导读

电磁波的轨道角动量作为一种新自由度，超越了传统的频率、相位和幅度，有望推动信道容量的无限扩展。近日，北京大学杜朝海研究员团队与上海理工大学臧小飞教授课题组展开深入合作，基于双方在太赫兹和超表面领域的研究基础，提出了一种利用全硅介质超表面生成极化复用的太赫兹涡旋光梳的新方法。该研究将太赫兹涡旋光梳的概念与超表面技术相结合，通过对全硅介质超表面的精心设计、精密加工和系统测试，实现了对涡旋光梳模式数量、位置和间隔的灵活控制，从而成功生成双极化太赫兹涡旋光梳，推动超高容量太赫兹多模通信技术的发展。

目前，该成果以“Generation of polarization-multiplexed terahertz orbital angular momentum combs via all-silicon metasurfaces”为题，发表在Light: Advanced Manufacturing。北京大学研究生种明喆为该论文的第一作者，杜朝海研究员与臧小飞教授为通讯作者，其他的主要贡献作者包括上海理工大学周怡雯、北京大学张宗鲲等研究生。

图1：双极化太赫兹涡旋光梳示意图

什么是涡旋光梳？

涡旋光，也被称为携带轨道角动量的光束（OAM光束），具有甜甜圈形状的强度分布，相位分布则为围绕中心的涡旋形状。不同的涡旋围绕中心的重复次数可能不同，我们用拓扑荷来描述这一特性，不同的拓扑荷便对应了不同的模式。不同模式的涡旋光以等强度和等间隔的方式组合起来，便形成了涡旋光梳。

极化复用的超原子设计

研究人员采用全硅介质的长方柱状结构来设计极化复用的超原子，这种结构具有较强的双折射特性。通过精心选取具有不同几何结构的超原子，其透过的x和y两种线极化的太赫兹波的相位可以同时控制，可覆盖整个360°的范围。

图2：超原子的结构及其透射相位示意图

具有任意模式数的涡旋光梳

依据达曼光栅相位优化的原理，研究人员设计出了两套相位分布，分别对应了两种具有不同模式数的涡旋光梳，并映射为具有不同几何结构的超原子，于是便得到了所需的超表面。进而，研究人员采用Bosch工艺来制备出样品，并利用太赫兹近场扫描系统来进行表征，于是便得到了所需的涡旋光梳。对场分布进行模式分析，我们可以看到这些涡旋模式共同组成了涡旋光梳。

图3：具有任意模式数的涡旋光梳

具有任意位置和间隔的涡旋光梳

接下来研究人员深入分析了极坐标系下傅里叶变换和涡旋光梳的关系，设计出了两套相位分布。采用同样的方法设计、制备和表征超表面，并进行模式分析，我们可以清楚地看到这两个涡旋光梳具有不同位置和间隔。

图4：具有任意位置和间隔的涡旋光梳

总结与展望

综上所述，研究人员提出了一种超表面的设计方案，可以实现在太赫兹频段内生成双极化涡旋光梳，其模式数、位置和间隔都可以灵活控制。这种涡旋光梳具有模式和极化复用的特点，于是可以为设计超高容量的太赫兹通信系统提供一种新的解决方案。（来源：先进制造微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.37188/lam.2024.038