下载客户端

Light | 庆祝光学轨道角动量30周年——展望高维结构光

2022-09-29 07:30

来源：澎湃新闻·澎湃号·湃客

说明：本文由课题组投稿

我们的教科书上从传统光学的角度定义了光作为电磁波的一种形式，具有波长、频率、振幅、相位与偏振等特性。然而实质上，光的结构却可以无限复杂。通过从时间到空间上调整光的多个自由度，我们可以得到多种复杂排列组合的结构光。

轨道角动量(OAM)可能是最热门的例子，其中一些携带了轨道角动量的结构光也不乏更高维的表现形式，这些高维结构光组成了一个解决实际工程问题的工具包，助力光的传输、存储、检测等领域的发展。尽管对光的自由度的调控正慢慢受到广泛的关注，从量子态和经典态的角度充分利用这些新的自由度仍然具有挑战性，处于起步阶段。

为庆祝光学轨道角动量概念诞生30周年，Light: Science & Applications最近以“Towards higher-dimensional structured light”为题发表回顾与前瞻（Perspective）文章。

本篇文章，我们讨论了为高维结构光创建、检测和控制多个自由度的方法、挑战和机遇。讨论了产生、检测和控制高维结构光的多个自由度更高维度的方法、挑战和机会。提出了从基础研究到应用的未来发展趋势路线图，集中在更大容量、更高安全性的信息处理和通信等方面的潜力。这篇文章涵盖了高度热点和爆炸性的结构光领域，随着越来越多的自由度在我们的控制下，结构光正在获得牵引力。

光有多少自由度？我们如何控制它们？

从光波基本表达式，我们可以直观地总结出几个基本自由度：空间、时间、幅度、波长（或频率）、相位和偏振（光子的自旋）。然而与光的复杂行为相关的自由度不受这六个基本要素的限制。

例如，光的轨道角动量（OAM），揭示涡旋光束中的螺旋相位分布是一个空间和相位的组合自由度。如果我们考虑更复杂的空间分布，结合 OAM 所具有的相位奇点和拓扑性质，可以推广到结构更为复杂的涡旋晶格或多奇点阵列等概念。

总角动量 (TAM) 是其中更为典型的一个例子：TAM 是 OAM 与自旋角动量（SAM）之和，能够描述具有空间变化的更一般的矢量涡旋光束的特性，从而使结构光束实现更多应用。

我们还可以考虑将时间作为一个调制自由度，从而产生结构脉冲，打破传统分离变量解的限制。时空调制的结构光在探索新物理中也起着重要作用，时间和波长/频率相结合得到的结构啁啾脉冲可以催生各种脉冲整形技术，如产生波长（或光谱）与 OAM 共同调制的结构光，并使用其强大的复用能力实现大容量通信。

按照这样的策略，我们可以从理论上无限地创建新的自由度，并通过多个的基本自由度的结合，推动基础科学研究，刺激新兴应用方式的产生。

图1：构造高维结构光的多种潜在自由度

下面我们用几个展望（文章中几个代表性例子），代表性地展示我们能从高维结构光的发现和控制中得到什么？

展望1：基于结构光高维复用维度的光学信息传输

现有的光通信方案正在迅速接近其信息容量的极限，需要进一步拓展传输光的维度，从而实现更高信息量的数据传输。一个较为典型的想法是利用光的空间自由度实现复用，从而获得更多的通道和更大的通道容量，代表性方法为空分复用 (SDM)或模分复用 (MDM)。多路复用技术的关键在于轨道角动量的使用，以及与其他调控自由度配合，以在通信中实现超高容量、速度和低误码率。

展望2：基于结构光的多维信息存储

光学信息存储是多路复用技术的另一重要应用。传统的光学数据存储方法具有原理上的局限性，即数据记录单元被限制在衍射极限区域，因此容量只能达到几十千兆字节 (GB)。但近年来结构光与纳米光子学技术的革命性发展，为超越GB量级的超高光学数据存储的实现铺平了新的道路。纳米粒子材料具有偏振选择性和光谱选择性等独特优势，为光存储带来了多维复用可能性, 能够实现空间、偏振和波长实现5D光复用。在此基础上，使用光的轨道角动量作为附加维度，可以将多路复用数据存储扩展到6D。结构光的多维复用能够有效提升信息存储的读写速度、容量和安全性。

图2：面向高维光信息存储和传输的结构光复用技术

展望3：高维光场调制器件和方法

自适应光学（Adaptive optics）是一项使用自适应器件对波前畸变进行校准的技术，其在天体观测、显微、通信等领域都有着广泛的应用。当下自适应光学的使用范围主要聚焦在补偿相位像差。随着矢量光学的发展（如矢量光通信、矢量显微成像）及光复用维度的增加，为了精确获得矢量信息，校准光学系统中的矢量像差变得越来越重要。为此，下一代矢量自适应光学应运而生（用于同时校准偏振和相位的像差）。特别的，在无传感器的校准方法中，矢量泽尼克尔的多项式 (Zernike polynomials) 提供了高维光复用的另一种可能性。此外，基于激光直写的新型液晶（liquid crystal）器件、以及用于复杂光场进行调制的超平面（metasureface）器件，近年来也受到广泛的关注。它们的快速发展也为下一代多维光复用提供了重要的器件保障和方法支撑。

图3：自适应光学助力的自由结构光场调控

展望4：高维量子结构光

除了经典领域的进展之外，近年来，结构光的量子态同样得到了巨大的发展和应用。产生光量子态的基础是利用非线性光学晶体自发参量下转换（SPDC）技术。在SPDC过程中，输入一个蓝色的高能光子到非线性晶体中，它可以转换和产生出两个相同的红色的低能量的纠缠光子，这就是产生光量子纠缠的基本原理。而传统意义上，在这个过程中光子是局限于高斯基模的空间结构。随着结构光在量子领域的发展，具有结构光模式的量子纠缠已经被实验和理论证实，并开启了复杂结构光子纠缠的新研究方向。第一个结构光的量子纠缠实验利用的是光子的OAM模式作为自由度，与传统偏振纠缠光子类似，但是具有无限的维度，开启了拓展到多个量子比特空间的量子信息学的研究。

今天，OAM 纠缠结构光已被推广到各种涡旋光模式，以及具有自旋-轨道（SAM-OAM）混合自由度的多个结构光子纠缠，并实现各种高维量子信息和通讯协议的实验实现。对于高维量子结构光的应用，当前的挑战不仅在于拓展所需的维度，更在于将利用其编码的信息完整地安全的通过信道传输，例如，通过自由空间或光纤传输结构光子进行更快更安全的量子通信。在高维量子信息发展的路上，虽然还有许多里程碑有待达到，但是实用化全球量子通信网络已经值得期待了。

图4：高维量子结构光

展望5：探寻光学新结构—斯格明子

在最新的对于量子系统、手性磁介质等多成分凝聚态的研究中，斯格明子（Skyrmion）作为一种在多参量连续对称性下的非平庸拓扑态被广泛报道。斯格明子最初由英国粒子物理学家托尼·斯格明（Tony Skyrme）在1962年提出作为核子的统一模型，它的行为就像具有精致纹理的纳米级磁漩涡。这种纹理可以理解为将一个带刺的矢量球展开到一个二维平面上，类似于球极投影，这种局限在二维平面的三维矢量场就表示一个斯格明子，就像我们可以多样地梳理“球上的毛发”，斯格明子具有丰富的拓扑态去调控。

斯格明子起初是一种特殊的拓扑自旋结构，在量子场论、固体物理、磁介质等领域中有重要的地位。由于其独特的拓扑稳定性而被广泛认为是一种具有高速度，高密度，低能耗等特点的高效信息载体，对下一代信息存储和传输技术革新具有重要作用。并且，最新的研究发现斯格明子也同样可以在光场中形成和被调控，高维结构光的发展为构造高维斯格明子复杂拓扑结构提供了可能。

现在，在实验上能够产生的自由调控拓扑结构的光学斯格明子在学界仍然是一项巨大挑战。如果可以打破这种斯格明子拓扑难以大范围自由调控局限，如果可以产生拓扑态可自由操控的斯格明子，将为下一代信息革命开辟了无限可能，如光通信、信息加密、自旋轨道相互作用和拓扑相变，为先进光子学基础理论拓展和实际应用带来新的机遇。