Divergence of an orbital-angular-momentum-carrying beam upon propagation
最近，人们对使用携带轨道角动量（OAM）的光束来在自由空间光通信系统内创建多个信道感兴趣。一个限制性问题是，对于发射机处的给定光束尺寸，光束发散角随着OAM的增加而增加，因此如果要保持检测效率，则在接收光学系统处需要更大的孔径。关于这种发散度是否与光束的OAM成线性比例，或者与光束的OAM的平方根成线性比例，存在着混淆。我们澄清这两个比例定律是有效的，这取决于它是否是高斯光束腰的半径或均方根强度保持不变，而变化的OAM。
2014-10-31 physics.optics quant-ph
Rapid Generation of Light Beams Carrying Orbital Angular Momentum
我们报告了一种使用单个数字微镜器件（DMD）将幅度和相位变化编码到激光束上的技术。使用这种技术，我们产生拉盖尔-高斯和涡旋轨道角动量（OAM）模式，以及在一组模式是相互无偏的OAM基础。此外，我们已经证明了以4 kHz的速度在所生成的模式之间进行快速切换，这比空间光调制器（SLM）通常实现的速度快得多。激光束的相位和幅度的动态控制是用于采用空间模式编码的经典通信和量子密钥分发（QKD）系统的使能技术。
2013-11-19 physics.optics quant-ph
Orbital angular momentum photonic quantum interface
在经典和量子光通信中，光携带轨道角动量（OAM）在提高信道容量方面具有巨大的潜力。长距离光通信要求光的波长位于低损耗的通信窗口，但目前正在开发的用于量子中继器的大多数量子存储器工作在不同的波长，因此需要量子接口来弥合波长差距。到目前为止，这种用于OAM承载光的接口尚未实现。在这里，我们报告的第一个实验实现的量子接口的预言单光子携带OAM使用非线性晶体在光学腔。输入和输出光子的空间结构表现出很强的相似性。更重要的是，单光子相干性在上转换过程中得到了保持。
2015-08-20 physics.optics quant-ph
A circular Airy vortex beam carrying two point vortices symmetrically on the x-axis with the same and opposite signs
研究了具有两个相同或相对点涡旋的圆形艾里涡旋光束（CAVB）在主环的内侧、外侧和内侧（拓扑荷的绝对值为1）对称加载。发现加载位置（表示为dv）可以显著地调谐自动聚焦行为。对于符号相同的两个涡旋，当dv接近零时，双涡旋在焦平面处近似合并。但是随着dv的增加，合并的涡流将沿着y轴逐渐分离。当dv较大时，焦斑变成贝塞尔形图案。对于相反的涡旋，当dv很小时，聚焦图案是贝塞尔形的（中心不存在涡旋），但不是严格地在中心。随着dv的增加，原始光斑沿y轴逐渐上移，并将能量传递给x轴下方的新生光斑，同时新生光斑向中心移动。当dv较大时，焦点返回到类似贝塞尔的图案。模拟和实验之间取得了良好的协议。两个涡旋的dv对焦斑的剪裁效应在微操作、通讯等领域具有潜在的应用价值。
2021-07-17 physics.optics
Influence of oceanic turbulence on propagation of Airy vortex beam carrying orbital angular momentum
利用Rytov近似理论，推导了携带轨道角动量的Airy涡旋光束通过各向异性弱海洋湍流的探测概率的解析表达式。研究了湍流参数和光束参数对Airy-OAM光束传输特性的影响。数值模拟结果表明，各向异性海洋湍流具有较低的温度方差耗散率、较小的温盐比对折射率谱的贡献率、较高的单位质量流体动能耗散率、较大的内尺度因子、较大的各向异性系数，导致Airy-OAM光束具有较大的探测概率。此外，Airy-OAM光束具有较小的拓扑电荷、较大的主环半径和较长的波长，具有较强的抗海洋湍流干扰能力。此外，随着接收孔径的增大，探测概率降低。与拉盖尔-高斯-OAM光束相比，当Airy-OAM光束的拓扑荷数大于5时，由于Airy-OAM光束的无衍射和自愈特性，其抗湍流干扰能力更强。研究结果对使用Airy-OAM波束的水下光通信链路具有一定的参考价值。
2018-06-21 physics.class-ph physics.optics
Microwave vortex beam lasing via photonic time crystals
Key Laboratory of advanced optoelectronic quantum architecture and measurements of Ministry of Education, Beijing Key Laboratory of Nanophotonics & Ultrafine Optoelectronic Systems, School of Physics, Beijing Institute of Technology（教育部先进光电量子架构与测量重点实验室，北京纳米光子学与超精细光电系统北京市重点实验室，物理学院，北京理工大学）；Beijing Key Laboratory of Millimeter wave and Terahertz Techniques, School of Information and Electronics, Beijing Institute of Technology（毫米波与太赫兹技术北京市重点实验室，信息与电子学院，北京理工大学）
利用环形PTC实现无增益介质、表面发射的微波涡旋束激光，突破传统放大器技术，推动下一代无线通信与传感技术发展。
2026-01-02 physics.optics
Smart Machine Vision for Universal Spatial Mode Reconstruction
针对携带轨道角动量的结构光束在通信中面临的畸变与高阶模式发散问题，以及现有AI算法处理耗时长、功耗高的缺陷，提出可直接充当神经网络的低功耗低成本图像传感器，能以95%效率重构多种畸变模式，为低功耗光通信器件研发提供基础。
2023-07-21 physics.optics quant-ph
Two-dimensional-controlled high-order modes and vortex beams from an intracavity mode converter laser
提出了一种新型的结构光激光器方案，该方案采用双折射模式转换器（AMC）作为腔内元件，首次实现了二维折射率（m，n）完全可控的厄米-高斯（HG）模和携带轨道角动量（OAM）的涡旋光束的直接输出。通过控制抽运泵和腔内AMC的离轴位移实现了二维可调。输出的HGm，n光束可以在外部转换成具有二维可调径向和方位折射率（p，l）的OAM光束。在一定的参数控制下，也可以直接从腔中产生携带OAM的涡旋光束。我们的设置提供了一个紧凑和简洁的结构光源。它在光镊、通信、非线性等领域具有广阔的应用前景。
2020-02-20 physics.optics
Quantum simulation of 2d topological physics using orbital-angular-momentum-carrying photons in a 1d array of cavities
光的轨道角动量（OAM）是一种基本的光学自由度，近年来在从光通信到量子信息的各个领域引起了广泛的研究。我们第一次表明，它也是一个独特的和宝贵的资源量子模拟，从理论上证明如何\emph{2d}拓扑物理可以模拟在一个\emph{1d}阵列的光学腔使用OAM携带光子。值得注意的是，这种新发现的OAM状态的应用不仅减少了所需的物理资源，而且增加了可行的模拟规模。通过展示如何重要的课题，如边缘态传输和拓扑相变，可以在一个小型的模拟器，只有几个腔准备立即进行实验探索，我们展示了光子OAM的量子模拟的前景，可以有重大影响的拓扑物理的研究。
2015-12-26 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
Angular Momentum Supercontinuum from Fibre Rings
宽带相干光携带的光学角动量在各种经典和量子通信应用中具有潜在的效用，但目前很少存在这样的光源。研究了耦合光纤环形阵列中超连续谱的产生。携带离散角动量的短脉冲经历孤子裂变，自发地破坏方位对称性。这导致具有宽带频谱以及非平凡角动量分布的脉冲的训练。这些时空孤立波，局部化在一个单一的纤维芯，发出一种不寻常的形式的共振辐射，可以存在，即使在没有内在的高阶色散，由环阵列的晶格色散引起的。我们探讨了光纤芯之间的耦合特性如何影响所产生的超连续谱，特别是如何温和地扭转阵列可以有效地操纵其角动量含量和共振频率通过诱导Peierls相位。
2019-08-27 physics.optics
Nonlinear optical detection of the orbital angular momentum of light
本文提出利用受激拉曼散射检测光轨道角动量大小，通过高阶拉盖尔-高斯模式中的强拉曼耦合区分不同涡旋光束，数值与实验验证了可行性，有望推动光通信与传感技术。
2024-12-17 physics.optics
Terabit-class coherent communications enabled by an integrated photonics erbium doped amplifier
该研究利用基于超低损耗氮化硅波导的集成掺铒放大器作为16路WDM信号的提升放大器，实现81公里、25.6 Tb/s净容量的相干传输。
2025-01-09 physics.optics
Orbital Angular Momentum-based Space Division Multiplexing for High-capacity Underwater Optical Communications
为了提高水下光通信系统的容量，我们采用空间域同时传输多个正交的空间光束，每个携带一个独立的数据信道。本文研究了四束绿色轨道角动量（OAM）光束通过单光阑的复用传输。此外，我们调查的降解效果的散射/浊度，水流，和热梯度引起的湍流，我们发现，热梯度造成的扭曲和浊度造成的损失最多。我们使用两种不同的数据生成技术，一个在1064 nm的10-Gbit/s/光束和一个在520 nm的1-Gbit/s/光束，我们使用这两种技术，因为目前的数据调制技术是更快的红外（IR）比绿色。对于更高速率的链路，数据在IR中调制，并且使用专门设计的超颖表面相位掩模在绿色中执行OAM压印。对于较低的速率，直接调制绿色激光二极管。最后，我们表明，通道间串扰引起的热梯度可以减轻使用多通道均衡处理。
2016-04-23 physics.optics
Orbital angular momentum light frequency conversion and interference with quasi-phase matching crystals
具有螺旋相位结构的光携带量子化的轨道角动量（OAM），在经典光学和量子光学中有着广泛的应用，如大容量光通信和量子信息处理等。频率变换是扩展基频光频率范围的基本技术。OAM携带光的频率转换产生了新的物理和应用，例如图像的上转换检测和高维OAM纠缠。准相位匹配（QPM）非线性晶体具有高的有效非线性系数和无走离效应，是频率转换的理想材料。在这里，我们报告的第一个实验二次谐波产生（SHG）的OAM光与QPM晶体，其中产生的紫外光与OAM为100。利用专门设计的干涉仪验证OAM守恒。利用携带相反符号的OAM叠加的泵浦光束，我们在SHG光中观察到有趣的干涉现象;具体地说，获得了一种光子学齿轮状结构，该结构给出了OAM守恒的直接证据，这对于超灵敏的角度测量将是非常有用的。我们还开发了一个理论来揭示现象的物理基础。本文的方法和理论分析也适用于其他频率转换过程，如和频产生和差频产生，也可以推广到单光子的量子态。
2014-05-08 physics.optics
The light carrying orbital angular momentum through time-varying scattering media using dual orthogonal-polarization channels
The Hong Kong Polytechnic University（香港理工大学）
本文提出利用双正交偏振通道传输时变散射介质中的轨道角动量，通过计算斑点图案的二阶互相关解码数据，并展示多路携带特定拓扑电荷的完美涡旋光束可显著提升传输容量。
2026-07-14 physics.app-ph physics.ins-det physics.optics
Magnetic-field-induced rotation of light with orbital angular momentum
光载轨道角动量（OAM）在精密光学测量和大容量光通信等领域有着重要的应用。利用磁场诱导圆双折射的方法研究了光束在~（87）Rb原子蒸气中传输时的旋转。旋转角度对磁场的依赖性使其适合弱磁场测量。我们引用一个详细的理论描述，同意与实验观察。该实验为精确测量磁场强度提供了一种方法，拓展了载OAM光的应用范围。该技术在测量弱于0.5高斯的磁场方面具有优势，达到了0.8毫高斯的测量精度。
2015-07-21 physics.optics quant-ph
Integrated and Steerable Vortex Lasers using Bound States in Continuum
轨道角动量是光的基本自由度，即使在单光子水平上也会表现出来。结构光的相干产生和发射通常需要体积大且速度慢的组件。利用波的奇异性称为束缚态的连续，我们报告了一个集成的设备，同时产生和光束强大的相干光束携带轨道角动量。该设备在操纵微粒和微生物方面带来了前所未有的机会，并且还将在生物传感，显微镜，天文学和高容量通信等领域中找到应用。
2017-07-16 physics.optics
Spatiotemporal vortex strings of light
本研究成功生成含28个时空光学涡旋的涡旋弦，揭示其衍射规则，实现并行生成与检测，为光通信和量子信息处理开辟新途径。
2023-05-15 physics.optics
Active sorting of orbital angular momentum states of light with cascaded tunable resonators
携带轨道角动量（OAM）的光已被证明可用于从天文学到光学捕获的不同领域，并且作为光通信和数据存储中复用信号的有前途的新维度。许多这些应用程序面临的一个挑战是一个可靠的和动态的方法，排序事件OAM状态，而不改变他们。在这里，我们报告了一种波长无关的技术，能够动态过滤个人OAM状态的基础上的可调谐光学腔的谐振传输。腔的长度是压电控制的，以促进动态重新配置，和分类过程中留下的传输和反射信号在其原始状态，为后续处理。因此，我们还表明，一个可重构的排序网络可以通过级联这样的光谐振器来同时处理多个OAM状态。这种对OAM状态进行分类的方法适合于集成到光通信网络中，并且在量子光学、天文学、光数据存储和光陷阱中具有意义。
2017-04-06 physics.optics
Topological lasers generating and multiplexing topological light
漩涡是能量漩涡中心的拓扑稳定奇点。光学涡旋通常使用衍射光学器件或通过定制的光学元件形成。报道了室温集成激光器直接产生和复用携带任意大轨道角动量（OAM）的相干光束。OAM光束是使用由拓扑上不同的光子材料之间的圆形边界形成的二维拓扑环创建的，这些光子材料自然地辐射第三维中的涡旋。我们还演示了平面复用的OAM光束使用同心激光器。我们的实验演示揭示了拓扑物质和拓扑光之间的微妙联系，并为显微镜，计量学，高容量通信和量子信息处理提供了机会。
2019-04-26 physics.optics
Decoding Orbital Angular Momentum in Turbid Tissue-like Scattering Medium via Fourier-Domain Deep Learning
Faculty of Engineering and the Nanotechnology Center, Bar-Ilan University（巴伊兰大学工程与纳米技术中心）；Optoelectronics and Measurement Techniques Unit, University of Oulu（奥卢大学光电与测量技术单元）；School of Engineering and Computer Science, Victoria University of Wellington（惠灵顿维多利亚大学工程与计算机科学学院）；Aston Institute of Photonic Technologies, College of Engineering and Physical Sciences, Aston University（阿斯顿大学工程与物理科学学院光子技术研究所在）
通过傅里叶域深度学习在复杂介质中解码OAM拓扑电荷，提升光子系统鲁棒性
2025-12-16 physics.optics
Space Division Multiplexing in Optical Fibres
几十年来，光通信技术取得了巨大而稳定的进步，为我们日益信息化的社会和经济提供了关键资源。这些进展主要是在寻找创新方法来增加单根光纤的数据承载能力。在这项研究中，研究人员探索了（并接近最大限度地利用）每一个可用的自由度，甚至商业系统现在也利用时间，波长，偏振和相位的多路复用来加速光纤基础设施中的更多信息。显然，在这些系统中，一个潜在的巨大改进来源尚未开发：光纤可以轻松地支持数百种空间模式，但今天的商业系统（单模或多模）没有尝试将这些用作独立信号的并行通道。
2013-03-15 physics.optics
4 X 20 Gbit/s mode division multiplexing over free space using vector modes and a q-plate mode (de)multiplexer
矢量模式是具有空间非均匀偏振状态的空间模式，例如径向和方位角偏振。它们可以在聚焦时产生更小的光斑尺寸和更强的纵向偏振分量。因此，它们被用于许多应用，包括光学捕获和纳米级成像。在这项工作中，矢量模式被用来增加自由空间光通信的信息容量，通过光通信的方法称为模分复用。介绍了一种基于称为q板的液晶技术的用于矢量模式的模式（解）复用器。作为原理的证明，使用模式（解）复用器，四个矢量模式（每个矢量模式在单个波长信道（~ 1550 nm）上携带20 Gbit/s正交相移键控信号，包括聚合80 Gbit/s）在实验台上传输~ 1 m，模式串扰<-16.4 dB（<2%）。在前向纠错阈值下测量了所有矢量模式的误码率，功率惩罚< 3.41dB。
2014-12-08 physics.optics
Quasi-perfect spatiotemporal optical vortex with suppressed mode degradation
本文提出利用锥形相位产生模式退化受抑制的准完美时空光学涡旋，保持大拓扑荷下的环形轮廓并抵抗群延迟色散。
2025-02-17 physics.optics
Frequency up-conversion and arbitrary sum arithmetic of lights with orbital angular momentum
首次报道了两束携带轨道角动量（OAM）的光束在准相位匹配晶体中的频率和。详细研究了一束光携带OAM，另一束光为高斯模以及两束光都携带OAM的情况。在转换过程中，给出了一种基于OAM的任意光和算法。本论文的研究对于构建基于OAM的混合光通信网络和全光交换具有重要的应用前景。
2014-06-19 physics.optics quant-ph
Quantum key establishment via a multimode fiber
量子通信旨在提供绝对安全的秘密信息传输。最先进的方法将符号编码成单个光子或平均具有比一个光子少得多的相干光。对于长距离通信，通常使用单模光纤，并且已经投入了大量的努力来增加单条光线路的数据承载能力。在这里，我们提出并证明了一个全新的概念，远程密钥建立。我们的方法允许高维字母使用空间自由度通过光扰多模光纤传输信息，并利用无克隆定理。不需要使用随机切换的相互无偏碱基就可以检测到Escherichandropper攻击。我们证明了对一个共同的类拦截重发和分束攻击的安全性与单光子Fock态和弱相干光。由于它是基于光纤的，我们的方法可以自然地将安全通信扩展到更远的距离。我们通过实验证明了这种新型的密钥交换方法，通过将信息编码成在容易获得的多模光纤的导模上分解的少光子光脉冲。
2020-01-24 physics.optics quant-ph
Astigmatic Speckle-learned OAM Shift Keying and OAM Multiplexing
本文提出利用倾斜球面凸透镜引入像散，结合散斑学习解复用，实现OAM移位键控与OAM复用，以充分利用OAM全谱并提升光通信容量。
2024-02-09 eess.SP physics.optics
Generation and reverse transformation of twisted light by spatial light modulator
空间光调制器（SLM）是现代光学中产生扭曲光和复杂图像等结构光的最常用、最方便的器件之一。扭曲光的无限维特性使其在利用单个光子的信息承载能力方面具有很大的应用前景，从而大大提高了光通信的信道容量。基于衍射理论对位相型空间光调制器产生的扭曲光的产生、演化和逆变换进行了详细的理论研究，得到了扭曲光随传输距离变化的解析表达式。理论计算的束流强度分布与实验观测符合得很好。我们的研究结果清楚地揭示了扭曲的光是如何从高斯空间形状逐渐出现到环形形状的，并且环形形状也将相反地逐渐演变为准高斯形状，在相反的变换中。这些结果将为SLM在许多光学实验中的应用和OAM模式复用在光通信中的应用提供指导。
2016-12-14 physics.optics quant-ph
Optical decoder learning for fiber communication at the quantum limit
本文提出基于参数化光子集成电路的监督学习框架，自动设计联合检测接收器，在量子极限下实现光纤通信，比特解码速率较最优单符号接收器提升3倍，接近理论最优。
2023-12-21 physics.optics quant-ph
Experimental demonstration of free-space information transfer using phase modulated orbital angular momentum radio
在一系列基本的原理验证实验中，包括数值实验、受控实验室实验和真实世界实验，我们已经证明了将角动量物理层用于无线电科学和无线电通信应用是可能的。在这里，我们报告了实现后者的一个主要的，决定性的一步，在现实世界的实验演示的形式，无线电波束携带轨道角动量（OAM）可以很容易地进行数字相移调制，从而编码的信息可以有效地在自由空间传输到远程接收器。实验在城市环境中进行，结果表明，信息传输对地面反射和干扰无线电信号具有鲁棒性。我们的研究结果的重要性在于，数字相移键控（PSK）协议被用于许多当今的无线通信场景中，允许新的角动量无线电实现使用的方法和协议，是向后兼容现有的线性动量。
2013-02-14 astro-ph.IM physics.class-ph physics.optics
