多涡旋激光器实现空间和时间编码通信

  上海交通大学谢国强教授研究团队与华中科技大学王健教授研究团队合作，首次实现激光器同时产生多个光学涡旋态，且每个光学涡旋态通过自锁模各自携带高重频的皮秒脉冲;利用该多涡旋激光器独特的时空特性，成功演示了多涡旋态激光的时空编码与信息传输。相关工作以“multi-vortex laser enabling spatial and temporal encoding”为题2020年5月15日发表于PhotoniX。上海交通大学乔桢和华中科技大学万镇宇为论文共同第一作者，上海交通大学谢国强和华中科技大学王健为论文共同通信作者。

  涡旋光束为光通信增加了空间这一新维度，可大幅提升通信容量，成为下一代光通信的有力候选。然而，现有的涡旋光通信演示主要基于腔外位相元件调制方法产生多路涡旋光束，然后通过复杂的多路合束系统合束后进行数据传输，这使得光涡旋通信系统冗杂而庞大，限制了光涡旋通信的实际应用。因此，研制可替代传统多涡旋产生方法的多涡旋激光源对于未来光涡旋通信的发展具有重要意义。

  课题组提出多涡旋振荡阈值极值分析法(MOTMA)，为多涡旋激光器腔镜设计出特定的空间损耗调制图案。通过计算机控制将设计的图案打印在激光腔镜上，从激光器中同时实现了四种涡旋态的激光束输出(图1)。输出的四种涡旋态通过自锁模技术，各自输出高达GHz水平的高重频皮秒脉冲。利用该多涡旋态激光器独特的时空特性，课题组演示了直接的十六进制空间编码和时分复用，实现了“零误码率”的信息传输(图2)。研究工作首次演示了全新的多涡旋态“时空激光源”，展示了在光通信领域的应用潜力。

  图1 多涡旋激光器的设计以及多涡旋光束产生。a, 多涡旋激光器示意图;b，多涡旋振荡阈值极值分析法设计实例;c, 输出耦合镜表面打印的图案;d,产生的多涡旋光束的光斑图样;e, 各个涡旋态的锁模脉冲序列。

  图2 多涡旋激光器的空间与时间编码。a, 多涡旋激光器信息传输示意图;b，多涡旋光束十六进制编码;c，涡旋光束的时间编码;d，涡旋光束的时分复用。

  撰稿人 | 谢国强

  论文题目 | 多涡旋激光器实现空间和时间编码通信（Multi-vortex laser enabling spatial and temporal encoding）

  作者 | 乔桢，万镇宇，谢国强*，王健*，钱列加，范滇元

  论文链接：https://photonix.springeropen.com/articles/10.1186/s43074-020-00013-x