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我校青年千人李向平教授在片上光子角动量编码解码技术取得重大突破

 随着移动计算、社交媒体和物联网等新技术的不断呈现和应用,人类社会已进入一个大数据时代。数据量将以前所未有的速度持续增长。根据美国IDC 公司的预期,全球数据每2 年翻一番,到2020年信息总量将达到400 亿TB(硬盘容量约1TB)。巨大的数据总量和频繁的数据通讯,作为大数据的信息存储的重要媒质的光存储和作为互联和通信基础的光传输络将不断面临承载海量数据的压力,发展绿色节能的增容技术已经势在必行。

  

 我校光子技术研究院“青年千人”、国家自然科学基金优秀青年基金获得者李向平教授长期致力于光子编码技术的研究,即利用光子的物理参量例如波长、偏振和位相等作为信息的通道。利用这些并行且互相正交的信息通道可以将信息的存储和传输容量成数量级的增大。李向平教授及同事所发明的多维光存储技术及三维偏振编码存储技术可以将现有光存储的容量提升400倍以上。其科研成果多次在Nature PhotonicsNature Communications上发表。近日,李向平教授与澳大利亚科学家联合研发,共同指导博士生在片上光子角动量的编码和解码技术上取得了重大突破。这种全新的光子编码技术有望应用在光通讯、光互联、光子CPU、量子纠缠通信和量子计算机等各个领域。相关成果以《On-chip Non-interference Angular-momentum Multiplexing of Broadband Light》为题,201647日在《Science》上在线发表(DOI: 10.1126/science.aaf1112)。李向平教授为第二作者,暨南大学为第二署名单位。

  

     作为电子的对应,光子的另一个重要物理参量就是角动量。具有圆偏振特性的光具有光子自旋角动量. 同时,光的波前还可以具有螺旋位相分布,即一个波长中波阵面旋转了多少圈,也叫光子的轨道角动量为整数。直到2000年左右,光子角动量开始被科学家们广泛关注。尤其是光子不同角动量态之间的垂直正交性,为高速光通信技术提供了优异的物理编码平台。美国、以色列、丹麦以及中国的科学家们相续投入了大量的资源开发利用角动量编码的高速大容量信息通信技术。利用光子角动量编码也从自由空间光通信的原理演示拓展到了光纤长程通讯应用中。光互联发展的一个主要趋势就是光集成,利用现代的纳米光子技术发展低能耗的高集成度的光子芯片技术来替代体积庞大的传统光学器件。然而光子的轨道角动量属于非内秉物理特性,对轨道角动量的解码依赖对整个波前相位的检测。目前的检测方式主要通过全息等位相干涉的方式对整个波前的相位进行检测,因而现有的光子角动量解码器件尺寸都在几十个波长的数量级,成为严重制约片上的光子角动量编码和解码发展的技术瓶颈。

  

     联合研发团队,另辟蹊径,利用亚波长尺度金属结构的存在表面等离子体效应和纳米孔径结构独特的角动量增敏的透射增强效应,率先实现了亚波长尺度的片上光子角动量编码和解码技术。单个金属纳米环孔单元的尺寸仅为4.2微米。通过非位相干涉的办法操控光子不同角动量态在对应纳米孔径的空间增敏透射率,在150纳米宽波段范围内实现了低串扰(-17db)的角动量态解码。而整个片上器件的尺寸仅为亚百微米量级便可以容纳上百个不同尺寸的纳米环孔结构对应不同的角动量和波长编码的信号通道,通过并行处理的方式将可以达到Tb每秒的数据处理能力!

  

     同时,这一研究对于推进亚波长尺度的光子角动量编码及相关应用起到了非常关键的作用,这些研究结果对于高速大容量角动量编码信息技术以及高集成度的光互联的实用化进程有着重要的现实意义。此外,李向平教授说,“在量子领域人们对单光子或纠缠光子进行量子信息处理感兴趣,这些单光子或纠缠光子能够用具有明确角动量的态叠加而得到。我们的技术对于刚荣获2015年度国家自然科学一等奖的量子纠缠态加密通讯以及量子计算机等领域都可以找到潜在的应用”。