等传播涡旋——光通信技术的突破
光学通信技术的快速发展要求提高数据传输容量和效率。传统的增加传输容量的方法，如偏振复用、波长复用和空分复用，具有显著的潜力，其中空分复用领域的一项开创性进展是利用光波中的轨道角动量，提供了一种新的方法。与自旋角动量不同，轨道角动量由螺旋相位波前和中心为零的环形强度分布定义，这提供了无限数量的模式，并用于需要高容量的应用，如光通信和全息成像。此外，不同轨道角动量模式的正交性增加了它们在通信系统中复用的潜力，从而显著提高了通信设备的数据容量。每个轨道角动量模式可以承载独立的数据流，并在接收端以最小的串扰高效分离。在此，Cherry Park和 Junsuk Rho指出引入等传播涡旋光束对光通信系统的重要意义。该工作发表在Advanced Photonics上。
Cherry Park and Junsuk Rho, Iso-propagation vortices: a breakthrough in optical communication technology. Advanced Photonics 6(3): 030503 (2024).
将轨道角动量集成到光通信中具有广泛的应用潜力，包括高容量自由空间光通信链路、光纤系统，甚至量子通信链路。然而，衍射引起的扩展和发散是一个大问题。随着轨道角动量光束的传播，衍射会导致其扩展和发散，从而降低空间相干性并引起信号干扰。这些问题在长距离传输中尤为突出，需要额外的补偿器来维持光束的形状，而信号强度的降低会阻碍数据传输效率，因此，必须开发更为先进的光学设计和信号处理技术。
最近，研究人员报告了光通信领域的进展，通过引入等传播涡旋光束实现了重大突破。这种特殊设计的涡旋光束能够在传播过程中保持与轨道角动量无关的尺寸和发散特性（图1）。通过调控拉盖尔-高斯光束的径向指数，实现了与轨道角动量无关的传播特性，这一突破性特征对提升光通信系统的效率和可靠性至关重要，尤其适用于需要稳定且紧凑光束分布的应用场景。
图1 传统轨道角动量光束与等传播涡旋光束的示意图。展示了它们在湍流和障碍物存在下保持其结构的能力。
等传播涡旋光束的增强传输特性包括更小的光束尺寸、更低的发散角以及降低的光束品质因子，使其对大气湍流和物理障碍表现出卓越的抗干扰能力。其鲁棒性进一步体现在能够通过旁瓣能量循环实现损伤后自我恢复，这不仅确保了恶劣环境下稳定的容量性能，还显著扩展了光通信信道的容量。
研究表明，与传统空间复用技术相比，等传播涡旋光束可覆盖更广的数据信道谱，其子信道可用性相比传统轨道角动量复用技术最高提升14倍。这种容量飞跃对地面及深空通信系统的升级具有关键意义，为实现更高数据传输速率和更优信号质量奠定基础。
等传播涡旋光束的尺寸一致性与传统拉盖尔-高斯光束形成鲜明对比。研究人员描述了拉盖尔-高斯光束的复振幅分布并指出，当配置正确时，其最内层环的尺寸和发散角在传播过程中保持最小且恒定。当拉盖尔-高斯光束具有相同的光束品质因子时，它们表现出一致的传播动态。
具体而言，不同模式但具有相同品质因子的拉盖尔-高斯光束在传播过程中保持相同的尺寸和发散角。对于等传播涡旋光束，其品质因子经过设计保持恒定，确保光束在轨道角动量变化时不会降低质量。其结构中最关键的部分是最内层环，这是光束最亮的部分。通过适当配置径向指数，最内层环的尺寸和发散角与轨道角动量无关，从而确保其鲁棒性和一致性。相比之下，传统涡旋光束仅在特定平面附近保持与轨道角动量无关的半径，但无法实现与轨道角动量无关的传播。
等传播涡旋光束的模式参数，包括光束品质因子、拉盖尔-高斯光束尺寸和发散角，随着拓扑荷数的绝对值增加而增加，但随着径向指数的增加而减小。因此，与传统拉盖尔-高斯光束相比，其表现出更优越的传输特性，具有显著更小的尺寸、更低的发散角和更低的光束品质因子。
此外，等传播涡旋光束的自我恢复能力也得到了验证。在与障碍物相互作用后，涡旋光束倾向于借助旁瓣的径向能量分量从外部旁瓣汲取能量，从而恢复其原始形态。同时，等传播涡旋光束减少了由大气湍流引起的模态散射（这种散射通常会破坏长距离光链路），对于维持自由空间光通信系统的信号完整性至关重要，凸显了其在实际通信中的实用优势。
然而，传统的空分复用由于衍射效应面临固有挑战——随着拓扑荷数的增加，光束尺寸和发散角不可避免地增大。因此，需要更大的接收器来容纳包含更多模式的高容量系统，但这通常与物理尺寸限制相冲突，从而制约了容量潜力。
等传播涡旋光束通过提供对子信道的广泛访问，能够有效突破这些限制。通过表征空间带宽积确定适合视距自由空间光通信系统的等传播涡旋光束数量，验证了其信息容量的提升。利用等传播涡旋光束可高效复用更多子信道，显著提高系统整体容量。
此外，采用更大面板尺寸和超高分辨率的超表面平台可进一步增加等传播涡旋光束信道数量。由亚波长尺寸纳米天线构成的超表面能够高精度操控电磁波，实现小型化、轻量化且动态可重构的光学元件。超表面与等传播涡旋光束的集成增强了对光束参数的精确控制，可生成高度定制化、高效的光束分布，优化多种介质中的传输性能，从而在相同接收器尺寸内容纳更多子信道，最终实现容量的大幅提升。这种技术协同不仅改善了光束控制（减小等传播涡旋光束的尺寸和发散角），还支持先进的多路复用技术、深空通信自适应光学系统、高分辨率成像以及量子通信等应用。
总之，光通信领域引入的这项重大进展足以克服传统涡旋光束的局限性。等传播涡旋光束无论轨道角动量模式如何，均能保持恒定的尺寸和扩展，这显著提升了其在自由空间光通信中的效率和实用性。通过理论推导与实验结果，其展现出传输动态优越性、障碍物恢复能力以及大气湍流中模式散射减少的特性。这些特性使等传播涡旋光束成为未来高容量光通信网络的理想解决方案。未来，其有望应用于图像处理、显微技术、计量学、量子信息处理及光与物质相互作用研究等多个领域。
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