光子軌道角動量的應用與發展
——記中山大學光電材料與技術國家重點實驗室蔡鑫倫課題組及其研究學科

光子軌道角動量的應用與發展
——記中山大學光電材料與技術國家重點實驗室蔡鑫倫課題組及其研究學科

眾所周知，光是一種物質，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被Allen等人發現。科學家看到一個有趣的現象：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，其中的光線可以向左或向右扭轉。

光子可以攜帶軌道角動量，這一科學發現推動了多個學科新的發展，如非線性光學、量子光學、原子光學、微觀力學、微流學、生物科學和天文學等，漩渦光束同時也被開拓并廣泛應用于多個新的領域，如光通信、光學捕獲、光學微操控、顯微檢查和量子信息處理等。

漩渦光束發現20年來，傳統上一直用各種體光學元件，例如柱狀透鏡、某些特殊波片、全息片、空間光調制器等來產生這種光束，但在很小區域內需要大量漩渦光束的情況下，非常不方便，阻礙了大規模應用。

中山大學的蔡鑫倫教授、余思遠教授等人發明了一種硅基的平面光波導光子軌道角動量發射器，可以在幾個微米的尺寸下產生渦旋光束，打破了傳統光學元件的局限性，有很好的應用前景。

光子軌道角動量應用的發展歷程

光子以光速運動，并具有能量、動量和質量。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，當一束光入射到垂直傳播方向的物體時，光對物體會產生一個壓力，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，它是光子的內稟角動量，關于自旋的確切物理含義比較復雜，可以簡單地想象為是光子在繞自身旋轉。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，稱為約化普朗克常數。在空間上，光子自旋角動量的這兩種取值分別對應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的軌道角動量，其中l 是渦旋光束的拓撲電荷數，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現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，l 為任意整數，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系下的解，可以在自由空間穩定傳輸。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，導致光束中心的能量為零，所有的渦旋光束都具有環形能量分布的特點；使渦旋光束與一平面波干涉產生螺旋形的能量分布，干涉圖案顯示了光束的相位分布，螺旋的個數等于l ，這是一個簡單的測試渦旋光束l 值的方法。當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。角動量傳遞給微粒可以使微粒旋轉，自旋角動量使微粒繞自身旋轉，軌道角動量使微粒繞光束中心旋轉，具有螺旋相位的圓偏振光可以作為光學扳手操控微粒。

此外光子軌道角動量在光學顯微鏡、非線性光學和量子保密通信領域也有重要應用。目前，光子軌道角動量最有潛力的應用是在光通信領域。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。現在可行的基于光子軌道角動量的光通信技術是軌道角動量模式復用(OAM-DM)，將正交的軌道角動量模式當做獨立的信道傳輸信息，類似于波分復用(WDM)和偏振復用(PDM)。因為軌道角動量獨立于波長與偏振，所以軌道角動量復用可以與波分復用、偏振復用同時應用在光通信系統中，大大提高通信容量。美國南加州大學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，實現了驚人的100.8T/s的容量傳輸。軌道角動量復用技術同樣可以應用于光纖通信系統中，美國波士頓大學與南加州大學的合作實驗演示了在特殊設計的具有環形折射率分布的光纖中復用4個角動量模式傳輸了1.1千米。

圖2

微米級體光學元件

在光子軌道角動量復用通信系統中，軌道角動量發射與復用器是關鍵的器件。正如文首提到傳統光學元件有局限性。在現有的實驗系統中，光子軌道角動量的產生、復用和檢測大多都是使用的體光學元件，其中最常用的是螺旋相位板和空間光調制器。這種體光學元件體積較大，穩定性差，不可調諧或調諧速度慢，或造價昂貴，不利于大規模商業應用。

而蔡鑫倫教授、余思遠教授等人發明的硅基平面光波導光子軌道角動量發射器結構非常簡單緊湊，如圖2所示，環形諧振腔內側嵌有角向光柵，外部輸入到直波導的光耦合入微環諧振腔，激發了諧振腔內帶有軌道角動量的回音廊模式，再經由角向光柵輻射到自由空間。

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

光子軌道角動量是古老的光學學科新的研究領域，它在光通信領域極具潛力的應用讓人印象深刻，信息社會的發展需要越來越高的傳輸速度，軌道角動量復用技術成為繼續拓展光學帶寬的可靠途經。光學集成是未來光學應用的主要趨勢，帶光柵微環的光子軌道角動量發射器為大規模應用軌道角動量技術奠定了夯實的研究基礎。