近日，南京大学胡伟、陆延青团队利用光控胆甾相液晶自组装螺旋超结构开发出宽带多路并行的轨道角动量(Orbital Angular Momentum, OAM)处理器。该成果以Digitalizing self-assembled chiral superstructures for optical vortex processing为题，于2018年1月15日在线发表在Adv. Mater. [30, 1705865 (2018)]上。

相位型涡旋光场的螺旋形波前可用Ψ1 = exp(imθ) 来进行描述。对于这类光束，其坡印廷矢量虽然整体向前，但是有了横向分量，其指向就在空间内不停地打转，因此带来了轨道角动量。OAM赋予了光子调控一个全新的维度，打开了一条光信息复用的新通道。拓扑荷m的无限性意味着OAM态也是无限的，因此，通过OAM复用可极大地增加无线及光纤通信的带宽。将基于OAM的模分复用技术与现行的波分复用技术相结合一直是光学界热切期盼解决的一项关键难题。现有的涡旋光束产生与检测技术，如模式转换、螺旋位相板、Q-plate、叉形光栅等，都对波长非常敏感，其效率随波长会发生显著的变化，这严重制约了OAM复用技术的发展与应用。

针对这一挑战，该研究团队在前期光取向液晶制备叉形光栅（涡旋光与平面波倾斜相干的干涉图样）和达曼叉形光栅（进一步引入二值化处理使得目标衍射级次等能量分布）的基础上，创造性地引入胆甾相液晶(Cholesteric Liquid Crystal, CLC)，利用CLC对特定波段内(n_op–n_ep，即，布拉格反射带内)与CLC螺旋具有相同旋性的圆偏振光分量具有相等的反射率这一特性，来打破传统液晶光学元件的波长依赖性。进一步的，他们利用液晶光配向技术来诱导CLC螺旋超结构的自组装行为，实现了两种周期性交替排列的螺旋柱，并首次提出了数字化螺旋超结构的概念。该独特设计将达曼叉形光栅的二值化相位赋予CLC螺旋超结构，实现了对反射光几何相位的局部调制，而透射部分的具有相反旋性的圆偏振光则保持波前不发生相对变化。基于此，他们开发出了一种全新的涡旋光“处理器”，验证了116 nm波段范围内25个OAM模式的等效产生，并进一步实现了OAM混合态涡旋光束的模式解复用与在线无损检测。

图1（a）数字化胆甾相液晶显微照片及其螺旋超结构示意图;（b）OAM检测/解复用过程示意图，In：入射，Tr：透射;（c）宽波段、大容量OAM的等效率生成;（d）OAM混合态（m=1&3）的产生、解复用与在线检测

该研究提供了一种简单实用的宽波、高效、大容量、在线式OAM并行处理的途径，并能够有效避免模式损坏和模间串扰，有望从根本上解决限制OAM模式复用与波分复用结合的关键技术难题。该研究成果吸引了华为和光迅等公司的强烈兴趣。其实，宽带多路并行OAM处理器只是该数字化螺旋超结构的一个应用例证。新结构的提出与实现也为软物质超结构的精确受控生长提供了全新的思路，并有望为先进光子元件的设计开发开辟出一条崭新的道路。

论文第一作者是14级直博生陈鹏，第二作者是16级博士生马玲玲，胡伟副教授和陆延青教授为本文的共同通讯作者，南京大学李涛教授、哈理工朱智涵和高玮教授对本文亦有重要贡献。该研究由国家重点研发计划、自然科学基金项目资助完成，同时感谢人工微结构科学与技术协同创新中心、南京大学卓越研究计划、中央高校基本科研业务费等平台与项目的大力支持。

文章链接：http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201705865/full