基于微纳结构的光子轨道角动量复用及检测进展

欧阳旭,张明偲,杨清帅,曹耀宇,徐毅,李向平∗

(1暨南大学光子技术研究院,广东省光纤传感与通信技术重点实验室,广东 广州 511436;2广东工业大学先进光子技术研究院,广东 广州 510006)

0 引言

1992年,Allen等[1]认识到光子可以携带轨道角动量(OAM)。OAM光束又被称为“涡旋光束”,表现为eilφ的螺旋形波前相位分布,其中:l为拓扑荷数,可以取任意整数;φ为空间上的方位角。OAM光束在螺旋位相中心处由于相位的不确定性,从而产生强度为零的相位奇点[2-8],且中心暗点的大小随着拓扑荷绝对值的增加而增大。OAM光束因其独特的光场强度分布特性,在超分辨成像[9-13]、颗粒捕获[14-18]、激光加工[19-23]、量子技术[24-29]等领域具有重要的应用。

光是一种优秀的信息载体,其波长[30-34]、偏振[35-41]、振幅[42-45]等物理维度均可作为信息的载体建立正交的数据通道,通过物理维度复用技术可以提高光子携带信息的容量和安全性。随着光信息技术的快速发展,现有的数据编码几乎耗尽了现有的波长、偏振、振幅等物理维度,需要探寻新的物理维度以增加信息复用的通道数。对于在空间中呈螺旋相位分布的“涡旋光束”,其携带的OAM可作为新的物理维度,与波长、偏振等物理维度结合而实现更高物理维度的复用。不同拓扑荷的OAM光束彼此都是正交的,因此OAM维度理论上可以随着拓扑荷l的取值具有无穷的容量,可以极大地提高信息的容量[46-74]。

Barreiro等[55]利用自旋和轨道角动量中同时纠缠的光子对辅助Bell态的测量,打破传统线性密集编码信道的容量极限。Wang等[56]发展了基于自由空间OAM光束的信息复用传输技术,演示了OAM作为光信息载体的可行性,实现了Tbit/s的传输容量。Yan等[57]将基于OAM的通信技术扩展到毫米波。然而由于自由空间信息传输受限于环境因素等,导致其传输距离受到限制。Bozinovic等[58]通过设计折射率渐变光纤,使其支持OAM模式,从而在光纤中实现OAM光束的通信,将OAM复用结构从宏观尺度缩小至微米尺度。结构尺寸减小,OAM复用所携带的信息密度将增加,波长量级的OAM复用主要受限于结构的尺寸与形貌,需要其支持OAM模式的响应。Ren等[59]通过设计纳米环结构使其支持轨道角动量模式,将OAM复用光信息器件的尺度推进至波长量级。Ouyang等[60]对紧聚焦OAM光束的聚焦特性进行深入研究,将OAM光束的复用结构扩展至亚波长量级。OAM复用的编码与解码也离不开对OAM光束的探测,可以使用干涉法、模式转换、等离激元微器件、几何坐标变换等[75-78]实现对OAM光束拓扑荷的探测。干涉法需要一路参考光束与OAM光束干涉,通过干涉之后的条纹数目判断OAM光束的拓扑荷。Wen等[76]使用几何坐标变换方案对OAM光束进行螺旋变换,将采集到的螺旋线转换为平行线,获得了高分辨率的OAM模式测量。然而这些方法需要复杂的光路或者衍射光学元件,并不适合纳米尺度的OAM光束探测。Yue等[77]在可兼容CMOS的拓扑绝缘体材料中设计半圆环结构将轨道角动量转为分布在不同空间位置的表面等离激元模式,实现纳米尺度OAM光束探测。但该方法只能测量特定拓扑荷的OAM光束。Zhang等[78]提出了一种自干涉方法,让OAM光束与纳米结构散射光相互干涉,无需参考光即可实现纳米尺度的OAM光束任意拓扑荷探测。

结构的空间尺度对信息容量的影响也至关重要,物理维度通道数目相同时,结构尺度越小携带的信息密度越大。本文围绕本课题组在纳米尺度OAM光束应用研究方面的工作展开讨论,介绍了纳米结构实现的多维OAM光信息复用和编码技术以及纳米尺度下的OAM检测技术,最后探讨了纳米尺度的OAM复用面临的问题与挑战,并对物理维度的扩展进行展望。

1 亚波长尺度轨道角动量复用技术

信息复用的维度通常包括结构的空间维度和光的物理维度,物理维度的复用可以极大提高信息的容量,但结构的空间尺度也会限制信息的容量,因此结构的小型化有利于进一步提高数据的容量。下面简要介绍利用光的轨道角动量、波长、偏振作为信息载体在纳米结构上实现信息处理、编码解码以及加密的相应技术。

1.1 轨道角动量复用信息处理技术

光子角动量的拓扑荷进行编码和解码可应用于片上光信息复用,能够极大地提高信息传输和处理的容量。然而纳米尺度的OAM复用受限于纳米结构,纳米结构对光的响应依赖于其几何尺寸与形状所支持的局域模式,通常仅支持偏振和波长响应,难以实现对光的角动量及空间频率等高阶模式的响应。2016年,Ren等[59]利用特殊设计的纳米结构率先实现了纳米尺度的光子轨道角动量和自旋角动量模式编码和解码。

图1为片上光子芯片的角动量(AM)复用示意图,图1(a)为四种轨道角动量和自旋角动量叠加的模式,分别为AM1:l0=-4,s=-1;AM2:l0=-2,s=-1;AM3:l0=+2,s=+1;AM4:l0=+4,s=+1。其中l0代表轨道角动量的拓扑荷,s代表自旋角动量(+1和-1分别代表左旋和右旋圆偏振)。图1(b)为单元结构的示意图,由圆形纳米凹槽和不同空间位移的纳米环组成。纳米凹槽结构将光子携带的AM模式转换成表面等离激元模式,并且不同的AM模式激发的表面等离激元模式空间位置产生差异,进而选择性通过纳米狭缝。纳米环支持的AM模式为非谐振特性,使其在可见光的透过率保持平稳,为宽带OAM光束复用奠定了基础。如图1(c),单元结构可以支持四种宽带的AM模式,因此可实现宽带的角动量信息复用。将单元结构组成周期阵列结构实现对信息的并行处理,根据单元结构中表面等离激元模式的空间位置分布差异,可对不同的AM模式解码。图1(d)为大面积的多路复用芯片的电子显微镜图像。图1(e)为AM1、AM2、AM3和AM4四个AM模式以及三个不同波长编码图像之后解码的实验结果。该技术与基于波长的片上解码技术相比增加了4路AM复用通道,其解码信息密度至少可以提高4倍以上,有望为数据传输和数据加密等领域提供研究基础。

图1 片上宽带角动量复用的原理和实验结果。(a)四个由轨道角动量与自旋角动量组合的AM态,l0=-4,s=-1(AM1),l0=-2,s=-1(AM2),l0=+2,s=+1(AM3)和l0=+4,s=+1(AM4)同轴叠加的OAM态(l0和s分别为OAM光束的拓扑荷以及左旋和右旋圆偏振);(b)纳米沟槽和环形狭缝组成的单元结构示意图;(c)结构对不同AM模式的选择性透过原理;(d)由单元结构组成的阵列结构的扫描电子显微镜图像;(e)多路AM模式解码后的实验结果[59]Fig.1 Principle and experimental results of on-chip broadband angular momentum multiplexing.(a)Four AM states consisting of a combination of orbital angular momentum and spin angular momentum,l0=-4,s=-1(AM1),l0=-2,s=-1(AM2),l0=+2,s=+1(AM3)and l0=+4,s=+1(AM4)coaxially superposed OAM states(l0and s represent the topological charges of the OAM beam as well as the left(+1)and right(-1)circularly polarized,respectively);(b)Schematic diagram of the structure consisting of nano-grooves and nano-ring slits;(c)Principle of selective transmission of the structure for different AM modes;(d)Scanning electron microscope image of the array structure;(e)Experimental results after decoding of multiplexed AM modes[59]

1.2 六维轨道角动量复用光信息编码技术

OAM光束尺寸缩小至波长量级时通常需要物镜将其紧聚焦,使其可受纳米结构调控。研究者通常关注焦平面的相位、强度、以及其矢量特性的分布,而远焦区域的分布特性容易被忽略。实际的纳米结构具有深度、高度等,呈现三维形貌分布,因此研究OAM紧聚焦的三维光场分布特性对实现亚波长尺度下的OAM复用也至关重要。Ouyang等[60]研究发现在非傍轴聚焦条件下,OAM光束沿传输方向的偏振椭圆长轴朝向和拓扑荷具有依赖关系,因此各向异性的纳米颗粒在非焦点中心处将产生吸收差异,从而形成螺旋二色性(HD)。利用这一机制,使用自组装强耦合的等离子体纳米聚合体放大其HD,实现了空间三维、波长、偏振、轨道角动量六维光信息复用技术。

亚波长尺度的OAM光束与纳米颗粒的作用机制如图2所示,使用理查德沃夫矢量衍射理论[79]计算OAM光束的聚焦特性,图2(a)为X-Z平面的偏振椭圆分布,可以看出不同拓扑荷(l=±1)偏振椭圆的长轴朝向具有差异,因此各向异性的金纳米棒在不同拓扑荷(l=±1)的OAM光束激励下,当金纳米棒的长轴方向与偏振椭圆的长轴匹配时其吸收将达到最大,进而导致金纳米棒的电场强度分布[图2(b)]和金纳米棒吸收曲线[图2(c)]产生差异。然而对于单个深亚波长的金纳米棒其吸收差异非常微弱,可进一步使用自组装强耦合的金纳米棒样品,利用金纳米棒之间的耦合形成的电磁能量热点放大HD,使其实验可测。图2(d)为简化物理模型在拓扑荷(l=±1)的OAM光束激励下的电场强度分布,可以看到不同拓扑荷激励下其电磁能量热点的空间位置分布不一样,数据编码解码时可使用高能量的激光融化热点附近金纳米棒使其耦合强度降低,进一步导致低能量激光激发的双光子荧光强度降低,故可编码为“0”,编码数据“1”时则不用激光作用于纳米颗粒,使纳米颗粒之间的耦合强度保持不变。从图2(e)的计算结果可知,在结构共振峰处的HD随着金纳米棒之间的耦合强度增加呈指数增长。图2(f)为结构内部的HD分布,正负HD的最大值具有空间位置分布差异。

图2 OAM光束与纳米颗粒作用的物理机制。(a)在给定的X-Z平面上,相反拓扑荷的聚焦OAM光束(l=±1)引起了局域偏振椭圆的明显旋转;在拓扑荷为l=±1紧聚焦OAM光束激励下,金纳米棒的电场强度分布(b)和线性吸收曲线(c);(d)强耦合金纳米棒模型在拓扑荷为l=±1的OAM光束激发下的电场强度分布;(e)不同耦合强度与结构HD的相关性;(f)结构内部的HD分布[60]Fig.2 The mechanism of OAM beam interaction with nanoparticles.(a)The focused OAM beam of opposite topological charge(l=±1)induces a significant rotation of the local polarization ellipse in a given X-Z plane;(b)Calculated electric field intensity distribution and(c)linear absorption of gold nanorods under topological charge l=±1 tightly focused OAM beam excitation;(d)Electric field intensity distribution of a strongly coupled gold nanorod model excited by an OAM beam with a topological charge of l= ±1;(e)Correlation of different coupling strengths with the HD of the structure;(f)HD distribution inside the structure[60]

自组装强耦合金纳米棒样品在单个焦点体积内的数量有成千上万根,焦点内金纳米棒之间的耦合方式具有多样性,使其可以同时支持轨道角动量、偏振、波长的响应,并且样品为空间三维分布,因此可实现六维光信息复用和加密。图3(a)、(b)为对数据加密的实验结果,使用拓扑荷为l=-1的OAM光束记录数据之后,只有对应拓扑荷的OAM光束才能读取正确的信息,可实现六个维度对信息加密。图3(c)～(e)为六维光信息复用的实验结果,实现了十六路(四个OAM态、两个波长以及两个线偏振)信息在同一区域复用。

图3 六维光学信息加密编码。(a)自组装金纳米棒样品解码之后的结果,二维码大小为32µm×32µm(像素点为27×27);(b)相似度S评估光束的拓扑荷、波长、偏振和Z位置的组合态解码之后的结果;(c)同一空间区域内16个纳米二维码复用解复用实验结果,四个OAM(-l1=l2=1和-l3=l4=3),两个波长(λ1=800 nm和λ2=860 nm)和两个线性偏振;(d)六维光学信息加密编码的示意图;(e)二维码在不同Z位置(Z1-Z2=1µm)的X-Y平面进行多层复用结果[60]Fig.3 Encoded six-dimensional optical information.(a)Results of decoding in self-assembled gold nanorod,where the size of the QR code is 32µm×32µm(27×27 pixel points);(b)Similarity factor S evaluating the results after decoding of the combined state of topological charge,wavelength,polarization and Z-position;(c)Experimental results of sixteen QR code demultiplexing in the same spatial region with four OAMs(-l1=l2=1 and-l3=l4=3),two wavelengths(λ1=800 nm and λ2=860 nm)and two linear polarizations;(d)Schematic of the Six-dimensional optical encryption and encoding;(e)Results of multilayer multiplexing of QR codes in the X-Y plane at different Z-positions(Z1-Z2=1 µm)[60]

1.3 完美涡旋光数据加密技术

传统的涡旋光束光强分布对拓扑荷的依赖性使光与物质相互作用变得复杂化,限制了OAM在加密领域的应用。通过对OAM光束的相位或振幅调控可产生完美涡旋(POV)光束,POV光束的物理特性为不同拓扑荷的OAM光束光斑尺寸相同。然而传统的POV光束产生方法应用在紧聚焦条件时,焦平面内的聚焦半径会发生变化,导致高数值孔径(NA)聚焦的OAM光束半径变得不可控。Yang等[62]使用纯相位调制产生了紧聚焦POV光束,并研究了POV光束与无序金纳米颗粒的相互作用机制,实现了POV光束对信息的加密。

紧聚焦条件下POV光束相位调制图计算过程及图像加密实验结果如图4所示。该方法使用一个空间光调制器即可产生POV光束,可以简化实验光路并降低实验成本。其相位图计算如下:首先提取理想贝塞尔函数傅里叶变换后的复振幅光场,得到(1)式中的振幅分布和相位分布,其对应的计算结果分别如图4(a)、(b)所示。

式中:(ρ,θ)为极坐标系,l为整数阶拓扑荷数,k为波数,X=kρ/f,f为透镜焦距,R为圆孔光阑的半径,α为第一类l阶贝塞尔方程Jl(x)的比例因子。利用欧拉公式可将振幅调制项转化为相位调制项,基于此对两种分布信息进行编码并将其组合成(2)式中两个新的相位分布φ1和φ2,其对应的计算结果分别如图4(c)、(d)所示。

图4 相位图计算过程及光学加密实验结果。理想贝塞尔函数傅里叶变换的复振幅光场中的振幅分布(a)和相位分布(b);(c),(d)两个组合相位分布;(e),(f)一对互补的环形孔;(g)最终合成的相位分布;(h),(i)拓扑荷l=5的POV在xy横截面的光强分布和相位干涉图案;(j)同一空间区域内8个图案复用解实验结果,四个OAM(l=±1、±3)和两个线性偏振。紧聚焦系统的仿真参数:水平偏振,λ=800 nm,NA=0.95,半径R=3µm[62]Fig.4 Calculation process of phase and results of optical encryption experiment.Amplitude distribution(a)and phase distribution(b)in the complex amplitude optical field of the Fourier transform of an ideal Bessel function;(c),(d)Distribution of the two combined phase;(e),(f)A pair of complementary toroidal apertures;(g)Distribution of the final combined phase;(h),(i)Optical intensity distribution and phase interference pattern of the POV with topological charge l=5 in the xy cross section;(j)Experimental results of eight patterns demultiplexing in the same spatial region with four OAMs(l= ±1,±3)and two linear polarizations.Simulation parameters of the tightly focused system:Horizontal polarization,λ=800 nm,NA=0.95,and radius R=3µm[62]

式中:A(x0,y0)与φ(x0,y0)分别为(1)式复振幅场的振幅分布和相位分布,Amax为其振幅最大值。之后使用一对互补的环形孔径[图4(e)、(f)]将两幅相位图合成最终的相位调制图[图4(g)],理论计算结果表明调制后的光场经过物镜聚焦,光强分布满足POV光束的定义。图4(h)、(i)分别为使用理查德沃夫矢量衍射理论计算获得的调制光场在紧聚焦条件下x-y面上的光强分布及其对应的相位干涉图案。通过研究不同拓扑荷的POV光束与无序金纳米颗粒的作用机制,从理论和实验上证明了其实现光学图像加密的可行性。图4(j)为八个图案利用四个POV态(l=±1、±3)和两个线偏振(x和y偏振)在同一区域复用解码之后的结果,只有对应的POV态才可以得到正确的信息,否则得到错误的干扰信息。

2 波长尺度的涡旋光检测技术

在OAM复用技术中,针对OAM光束的检测技术至关重要,尤其是针对自旋角动量(SAM)和OAM拓扑荷的独立探测。传统的OAM光束探测技术主要基于宏观上的相位干涉或模式转换方法,尽管能够简单方便地探测OAM光束的拓扑荷,然而受制于体积因素,无法集成在波长尺度的光学器件中。因此,波长尺度的轨道角动量复用技术需要相应的涡旋光检测技术作为支撑。

Zhang等[78]提出了一种波长尺度的探测OAM的方法,该方法只需要一个亚波长的纳米小孔即可实现SAM与OAM的探测,并重现了亚波长分辨率的光场分布。如图5(a)所示,一束携带轨道角动量的光束经过物镜聚焦后照射到离焦平面的金属薄膜和纳米小孔上[图5(b)],大部分入射光都被金属薄膜主体反射,小部分光和小孔相互作用产生散射。由于反射光和散射光沿z轴的衰减曲线不同,因此在某些特定的距离范围上二者强度相当,可以产生明显的干涉现象,在焦平面上形成清晰的干涉图案,并通过光学系统传输至共轭的探测平面上,作为电信号被光电二极管记录。随着纳米小孔在位移平台控制下在轨道角动量光场中扫描,散射光束可以同时继承小孔处的振幅和相位信息。而反射光束的强度、相位信息都是固定的,因此随着小孔继承相位的不同,可以发生相长或是相消干涉信号,光电二极管记录随小孔扫描产生的螺旋形条纹。通过条纹的数目和方向即可确认微小空间内OAM的数值和正负号[图5(d)],测量精度和分辨率取决于纳米小孔的尺寸和空间扫描步长。除了OAM探测,该技术还能结合圆偏振分析,探测了高阶杂化庞加莱球上不同位置的SAM和OAM。如图5(d)所示,光场沿着庞加莱球经线由状态i至状态v演化,在左旋分量探测到总强度逐渐减弱至0的两个条纹,而右旋分量探测到总强度从0逐渐增加的中心亮斑。这一过程说明光场沿着经线变化,光场的总角动量在守恒的条件下,从+ħ到-ħ逐渐减小的SAM,转化成为从-2ħ到0ħ逐渐增加的OAM。这一技术实现了SAM和OAM在亚波长分辨率的映射和测量,并且可以应用于杂化阶庞加莱球上自旋-轨道-霍尔效应的探测。

图5 亚波长尺度下OAM光束的检测原理与实验结果。(a)样品表面反射光与结构散射波在焦平面的干涉示意图;(b)纳米孔样品扫描电镜图像(SEM);(c)实验光路图,QWP:1/4玻片,APD:雪崩光电二极管;(d)亚波长下光的轨道角动量与自旋角动量检测的实验结果[78]Fig.5 Detection principle and experimental results of OAM beam at subwavelength scale.(a)Schematic diagram of the interference between the reflected light from the sample surface and the structured scattered wave at the focal plane;(b)Scanning electron microscope image(SEM)of the nanohole;(c)Experimental set up.QWP:1/4 wave plate,APD:avalanche photodiode;(d)Experimental results of topological charge and spin angular momentum detection of OAM beams at subwavelengths[78]

3 结论与展望

轨道角动量近三十年的研究,从最初的理论基础研究到应用开发阶段再到技术突破阶段,OAM光束已在超分辨成像、大容量通信、信息编码解码等领域发挥了重要作用。随着信息时代的发展,OAM复用在数据的传输、处理、编码等领域均已取得进展。

介绍了OAM光束在微纳结构上实现了数据处理、编码以及加密与检测,纳米尺度的OAM光束的研究还存在很多机遇和挑战,值得进一步挖掘。如:1)研究OAM光束与纳米结构相互作用的新物理现象,以及OAM自身的自旋和轨道相互作用等效应。2)OAM复用对提高信息的容量具有重要作用,然而目前轨道角动量复用主要与光的波长、偏振物理维度结合。随着光场调控技术的发展,可产生模式丰富的结构光场,如拉盖尔高斯光束不仅具有OAM模式,还具有径向模式值以及矢量OAM光束等,可将这些作为新的自由度扩展信息复用的容量。3)目前纳米尺度的OAM光束实现的功能还比较单一,未来可将器件集成化,实现片上器件整合和应用开发。总而言之,OAM的复用技术仍然有大量的研究工作需要深入探索,相信未来将有更多的物理维度同时复用以进一步提高数据的容量。