研究工程師和物理學家透過在德國愛爾朗根(Erlangen)相隔一英哩的建築物之間傳輸「扭曲的光線」,展示了一種新的光調變技術。你熟悉的波分復用(WDM),是不同波長(即顏色)的光被疊加成波束,每個波長承載不同的訊號。這種新技術可稱為「軌道角動量分復用(OAMDM)」,它不是把不同顏色的光束組合起來,而是將不同「軌道角動量」狀態的光束疊加起來。

「扭曲光」的物理背景

角動量是線動量的旋轉版本;角動量守恆是牛頓線動量守恆定律的旋轉形式。角動量守恆是這樣一種現象:當自行車移動時,它更易於保持平衡。你應該記得,大學化學課上,元素週期表透過元素的化學性質來對其進行區分,而這些性質是由元素外層電子軌道角動量狀態決定的。這些狀態由量子數I來描述。

光的軌道角動量也用量子數I來描述,但從偏振(polarization)角度則更容易理解。

一般太陽眼鏡透射垂直偏振光,吸收水平偏振光。我們通常想到的偏振是:波的電場向量不是水平偏振就是垂直偏振,即所謂的平面偏振;在光子級別,單個光子具有圓形偏振:電場向量以順時針或逆時針垂直於運動方向旋轉。這兩種偏振狀態對應於光子自旋的兩種可能狀態,+1或-1(因為光子是無品質的,所以不允許為零;自旋零光子意味著它必須存在於靜止狀態,但因為在每個參考系中光子永遠為光速,所以光子永遠不能靜止)。光線中的軌道角動量將偏振概念擴展至光束,其坡印廷(Poynting)向量(描述能量流的方向)圍繞運動方向旋轉。

請注意,「扭曲光」是光束在不同光軌道角動量狀態下的行銷行話。

太陽眼鏡分開的簡單垂直和水平偏振是由許多光子疊加成電磁波的結果,其淨電場指向垂直或水平面。不同的光學軌道角動量態由重疊的光子以產生離散螺旋度值的方式組成,但有個重要區別。螺旋狀態是量子化的,也就是說,它們只以整數階躍的形式出現,可以用少量的光子來形成;反之,需要海量光子形成垂直或水平偏振的光。

光軌道角動量調變

2012年,採用四束光、速率為2.56Tb/s的光軌道角動量調變應用在光纖中被證實,《Terabit free-space data transmission employing orbital angular momentum multiplexing》一文對此進行了報導。在自由空間實現會更加棘手。

在新的研究《Free-space propagation of high dimensional structured optical fields in an urban environment》中,兩束不同軌道角動量狀態的809nm波長的光束被疊加,穿越愛爾朗根天際線傳輸了1.6公里——光束在公路之上,貼近高聳的建築,「置身」日常城市生活的噪音和大氣湍流中(圖1)。

20180124NP02P1 圖1 愛爾朗根天際線1.6km遠的自由空間扭曲光路徑。(圖片來源:格拉斯哥大學,University of Glasgow)

圖2顯示了實驗設置。光源是由空間光調變器(SLM)聚焦的809nm平面偏振雷射光束。在SLM表面上顯示的l分叉(l-forked)全息圖將光「扭曲」成特定的光軌道角動量狀態。

20180124NP02P2 圖2 實驗設置。(圖片來源:格拉斯哥大學)

照片記錄光的強度,全息圖記錄光的衍射圖案,即光子記錄功率,全息圖記錄相位。l分叉全息圖以使光處於特定軌道角動量狀態的方式固定光的相位關係。

兩個透鏡L1和L2形成一個望遠鏡,將光束放大到40mm直徑。光束穿越愛爾朗根傳送到接收器,接收器將光收集並聚焦到分束器上。其中產生的一條光束聚焦在相機C1上,另一條通過軌道角動量模式分選器(MS),而第二個相機C2測量其光放大器模組(OAM)內容。

那麼意義何在?調變紅光,並將其從一座建築物照射到另一座。這沒什麼了不起,是不是?困難點在於光束的角動量狀態的完整性是否能夠經得住大氣湍流。早在19世紀,偉大的英國物理學家雷利爵士(Lord Rayleigh)就教導我們,天空是藍的,因為光被空氣分子散射。無論如何,事實證明,像軌道角動量這樣的量子態在「冷靜」的實驗室之外極難維持。當空氣中的壓力波動使光線散射時,光束的軌道角動量狀態可能改變並破壞訊號的完整性。

在該實驗中,訊號被成功解調了,儘管不同的軌道角動量態遭受了不同損失。圖3顯示了四種情況。每個波束由兩個軌道角動量狀態(+l和-l)組合構成,其中l的範圍從1~4;功率損耗範圍從l=±1的5.6dB降至l=±4時的37.7dB。

20180124NP02P3 圖3 帶有OAM狀態和接收到功率的發射和反射光束影像。(圖片來源:格拉斯哥大學)

該實驗證明了光軌道角動量狀態可被用來將訊號復用成可以長距離傳播的單個光束的原理,這是一種全新的無線點對點資料傳輸方法。

由於該方案是建立在軌道角動量量子態之上的,它也表現了量子糾纏現象(我將儘快撰寫量子糾纏現象,同時請閱讀《費曼物理學講義(Feynman Lectures on Physics)》第三卷第一章,它可能是物理學史上最具劃時代意義的一章),這意味著量子密碼學的應用可能會隨之而來。

(參考原文: The twisted future of optical signal modulation,by Ransom Stephens)