摘要：光學(xué)渦旋是一種具有螺旋相位波前，帶有軌道角動(dòng)量(OAM)，能夠攜帶不同拓?fù)潆姾蓴?shù)的光束。攜帶不同拓?fù)潆姾蓴?shù)的光學(xué)渦旋是相互正交的，因此，光學(xué)渦旋可以在光纖通信系統(tǒng)中進(jìn)行模分復(fù)用，它能夠極大的提高光纖通信系統(tǒng)的容量。本文主要簡單介紹渦旋光束，以及渦旋光束的生成和檢測方法。

關(guān)鍵詞：光學(xué)渦旋；軌道角動(dòng)量；光纖通信；模分復(fù)用

1.引言

隨著通信技術(shù)的發(fā)展以及移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)的興起，傳統(tǒng)的光纖通信系統(tǒng)容量已經(jīng)不能滿足人們?nèi)找嬖鲩L的需求。為了提高光纖通信的系統(tǒng)容量，空分復(fù)用技術(shù)越來越受到科研工作者們的關(guān)注。空分復(fù)用的實(shí)現(xiàn)技術(shù)主要有多心光纖和模分復(fù)用。模分復(fù)用是利用不同模式的正交性，每個(gè)模式可以作為一個(gè)數(shù)據(jù)信道，來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。常見的模分復(fù)用使用的是光纖中的高階模和光學(xué)渦旋[4]中的OAM模。不同的OAM模是相互正交的，因此，它可以在光纖通信系統(tǒng)中進(jìn)行模分復(fù)用，極大的提高光纖通信系統(tǒng)的容量。本文首先對(duì)光學(xué)渦旋進(jìn)行簡單的介紹，然后重點(diǎn)介紹渦旋光束在空間光和光纖中的生成方法以及檢測方法，最后簡單介紹渦旋光束在通信中的應(yīng)用。

2.渦旋光束簡介

圖1.渦旋光束示意圖

如圖1(a)所示，光纖渦旋是一種具有螺旋相位波前，帶有軌道角動(dòng)量(OAM)，能夠攜帶不同拓?fù)潆姾蓴?shù)的光束；它的模場呈環(huán)形分布，如圖1(b)所示；圖1(c)表示的是拓?fù)潆姾蔀?時(shí)的相位分布圖，可以看出，在一個(gè)周期內(nèi)，它的相位從0變化到2π，以此類推，當(dāng)拓?fù)潆姾蓴?shù)為n時(shí)，在(a)(b)(c)1一個(gè)周期內(nèi)，它的相位從0變化到2nπ。此外，渦旋光束還具有一些其它特殊的特性，比如具有相位奇點(diǎn)、具有多種空間偏振態(tài)、具有無限種相互正交的本征態(tài)等。由于它的這些特殊性質(zhì)，光學(xué)渦旋在光學(xué)鑷子、高分辨率成像、光學(xué)微操控、大規(guī)模復(fù)用通信、量子通信等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。

3.光學(xué)渦旋生成

光學(xué)渦旋的生成主要有基于空間光的生成方法和基于全光纖結(jié)構(gòu)的生成方法。基于空間光生成的渦旋光束相對(duì)來說轉(zhuǎn)化效率和模式純度較高，而基于全光纖結(jié)構(gòu)生成的渦旋光束轉(zhuǎn)化效率和模式純度較低，但是，基于全光纖結(jié)構(gòu)生成的渦旋光束便于與光纖相連，插入損耗也非常低，而且轉(zhuǎn)化效率和模式純度還可以通過改進(jìn)光纖結(jié)構(gòu)繼續(xù)提升，因此，基于全光纖結(jié)構(gòu)的生成方法具有很好的應(yīng)用前景。

3.1基于空間光的生成方法

圖2.基于空間光的生成方法 

如圖2所示，基于空間光的生成方法主要有螺旋相位板法[8]、空間光調(diào)制法、全息光柵法、柱透鏡法等。其中，螺旋相位板法使用的是一個(gè)沿著方位角逐漸變厚的透明薄板，當(dāng)高斯光通過螺旋相位板時(shí)，由于厚度不均勻，光束會(huì)轉(zhuǎn)換成具有螺旋相位波前的渦旋光束。在實(shí)驗(yàn)中，這種方法生成的OAM光束攜帶的拓?fù)潆姾蓴?shù)最高可以達(dá)到5050。空間光調(diào)制器是一種可以對(duì)光波的幅度、相位、偏振態(tài)等物理信息中的一部分或者全部實(shí)現(xiàn)空間調(diào)制的光電器件。利用液晶的電光效應(yīng)，可以實(shí)現(xiàn)空間光調(diào)制器對(duì)入射光波的振幅和相位調(diào)制，使得光波實(shí)現(xiàn)波前變換。通過利用空間光調(diào)制器加載叉形光柵全息圖則可以產(chǎn)生光學(xué)渦旋。全息光柵法是將干涉條紋的信息記錄到感光光柵片（大部分是叉形光柵，又稱位錯(cuò)光柵）中，再利用一束與參考光條件完全相同的光照射感光片，通過衍射，借助計(jì)算機(jī)就可以再現(xiàn)各種信息（包括光的振幅和相位），從而合成渦旋光束。柱透鏡法是利用柱透鏡對(duì)光束的相位調(diào)制作用來生成渦旋光束。