余志鹏 （香港理工大学）
涡旋光束凭借其独特的性质，能够容纳无限数量的正交轨道角动量，因此在应对大数据和互联网流量的指数增长时，提供了极大的潜力来增强数据的多路复用能力。尽管如此，单个涡旋光束所携带的信息量尚未得到充分挖掘。近日，清华大学深圳国际研究生院宋清华副教授、香港理工大学赖溥祥副教授，以及暨南大学李向平教授研究团队提出了空间频率拼接超表面这一全新概念构造了超大容量完美矢量涡旋光束，在三维参数空间包括涡旋光的形态，偏振方位角和椭偏率进行精确控制，实现了多达13个独立通道的任意控制。此外，研究人员利用优化的Dammann光栅将不同的超容量完美矢量涡旋光束精准地分布到每个衍射级次中，实现了一种多维信息传输方案，为数据传输开辟了新的途径。这项突破性成果以"A spatial-frequency patching metasurface enabling super-capacity perfect vector vortex beams"为题发表在eLight（入选两期卓越计划）。
在数字化时代，信息的快速、安全传输变得至关重要。光通信技术，凭借其高带宽、高速度和抗干扰性，成为了信息传输的主力军。随着数据量的激增，传统的光通信技术面临着带宽瓶颈和安全性挑战。特别是在自由空间光通信、卫星通信等领域，如何提高信号的传输容量、提升信号的安全性，成为了科研人员亟待解决的问题。光学涡旋光束（Vortex Beams, VBs），以其独特的相位奇点和轨道角动量（Orbital Angular Momentum, OAM）等特性，在光通信、量子信息处理、光学操控等领域展现出巨大的应用潜力。涡旋光束的轨道角动量提供了无限多的正交信道，在粒子操纵、成像、全息显示、光学通信和光学探测等领域有广泛的应用。然而，传统的涡旋光束通常只携带单一的拓扑荷，导致其在空间强度信息上的潜力未能得到充分利用。这种限制不仅影响了涡旋光束在多路复用中的表现，也制约了其在高密度数据传输中的应用。具体表现在以下几个方面：
空间容量限制：传统的涡旋光束由于全局相位调制方法的限制，通常只能具有单一的拓扑荷，导致其强度分布对称且均匀，无法探索更多的空间强度信息。
光学加密和高密度数据通信：随着信息传输需求的增加，需要更安全、更高效的数据传输方式。传统的光学加密方法可能无法满足日益增长的数据传输安全性和容量需求。
光学操纵：在粒子操控和光镊等领域，需要更精细的光场控制来实现更复杂的粒子操作。
空间频率拼接
图1详细展示了超大容量完美涡旋光束（SC-PVB）在空间频率域的拼接过程。通过将一个不规则的曲线分解为若干个椭圆弧，并在近场的每个部分区域应用所需的空间频率配置，包括角向（OAM），径向（Axicon）和横向(grating)空间频率，实现了SC-PVB的构造。这一过程涉及到复杂的数学建模和精确的相位控制，最终实现了对光束形态的精确塑造。图中展示了四个不同颜色标记的椭圆弧段，每个弧段对应于一个独特的部分椭圆完美涡旋光束，它们的相位分布和拓扑荷都可以独立控制，从而实现了对整个光束的精细调控。
图1：空间频率拼接的概念展示
超容量通道的实现与对比
图2展示了超大容量完美矢量涡旋光束（SC-PVVB）与传统的完美矢量涡旋光束（PVVB）之间的对比。在传统的PVVB中，光束的形态和拓扑荷是全局控制的，限制了其在空间强度信息上的调控潜力。相比之下，SC-PVVB通过空间频率拼接技术，实现了对光束形态和拓扑荷的局部精确控制。这种局部控制能力使得SC-PVVB能够在一个光束中携带至少13个独立控制的通道，每个通道都可以独立地调制光束的形态、偏振方位角和椭偏率。这一突破性的设计，不仅极大地提高了信息传输的容量，也为光学加密和高安全性通信提供了新的可能性。
图2：完美矢量涡旋光束的容量优越性
超大容量完美矢量涡旋信息编码
研究人员提出了多维信息传输方案，该方案利用优化的Dammann光栅实现了对SC-PVVB的精确控制。通过在Dammann光栅的每个衍射级次中引入优化的相位调制，可以独立设计每个衍射级次的光场，从而实现对光束形态、偏振和相位的精确操控。这种多维调制能力可以在一个超构表面样品中编码大量的信息，极大地提高了数据传输的效率和安全性。
图3：超大容量完美矢量涡旋信息传输的演示
总结展望
在未来的研究中，作者团队计划对超容量完美矢量涡旋光束（SC-PVVB）技术进行更深入的技术优化和实验验证，以确保其在实际应用中的稳定性和可靠性。将探索宽带响应的特性，以适应不同波长的光通信需求，并在材料选择上进行细致考量，以找到既满足宽带响应又具有高效率和低损耗的材料。此外，系统集成和实际部署也是关注的重点，作者团队将研究如何将SC-PVVB技术与现有的光通信系统集成，以及如何在不同的应用场景中进行有效部署。在安全性方面，将继续探索SC-PVVB在光学加密和信息安全领域的应用潜力，以增强数据传输的安全性。其目标是通过这些努力，使SC-PVVB技术在光通信领域发挥最大潜力，为未来的信息传输提供更加高效和安全的解决方案。
论文信息
Yu, Z., Gao, X., Yao, J. et al. A spatial-frequency patching metasurface enabling super-capacity perfect vector vortex beams. eLight 4, 21 (2024).
https://doi.org/10.1186/s43593-024-00077-3
