光子轨道角动量的应用与发展——记中山大学光电材料与技术国家重点实验室蔡鑫伦课题组及其研究学科

光子轨道角动量的应用与发展
——记中山大学光电材料与技术国家重点实验室蔡鑫伦课题组及其研究学科

众所周知，光是一种物质，它总是沿直线传播。人类自古以来就研究光，而漩涡光束直到1992年才在荷兰莱顿大学被Allen等人发现。科学家看到一个有趣的现象：在漩涡光束中，光线不是直线传播，而是以螺旋线的形式，在一个空心的圆锥形光束中传播。因此，这种光束看起来像一个漩涡或龙卷风，其中的光线可以向左或向右扭转。

光子可以携带轨道角动量，这一科学发现推动了多个学科新的发展，如非线性光学、量子光学、原子光学、微观力学、微流学、生物科学和天文学等，漩涡光束同时也被开拓并广泛应用于多个新的领域，如光通信、光学捕获、光学微操控、显微检查和量子信息处理等。

漩涡光束发现20年来，传统上一直用各种体光学元件，例如柱状透镜、某些特殊波片、全息片、空间光调制器等来产生这种光束，但在很小区域内需要大量漩涡光束的情况下，非常不方便，阻碍了大规模应用。

中山大学的蔡鑫伦教授、余思远教授等人发明了一种硅基的平面光波导光子轨道角动量发射器，可以在几个微米的尺寸下产生涡旋光束，打破了传统光学元件的局限性，有很好的应用前景。

光子轨道角动量应用的发展历程

光子以光速运动，并具有能量、动量和质量。光子的动量可以分为线性动量和角动量，光子的线性动量方向与光的传播方向平行，当一束光入射到垂直传播方向的物体时，光对物体会产生一个压力，称为光压。这个压力虽然非常小，但是非常有用，宏观上可以制作太阳帆，利用光压作为太空航行器源源不断的动力，微观上可以利用光压的梯度进行微粒的操控。

光子的角动量最先被熟知的是自旋角动量，它是光子的内禀角动量，关于自旋的确切物理含义比较复杂，可以简单地想象为是光子在绕自身旋转。光子的自旋角动量只可能有两种取值+与-，其中是一个非常小的常数，称为约化普朗克常数。在空间上，光子自旋角动量的这两种取值分别对应于右旋圆偏振与左旋圆偏振。另外，光子还可以具有轨道角动量（Orbital Angular Momentum, OAM）。

Allen等人证明，具有螺旋相位因子eil的涡旋光束每个光子带有l的轨道角动量，其中l 是涡旋光束的拓扑电荷数，是横向上相对于光束中心的角向位置。具有螺旋相位的光束带有轨道角动量或许并不难理解，但是这个证明的突破性在于发现了光子轨道角动量与自旋角动量一样也是以为单位量子化的，但是它又不同于自旋角动量只有两个正交态，l 为任意整数，光子轨道角动量成为取值无穷大的希尔伯特空间。

拉盖尔高斯模是具有螺旋相位因子eil的涡旋光束，它是亥姆赫兹方程在柱坐标系下的解，可以在自由空间稳定传输。不同l 值的拉盖尔高斯光束，如图1所示，对于确定的l ，光束具有l个互相缠绕的相位波前；光束的中心是一个相位奇点，此处的相位是不确定的，导致光束中心的能量为零，所有的涡旋光束都具有环形能量分布的特点；使涡旋光束与一平面波干涉产生螺旋形的能量分布，干涉图案显示了光束的相位分布，螺旋的个数等于l ，这是一个简单的测试涡旋光束l 值的方法。当l 为0的时候，即为基模高斯光束。

Allen等人的工作引起了科学界对光子轨道角动量的广泛研究，并取得了大量的重要成果。角动量传递给微粒可以使微粒旋转，自旋角动量使微粒绕自身旋转，轨道角动量使微粒绕光束中心旋转，具有螺旋相位的圆偏振光可以作为光学扳手操控微粒。

此外光子轨道角动量在光学显微镜、非线性光学和量子保密通信领域也有重要应用。目前，光子轨道角动量最有潜力的应用是在光通信领域。正交的光子轨道角动量是光的除了波长和偏振之外新的自由度，它不同于偏振只有两个取值，理论上光子轨道角动量可以无限取值，意味着有更多的信息可以编码在光子轨道角动量这个自由度上。现在可行的基于光子轨道角动量的光通信技术是轨道角动量模式复用(OAM-DM)，将正交的轨道角动量模式当做独立的信道传输信息，类似于波分复用(WDM)和偏振复用(PDM)。因为轨道角动量独立于波长与偏振，所以轨道角动量复用可以与波分复用、偏振复用同时应用在光通信系统中，大大提高通信容量。美国南加州大学的工作实验演示了在自由空间中，用12个轨道角动量模式，每个模式有42个波长，每个波长有2个偏振，一共组成了12×42×2=1008个信道，实现了惊人的100.8T/s的容量传输。轨道角动量复用技术同样可以应用于光纤通信系统中，美国波士顿大学与南加州大学的合作实验演示了在特殊设计的具有环形折射率分布的光纤中复用4个角动量模式传输了1.1千米。

图2

微米级体光学元件

在光子轨道角动量复用通信系统中，轨道角动量发射与复用器是关键的器件。正如文首提到传统光学元件有局限性。在现有的实验系统中，光子轨道角动量的产生、复用和检测大多都是使用的体光学元件，其中最常用的是螺旋相位板和空间光调制器。这种体光学元件体积较大，稳定性差，不可调谐或调谐速度慢，或造价昂贵，不利于大规模商业应用。

而蔡鑫伦教授、余思远教授等人发明的硅基平面光波导光子轨道角动量发射器结构非常简单紧凑，如图2所示，环形谐振腔内侧嵌有角向光栅，外部输入到直波导的光耦合入微环谐振腔，激发了谐振腔内带有轨道角动量的回音廊模式，再经由角向光栅辐射到自由空间。

通过改变输入光波长，此器件可以产生任意l 值的矢量涡旋光束，而且在微环外侧加上热电极可以快速切换产生不同l 值。制备此硅基器件的微纳加工工艺与现有商用CMOS工艺兼容，可低成本大规模集成。最近，这个器件成功应用在光通信实验系统上。

光子轨道角动量是古老的光学学科新的研究领域，它在光通信领域极具潜力的应用让人印象深刻，信息社会的发展需要越来越高的传输速度，轨道角动量复用技术成为继续拓展光学带宽的可靠途经。光学集成是未来光学应用的主要趋势，带光栅微环的光子轨道角动量发射器为大规模应用轨道角动量技术奠定了夯实的研究基础。