民進中大支部陳鈺杰委員科研工作不斷取得新進展

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　　陳鈺杰，中山大學(xué)電子與信息工程學(xué)院副教授、博士生導(dǎo)師，民進中山大學(xué)支部委員，民進廣東省委會科技工作委員會委員。

　　陳鈺杰老師立足本職工作，在認真完成教學(xué)工作的同時，專注研究新型光場調(diào)控技術(shù)與集成光子器件，科研工作不斷取得新進展。近五年來他主持國家重點研發(fā)計劃項目和國家自然科學(xué)基金面上項目等研究課題，以第一作者、通訊作者或共同通訊作者在《物理評論快報》(Physical Review Letters)等國際頂級學(xué)術(shù)期刊發(fā)表論文16篇以上，以第一發(fā)明人身份申請國家發(fā)明專利10項(含授權(quán)4項)，作為第五完成人獲得2019年度中國通信學(xué)會科學(xué)技術(shù)獎一等獎(獲獎項目：高穩(wěn)定性微結(jié)構(gòu)光纖光纜關(guān)鍵技術(shù))。陳鈺杰老師是廣東省“珠江人才計劃”本土創(chuàng)新科研團隊(信息光電子科學(xué)與技術(shù)研究團隊)核心成員(排名第三)。

　　為了應(yīng)對日益增長的數(shù)據(jù)流量需求，承載這些數(shù)據(jù)流傳輸?shù)耐ㄐ畔到y(tǒng)長期以來需要持續(xù)擴容以支撐信息技術(shù)的高速發(fā)展。然而隨著現(xiàn)有技術(shù)的發(fā)展，電磁波的時間、波長、振幅、相位、偏振等維度的資源都已被相當(dāng)充分地開發(fā)和利用，或?qū)⒚媾R缺乏可供調(diào)制和復(fù)用的參數(shù)(維度)資源來實現(xiàn)進一步擴容，于是人們開始將目光轉(zhuǎn)向電磁波空域這一尚未被廣泛利用的參數(shù)維度上。空域的模分復(fù)用是利用空間上相互正交的本征模式群，每一個空間模式作為一個獨立的信道進行信號傳輸，因而實現(xiàn)這些空間模式匯合與分流的分選原理和器件是這一技術(shù)的關(guān)鍵所在，其背后的核心科學(xué)目標(biāo)則是基于光場調(diào)控實現(xiàn)兩個特定空間模式群之間的一一映射。

　　渦旋光是一類空間結(jié)構(gòu)光場，光強分布為一個圓環(huán)形，對應(yīng)角向相位分布是線性變化的螺旋相位結(jié)構(gòu)。渦旋光攜帶光子軌道角動量，對應(yīng)不同拓撲荷(階數(shù))的渦旋模式具有正交屬性。在光通信應(yīng)用中，不同階數(shù)的渦旋光模式可作為不同信息傳輸?shù)耐ǖ溃@為數(shù)量級提升通信容量提供重要的途徑。在渦旋光通信系統(tǒng)中，除了渦旋光模式的產(chǎn)生和探測之外，對模式的調(diào)控也是面向應(yīng)用需求所要解決的關(guān)鍵科學(xué)問題。為此，陳鈺杰老師從基礎(chǔ)原理、材料及器件層面進行系統(tǒng)的創(chuàng)新研究，深入研究渦旋光模式變換新理論、新技術(shù)和新器件。

　　陳鈺杰老師帶領(lǐng)研究生理論構(gòu)建并實驗驗證了“螺旋坐標(biāo)變換”這一新的空間光場分布映射保角變換并將其應(yīng)用于渦旋光場模式，實現(xiàn)了高分辨的渦旋模式分選與測量。這一新的螺旋坐標(biāo)變換沿著螺旋線路徑而非封閉的圓環(huán)形路徑對渦旋的波前進行分解，實現(xiàn)渦旋模式向傾斜平面波模式的轉(zhuǎn)換，并進而在透鏡的傅里葉平面實現(xiàn)模式在空間的分開。由于螺旋線向外逐圈旋轉(zhuǎn)無限展開的特點，沿著這一路徑可以從渦旋光場的波前提取多圈的相位信息從而更好地區(qū)分不同渦旋模式。因而在渦旋模式分選上可以實現(xiàn)更高的模式分辨率，從原理上解決了原有對數(shù)極坐標(biāo)變換中固有的相鄰渦旋解調(diào)模式在空間上部分重疊帶來的串?dāng)_問題。該項工作由于原理上的重要突破，論文被國際頂級學(xué)術(shù)期刊《物理評論快報》(Physical Review Letters 120, 193904 (2018))接收發(fā)表，理論方案申請并獲得國家發(fā)明專利，工作成果也入選2018中國光學(xué)十大進展(基礎(chǔ)研究)候選推薦名單。

　　在該理論指導(dǎo)下，依托光電材料與技術(shù)國家重點實驗室的先進光電子集成工藝平臺，采用衍射光學(xué)元件微納加工技術(shù)，研制出集成化的渦旋光模式分選器，并開展大容量長距離光信息傳輸實驗，首次實現(xiàn)了長達50 km的渦旋光環(huán)芯光纖通信鏈路。由于該工作在集成渦旋光器件應(yīng)用上的重要進展，論文被國際光學(xué)領(lǐng)域頂級期刊Optica接收發(fā)表(Optica 7(3), 254-262 (2020))，工作成果也入選2020中國光學(xué)十大進展(應(yīng)用研究)候選推薦名單。截止該論文發(fā)表時，這項工作刷新了已報道的渦旋光通信系統(tǒng)最長傳輸距離和頻譜效率-距離乘積紀(jì)錄。

　　針對不同渦旋光模式之間的轉(zhuǎn)換，陳鈺杰課題組提出了一種具有方位角縮放關(guān)系的新型螺旋坐標(biāo)變換。基于這一變換，通過沿著螺旋線路徑對輸入平面的渦旋光場進行分解，即可以將某一階數(shù)的輸入光場一一對應(yīng)地變換為具有倍數(shù)關(guān)系的另一階數(shù)的輸出光場，即可實現(xiàn)對光子軌道角動量的任意乘法/除法操作。由于螺旋線向外逐圈旋轉(zhuǎn)的特點，沿著這一路徑可以從渦旋光場的波前環(huán)繞光軸提取多圈的相移而不僅限于單圈的相移，不但首次實現(xiàn)了對渦旋光模式的任意有理數(shù)乘除法，并且有效避免了已報道的渦旋光模式整數(shù)乘法/除法操作中輸入光場和輸出光場相移量失配的問題。在該理論指導(dǎo)下，課題組采用衍射光學(xué)元件的方案研制出相應(yīng)渦旋光乘法/除法功能變換集成器件，實驗演示了縮放因子為整數(shù)和分數(shù)、正和負、絕對值大于1 和小于1 等不同類型的渦旋光模式乘法/除法操作。由于該工作理論的原創(chuàng)性以及研制集成器件的突破性，相關(guān)論文最近也被國際頂級學(xué)術(shù)期刊《物理評論快報》接收發(fā)表(Physical Review Letters 124(21), (2020))，并也入選2020中國光學(xué)十大進展(基礎(chǔ)研究)候選推薦名單。

　　將渦旋光從基礎(chǔ)研究推向應(yīng)用研究的探索還在進行著，陳鈺杰老師堅持開展面向國家重大需求的科學(xué)研究，從基礎(chǔ)原理創(chuàng)新出發(fā)穩(wěn)扎穩(wěn)打，逐步突破新原理、新技術(shù)和新器件，正為掌握自主知識產(chǎn)權(quán)的真正實用化打下堅實的基礎(chǔ)。