在万物互联、万物智能的信息社会，提升高维度信息存储和通信系统能力，成为学界和业界亟待解决的挑战。由于光具有多种物理属性，因此在光学信息系统中可以通过多维复用技术提升信息传输容量和带宽，例如光通讯中的波分复用技术。近年来，轨道角动量 (OAM)光束引起了全世界研究者的关注，具有不同轨道角动量的涡旋光束以不同姿态在空间中螺旋前进。基于轨道角动量同样可以构建信息通道，实现光学信息系统中信息容量的大幅提升，该领域被称为轨道角动量信息光学。
然而，受限于传统信息记录媒介（空间光调制器等）较低的空间带宽积以及不成熟的信息解码技术，轨道角动量信息光学领域发展受到了极大的限制。针对上述轨道角动量信息光学领域的两大关键科学技术问题，顾敏院士领导的上海理工大学光子芯片研究院方心远副教授、栾海涛研究员团队与澳大利亚麦考瑞大学任浩然研究员、德国慕尼黑大学Stefan Maier教授、韩国浦项科技大学Junsuk Rho教授领导的科研团队展开合作，取得了新的进展。
他们创新性地利用双光子聚合飞秒激光加工技术，实现了大面积复振幅轨道角动量多路复用超表面全息技术，完美解决了纯相位依赖的通道信号串扰问题，该工作以“动量空间中基于超表面多维复用角动量全息（Complex-amplitude metasurface-based orbital angular momentum holography in momentum space）”为题发表在纳米科技领域顶尖期刊《自然纳米技术》 （Nature Nanotechnology）上。此项工作中，仅仅利用6mm²的光学芯片，约为指甲盖面积的1/16,记录下60帧三维全息图像，仅仅需要动态控制入射光束轨道角动量状态，即可实现30FPS的三维全息动态显示。方心远副教授为此论文的共同第一作者。
近日，团队还将人工智能技术引入高阶轨道角动量光通讯中，实验上搭建了超高容量的轨道角动量键控光学通讯系统，该工作以“基于卷积神经网络的768类拉盖尔-高斯模移键控自由空间光通信（768-ary Laguerre-Gaussian-mode shift keying free-space optical communication based on convolutional neural networks）” 为题发表于光学领域权威期刊Optics Express上。人工智能通过学习高阶轨道角动量光束的特征，能够在3ms的时间内对其模式作出判断，从而推断出高达768类复杂轨道角动量信息。在实验室里实现了10m距离的彩色图像信息传递，据了解768类的轨道角动量键控光通讯是目前的世界纪录。栾海涛研究员为该论文第一作者。
由于光电混合器件的响应速度和微纳加工工艺的限制，目前具有无穷正交维度的轨道角动量在空间和模式复用技术上并没有真正发挥其优势和潜力。轨道角动量复用技术将成为解决这一挑战的有利候选方案，为下一代高容量人工智能光学芯片的发展提供了技术支撑。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41565-020-0768-4
https://doi.org/10.1364/OE.420176
供稿：光子芯片研究院
