据中国激光杂志社网，于2024年01月02日报道，提高光通信系统的容量对克服通信系统的带宽紧缩至关重要。在过去的几十年里，通过利用光的基本特性（如偏振和波长），在偏振分复用和波分复用等方向取得了许多重要进展。近年来，携带轨道角动量（OAM）的涡旋激光束由于其新颖的相位和强度分布而备受关注。OAM光束可用于各种领域，如光通信、全息术和纳米制造等。在自由空间光学通信应用中，与光波的不同本征模相对应的无限拓扑电荷值，为无限扩展通信容量提供了一种潜在的方法。理论上，OAM的无限正交状态可以分别表示无限数量的不同数据位或无限数量的独立通信信道。
OAM解复用器是实现OAM通信系统的关键设备。传统空间光通信系统的解复用器基于空间光调制器、衍射光学元件或达曼光栅，所用的拓扑荷值间隔通常相对较大，以减少相邻模式之间的串扰，限制了通信系统的容量。同时，这些解复用器只能响应特定的偏振状态或在指定的波长下工作，限制了同时组合其他复用方法的潜力。此外，大量的光学元件和复杂的系统设计使得这些方案不适合大规模工程应用。
近期，来自华中科技大学的熊伟教授、夏金松教授和高辉副教授团队提出了一种基于单层介质型超表面的光学解复用器，可以实现多维光场（波长、自旋角动量SAM和轨道角动量OAM）的解复用。基于该平台可以实现对三维光参数的解复用，并将它们聚焦在指定的焦平面上的不同空间位置，为光纤和通信芯片的集成提供了一种有效的替代方案。进一步地，研究人员验证了多维解复用器的132位独立通道，并通过4位椭圆偏振编码传输实验展示了器件作为椭圆偏振解码器的能力。
如图1所示为超表面OAM多维解复用器的工作原理图。携带不同拓扑荷数和不同偏振态的涡旋光束可以表示为混合庞加莱球上的一个点，输入的不同拓扑荷数的涡旋光束经过设计的超表面解复用器调制，退化为传播到不同方向并在目标焦平面上的不同位置聚焦的实心焦点（即拓扑荷数退化为0）。在该项工作的设计中，焦平面上有132个不同位置的焦点，分别对应光学参数的三个维度，包括6种波长（500 nm，540 nm，580 nm，620 nm，660 nm，700 nm），11种OAM（0，±1，±2，±3，±4，±5）和2种SAM（σ：±1）。通过解码检测平面上的焦点位置，可以区分对应于波长、OAM和SAM的独立位置，并转换为通道信号。
此外，极化状态SAM可以拓展为极化椭圆度，从而进一步提高通信容量。如图2所示，研究人员器通过4位（16阶）椭圆偏振灰度编码传输实现了光学信息传输的概念性演示。
相关工作以“Metasurface-Based Orbital Angular Momentum Multi-Dimensional Demultiplexer and Decoder” 为题(DOI:10.1002/lpor.202300393)，发表在Laser & Photonics Reviews上，并被选为当期Outside Back Cover封面。该论文第一作者为华中科技大学高辉副教授、范旭浩博士研究生和王玉西博士，共同通讯作者为华中科技大学高辉副教授、夏金松教授和熊伟教授。
论文信息：
Metasurface-Based Orbital Angular Momentum Multi-Dim1ensional Demultiplexer and Decoder
Hui Gao*, Xuhao Fan, Yuxi Wang, Xinger Wang, Ke Xu, Cheng Zeng, Tingan Li, Leimin Deng, Jinsong Xia*, Wei Xiong*
Laser & Photonics Reviews
DOI: 10.1002/lpor.202300393
原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/lpor.202300393
通讯作者简介
熊伟，华中科技大学教授，中组部国家海外高层次青年人才，武汉光电国家研究中心激光科学与技术研究部主任，主要从事微纳尺度激光3D/4D打印、微纳光学器件、以及超快激光成像与表征等方面研究。近年来在Science Advances、International Journal of Extreme Manufacturing、Nature Communications、Advanced Materials、Light：Science & Application、Nano Letters 等国际知名期刊发表论文50多篇，授权和公开国内外发明专利二十余件。曾获得美国激光协会ICALEO国际会议最佳论文奖，并曾担任美国激光协会ICAELO国际会议激光纳米加工与制造的分会主席，POEM国际会议激光分会的共主席，目前担任中国机械工程学会极端制造分会委员会委员、《中国激光》和《光电子学前沿》（FOE）编委、《极端制造》（IJEM）青年编委，以及湖北和武汉激光学会副理事长。
夏金松，工学博士，博士生导师，华中科技大学二级教授，国家万人计划科技创新领军人才，教育部新世纪优秀人才，国家重点研发计划项目首席科学家，华中科技大学卓越学者。获中国科学技术大学物理学学士学位，中国科学院微电子与固体电子学博士学位。主要研究领域为光电子芯片与器件，曾主持科技部重点研发计划项目、自然科学基金重点项目、湖北省创新群体、山东省重大项目等。在Science Advance、Nature Communications、Physics Review Letter等期刊发表SCI文章100余篇，作学术会议邀请报告70余次。
高辉，华中科技大学武汉光电国家研究中心副教授，中国科协“青年人才托举工程”入选者，中国民主促进会会员。本科就读于浙江大学，博士就读于中国科学院大学与National University of Singapore（NUS)，曾获2020年中国仪器仪表学会全国优秀博士论文奖。研究方向包括全息显示、微纳光学光场调制、激光微纳制造等，在Science Advances等国际期刊上发表论文二十余篇，研究成果入选ESI高被引论文。承担国家自然科学基金、湖北省青年基金等多项国家级及省部级项目，入选武汉市曙光计划。目前担任期刊Opto-Electronic Advances青年编委/武汉办公室主任、 《中国激光》青年编委、中国光学工程学会微纳专委会委员/副秘书长、中国仪器仪表学会科普专委会委员/科普专家、Light科普坊科学家顾问等职务。
