研究工程师和物理学家通过在德国埃朗根相隔一英里的建筑物之间传输“扭曲的光线”,展示了一种新的光调制技术。你熟悉的波分复用(WDM),是不同波长(即颜色)的光被叠加成波束,每个波长承载不同的信号。这种新技术可称为“轨道角动量分复用(OAMDM)”。它不是把不同颜色的光束组合起来,而是将不同“轨道角动量”状态的光束叠加起来。

“扭曲光”的物理背景

角动量是线动量的旋转版本;角动量守恒是牛顿线动量守恒定律的旋转形式。角动量守恒是这样一种现象:当自行车移动时,它更易于保持平衡。你应该记得,大学化学课上,元素周期表通过元素的化学性质来对其进行区分,而这些性质是由元素的外层电子的轨道角动量状态决定的。这些状态由量子数l来描述。

光的轨道角动量也用量子数l来描述,但从偏振(polarization)角度则更容易理解。

你的太阳镜透射垂直偏振光,吸收水平偏振光。我们通常想到的偏振是:波的电场矢量不是水平偏振就是垂直偏振,即所谓的平面偏振。在光子级别,单个光子具有圆形偏振:电场矢量以顺时针或逆时针垂直于运动方向旋转。这两种偏振状态对应于光子自旋的两种可能状态,+1或-1(因为光子是无质量的,所以不允许为零;自旋零光子意味着它必须存在于静止状态,但因为在每个参考系中光子永远为光速,所以光子永远不能静止)。光线中的轨道角动量将偏振概念扩展至光束,其坡印廷(Poynting)矢量(描述能量流的方向)围绕运动方向旋转。

“扭曲光”是光束在不同光轨道角动量状态下的营销行话。

太阳镜分开的简单的垂直和水平偏振是由许多光子叠加成电磁波的结果,其净电场指向垂直或水平面。不同的光学轨道角动量态由重叠的光子以产生离散螺旋度值的方式组成,但有个重要区别。螺旋状态是量子化的,也就是说,它们只以整数阶跃的形式出现,可以用少量的光子来形成;反之,需要海量光子形成垂直或水平偏振的光。

光轨道角动量调制

2012年,采用四束光、速率为2.56Tb/s的光轨道角动量调制应用在光纤中被证实,“Terabit free-space data transmission employing orbital angular momentum multiplexing”一文对此进行了报道。在自由空间实现会更加棘手。

在新的研究“Free-space propagation of high dimensional structured optical fields in an urban environment”中,两束不同轨道角动量状态的809nm波长的光束被叠加,穿越埃尔朗根天际线传输了1.6公里——光束在公路之上,贴近高耸的建筑,“置身”日常城市生活的噪音和大气湍流中(图1)。

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图1:埃尔朗根天际线1.6km远的自由空间扭曲光路径。(图片来自格拉斯哥大学)

图2显示了实验设置。光源是由空间光调制器(SLM)聚焦的809nm平面偏振激光束。在SLM表面上显示的l分叉(l-forked)全息图将光“扭曲”成特定的光轨道角动量状态。

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图2:实验设置(图片来自格拉斯哥大学)

照片记录光的强度,全息图记录光的衍射图案,也就是说,光子记录功率,全息图记录相位。l分叉全息图以使光处于特定轨道角动量状态的方式固定光的相位关系。

两个透镜L1和L2形成一个望远镜,将光束放大到40mm直径。光束穿越埃尔朗根传送到接收器,接收器将光收集并聚焦到分束器上。其中产生的一条光束聚焦在相机C1上,另一条通过轨道角动量模式分选器(MS),而第二个相机C2测量其OAM内容。

那么意义何在?你调制红光,并将其从一座建筑物照射到另一座。这没啥,是不是?难点在于光束的角动量状态的完整性是否能够经受住大气湍流。你看,早在19世纪,伟大的英国物理学家雷利爵士就教导我们,天空是蓝的,因为光被空气分子散射。无论如何,事实证明,像轨道角动量这样的量子态在“冷静”的实验室之外极难维持。当空气中的压力波动使光线散射时,光束的轨道角动量状态可能改变并破坏信号的完整性。

在该实验中,信号被成功解调了,尽管不同的轨道角动量态遭受了不同损失。图3显示了四种情况。每个波束由两个轨道角动量状态(+l和-l)组合构成,其中l的范围从1到4;功率损耗范围从l=±1的5.6dB降至l=±4时的37.7dB。

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图3:带有OAM状态和接收到功率的发射和反射光束图像(图片来自格拉斯哥大学)

该实验证明了光轨道角动量状态可被用来将信号复用成可以长距离传播的单个光束的原理,这是一种全新的无线点对点数据传输方法。

由于该方案是建立在轨道角动量量子态之上的,它也表现了量子纠缠现象(我将尽快写量子纠缠现象,同时请阅读《费曼物理学讲义》第3卷第1章,它可能是物理学史上最具划时代意义的一章),这意味着量子密码学的应用可能会随之而来。

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