5G的發(fā)展來自于對移動數(shù)據(jù)日益增長的需求。隨著移動互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，越來越多的設(shè)備接入到移動網(wǎng)絡(luò)中，新的服務(wù)和應(yīng)用需要更大更快的數(shù)據(jù)流，所以移動數(shù)據(jù)流量的暴漲給網(wǎng)絡(luò)帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。而目前，通信的主要手段是通過電磁波來傳輸信號。但是，頻率的利用已經(jīng)飽和，頻率方法已達(dá)到極限。這就是為什么大家在收音機上收聽的電臺只有那么幾個的原因。

為了解決上述問題，人們已經(jīng)提出了很多種提高通信容量的方法。例如：時分復(fù)用（TDM）（名詞解釋 》）；波分復(fù)用（WDM）（名詞解釋 》）；頻分復(fù)用技術(shù)（FDM）（名詞解釋 》）等相關(guān)技術(shù)。但是，除了頻率、偏振和波長之外，軌道角動量（OAM）的研究引起了科學(xué)家們的廣泛關(guān)注。因為它能提供一個指數(shù)級的數(shù)據(jù)傳輸能力，具有無限的自由度，原則上可以支持無限大的數(shù)據(jù)量。

攜帶軌道角動量（OAM）的渦旋光是下一代光通信應(yīng)用中最具代表性的，其為光波的空間域利用提供了一個新的空間維度資源。并且具有不同OAM模式值的渦旋光束又相互正交，因此將OAM模式引入傳統(tǒng)光通信領(lǐng)域，進而衍生出兩種新的應(yīng)用機制——OAM鍵控（OAM-SK）與OAM復(fù)用（OAM-DM），這為未來實現(xiàn)高速、大容量及高頻譜效率的光通信技術(shù)提供了潛在的解決方案。

但是，“目前，仍存在的挑戰(zhàn)是找到一種可靠的方法來產(chǎn)生無限數(shù)量的OAM光束。尤其是在芯片級別的設(shè)備上產(chǎn)生高拓?fù)潆姾傻腛AM光束?！彼裕鯓雍芎玫漠a(chǎn)生OAM光一直是光學(xué)渦旋研究領(lǐng)域中的一個重點問題。

為了解決上述問題，近日，來自美國加州大學(xué)圣地亞哥分校與美國加州大學(xué)伯克利分校的研究學(xué)者們，提出了基于量子霍爾效應(yīng)（名詞解釋 》）的超大復(fù)用OAM光源。該成果以“Photonic quantum Hall effect and multiplexed light sources of large orbital angular momenta”為題發(fā)表在Nature Physics上。

其實，光學(xué)渦旋的研究已經(jīng)到了而立之年，這一路走來怎樣很好的產(chǎn)生渦旋光，一直是科研工作者們孜孜不倦而求索的目標(biāo)。到目前發(fā)展為止，有如下常見的六種方法：

螺旋相位板；

雙柱透鏡模式轉(zhuǎn)換器（也稱之為π/2模式轉(zhuǎn)換器）；

空間光調(diào)制器；

雙直角棱鏡光腔；

液晶Q板；

菲涅爾錐鏡；

常見的6種OAM光產(chǎn)生方法匯總

圖源：Optics & Photonics News

圖譯：楊大海/撰稿人

基于量子霍爾效應(yīng)的OAM光發(fā)生器這是第一次被提出，而這一現(xiàn)象一直以來被人們認(rèn)為是不可能的，因為人們認(rèn)為帶有磁場的量子霍爾效應(yīng)可以用于電子學(xué)，但不能應(yīng)用于光學(xué)。而要想利用量子霍爾效應(yīng)來產(chǎn)生OAM光，關(guān)鍵在于器件設(shè)計的創(chuàng)新性，而設(shè)計器件包括器件材料的選擇與結(jié)構(gòu)的分布。

霍爾效應(yīng)的簡要發(fā)展和關(guān)鍵人物介紹

圖源：（1）The Nobel Prize，（2）Science

制圖：楊大海/撰稿人

該設(shè)計方法與材料的選擇是將InGaAsP（磷砷化鎵銦）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，刻蝕在yttrium iron garnet（釔鐵石榴石襯底上），創(chuàng)造了支持一種被稱為“光量子霍爾效應(yīng)”現(xiàn)象的條件。在這種結(jié)構(gòu)與材料（拓?fù)涔庾泳w）之下光子會隨外界磁場的作用而運動，迫使光在圓環(huán)中只向一個方向傳播，從而在兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)格的交界處形成“漏波（leaky-wave）”。

研究人員將具有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)格（三角形網(wǎng)格與方形網(wǎng)格）設(shè)計成三個同心圓圖案，彼此之間進行整體嵌套形成量子霍爾環(huán)（量子阱）以捕獲光子（整體最大的直徑約為50微米），從而實現(xiàn)了單一OAM和復(fù)用OAM發(fā)生器的制備。

實現(xiàn)超大復(fù)用OAM發(fā)射的光量子霍爾效應(yīng)器件實物掃面電鏡圖與局部放大圖圖源：Nature Physics

其次，通過此方法產(chǎn)生的OAM光的拓?fù)潆姾蓴?shù)與形成的光子晶體的角向共振階數(shù)相等，所以通過控制霍爾環(huán)中的晶格數(shù)量，就可以隨意的改變渦旋的輸出值。通過研究發(fā)現(xiàn)，其渦旋光的最小拓?fù)浜芍禐?，最大拓?fù)浜芍禑o上限，但其效率等參數(shù)會顯著下降。并且，還可產(chǎn)生超大復(fù)用的OAM光，這是第一次實現(xiàn)超大復(fù)用OAM光直接在微納器件上的產(chǎn)生。

實物器件與OAM光實驗圖

圖源：Nature Physics / 圖譯：撰稿人 楊大海

本文中報道的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)器件有很強的魯棒性而且還非常小，大約與頭發(fā)絲的直徑一般。同時，這種發(fā)射天線不僅適用于光波，同樣對于其它波段也是適用的。所以，在未來光通信應(yīng)用領(lǐng)域，這樣的器件可以直接集成到芯片上。

總而言之，這項技術(shù)力圖從光源本質(zhì)上出發(fā)，通過軌道角動量光的產(chǎn)生和復(fù)用來克服當(dāng)前數(shù)據(jù)容量的限制。為生物成像、量子密碼學(xué)、高容量通信以及傳感器等方面的應(yīng)用研究帶來突破。所以，我們不難發(fā)現(xiàn)對渦旋光的相關(guān)方面進行不斷深入的研究，不僅具有重要的基礎(chǔ)科學(xué)研究價值，而且更有助于推動進一步的應(yīng)用技術(shù)開發(fā)。

論文信息

Bahari， B.， Hsu， L.， Pan， S.H.et al. Photonic quantum Hall effect and multiplexed light sources of large orbital angular momenta. Nat. Phys. （2021）。

論文地址

https://doi.org/10.1038/s41567-021-01165-8

編輯：jq