顧敏院士領導的研究團隊在納米信息光學領域取得重大突破

　　Light國際編委、澳大利亞皇家墨爾本理工大學顧敏院士領導的研究團隊首次利用光學芯片實現了納米尺度下對光子角動量的操控。相關成果以《On-chip Noninterference Angular momentum Multiplexing of Broadband Light》 為題，于2016年4月7日在《Science》上在線發表（DOI: 10.1126/science.aaf1112）。這項發明是光信息技術領域的一次重大突破，其提供的全新光子角動量編碼技術有望應用在超快速光通信、超高清顯示、超安全信息加密、超高效量子通信及量子計算等各個領域。

　　光通信是一種以光波為傳輸載體的通信方式，其傳輸媒介通常包括自由空間和光學纖維。光波作為一種電磁波具有傳播速度快（真空中接近300000km/s）、傳輸頻帶寬、通信容量大和抗電磁干擾能力強等優點。光通信通常利用光波特有的物理屬性包括亮度、波長和偏振作為獨立的光學維度進行信息的編碼、傳輸和解碼，已被廣泛地應用于各種通信網絡中，其在現代社會中通過電話、電視、互聯網等通訊方式扮演著至關重要的角色。歐美等發達國家已經把光纖通信放在了國家發展的戰略地位，2013年中國國務院發布了“寬帶中國”戰略實施方案，光纖通信首次成為國家戰略性公共基礎設施。然而，隨著信息時代的飛速發展，海量的信息和頻繁的數據通訊不斷地挑戰著現有光纖通信技術，其面臨承載巨大數據的壓力，發展新型光通信技術已經勢在必行。

　　光作為一種電磁波，其另一個物理本質是粒子。與宏觀物體相似，光子可以攜帶角動量，包括與圓偏振光相關的自旋角動量和與螺旋相位相關的軌道角動量。光子軌道角動量由于其攜帶的信息量在理論上不受限制，近年來在量子通信和光通訊等領域得到了廣泛關注。然而，納米尺度下對光子角動量進行信息編碼及解碼一直以來是一個世界性的難題，因為在自然界中很難找到相關的螺旋性結構對光子軌道角動量進行響應。

　　顧敏教授領導的團隊利用特殊設計的納米凹槽和納米環結構，率先實現了納米尺度下對光子角動量模式進行編碼、傳輸和解碼的新技術。“通過在光子芯片上巧妙地設計納米級結構，我們首次實現了在芯片上操控螺旋光束”顧敏院士說，“這樣的操控是全方位的，包括對螺旋光束攜帶的信息進行編碼、傳輸和解碼，因而消除了傳統探測螺旋光束所必需的大尺度相位敏感元件。”報道的芯片是通過在金屬表面設計納米凹槽將光子角動量轉化為表面等離子體的角動量場分布，再利用納米環結構對后者的角動量模式進行識別并有選擇地透射。文章第一作者任浩然（斯文本科技大學博士生）說：“如果將光學信號發給某個光子芯片，最重要的是需要知道這個信號的去向，否則信息將會丟失。經過特殊設計的光學芯片可精確地將不同的光子角動量信號選擇性地輸送到不同的納米環中并讓其透射出去，這樣信息就不會丟失。”此外，這項發明還可以成數量級地提高光通信處理速度。發明的芯片包含一組角動量操控單元陣列，每個單元可獨立地處理不同的光子角動量信息。任浩然說：“利用陣列原理，進一步大規模集成化的芯片可并行處理光子角動量信息，例如，如果芯片由100乘100個角動量處理單元組成，那么其信息處理速度便可提高四個數量級。”另外，通過基于非共振的角動量模式匹配原理，發明的芯片不僅在可見光波段而且在通訊波段均可實現超寬波段的光子角動量信息處理，文章第三作者張啟明（皇家墨爾本理工大學高級研究員）指出：“與傳統基于等離子體共振的器件不同，我們的芯片可實現非共振、超寬波段的光子角動量信號處理。”

　　澳大利亞科學院、澳大利亞技術科學與工程學院院士、澳大利亞皇家墨爾本理工大學副校長顧敏院士說：“這項發明作為光信息技術領域的一項重大突破，為下一代超寬帶、超大容量、超快速并行處理的光學通信奠定了基礎，為即將到來的大數據工業革命提供了一個嶄新的科技平臺。”