利用非线性超表面实现高存储容量涡旋光器件- 大数跨境

两江科技评论

2018-09-20

导读：南开大学陈树琪教授团队利用超表面同时产生的基频及二倍频信号携带的相位信息不同，提出了一种能够存储三个拓扑荷数不同的涡旋光高容量器件。此外在相位因子中加入聚焦项，这三个不同拓扑荷数的涡旋光能够在不同的焦

导读

近日，南开大学陈树琪教授团队利用超表面（metasurface）同时产生的基频及二倍频信号携带的相位信息不同，提出了一种能够存储三个拓扑荷数不同的涡旋光高容量器件。此外在相位因子中加入聚焦项，这三个不同拓扑荷数的涡旋光能够在不同的焦距实现聚焦。这一工作提供了新的提高光通信信道容量及信息安全的思路。相关工作以“Tripling the Capacity of Optical Vortices by Nonlinear Metasurface”为题，发表在《Laser & Photonics Reviews》期刊上。

背景介绍

涡旋光（optical vortex），即携带有轨道角动量（orbital angular momentum）的光束，具有螺旋形的波前和环形的强度分布，造成这一奇特现象是原因是其螺旋分布的相位因子，其中为拓扑荷数，与轨道角动量相关，为方位角。由于光子的轨道角动量值是不受限制的，也就意味着利用涡旋光可以极大地提高信道容量，因此涡旋光在现代光通讯领域有着广阔的应用前景。传统产生涡旋光的方法主要是利用螺旋相位板、空间光调制器或者全息图样，但是这些方法都会影响光学系统的紧凑性，限制了涡旋光在微纳领域的应用。

近年来，随着超表面的快速发展，各种基于超表面且具有高集成度可产生涡旋光的器件不断被开发出来。但是这些工作还只是在线性光学的范围内展开的，如果能够将非线性信号也考虑进来，单一器件的信道容量将会得到进一步的扩大。

创新研究

对于微纳结构而言，与微观分子一样，在产生高次谐波过程中也需要遵循对于圆偏入射光的选择规则：当微结构存在某种旋转对称性时，只有某些级次的高次谐波能够产生，并且高次谐波信号的自旋态也受到限制。满足选择规则的高次谐波信号的相位则与高次谐波的级次以及信号的自旋态有关。在本工作中选取的单个元胞是劈裂环谐振器（SRRs），一方面由于其具有最低的旋转对称性，可以产生所有阶数高次谐波携带任意自旋态的信号；另一方面通过激发磁偶极，劈裂环谐振器可产生较强的二次谐波（second harmonic generation）信号。由于二次谐波两种自旋态信号所携带的相位信息与基频异常光是不同的，因而通过设计螺旋相位与聚焦相位的叠加，在实验上观测到了三种频率与自旋态不同组合的信号聚焦在不同的位置。

基频涡旋光拓扑荷的检测是通过在检偏端旋转四分之一波片漏过部分未经相位调制的入射光，实现了干涉并发现基频涡旋光拓扑荷为2。对于二倍频信号而言，由于采用的光源是弱相干的飞秒激光，难以实现Mach-Zender式的干涉仪。作者提出了一种简化的干涉光路，采用±1阶相位掩模板，其特点是能够抑制0级衍射，能量主要集中在±1阶上，并且±1阶存在自干涉的区域。通过观察二倍频涡旋光自干涉图样可以确认两种自旋态的涡旋光拓扑荷分别为1和3。

最后，由于聚焦的相位因子并非严格的双曲型相位，而是抛物线型相位，根据该团队之前的理论工作（Phys. Rev. Appl. 8, 014012 (2017).），这种聚焦相位会每隔一段距离产生新的焦点，且各焦点的强度是一致的。本工作在实验上证实了这一结论，观测到了二维的多焦点透镜。

总而言之，这种利用非线性超表面实现高存储容量涡旋光器件的思路为在光通讯中的高存储容量器件、多通道的光学操控以及信息加密提供了新的方案。并且信道容量能够通过引入更多的非线性过程（例如三次谐波）进一步提高。

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