光学斯格明子可抵抗大气湍流

Witwatersrand University的研究人员通过在校园内发射光学斯格明子，跨越近300 m，展示了拓扑光的鲁棒性。[Image: Wits University]

南非和法国的科学家证明，他们能够以光学斯格明子形式的结构化光，穿越数百米的湍流空气，且失真极小（Sci. Adv., doi: 10.1126/sciadv.aee2671）。假设能够制造出足够快的探测器，他们认为这种新的拓扑方案有望显著提升自由空间光学的带宽。

实现光束整形

结构化光通过整形激光束的空间轮廓，为编码方案增加额外的自由度，从而有望提升光通信的数据传输速率。一个突出的例子是轨道角动量（OAM），它产生于光束波前绕其传播轴螺旋旋转之时。通过赋予光束不同程度的扭转即可编码数据。

然而，精确整形光束的振幅、相位和偏振结构的需求，使这类技术容易受到许多真实环境失真效应的影响。其中一个环境是大气，温度和压力的变化引起的湍流会改变空气的折射率。这些失真可以使用自适应光学或机器学习等方法加以补偿，但这些补救措施会增加数据传输的复杂性和成本。

另一种方法是利用大气的物理特性，来确定如何构造光，使得用于编码数据的自由度即使在湍流条件下也能保持完整。然而，这通常需要实时掌握大气状况，而这很难做到。在最新研究中，南非Witwatersrand University和法国University of Bordeaux的Andrew Forbes及其同事描述了如何在没有此类信息的情况下保持传输数据的完整性。他们使用被称为光学斯格明子的类粒子光拓扑结构，并通过实验证明其能够抵抗大气湍流。

飞行的斯格明子

当激光穿过湍流介质时，即使光场本身被打乱，这个数也应保持不变。

其思路是将两束具有不同OAM量并与偏振混合的光束进行干涉。合成光束偏振的空间变化形成一种斯格明子拓扑，其特征由N表征——N是一个整数，表示光场中每个偏振态出现的次数。当激光穿过湍流介质时，即使光场本身被打乱，这个数也应保持不变。换句话说，尽管大气会使光场失真，但它不会改变这样一个事实：N=1的光场中每个偏振态只保留一份，而N=2的光场中则有两份。

研究人员通过将绿色激光射向空间光调制器来生成具有不同轨道角动量（OAM）量值的光束，随后在改进型马赫-曾德尔干涉仪中将两束这样的光束合束，从而验证了他们的方案。实验在约翰内斯堡市中心的金山大学 Braamfontein 校区进行，他们将生成的斯格明子发送穿过工程楼与数学楼之间 270 米的开阔空间。在接收端，他们使用偏振敏感相机和 50:50 分束器测量每个到达的斯格明子中的三对正交偏振强度。

他们首先在信道相干时间内完成全部六次测量——相干时间即大气温度和压力涨落通常发生的时间尺度（通常为几十到几百毫秒）。在室内完成实验并获得基本无畸变的结果后，他们继续在不同大气条件下测试该装置——先是在空气相当凉爽平静的清晨，然后是在湍流接近峰值的正午，最后是湍流有所减弱的下午晚些时候。

清晨，他们发现到达的斯格明子的强度分布与室内观察到的相似，其偏振保持圆柱对称性；而在正午，以及程度较轻的下午，强度和偏振的空间分布都出现了明显变化。然而，在所有情况下，研究人员都发现斯格明子数保持完好。

他们还进行了时间尺度超过相干时间的平均测量，进入会出现退相干和退偏振问题的区域。他们再次发现，尽管光束的偏振度下降了近 40%，每个光包从湍流信道一端传播到另一端时斯格明子数仍保持不变。他们表示，鉴于量子测量需要较长的持续时间，这证明了该方案在量子通信和经典通信中的潜在用途。

发送数据

最后，他们演示了如何利用该技术编码数据：将三个斯格明子数对应三种不同颜色，并用这些颜色构建南非九省地图的像素。他们发现，在一天中的任何时刻都能在光链路的远端恢复该地图，清晨的保真度达到 98.7%，下午为 98.6%。正午时保真度降至 86.9%，但这只导致了部分褪色，而非整幅图像的损坏。

Forbes 及其同事指出，他们用于生成斯格明子的空间光调制器和用于测量的相机都相当慢。他们认为，改用马赫-曾德尔干涉仪来完成这项工作，应该可以相当直接地提高调制速率。但他们表示，鉴于迄今尚无能有效分离斯格明子态的器件，要显著提高探测速率将更为困难。他们写道：“这些器件将是使基于斯格明子的通信达到可与现有结构光方案相竞争的数据速率的关键使能技术。”