Science Advances | 光学信息传输的突破：光学涡旋的单行道

研究背景

      近年来，圆偏振涡旋光束或模式在量子和经典通信、光学纳米操作和量子信息处理方面的应用得到了广泛的研究。光学涡旋，指的是在光束中存在着类似于漩涡的现象。而在漩涡周围的相位呈现螺旋状的波前，也就是说相位沿着角向连续变化，而沿着径向方向的相位是相等的。因此，诸如涡旋发生器、激光器和信号放大器等设备已经被演示出来，而且需求量很大。到目前为止，缺失的一个设备是涡旋隔离器，这是高功率涡旋激光系统和量子操作所必需的，可用于消除传输过程中的背向散射。这种背向散射在很多激光器和放大器系统里面都是致命性的存在，并且在多数情况下可以直接损坏激光源等前置装置。而开发这种设备的一个困难之处在于它需要打破一个基本的光学原理——光学互易性。

      从麦克斯韦方程出发导出的洛伦兹互易定理是电磁系统普遍遵从的基本物理规律。该定理指出了电磁波传播的时间反演对称性或者可逆性，即电磁波在普通线性介质中传播的路径是可逆的。研究非互易性不仅具有基础科学意义，还具有广泛应用价值。光学非互易性打破了向前和向后传播光波之间的对称性。到目前为止，所有现有的非互易系统都是针对线性或随机极化基模实现的。

论文导读

      目前还没有一种装置能够允许某些涡旋模式在一个方向上而不是相反方向上传播，然而正是这种设备——所谓的光学涡旋隔离器——对于提高信号的质量和纯度至关重要。研制这种装置的特别困难在于光学的一个基本原理:互易。当源和观测点互换时，需要传输通道的对称响应。近日，德国马克斯普朗克光科学研究所的科学家们利用螺旋光子晶体光纤中的拓扑选择性受激布里渊散射效应，实现了光学互易性又一新的突破：在拓扑数为0，1和2的漩涡光上实现了光学隔离，并且可以在模式复用的情况下对其中单个或多个模式进行隔离。相关成果以Nonreciprocal vortex isolator via topology-selective stimulated Brillouin scattering为题发表在Science Advances上。他们强调了此发现在许多光学系统中的巨大实用价值，应用范围从模分复用通信和光镊到涡旋激光器和量子操作系统。

技术突破

      马克斯·普朗克光科学研究所的科学家首次设法创造了一种单向设备，可以显着提高光通信中一类特殊传输信号的质量：光学涡旋。本文报告了在长度为200米的三重和六重旋转对称螺旋光子晶体光纤上实现了漩涡光隔离，并且当信号光功率动态变化35 dB时，隔离度均能保持在22 dB以上且变化范围不超过1 dB，表明具有出色的光学线性度。

      每个圆偏振涡旋光束通过放置在偏振分束器(PBS)两侧的两个λ/4板，允许每条路径上的偏振状态依次从圆到线性和从线性到圆形转换。在没有控制光（下标为ctrl）的情况下，前向或后向传播的信号光（下标为sig）均保持一致且仅有线性损耗。当控制光（也即斯托克斯光）经由后向注入且其拓扑阶数和自旋阶数和信号光相反时，前向传播的信号光将会由于受激布里渊散射而耗散，而后向传播的信号没有任何改变。这种单向性是由受激布里渊散射中声波传播的方向性，相位匹配以及角动量守恒共同决定。另外，当控制光频率等于信号光频率减去布里渊频率时，该系统为上述单向信号隔离器，当控制光频率等于信号光频率加上布里渊频率时，该系统则为单向信号放大器，如图b。

      本文对漩涡光隔离效率和放大效率进行了精确测量，其中关于一阶和二阶的拓扑漩涡的结果展示在了图2。随着控制光功率的增大，隔离效率和放大效率均增大且逐渐趋于饱和。在已有的实验条件下，课题组获得了不少于22 dB的信号隔离效率和21 dB的信号放大效率。其中关于隔离器的结果已经和目前基于布里渊散射的基模光隔离器的最佳性能相当。

观点评述

      他们的研究取得了突破，使用仅在一个方向上传播的声波来打破所选涡旋模式的透光互易性。手性光子晶体光纤中所谓的拓扑选择性布里渊-曼德尔施塔姆散射效应允许携带涡旋的光波与行进声波的单向相互作用。特定的光学涡旋可以通过精心设计的控制灯进行强烈抑制或放大。实验结果表明，涡旋隔离率很高，可防止系统中的随机反向散射和信号衰减。这是涡旋模式的第一个非互易系统，它为非互易光学开辟了新的视角——相同的物理效应不仅可能发生在基本模式上，而且发生在高阶模式上。光驱动光涡流隔离器将对光通信、量子信息处理、光镊和光纤激光器等应用产生重大影响。

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