近日，上海大学通信与信息工程学院特种光纤与光接入网国家重点实验室培育基地王廷云教授、庞拂飞教授团队的文建湘教授课题组在有源光纤中生成轨道角动量(OAM) 宽带光谱光源方面取得重要进展。课题组提出并实验验证了一种基于涡旋光束激发光纤中有源离子束缚电子的OAM宽带光源产生新方法，在新型结构有源光纤中建立涡旋泵浦光激发束缚电子产生二阶OAM荧光光谱概念模型。研究成果以“OAM Broadband Spectrum Generation via the Vortex Photon Excitation of Bound Electrons in an Active Fiber”为题发表在国际著名光学期刊《ACS Photonics》上。上海大学为论文第一完成单位，文建湘教授为通讯作者。本工作得到上海大学王廷云教授的悉心指导。该研究获得国家重点研发计划（2020YFB1805800），国家自然科学基金项目（61975113）、教育部高等学校学科创新引智计划（111计划）等经费支持。
光子OAM因其螺旋相位波前和理论上无限的模态维度，被视为提升信息传输容量和实现多维光学操控的重要自由度。现有OAM光源多依赖空间光学元件如空间光调制器、相位掩模、Q板等，虽可灵活调节拓扑荷数，但体积大、损耗高，限制了集成化与低损耗传输。光纤光源具有低损耗、发射光谱宽且平坦以及易实现等显著特点，在光子发光成像、量子信息几个领域有广阔的应用前景。因此，光纤系统中生成并保持高模态且高纯度的OAM宽带光谱，成为光通信和多维光学的关键挑战之一。
针对以上研究背景，研究团队在2022年发表在Nanophotonics上的研究成果基础上（https://doi.org/10.1515/nanoph-2022-046），进一步从微观量子电动力学角度揭示了涡旋光子在无辐射弛豫过程中的OAM信息保持机制，进一步阐释了二阶OAM宽带光源实现的微观模型，如图1所示。利用量子电动力学模型研究“涡旋光束”与“束缚电子”相互作用机理，涡旋泵浦光束激发铒离子基态能级的束缚电子，而束缚电子在非辐射弛豫过程中仍保持OAM状态，并在辐射跃迁过程将其传递给发射光子，从而生成携带相同拓扑荷的OAM荧光光束。
图1 涡旋光束激发束缚电子产生OAM荧光光子概念示意图。
为验证该机制的有效性，研究团队设计并研制了一种支持高阶OAM模式的新型铒离子掺杂有源光纤。结合模式选择泵浦光源，构建了光纤型OAM宽带光谱生成系统（见图2）。首次在1530-1565 nm波段实现带宽约50 nm的二阶OAM宽带光谱输出。随后，研究团队从宽光谱中选取1530.1 nm、1539.8 nm、1549.0 nm和1561.8 nm四个离散波长，并结合空间光调制器相位补偿与干涉法双重验证方式，相互印证了输出光束具有稳定的二阶OAM特性，且模态纯度超过90%。
该方法不仅突破了传统自由空间OAM生成系统在体积、损耗和对准上的局限，实现了低损耗与高集成度，还为“按需定制”OAM光谱分布提供了新的技术途径，在高容量通信、多维量子信息处理和光学传感及超高分辨率成像等领域具有重要应用前景。
图2. 全光纤宽带光谱的生成与OAM模式检测示意图。
本研究首次在新型掺铒有源光纤平台上实现了二阶OAM宽带荧光光源，并采用双重实验方法验证了其模式特性，结合微观量子电动力学理论模型，研究揭示了OAM在无辐射弛豫过程中的保持机制。该成果不仅将OAM光源从“一阶模式演示”推进到“高阶可扩展”的新阶段，也为理解涡旋光与有源光纤介质相互作用提供了新的物理视角。课题组已发表系列相关研究成果，见后面相关链接。基于全光纤结构的OAM宽带光源极具应用潜力，有望在大容量光通信、量子信息处理、高维光学计量与超高分辨率成像等领域发挥重要作用。
文章信息：
Yinghui Lu, Jianxiang Wen*, Fengzai Tang, Yanhua Luo, Hairun Guo, Fufei Pang, Gang-Ding Peng and Tingyun Wang,“OAM Broadband Spectrum Generation via the Vortex Photon Excitation of Bound Electrons in an Active Fiber,” ACS Photonics 2025,12,4630-4639
附论文链接：
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsphotonics.5c01062
系列相关论文：
Yan Wu, Jianxiang Wen*, Yinghui Lu, Fengzai Tang, Geoff West, Yanhua Luo, Fufei Pang, Gang-Ding Peng and Tingyun Wang,“Over 252 mW Circularly Polarized Vortex Fiber Laser with Intracavity Tunable Helicity and Chirality via a High-Gain and High-Birefringent Active Fiber,” ACS Photonics 2024, 11, 8, 3447–3453.
附论文链接：
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsphotonics.4c01022
Yan Wu, Jianxiang Wen,∗ Yinghui Lu, Fufei Pang, Fengzai Tang, Geoff West, Tingyun Wang，Topological-charge-tunable and wavelength switchable vortex laser enabled by a helically twisted high-absorption few-mode erbium-doped fiber，Optics Letters, 49, 20, 2024: 5691-5695.
附论文链接：https://doi: 10.1364/OL.533911
Yan Wu, Jianxiang Wen*, Fengzai Tang, Fufei Pang, Hairun Guo, Sujuan Huang and Tingyun Wang，Orbital-angular-momentum fluorescence emission based on photon–electron interaction in a vortex field of an active optical fiber，Nanophononics，12(1)，2023: 43-53.
附论文连接：https://doi.org/10.1515/nanoph-2022-0466
撰稿|卢颖慧，文建湘（上海大学）
