发展新型光通信技术已经势在必行

光通信是一种以光波为传输载体的通信方式，其传输媒介通常包括自由空间和光学纤维。光波作为一种电磁波具有传播速度快（真空中接近300000km/s）、 传输频带宽、通信容量大和抗电磁干扰能力强等优点。光通信通常利用光波特有的物理属性包括亮度、波长和偏振作为独立的光学维度进行信息的编码、传输和解码，已被广泛地应用于各种通信网络中，其在现代社会中通过电话、电视、互联网等通讯方式扮演着至关重要的角色。

欧美等发达国家已经把光纤通信放在了国家发展的战略地位，2013年中国国务院发布了“宽带中国”战略实施方案，光纤通信首次成为国家战略性公共基础设施。然而，随着信息时代的飞速发展，海量的信息和频繁的数据通讯不断地挑战着现有光纤通信技术，其面临承载巨大数据的压力，发展新型光通信技术已经势在必行。

问题的提出与新的研究成果

光作为一种电磁波，其另一个物理本质是粒子。与宏观物体相似，光子可以携带角动量，包括与圆偏振光相关的自旋角动量和与螺旋相位相关的轨道角动量。光子轨道角动量由于其携带的信息量在理论上不受限制，近年来在量子通信和光通讯等领域得到了广泛关注。然而，纳米尺度下对光子角动量进行信息编码及解码一直以来是一个世界性的难题，因为在自然界中很难找到相关的螺旋性结构对光子轨道角动量进行响应。

澳大利亚皇家墨尔本理工大学顾敏院士领导的研究团队首次利用光学芯片实现了纳米尺度下对光子角动量的操控。相关成果以《On-chip Noninterference Angular momentum Multiplexing of Broadband Light》为题，于2016年4月7日在《Science》上在线发表（DOI: 10.1126/science.aaf1112）。

这项发明是光信息技术领域的一次重大突破，其提供的全新光子角动量编码技术有望应用在超快速光通信、超高清显示、超安全信息加密、超高效量子通信及量子计算等各个领域。

顾敏教授领导的团队利用特殊设计的纳米凹槽和纳米环结构，率先实现了纳米尺度下对光子角动量模式进行编码、传输和解码的新技术。

“通过在光子芯片上巧妙地设计纳米级结构，我们首次实现了在芯片上操控螺旋光束”顾敏院士说，“这样的操控是全方位的，包括对螺旋光束携带的信息进行编码、传输和解码，因而消除了传统探测螺旋光束所必需的大尺度相位敏感元件。”报道的芯片是通过在金属表面设计纳米凹槽将光子角动量转化为表面等离子体的角动量场分布，再利用纳米环结构对后者的角动量模式进行识别并有选择地透射。

文章第一作者任浩然（斯文本科技大学博士生）说：“如果将光学信号发给某个光子芯片，最重要的是需要知道这个信号的去向，否则信息将会丢失。经过特殊设计的光学芯片可精确地将不同的光子角动量信号选择性地输送到不同的纳米环中并让其透射出去，这样信息就不会丢失。”

这项发明还可以成数量级地提高光通信处理速度。

发明的芯片包含一组角动量操控单元阵列，每个单元可独立地处理不同的光子角动量信息。任浩然说：“利用阵列原理，进一步大规模集成化的芯片可并行处理光子角动量信息，例如，如果芯片由100乘100个角动量处理单元组成，那么其信息处理速度便可提高四个数量级。”

另外，通过基于非共振的角动量模式匹配原理，发明的芯片不仅在可见光波段而且在通讯波段均可实现超宽波段的光子角动量信息处理，文章第三作者张启明（皇家墨尔本理工大学高级研究员）指出：“与传统基于等离子体共振的器件不同，我们的芯片可实现非共振、超宽波段的光子角动量信号处理。”

澳大利亚科学院、澳大利亚技术科学与工程学院院士、澳大利亚皇家墨尔本理工大学副校长顾敏院士说：“这项发明作为光信息技术领域的一项重大突破，为下一代超宽带、超大容量、超快速并行处理的光学通信奠定了基础，为即将到来的大数据工业革命提供了一个崭新的科技平台。”

顾敏教授简介：

现任澳大利亚科学院、澳大利亚技术科学与工程学院院士、澳大利亚斯威本大学微光子学中心首任主任、光电子学首席终身杰出教授，斯威本大学副校长，国际光学委员会副主席。

顾敏教授是公认的三维光学成像理论的国际权威和先驱者之一，在三维光学成像理论、混浊介质中的光传输的研究、多光子诱导物理和生物纳米光子学领域的研究方 面一直保持国际领先水平；独立撰写了两本光学成像理论专著，在Nature、Physics Review Letters 权威杂志上发表论文280余篇；在多光子荧光三维光学显微成像、三维光学数据存储和光子晶体等研究中作出了突出贡献，其研究成果对于推动现代光学显微成像和激光光钳的发展具有重要及关键作用。

（资料来源：中国驻墨尔本总领事馆教育组，由e科编辑整理）

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