空间模式在过去几十年中受到了研究者们的广泛关注，并被用于光通信应用来进一步提高通信系统的容量，满足信息时代急剧增长的容量需求。光涡旋作为一种空间模式，有一个相位奇点或者偏振奇点，对应轨道角动量模式（orbital angular momentum，OAM）和矢量光束（vector beam），因其独特的正交性广泛应用在光通信中，既有直接利用不同的光涡旋来进行信息编码的通信，也有将数据信息加载到光涡旋信道上进行复用的通信。在之前光纤空分复用通信中，通常采用的线性偏振模式（linearly polarized mode）和轨道角动量模式进行复用通信。这两种模式是通过光纤矢量本征模式的线性组合来合成，而光纤本征模式就对应一种矢量光束，也是一种空间模式，直接利用光纤本征模式进行复用通信为光纤中的容量增长提供了另外一种选择。此外，利用集成器件产生空间模式解决了光通信中通信系统的小型化的问题。

武汉光电国家研究中心王健教授带领的多维光子学实验室（MDPL：Multi-Dimensional Photonics Laboratory）与中山大学蔡鑫伦教授，英国格拉斯哥大学Marc Sorel教授，烽火科技杜诚等合作，指导博士生刘俊，李仕茂等实现了由集成光涡旋发射器直接产生光纤矢量本征模并进行多路复用传输。通过利用内壁刻有角向光栅的硅微环谐振器产生的矢量涡旋模式（径向和方位角偏振光束），在2km大芯径光纤传输数据的光纤矢量本征模复用传输。采用这个方案，可以通过直接利用光纤中的多个矢量本征模为提高通信容量，并且提供紧凑的解决方案来替代用于生成各种光学矢量波束的大体积衍射光学元件。该工作以论文“Direct fiber vector eigenmode multiplexing transmission seeded by integrated optical vortex emitters” 发表在Light: Science & Applications (Vol. 7, PP. 17148, 2018) 上。

Fig. 1. 基于集成光涡旋发射器的光纤本征模复用通信原理示意

以上工作得到了国家973计划课题（2014CB340004, 2014CB340001, 2014CB340003）、国家自然科学基金(11690031, 61761130082, 11574001, 11774116, 11274131, 61222502, 61575224, 61622510)、牛顿高级访问学者基金, 2019人才计划青年拔尖奖励计划 (NCET-11-0182)，青年长江奖励计划和新世纪人才计划等项目支持。

文章链接：https://www.nature.com/articles/lsa2017148

以上研究内容是在以下研究成果基础上的延伸。

[1] Ruan Z, Shen L, Zheng S, et al. Subwavelength grating slot (SWGS) waveguide on silicon platform[J]. Optics Express, 2017, 25(15):18250. https://www.osapublishing.org/oe/abstract.cfm?uri=oe-25-15-18250&origin=search

[2] Zheng S, Ruan Z, Gao S, et al. Compact tunable electromagnetically induced transparency and Fano resonance on silicon platform[J]. Optics Express, 2017, 25(21):25655. https://www.osapublishing.org/oe/abstract.cfm?uri=oe-25-21-25655&origin=search

[3] Du J, Wang J. Design and fabrication of hybrid SPP waveguides for ultrahigh-bandwidth low-penalty terabit-scale data transmission[J]. Optics Express, 2017, 25(24):30124 https://www.osapublishing.org/oe/abstract.cfm?uri=oe-25-24-30124&origin=search

[4] Zheng S, Wang J. On-chip orbital angular momentum modes generator and (de)multiplexer based on trench silicon waveguides.[J]. Optics Express, 2017, 25(15):18492. https://www.osapublishing.org/oe/abstract.cfm?uri=oe-25-15-18492&origin=search

[5] Du J, Wang J. Chip-scale optical vortex lattice generator on a silicon platform [J]. Optics Letters, 2017,42(23):5054. https://www.osapublishing.org/ol/abstract.cfm?uri=ol-42-23-5054&origin=search

来源：武汉光电国家实验室(筹)