多渦旋激光器實(shí)現(xiàn)空間和時(shí)間編碼通信

  上海交通大學(xué)謝國強(qiáng)教授研究團(tuán)隊(duì)與華中科技大學(xué)王健教授研究團(tuán)隊(duì)合作，首次實(shí)現(xiàn)激光器同時(shí)產(chǎn)生多個(gè)光學(xué)渦旋態(tài)，且每個(gè)光學(xué)渦旋態(tài)通過自鎖模各自攜帶高重頻的皮秒脈沖;利用該多渦旋激光器獨(dú)特的時(shí)空特性，成功演示了多渦旋態(tài)激光的時(shí)空編碼與信息傳輸。相關(guān)工作以“multi-vortex laser enabling spatial and temporal encoding”為題2020年5月15日發(fā)表于PhotoniX。上海交通大學(xué)喬楨和華中科技大學(xué)萬鎮(zhèn)宇為論文共同第一作者，上海交通大學(xué)謝國強(qiáng)和華中科技大學(xué)王健為論文共同通信作者。

  渦旋光束為光通信增加了空間這一新維度，可大幅提升通信容量，成為下一代光通信的有力候選。然而，現(xiàn)有的渦旋光通信演示主要基于腔外位相元件調(diào)制方法產(chǎn)生多路渦旋光束，然后通過復(fù)雜的多路合束系統(tǒng)合束后進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，這使得光渦旋通信系統(tǒng)冗雜而龐大，限制了光渦旋通信的實(shí)際應(yīng)用。因此，研制可替代傳統(tǒng)多渦旋產(chǎn)生方法的多渦旋激光源對(duì)于未來光渦旋通信的發(fā)展具有重要意義。

  課題組提出多渦旋振蕩閾值極值分析法(MOTMA)，為多渦旋激光器腔鏡設(shè)計(jì)出特定的空間損耗調(diào)制圖案。通過計(jì)算機(jī)控制將設(shè)計(jì)的圖案打印在激光腔鏡上，從激光器中同時(shí)實(shí)現(xiàn)了四種渦旋態(tài)的激光束輸出(圖1)。輸出的四種渦旋態(tài)通過自鎖模技術(shù)，各自輸出高達(dá)GHz水平的高重頻皮秒脈沖。利用該多渦旋態(tài)激光器獨(dú)特的時(shí)空特性，課題組演示了直接的十六進(jìn)制空間編碼和時(shí)分復(fù)用，實(shí)現(xiàn)了“零誤碼率”的信息傳輸(圖2)。研究工作首次演示了全新的多渦旋態(tài)“時(shí)空激光源”，展示了在光通信領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。

  圖1 多渦旋激光器的設(shè)計(jì)以及多渦旋光束產(chǎn)生。a, 多渦旋激光器示意圖;b，多渦旋振蕩閾值極值分析法設(shè)計(jì)實(shí)例;c, 輸出耦合鏡表面打印的圖案;d,產(chǎn)生的多渦旋光束的光斑圖樣;e, 各個(gè)渦旋態(tài)的鎖模脈沖序列。

  圖2 多渦旋激光器的空間與時(shí)間編碼。a, 多渦旋激光器信息傳輸示意圖;b，多渦旋光束十六進(jìn)制編碼;c，渦旋光束的時(shí)間編碼;d，渦旋光束的時(shí)分復(fù)用。

  撰稿人 | 謝國強(qiáng)

  論文題目 | 多渦旋激光器實(shí)現(xiàn)空間和時(shí)間編碼通信（Multi-vortex laser enabling spatial and temporal encoding）

  作者 | 喬楨，萬鎮(zhèn)宇，謝國強(qiáng)*，王健*，錢列加，范滇元

  論文鏈接：https://photonix.springeropen.com/articles/10.1186/s43074-020-00013-x