提高光通信系统的容量对克服通信系统的带宽紧缩至关重要。在过去的几十年里，通过利用光的基本特性（如偏振和波长），在偏振分复用和波分复用等方向取得了许多重要进展。近年来，携带轨道角动量（OAM）的涡旋激光束由于其新颖的相位和强度分布而备受关注。OAM光束可用于各种领域，如光通信、全息术和纳米制造等。在自由空间光学通信应用中，与光波的不同本征模相对应的无限拓扑电荷值，为无限扩展通信容量提供了一种潜在的方法。理论上，OAM的无限正交状态可以分别表示无限数量的不同数据位或无限数量的独立通信信道。

OAM解复用器是实现OAM通信系统的关键设备。传统空间光通信系统的解复用器基于空间光调制器、衍射光学元件或达曼光栅，所用的拓扑荷值间隔通常相对较大，以减少相邻模式之间的串扰，限制了通信系统的容量。同时，这些解复用器只能响应特定的偏振状态或在指定的波长下工作，限制了同时组合其他复用方法的潜力。此外，大量的光学元件和复杂的系统设计使得这些方案不适合大规模工程应用。

近期，来自华中科技大学的熊伟教授、夏金松教授和高辉副教授团队提出了一种基于单层介质型超表面的光学解复用器，可以实现多维光场（波长、自旋角动量SAM和轨道角动量OAM）的解复用。基于该平台可以实现对三维光参数的解复用，并将它们聚焦在指定的焦平面上的不同空间位置，为光纤和通信芯片的集成提供了一种有效的替代方案。进一步地，研究人员验证了多维解复用器的132位独立通道，并通过4位椭圆偏振编码传输实验展示了器件作为椭圆偏振解码器的能力。

图1 超表面OAM解复用器工作原理图

如图1所示为超表面OAM多维解复用器的工作原理图。携带不同拓扑荷数和不同偏振态的涡旋光束可以表示为混合庞加莱球上的一个点，输入的不同拓扑荷数的涡旋光束经过设计的超表面解复用器调制，退化为传播到不同方向并在目标焦平面上的不同位置聚焦的实心焦点（即拓扑荷数退化为0）。在该项工作的设计中，焦平面上有132个不同位置的焦点，分别对应光学参数的三个维度，包括6种波长（500 nm，540 nm，580 nm，620 nm，660 nm，700 nm），11种OAM（0，±1，±2，±3，±4，±5）和2种SAM（σ：±1）。通过解码检测平面上的焦点位置，可以区分对应于波长、OAM和SAM的独立位置，并转换为通道信号。此外，极化状态SAM可以拓展为极化椭圆度，从而进一步提高通信容量。如图2所示，研究人员器通过4位（16阶）椭圆偏振灰度编码传输实现了光学信息传输的概念性演示。

图2 椭圆偏振信号传输实验验证

相关工作以“Metasurface-Based Orbital Angular Momentum Multi-Dimensional Demultiplexer and Decoder”为题，发表在Laser & Photonics Reviews (DOI: 10.1002/lpor.202300393)上，并被选为当期Outside Back Cover封面。该论文第一作者为华中科技大学高辉副教授、范旭浩博士生和王玉西博士，共同通讯作者为华中科技大学高辉副教授、夏金松教授和熊伟教授。

图3 Laser & Photonics Reviews Outside Back Cover

论文信息：

Metasurface-Based Orbital Angular Momentum Multi-Dim1ensional Demultiplexer and Decoder

Hui Gao*, Xuhao Fan, Yuxi Wang, Xinger Wang, Ke Xu, Cheng Zeng, Tingan Li, Leimin Deng, Jinsong Xia*, Wei Xiong*

Laser & Photonics Reviews

DOI: 10.1002/lpor.202300393

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/lpor.202300393