Photonics Research--无线通信超表面系统中的涡旋光束信息加密

研究背景

涡旋光束因其携带轨道角动量的独特物理性质，在高速通信与信息安全领域展现出广阔前景。然而，传统超表面在调控光束拓扑态时灵活性受限，难以对多模态涡旋光束实现独立且高效的操控。针对这一挑战，本研究提出了一种基于自旋解耦策略的超表面设计方法，通过融合几何相位与传播相位的独立调控机制，实现了左旋与右旋圆偏振波激励下普通涡旋光束与复合涡旋光束的同步生成与独立编程控制。江南大学王继成研究团队开发了一种具有H形对称特性的反射型超表面单元，通过调整其关键结构参数，在微波频段实现了0至2π范围内的连续相位调制。实验验证显示，所生成涡旋光束的模式纯度优于90%，且拓扑荷值可直接通过复合光束的花瓣数目进行直观识别，从而避免了传统干涉测量方法的复杂性。在应用层面，该研究进一步提出了一种基于拓扑态双重编码的信息安全传输机制：利用普通涡旋光束的拓扑荷与复合涡旋光束的花瓣数构建双重密钥，结合预设的密码映射表完成高安全性信息加密。同时，该系统支持多通道并行传输，各通道信号模式纯度均高于85%，展现出在高容量5G/6G通信系统中的良好应用潜力。该研究为轨道角动量复用通信与集成化光子器件的发展提供了新的思路与技术支撑。

相关研究成果以“Vortex Beam Information Encryption in Metasurface-Based Wireless Communication Systems”为题发表在《Photonics Research》期刊上。

研究亮点

图3.基于超表面生成同类涡旋波的数值模拟结果。(a)-(d)在11.7 GHz频率下，分别采用左旋圆极化(LCP)与右旋圆极化(RCP)照射时，拓扑电荷l=-1与l= -2的普通涡旋波(OVBs)近场强度与相位分布；(e)(g)所生成拓扑电荷l= -1与l= -2的普通涡旋波模拟纯度；(f)(h)对应超表面编码图案；(i)-(l)在11.7 GHz频率下，分别采用LCP与RCP照射时，拓扑电荷l= -2与l= -3的普通涡旋波近场强度与相位分布；(m)(o)所生成拓扑电荷l= -2与l= -3的普通涡旋波模拟纯度；(n)(p)对应超表面编码图案。

图4.基于超表面在11.7 GHz频率下生成不同拓扑电荷复合涡旋波的数值模拟结果。(a)-(f) 分别为左旋圆极化(LCP)和右旋圆极化(RCP)照射时，拓扑电荷l₁ = -2与l₂ = 2（及l₁ = -3与l₂ = 3）复合涡旋波各轨道角动量(OAM)态的近场强度分布、相位分布及模式纯度；(g)-(l)分别为LCP和RCP照射时，拓扑电荷l₁ = -3与l₂ = 3（及l₁ = -4与l₂ = 4）复合涡旋波各OAM态的近场强度分布、相位分布及模式纯度；(m)-(r)分别为LCP和RCP照射时，拓扑电荷l₁ = -4与l₂ = 4（及l₁ = -2与l₂ = 2）复合涡旋波各OAM态的近场强度分布、相位分布及模式纯度。

图5.测试环境与远场辐射方向图。(a)-(c)加工制备的超表面样品。(d)-(i)在11.7 GHz频率下，分别采用左旋圆极化波和右旋圆极化波照射时，生成拓扑电荷为l₁=2与l₂=-2（以及l₁=3与l₂=-3、l₁=4与l₂=-4）的涡旋波及l=-1（与l=-2、l=-3）涡旋波的实验测量（蓝色虚线）与数值模拟（红色实线）远场辐射增益对比。(j)-(k) 远场与近场测试系统搭建示意图。

图6.近场强度与相位分布的实验及模拟结果。(a)-(l)分别为左旋圆极化波与右旋圆极化波照射时，拓扑电荷l₁=2与l₂=-2（以及l₁=3与l₂=-3、l₁=4与l₂=-4）的复合涡旋波及拓扑电荷l=-1（与l=-2、l=-3）的普通涡旋波的数值模拟结果。(m)-(x) 对应生成涡旋波的实验测量结果。

图7.在左旋圆极化波与右旋圆极化波照射下，拓扑电荷为l₁=2与l₂=-2（以及l₁=3与l₂=-3、l₁=4与l₂=-4）的复合涡旋波，以及拓扑电荷为l=-1（与l=-2、l=-3）的普通涡旋波各模式模拟与实测OAM纯度对比。

图8.本研究应用场景示意图。(a)光学信息加密与多通道传输概念图。(b) 两个定制化密钥示意图，分别对应十六进制数字的首位与第二位。右上角为示例图解。(c)不同通道生成涡旋波的强度分布与模式纯度。