Nature Photon.|纳米尺度六维光信息复用：There's Plenty of Room at the Bottom

论文导读

      近日，由暨南大学和上海理工大学组成的联合研究团队在大容量光信息复用技术领域取得重要进展。研究成果以“Synthetic Helical Dichroism for Six-Dimensional Optical Orbital Angular Momentum Multiplexing”为题，于2021年10月14日发表在《自然光子学》（Nature photonics）期刊上。暨南大学博士生欧阳旭以及徐毅教授（现广东工业大学信息工程学院）为该工作的共同第一作者，暨南大学李向平教授以及上海理工大学顾敏院士为共同通讯作者。此外，暨南大学关柏鸥教授、曹耀宇教授、华南师范大学兰胜教授及新加坡国立大学仇成伟教授等合作者也为这项研究做出了贡献。

研究背景

      根据国际数据中心的报告显示，人类社会到2025年数据总量将达到175ZB。相对于电信号，以光子作为信息传输载体具有大带宽、低能耗、高并行性等方面的优势，正逐渐成为应对大数据时代海量信息传输、处理和存储的重要方案之一。作为光波的基本属性，通过对其偏振、振幅、相位及频率等参量的多维调控可以操控光波与传输载体相互作用的特性，为大容量信息技术提供了全新的自由度。随着光子学技术的发展，器件尺寸逐步小型化，传统的光场调控技术逐渐趋向瓶颈。作为信息的重要载体之一，光的波长、偏振、振幅等物理维度可以建立正交的数据通道，利用光的物理维度复用可以提高光信息技术的容量和安全性。随着光信息技术的发展，数据的编码几乎耗尽了现有的波长、偏振、振幅等物理维度，光信息复用的容量正迅速接近其极限。至20世纪初科研家认识到光子携带轨道角动量(Orbital Angular Momentum, OAM)可以作为光子复用的新维度以来，利用相位涡旋光场开发光子轨道角动量的复用技术方兴未艾。然而，微纳尺度下光子轨道角动量的操控和复用与宏观尺度对应的自由空间及光纤截然不同，揭示深亚波长尺度下OAM光场与物质相互作用的新机制和复用新技术，成为发展下一代光子器件亟待解决的关键科学难题。

技术突破

      在该研究中，欧阳旭等人发现了OAM光在非傍轴聚焦条件下其焦斑体积中偏振椭圆的长轴空间朝向与OAM光拓扑荷存在依赖关系，可通过拓扑荷对偏振椭圆的矢量取向和空间分布进行调控。当纳米颗粒位于衍射极限尺度焦斑体积中时，具有不同涡旋相位的紧聚焦OAM光对颗粒的激励情况各异。欧阳旭等人的研究首次揭示了颗粒产生依赖于拓扑荷的吸收差异从而形成螺旋二色性(Helical Dichroism, HD)的新物理现象。更加重要的是，这种螺旋二色性响应可与光的偏振和波长等维度进行多维联合调控，成为目前在深亚波长尺度实现多维光与物质相互作用的重要机制。正是利用这一机制，将紧聚焦OAM光束作用于自组装金纳米颗粒，同时结合波长、偏振和三维空间，研究团队实现了六维光信息复用。

      纳米尺度上OAM的六维复用机制如图1所示。在紧聚焦情况下，线偏振OAM光束的纵向和横向场分量的古依相移(Gouy phase shift)差将导致焦斑体积中偏振椭圆长轴朝向的矢量空间分布(图1a, b)。以具有纵向电偶极子响应的金纳米棒为例(图1c)，不同拓扑荷的OAM光束在相同金纳米棒中产生的电场强度分布与局域偏振椭圆方向息息相关，从而导致金纳米棒吸收曲线的变化(图1d)。由于单个深亚波长金纳米棒螺旋二色性对应的吸收差异非常微弱，他们进一步通过无序金纳米棒的耦合热点电场增强效应来放大螺旋二色性(图1e)，使其宏观可测。

      六维光信息复用可以通过紧聚焦线偏振OAM光束与自组装无序金纳米棒上来实现（图2）。研究人员利用OAM光束(l = -1)实现对一个二维码进行加密，只有在特定拓扑荷（l = -1）、波长（λ₁ = 800 nm）、偏振态（P₁）和空间位置（Z₁）的组合才可以读取正确的信息(图2a,b)。更加重要的是，研究团队还证明了基于OAM的六维光信息复用编码（图2, c-e）。图2c为利用四个OAM 态(-l₁ =l₂ = 1和-l₃ =l₄ = 3), 两个波长(λ₁ = 800 nm和λ₂ = 860 nm)和两个线偏振(P₁和P₂偏振)的紧聚焦OAM光将十六个二维码在同一空间区域复用解码之后的结果。

观点评述

      该研究结果表明，OAM复用作为一个理论上具有无限自由度的物理维度可以在纳米尺度光信息编码和调控等领域具有重要作用。与此同时，该工作为开发光的OAM维度以控制光与物质的相互作用开辟了新途径，其机制也可以推广应用至其它相关光学系统。徐毅教授和欧阳旭说：“这项工作深入研究了紧聚焦OAM光束的光场矢量特性，揭示了新的光场自旋与轨道角动量耦合的物理机制和调控自由度，有望为基于OAM的多通道光信息处理和多维光与物质相互作用等领域提供新的思路和方法。顾敏院士和李向平教授指出：“这项工作不仅可以促进基于OAM的基础科学研究，而且可以为基于OAM的高维量子纠缠、高容量信息存储和光学加密等相关应用提供新的研究思路。”

• PhotoniX是中国光学工程学会新办会刊，由中国光学工程学会、上海理工大学和西湖大学共同主办，由Springer Nature集团出版。上海理工大学顾敏院士和西湖大学仇旻教授担任期刊主编，庄松林院士担任期刊名誉主编，拥有强大的国际编委和编辑团队。属同行评议、开放获取（OA）高影响力国际期刊。PhotoniX主要报道国内外光学与光子学技术与信息、能源、材料、生命、精密制造、纳米、光电子器件、微纳米电子等学科交叉融合发展带来的颠覆性科研成果和最新的工程应用进展。以展现具有前沿性、多学科交叉和衍生性特点的技术为核心，成为推动国际前沿“使能技术”的平台。

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