光学涡旋简介

摘要：光学涡旋是一种具有螺旋相位波前，带有轨道角动量(OAM)，能够携带不同拓扑电荷数的光束。携带不同拓扑电荷数的光学涡旋是相互正交的，因此，光学涡旋可以在光纤通信系统中进行模分复用，它能够极大的提高光纤通信系统的容量。本文主要简单介绍涡旋光束，以及涡旋光束的生成和检测方法。

关键词：光学涡旋；轨道角动量；光纤通信；模分复用

1.引言

随着通信技术的发展以及移动互联网、物联网的兴起，传统的光纤通信系统容量已经不能满足人们日益增长的需求。为了提高光纤通信的系统容量，空分复用技术越来越受到科研工作者们的关注。空分复用的实现技术主要有多心光纤和模分复用。模分复用是利用不同模式的正交性，每个模式可以作为一个数据信道，来进行数据传输。常见的模分复用使用的是光纤中的高阶模和光学涡旋[4]中的OAM模。不同的OAM模是相互正交的，因此，它可以在光纤通信系统中进行模分复用，极大的提高光纤通信系统的容量。本文首先对光学涡旋进行简单的介绍，然后重点介绍涡旋光束在空间光和光纤中的生成方法以及检测方法，最后简单介绍涡旋光束在通信中的应用。

2.涡旋光束简介

图1.涡旋光束示意图

如图1(a)所示，光纤涡旋是一种具有螺旋相位波前，带有轨道角动量(OAM)，能够携带不同拓扑电荷数的光束；它的模场呈环形分布，如图1(b)所示；图1(c)表示的是拓扑电荷为1时的相位分布图，可以看出，在一个周期内，它的相位从0变化到2π，以此类推，当拓扑电荷数为n时，在(a)(b)(c)1一个周期内，它的相位从0变化到2nπ。此外，涡旋光束还具有一些其它特殊的特性，比如具有相位奇点、具有多种空间偏振态、具有无限种相互正交的本征态等。由于它的这些特殊性质，光学涡旋在光学镊子、高分辨率成像、光学微操控、大规模复用通信、量子通信等领域有广泛的应用。

3.光学涡旋生成

光学涡旋的生成主要有基于空间光的生成方法和基于全光纤结构的生成方法。基于空间光生成的涡旋光束相对来说转化效率和模式纯度较高，而基于全光纤结构生成的涡旋光束转化效率和模式纯度较低，但是，基于全光纤结构生成的涡旋光束便于与光纤相连，插入损耗也非常低，而且转化效率和模式纯度还可以通过改进光纤结构继续提升，因此，基于全光纤结构的生成方法具有很好的应用前景。

3.1基于空间光的生成方法

图2.基于空间光的生成方法 

如图2所示，基于空间光的生成方法主要有螺旋相位板法[8]、空间光调制法、全息光栅法、柱透镜法等。其中，螺旋相位板法使用的是一个沿着方位角逐渐变厚的透明薄板，当高斯光通过螺旋相位板时，由于厚度不均匀，光束会转换成具有螺旋相位波前的涡旋光束。在实验中，这种方法生成的OAM光束携带的拓扑电荷数最高可以达到5050。空间光调制器是一种可以对光波的幅度、相位、偏振态等物理信息中的一部分或者全部实现空间调制的光电器件。利用液晶的电光效应，可以实现空间光调制器对入射光波的振幅和相位调制，使得光波实现波前变换。通过利用空间光调制器加载叉形光栅全息图则可以产生光学涡旋。全息光栅法是将干涉条纹的信息记录到感光光栅片（大部分是叉形光栅，又称位错光栅）中，再利用一束与参考光条件完全相同的光照射感光片，通过衍射，借助计算机就可以再现各种信息（包括光的振幅和相位），从而合成涡旋光束。柱透镜法是利用柱透镜对光束的相位调制作用来生成涡旋光束。