民进中大支部陈钰杰委员科研工作不断取得新进展


来源:民进中大支部 作者: 编辑时间:2020-07-06

 

  陈钰杰,中山大学电子与信息工程学院副教授、博士生导师,民进中山大学支部委员,民进广东省委会科技工作委员会委员。

  陈钰杰老师立足本职工作,在认真完成教学工作的同时,专注研究新型光场调控技术与集成光子器件,科研工作不断取得新进展。近五年来他主持国家重点研发计划项目和国家自然科学基金面上项目等研究课题,以第一作者、通讯作者或共同通讯作者在《物理评论快报》(Physical Review Letters)等国际顶级学术期刊发表论文16篇以上,以第一发明人身份申请国家发明专利10项(含授权4项),作为第五完成人获得2019年度中国通信学会科学技术奖一等奖(获奖项目:高稳定性微结构光纤光缆关键技术)。陈钰杰老师是广东省“珠江人才计划”本土创新科研团队(信息光电子科学与技术研究团队)核心成员(排名第三)。

  为了应对日益增长的数据流量需求,承载这些数据流传输的通信系统长期以来需要持续扩容以支撑信息技术的高速发展。然而随着现有技术的发展,电磁波的时间、波长、振幅、相位、偏振等维度的资源都已被相当充分地开发和利用,或将面临缺乏可供调制和复用的参数(维度)资源来实现进一步扩容,于是人们开始将目光转向电磁波空域这一尚未被广泛利用的参数维度上。空域的模分复用是利用空间上相互正交的本征模式群,每一个空间模式作为一个独立的信道进行信号传输,因而实现这些空间模式汇合与分流的分选原理和器件是这一技术的关键所在,其背后的核心科学目标则是基于光场调控实现两个特定空间模式群之间的一一映射。

  涡旋光是一类空间结构光场,光强分布为一个圆环形,对应角向相位分布是线性变化的螺旋相位结构。涡旋光携带光子轨道角动量,对应不同拓扑荷(阶数)的涡旋模式具有正交属性。在光通信应用中,不同阶数的涡旋光模式可作为不同信息传输的通道,这为数量级提升通信容量提供重要的途径。在涡旋光通信系统中,除了涡旋光模式的产生和探测之外,对模式的调控也是面向应用需求所要解决的关键科学问题。为此,陈钰杰老师从基础原理、材料及器件层面进行系统的创新研究,深入研究涡旋光模式变换新理论、新技术和新器件。

  陈钰杰老师带领研究生理论构建并实验验证了“螺旋坐标变换”这一新的空间光场分布映射保角变换并将其应用于涡旋光场模式,实现了高分辨的涡旋模式分选与测量。这一新的螺旋坐标变换沿着螺旋线路径而非封闭的圆环形路径对涡旋的波前进行分解,实现涡旋模式向倾斜平面波模式的转换,并进而在透镜的傅里叶平面实现模式在空间的分开。由于螺旋线向外逐圈旋转无限展开的特点,沿着这一路径可以从涡旋光场的波前提取多圈的相位信息从而更好地区分不同涡旋模式。因而在涡旋模式分选上可以实现更高的模式分辨率,从原理上解决了原有对数极坐标变换中固有的相邻涡旋解调模式在空间上部分重叠带来的串扰问题。该项工作由于原理上的重要突破,论文被国际顶级学术期刊《物理评论快报》(Physical Review Letters 120, 193904 (2018))接收发表,理论方案申请并获得国家发明专利,工作成果也入选2018中国光学十大进展(基础研究)候选推荐名单。

  在该理论指导下,依托光电材料与技术国家重点实验室的先进光电子集成工艺平台,采用衍射光学元件微纳加工技术,研制出集成化的涡旋光模式分选器,并开展大容量长距离光信息传输实验,首次实现了长达50 km的涡旋光环芯光纤通信链路。由于该工作在集成涡旋光器件应用上的重要进展,论文被国际光学领域顶级期刊Optica接收发表(Optica 7(3), 254-262 (2020)),工作成果也入选2020中国光学十大进展(应用研究)候选推荐名单。截止该论文发表时,这项工作刷新了已报道的涡旋光通信系统最长传输距离和频谱效率-距离乘积纪录。

  针对不同涡旋光模式之间的转换,陈钰杰课题组提出了一种具有方位角缩放关系的新型螺旋坐标变换。基于这一变换,通过沿着螺旋线路径对输入平面的涡旋光场进行分解,即可以将某一阶数的输入光场一一对应地变换为具有倍数关系的另一阶数的输出光场,即可实现对光子轨道角动量的任意乘法/除法操作。由于螺旋线向外逐圈旋转的特点,沿着这一路径可以从涡旋光场的波前环绕光轴提取多圈的相移而不仅限于单圈的相移,不但首次实现了对涡旋光模式的任意有理数乘除法,并且有效避免了已报道的涡旋光模式整数乘法/除法操作中输入光场和输出光场相移量失配的问题。在该理论指导下,课题组采用衍射光学元件的方案研制出相应涡旋光乘法/除法功能变换集成器件,实验演示了缩放因子为整数和分数、正和负、绝对值大于1 和小于1 等不同类型的涡旋光模式乘法/除法操作。由于该工作理论的原创性以及研制集成器件的突破性,相关论文最近也被国际顶级学术期刊《物理评论快报》接收发表(Physical Review Letters 124(21), (2020)),并也入选2020中国光学十大进展(基础研究)候选推荐名单。

  将涡旋光从基础研究推向应用研究的探索还在进行着,陈钰杰老师坚持开展面向国家重大需求的科学研究,从基础原理创新出发稳扎稳打,逐步突破新原理、新技术和新器件,正为掌握自主知识产权的真正实用化打下坚实的基础。