建两个正交偏振分量诱导四波混频过程，实现了任意庞加莱态的频率转换。基于空间斯托克斯测量方法分别从信号光和输出光中提取出了六种偏振分量，证明了二者空间拓扑结构的一致性，对任意庞加莱态实现了高于99%的保真度，同时利用径向自由度进行了模式复用，进一步增加了系统容量。该研究成果以“High-fidelity frequency converter in high-dimensional spaces”为题于2024年7月5日在线发表在《Laser & Photonics Reviews》期刊上。
图1 (a) 光子庞加莱态频率转换示意图；(b) 频率转换器实验装置示意图；(c) 频率转换器工作原理示意图。
全光信号处理系统是构建光通信网络的核心，用以连接工作在不同频域的各种物理系统，可以有效地突破电子信号处理中保真度低、信息容量受限等瓶颈问题。谐波、和频、差频以及多波混频等非线性频率转换过程是建立频率接口的有效途径之一。现有的信息系统大多建立在二进制数字信号的基础之上，通常主要聚焦于高斯模式和二维场景。面对呈指数增长的数据容量，迫切需要构建更大的希尔伯特空间来建立高维空间的频率接口。结构光场可以通过扩展和组合光子自由度，从空间结构实现更多可编码的维度，为通信通道和数据容量的扩展提供了可能性。然而，高维频率转换器的保真度由于受限于自由度固有的基本性质，因此，在不同频域之间既要实现高维光场的转换，同时完整地保留所有特征仍然是一个亟需解决的问题。
庞加莱光束是一种典型的自旋-轨道耦合模式，结合了自旋角动量和轨道角动量，正在重塑现代光学的许多领域，例如粒子捕获，光通信和激光材料加工等。特别是偏振奇点和相位奇点的共存使其具有更丰富的空间拓扑结构，赋予了其可以同时在空间振幅、空间相位和空间偏振进行编码的能力。因此，庞加莱光束作为一种鲁棒的信息载体，由于其传播稳定性和可增加的编码自由度而逐渐受到重视。尤其是完美庞加莱光束，其横向结构不变性可以极大地克服空间振幅依赖性，弥补了在多维度信息编码过程中执行信息传输的局限性。
研究团队利用完美庞加莱光束与Sagnac非线性干涉仪，通过基于铷原子的四波混频过程实现了高维空间中的高保真频率转换器，成功将任意庞加莱态从近红外波段转换到蓝紫波段。理论模拟了传统庞加莱光束和完美庞加莱光束的频率转换过程，并基于空间斯托克斯测量方法对保真度进行了定量表征，获得了实现高保真传输的决定性条件。结果表明，传统庞加莱光束极易在频率转换过程中发生畸变，特别是对于非对称轨道角动量态(非对称OAM态)，而完美庞加莱光束通过约束振幅从而有效地解决了这个问题。
图2 传统庞加莱光束和完美庞加莱光束的频率转换。(a)和(c)为对称OAM态；(b)和(d)为非对称OAM态。
实验上，利用自稳定的Mach-Zehnder干涉仪和液晶空间光调制器制备了参数精密可控的完美庞加莱光束，与另一束高斯模式的泵浦光同向传输并注入Sagnac非线性干涉仪，通过构建两个正交偏振分量诱导四波混频过程，实现了任意庞加莱态的频率转换。分别从信号光和输出光中提取出了六种偏振分量分析其空间拓扑结构，最终证明对任意庞加莱态的保真度都在99%以上。
图3 两种尺寸完美庞加莱光束的结果对比。(a1)和(b1)为理论模拟的完美庞加莱光束；(a2)和(b2)为实验制备的信号光；(a3)和(b3)为实验获得的输出光；(a4)和(b4)为提取的保真度。
为了进一步增加系统容量，研究人员利用径向自由度嵌套多个完美庞加莱光束，实现了完美庞加莱光束的模式复用。双环结构类似于矢量拉盖尔-高斯模式，但不受径向指数和角向指数的限制，每个环的参数可以独立控制。实验中调控两个环的尺寸，使二者在空间上部分重叠时，实现了具有类晶格结构的频率转换。此外，通过不断扩展环的数量，可以满足大容量光通信的需求，充分展示出该系统在复用通信中构建多样化频率接口的能力。
图4 完美庞加莱光束的模式复用。(a1)和(b1)为理论模拟的完美庞加莱光束；(a2)和(b2)为实验制备的信号光；(a3)和(b3)为实验获得的输出光。
综上所述，该方案的创新性如下：一是利用完美庞加莱光束可以同时发展空间振幅、空间相位、空间偏振等自由度；二是“完美”的概念构建了模式无关的非线性相互作用，兼顾了高保真度和编码任意性；三是通过开发径向自由度实现了完美庞加莱光束的模式复用，进一步提高了系统容量。
山西大学激光光谱研究所元晋鹏教授和博士生王学文为论文的共同第一作者，山西大学激光光谱研究所汪丽蓉教授和郑州大学物理学院陈刚教授为论文的共同通讯作者，山西大学贾锁堂教授和肖连团教授为该工作提供了重要指导。中国科学技术大学周志远副教授为该工作提供了重要支持。
该工作得到了科技部重点研发计划、科技创新2030重大项目、国家自然科学基金、山西省“1331”工程重点学科建设基金、量子光学与光量子器件国家重点实验室以及省部共建极端光学协同创新中心的支持。
论文链接：
https://doi.org/10.1002/lpor.202400368
