光子軌道角動量的應(yīng)用與發(fā)展
——記中山大學(xué)光電材料與技術(shù)國家重點實驗室蔡鑫倫課題組及其研究學(xué)科

眾所周知，光是一種物質(zhì)，它總是沿直線傳播。人類自古以來就研究光，而漩渦光束直到1992年才在荷蘭萊頓大學(xué)被Allen等人發(fā)現(xiàn)?？茖W(xué)家看到一個有趣的現(xiàn)象：在漩渦光束中，光線不是直線傳播，而是以螺旋線的形式，在一個空心的圓錐形光束中傳播。因此，這種光束看起來像一個漩渦或龍卷風(fēng)，其中的光線可以向左或向右扭轉(zhuǎn)。

光子可以攜帶軌道角動量，這一科學(xué)發(fā)現(xiàn)推動了多個學(xué)科新的發(fā)展，如非線性光學(xué)、量子光學(xué)、原子光學(xué)、微觀力學(xué)、微流學(xué)、生物科學(xué)和天文學(xué)等，漩渦光束同時也被開拓并廣泛應(yīng)用于多個新的領(lǐng)域，如光通信、光學(xué)捕獲、光學(xué)微操控、顯微檢查和量子信息處理等。

漩渦光束發(fā)現(xiàn)20年來，傳統(tǒng)上一直用各種體光學(xué)元件，例如柱狀透鏡、某些特殊波片、全息片、空間光調(diào)制器等來產(chǎn)生這種光束，但在很小區(qū)域內(nèi)需要大量漩渦光束的情況下，非常不方便，阻礙了大規(guī)模應(yīng)用。

中山大學(xué)的蔡鑫倫教授、余思遠(yuǎn)教授等人發(fā)明了一種硅基的平面光波導(dǎo)光子軌道角動量發(fā)射器，可以在幾個微米的尺寸下產(chǎn)生渦旋光束，打破了傳統(tǒng)光學(xué)元件的局限性，有很好的應(yīng)用前景。

光子軌道角動量應(yīng)用的發(fā)展歷程

光子以光速運動，并具有能量、動量和質(zhì)量。光子的動量可以分為線性動量和角動量，光子的線性動量方向與光的傳播方向平行，當(dāng)一束光入射到垂直傳播方向的物體時，光對物體會產(chǎn)生一個壓力，稱為光壓。這個壓力雖然非常小，但是非常有用，宏觀上可以制作太陽帆，利用光壓作為太空航行器源源不斷的動力，微觀上可以利用光壓的梯度進行微粒的操控。

光子的角動量最先被熟知的是自旋角動量，它是光子的內(nèi)稟角動量，關(guān)于自旋的確切物理含義比較復(fù)雜，可以簡單地想象為是光子在繞自身旋轉(zhuǎn)。光子的自旋角動量只可能有兩種取值+與-，其中是一個非常小的常數(shù)，稱為約化普朗克常數(shù)。在空間上，光子自旋角動量的這兩種取值分別對應(yīng)于右旋圓偏振與左旋圓偏振。另外，光子還可以具有軌道角動量（Orbital Angular Momentum, OAM）。

Allen等人證明，具有螺旋相位因子eil的渦旋光束每個光子帶有l(wèi)的軌道角動量，其中l(wèi) 是渦旋光束的拓?fù)潆姾蓴?shù)，是橫向上相對于光束中心的角向位置。具有螺旋相位的光束帶有軌道角動量或許并不難理解，但是這個證明的突破性在于發(fā)現(xiàn)了光子軌道角動量與自旋角動量一樣也是以為單位量子化的，但是它又不同于自旋角動量只有兩個正交態(tài)，l 為任意整數(shù)，光子軌道角動量成為取值無窮大的希爾伯特空間。

拉蓋爾高斯模是具有螺旋相位因子eil的渦旋光束，它是亥姆赫茲方程在柱坐標(biāo)系下的解，可以在自由空間穩(wěn)定傳輸。不同l 值的拉蓋爾高斯光束，如圖1所示，對于確定的l ，光束具有l(wèi)個互相纏繞的相位波前；光束的中心是一個相位奇點，此處的相位是不確定的，導(dǎo)致光束中心的能量為零，所有的渦旋光束都具有環(huán)形能量分布的特點；使渦旋光束與一平面波干涉產(chǎn)生螺旋形的能量分布，干涉圖案顯示了光束的相位分布，螺旋的個數(shù)等于l ，這是一個簡單的測試渦旋光束l 值的方法。當(dāng)l 為0的時候，即為基模高斯光束。

Allen等人的工作引起了科學(xué)界對光子軌道角動量的廣泛研究，并取得了大量的重要成果。角動量傳遞給微?？梢允刮⒘ＰD(zhuǎn)，自旋角動量使微粒繞自身旋轉(zhuǎn)，軌道角動量使微粒繞光束中心旋轉(zhuǎn)，具有螺旋相位的圓偏振光可以作為光學(xué)扳手操控微粒。

此外光子軌道角動量在光學(xué)顯微鏡、非線性光學(xué)和量子保密通信領(lǐng)域也有重要應(yīng)用。目前，光子軌道角動量最有潛力的應(yīng)用是在光通信領(lǐng)域。正交的光子軌道角動量是光的除了波長和偏振之外新的自由度，它不同于偏振只有兩個取值，理論上光子軌道角動量可以無限取值，意味著有更多的信息可以編碼在光子軌道角動量這個自由度上?，F(xiàn)在可行的基于光子軌道角動量的光通信技術(shù)是軌道角動量模式復(fù)用(OAM-DM)，將正交的軌道角動量模式當(dāng)做獨立的信道傳輸信息，類似于波分復(fù)用(WDM)和偏振復(fù)用(PDM)。因為軌道角動量獨立于波長與偏振，所以軌道角動量復(fù)用可以與波分復(fù)用、偏振復(fù)用同時應(yīng)用在光通信系統(tǒng)中，大大提高通信容量。美國南加州大學(xué)的工作實驗演示了在自由空間中，用12個軌道角動量模式，每個模式有42個波長，每個波長有2個偏振，一共組成了12×42×2=1008個信道，實現(xiàn)了驚人的100.8T/s的容量傳輸。軌道角動量復(fù)用技術(shù)同樣可以應(yīng)用于光纖通信系統(tǒng)中，美國波士頓大學(xué)與南加州大學(xué)的合作實驗演示了在特殊設(shè)計的具有環(huán)形折射率分布的光纖中復(fù)用4個角動量模式傳輸了1.1千米。

圖2

微米級體光學(xué)元件

在光子軌道角動量復(fù)用通信系統(tǒng)中，軌道角動量發(fā)射與復(fù)用器是關(guān)鍵的器件。正如文首提到傳統(tǒng)光學(xué)元件有局限性。在現(xiàn)有的實驗系統(tǒng)中，光子軌道角動量的產(chǎn)生、復(fù)用和檢測大多都是使用的體光學(xué)元件，其中最常用的是螺旋相位板和空間光調(diào)制器。這種體光學(xué)元件體積較大，穩(wěn)定性差，不可調(diào)諧或調(diào)諧速度慢，或造價昂貴，不利于大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用。

而蔡鑫倫教授、余思遠(yuǎn)教授等人發(fā)明的硅基平面光波導(dǎo)光子軌道角動量發(fā)射器結(jié)構(gòu)非常簡單緊湊，如圖2所示，環(huán)形諧振腔內(nèi)側(cè)嵌有角向光柵，外部輸入到直波導(dǎo)的光耦合入微環(huán)諧振腔，激發(fā)了諧振腔內(nèi)帶有軌道角動量的回音廊模式，再經(jīng)由角向光柵輻射到自由空間。

通過改變輸入光波長，此器件可以產(chǎn)生任意l 值的矢量渦旋光束，而且在微環(huán)外側(cè)加上熱電極可以快速切換產(chǎn)生不同l 值。制備此硅基器件的微納加工工藝與現(xiàn)有商用CMOS工藝兼容，可低成本大規(guī)模集成。最近，這個器件成功應(yīng)用在光通信實驗系統(tǒng)上。

光子軌道角動量是古老的光學(xué)學(xué)科新的研究領(lǐng)域，它在光通信領(lǐng)域極具潛力的應(yīng)用讓人印象深刻，信息社會的發(fā)展需要越來越高的傳輸速度，軌道角動量復(fù)用技術(shù)成為繼續(xù)拓展光學(xué)帶寬的可靠途經(jīng)。光學(xué)集成是未來光學(xué)應(yīng)用的主要趨勢，帶光柵微環(huán)的光子軌道角動量發(fā)射器為大規(guī)模應(yīng)用軌道角動量技術(shù)奠定了夯實的研究基礎(chǔ)。