“該成果在自由光通訊領域具有重要的發展前景，
對於下一代 6G 通訊的超大容量光通訊網路具有應用潛力。未來還可用於星間、星地通訊鏈路。
審稿人評價稱，‘該研究非常有趣，對於新型光場作為高維資訊載體的應用來說堪稱奠基性的工作，將對光通訊領域帶來巨大的效益。’”清華大學精儀系鐳射與光子技術研究所副教授付星表示。
近日，他所在的先進鐳射技術團隊，對下一代大容量密集編碼自由光通訊應用開展了前沿探索，採用共軛調製方法巧妙實現了資訊解複用。相關實驗很好地支撐了理論假設，結果表明新型光束在通道容量、誤位元速率方面都顯著優於傳統渦旋光，從而發揮出軌道角動量（OAM，Orbital Angular Momentum）光束高維通訊的優勢。
日前，相關論文以《面向未來超大容量、低誤位元速率光通訊的發散簡併空間複用技術》（Divergence-degenerate spatial multiplexing towards future ultrahigh capacity， low error-rate optical communications）為題，發表在 Light： Science & Applications 上。付星、團隊負責人清華大學精儀繫系主任柳強擔任共同通訊作者，萬震松擔任第一作者。
圖 | 相關論文（來源：
Light： Science & Applications
）
論文一經發表，受到了廣泛關注，被 1965 年創刊的國際鐳射行業著名雜誌 Laser Focus World 專題報道。
據介紹，光通訊領域的容量提升依賴於對光的多個自由度的開發和利用。近年來，光的強度、頻率、偏振、相位等多個物理維度的開發已接近極限。為應對“容量危機”的挑戰，具有新型空間自由度的結構光束也加入了“戰團”，尤其是帶有 OAM 的渦旋光。
相比於成熟的偏振複用只有兩個維度的特點，理論上基於 OAM 的模分複用通訊有無窮多個維度可以利用。然而現實很骨感，發散角隨著模式通道增多而迅速變大。每增加一個模式通道，接收端的口徑就會變大一圈。模式一多，口徑就由碗口大小增至磨盤大小。
“靈魂三問”：如何產生？如何識別？如何應用？
這項研究的核心是一類新型結構光“幾何模”，它具有“波跡二象性”。如圖 1 所示：除了普通光束所具有的波動性，例如干涉、衍射等行為之外，還具有令人驚歎的幾何軌跡性，即波包截面及其傳輸軌跡，與經典幾何射線簇相互耦合，因而被稱為幾何模。
圖 1 | 幾何模的波包與軌跡耦合示意圖（來源：付星）
它的物理本質是量子相干態的經典對應，在數學上被表徵為：頻率簡併的本徵模式的線性組合。付星說：“我們被幾何模深深吸引，對它發出了‘靈魂三問’：如何產生？如何識別？如何應用？”
要知道，此前產生幾何模的方法完全依賴鐳射諧振腔，需要嚴格、精細地調節腔長、腔鏡曲率、泵浦離軸量等腔引數，以滿足頻率簡併態的苛刻條件。不僅操作非常複雜，而且各模式之間無法靈活切換。
再加上受到鐳射腔的物理限制，幾何模的相當一部分引數無法覆蓋到。這一技術桎梏嚴重製約了幾何模的發展，也讓幾何模的識別和應用基本處於研究空白。對此，
該團隊另闢蹊徑，探索出了一條數字化調控幾何模的全新技術路線，做出了系列化的特色工作。
對於第一個難題也就是幾何模的產生，課題組在 2020 年提出了基於廣義三維波包軌跡耦合模型的數字化產生和調控方法，目前已獲得國家發明專利授權，該方法可為每個幾何模“量身打造”全息圖。
當一束普通鐳射也就是基模高斯光束，照射到對應的全息圖，即可轉換為所需要的任意幾何模式。而透過調製器高速重新整理全息圖，則能實現大容量資訊編碼。
該方法邁出了關鍵的一步，繞過了傳統諧振腔技術難以逾越的障礙，充分展現了按需定製、全域調諧、結構簡單、靈活便捷的優勢，讓此次論文提出的“幾何模作為高維光通訊載體”的構想，從技術上的不可能成為可能。
第二個難題即幾何模的識別，正是發起本論文研究的最初目標。此前的識別方法，主要針對具有單一或簡單相位奇點分佈的結構光束，不適用於具有複雜相位的幾何模。
“如圖 2 所示，我們逆向思考，將上述數字化產生幾何模的過程反轉，即共軛調製，這意味著幾何模只有經過那張‘特製’的全息圖，才能聚焦成一個實心圓點也就是基模光束，從而成功實現了對各種幾何模的識別。”第一作者萬震松博士表示。
圖 2 | 幾何模的解複用（識別）過程（來源：
Light： Science & Applications
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稿子被按了下來
研究進行到這裡時，萬震松博士計劃把工作打結，投稿到 3 分的主流期刊，但稿子被導師按了下來，大家都沒想到這一按就是兩年。團隊負責人柳強教授和付星一致認為，應該趁熱打鐵，直接向最為重要的第三關即幾何模的應用發起衝擊。
付星打了個比喻：“此時我們已經突破了幾何模的高效產生、高效識別兩大瓶頸，多自由度幾何模彷彿一柄等待出匣的利劍，正如鐳射 1960 年誕生之初的情景——‘它是一個尋找問題的答案’。我們在‘拔劍四顧’、尋找‘問題’的過程中，將目光投向了光通訊領域（圖 3），因為通訊中最重要的資訊編碼、解碼兩個環節，恰好對應著結構光束的產生與識別過程。”
圖 3 | 幾何模作為高維資訊載體的藝術效果圖（來源：付星）
如圖 4a 所示，課題組選擇了幾何模的三個自由度進行通訊，分別是相干態相位、中心軌道角動量、子光束軌道角動量。幾何模作為通訊載波，存在這樣一個大前提：各通道之間的資料不能相互干擾。如圖 4b 所示，該團隊通過幾何模正交性的詳細分析確認了這一點。
他們最初的想法，只是簡單透過擴充套件自由度來體現通訊上的優勢。隨著研究的深入和反覆討論，他們發現幾何模多自由度產生的兩個福利，才是解決問題的鑰匙。
第一個福利是發散角簡併效應，即新增的自由度能提升光束空間的維度，
這恰好解決了傳統渦旋光通訊中，發散角隨著模式通道增多而迅速變大的“頑疾”。
如圖 5a 的插圖，裡面的 20 個幾何模花瓣模式都具有相同的發散角，就像把原來的平房改造成 20 層的樓房，佔地面積不變，但是承載量提升了 20 倍。根據圖 5b 的估算，對於同一個自由光通訊系統，比起傳統渦旋光可傳輸的通道數，幾何模的傳輸上限提升了上百倍。而且，隨著通訊系統的規模增大，這一優勢還會繼續擴大。
圖 4 | 幾何模自由度及正交性分析：（a） 通訊用三個自由度示意圖；（b） 正交性分析（來源：
Light： Science & Applications
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圖 5 | 幾何模的發散簡併優勢：（a）發散角增長速度顯著下降；（b） 模式通道數目顯著提升（來源：
Light： Science & Applications
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第二個福利體現在降低資料誤位元速率上。幾何模攜帶的相位雖然非常複雜，但是該團隊挖掘出它的積極意義，即多個編碼資訊通道疊加傳輸時，光束的中心對稱性依然保持得很好，如圖 6 所示，這能避免傳統渦旋模式的中心偏移現象，從而在資訊解碼時顯著降低誤位元速率。
圖 6 | 幾何模疊加複用時保持中心對稱性（來源：付星）
在通訊應用之外，課題組還在經典糾纏的前沿應用上檢驗了幾何模的鋒芒。經典糾纏的概念是：利用經典光場多個自由度之間的不可分離性，去模擬多個粒子組成的量子糾纏態之間的不可分離性。
據悉，此前的經典糾纏工作侷限於結構光的兩個自由度，例如空間光強分佈+偏振分佈，只能模擬雙粒子的量子糾纏態即 Bell 態。而該課題組利用幾何模突破了這一限制［2］，採用向量光、標量光均實現了多體量子糾纏態模擬。
此外，針對複雜結構光的模式識別問題，課題組還進行了另一條技術路線的探索，發表在
Nanophotonics
期刊上的論文中，提出了 VortexNet 新型深度學習網路［3］。
該人工智慧技術僅需在焦點、離焦位置各測量一次幾何模的光強分佈，即可實現其複雜多奇點相位的完整重建。
基於該方法，該團隊進一步提出具有高安全性的金鑰共享創新方案，優點在於只分發 “千人一面”的花瓣狀光強資訊，卻將金鑰深深隱藏於幾何模的複雜相位中，不易被破解。
在多奇點多自由度渦旋光的探索過程中，課題組與 Journal of Optics 期刊主編安德魯·福布斯（Andrew Forbes）院士團隊、Advanced Photonics 期刊主編袁小聰教授團隊、英國南安普頓大學光電研究中心高階研究員/瑪麗居里學者申藝傑博士（本文第二作者、本課題組培養的博士）開展了深度合作。
期間，多方合作的“超自由度”結構光論文，先後登上 Light： Science & Applications ［2］、Optica ［4］ 的封面。他們還在 Light： Science & Applications 合作撰寫了光學渦旋三十年的綜述論文 ［5］，該論文入選 Light 期刊創刊十週年十佳高亮論文，連續兩年入選期刊年度優秀論文、熱門下載論文，發表兩年多被引用 600 餘次，其中包含 3 篇 Science 論文。
“另據悉，課題組未來打算分兩步走。在理論層面，建立結構光的調控機理和表徵體系，開發更多可操控、易操控的自由度；在方法和應用層面，採用高維經典結構光，進行更多型別的量子過程模擬與類比，發掘深層次的量子-經典關聯，更好地認知量子世界，並探索新型結構光直接應用於量子通訊、量子儲存、量子計算等方面的豐富可能性。”柳強教授介紹。
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