前言
与电子相比,光子有一个明显的特征,即多重物理维度。频率/波长、时间、复振幅和偏振是光子的典型物理维度。最近,光子的空间结构作为最后被发掘的已知物理维度,吸引了越来越多的研究兴趣。对光子空间结构的裁剪有利于产生振幅、相位和偏振分布不均匀的各种特殊光束。一般来说,这些特殊的光束可以称为结构光。结构光有几个典型的例子,例如具有空间可变振幅分布的厄米-高斯(HG)光束、具有螺旋相位波前、携带轨道角动量(OAM)的涡旋光束以及具有空间可变偏振分布的矢量光束。操控光子的这一物理维度可以使光子的相关应用更加多样化,如捕获、传感、计量、显微镜、成像、量子信息处理和光通信等。本期虚拟专刊收集了FOE期刊在2018-2019年期间发表的有关结构光及其应用方面的6篇综述文章,这些文章对光子各个物理维度和多维光场的操控进行了深入的探讨,展示了不同的产生和检测方法、不同的场景和平台(如自由空间、光纤、集成器件、微纳光学结构)以及多样化的应用(如光传输、光互连、光信号处理、光操控等)。我们希望更多的读者能够通过这一虚拟专刊深入了解这一蓬勃发展的研究领域,并获得新的有益的启发。

好消息:本期虚拟专刊的文章自即日起至11月4日在Springer平台可开放获取!

[REVIEW ARTICLE] A review of multiple optical vortices generation: methods and applications
多个光学涡旋产生:方法和应用
Long ZHU, Jian WANG.
Frontiers of Optoelectronics, 2019, 12(1): 52 -68.
https://doi.org/10.1007/s12200-019-0910-9
摘要:近年来,携带轨道角动量(OAM)的光学涡旋引起了越来越多的关注。光学涡旋在光学操控、光捕获、光镊、光学涡旋结、成像、显微、传感、计量、量子信息处理和光通信等领域有着广泛的应用。在各种光学旋涡的应用中,产生多个光学旋涡是非常重要的。本文主要介绍多旋涡的产生方法及其应用。综述了在1-to-N共线OAM模式、1-to-N OAM模式阵列和N-to-N共线OAM模式三种情况下产生多个光学旋涡的方法。介绍了多种OAM模式在光通信和非通信领域的不同应用,还讨论了未来的趋势、前景和机遇。

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[REVIEW ARTICLE] Detection of photonic orbital angular momentum with micro- and nano-optical structures
基于微纳光学结构的光子轨道角动量探测
Chenhao WAN, Guanghao RUI, Jian CHEN, Qiwen ZHAN.
Frontiers of Optoelectronics, 2019, 12(1): 88 -96.
https://doi.org/10.1007/s12200-017-0730-8
摘要:具有光学轨道角动量(OAM)的光引起了越来越多的关注,并已被广泛应用于从光捕获、边缘增强显微镜、高速光通信、安全量子隐形传态到自旋-轨道耦合等多个学科领域。在各种涉及OAM的应用中,高保真地识别不同的OAM状态是至关重要的。本文综述了基于等离子体光子学、光子集成电路(PICs)和液晶器件的微纳光学结构检测OAM的最新研究进展。这些创新的OAM分类器有望最终实现高保真OAM探测器的小型化和集成化,并激发大量利用涡旋光有趣特性的应用。

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[REVIEW ARTICLE] Review on partially coherent vortex beams
部分相干涡旋光束
Jun ZENG, Rong LIN, Xianlong LIU, Chengliang ZHAO, Yangjian CAI.
Frontiers of Optoelectronics, 2019, 12(3): 229 -248.
https://doi.org/10.1007/s12200-019-0901-x
摘要:涡旋光束自从被提出以来,就以拥有相位奇点和携带轨道角动量(OAM)而闻名于世。近几十年来,相干光学发展迅速。涡旋光束已经从完全相干光扩展到部分相干光,从标量光扩展到矢量光,从整数拓扑电荷(TC)扩展到分数TC。部分相干涡旋光束由于其隐藏的相关奇点和独特的传输特性(如光束整形、光束旋转和自重构)引起了人们的广泛关注。基于设计部分相干光束真相关函数的充分条件,最近引入了具有非常规相关函数(即非高斯相关Schell模型函数)的部分相干涡旋光束。本文适时地综述了部分相干涡旋光束的基本概念、理论模型、产生和传播。

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[REVIEW ARTICLE] Modulation of orbital angular momentum on the propagation dynamics of light fields
轨道角动量调控下的光场传输动力学
Peng LI, Sheng LIU, Yi ZHANG, Lei HAN, Dongjing WU, Huachao CHENG, Shuxia QI, Xuyue GUO, Jianlin ZHAO.
Frontiers of Optoelectronics, 2019, 12(1): 69 -87.
https://doi.org/10.1007/s12200-017-0743-3
摘要:携带轨道角动量(OAM)的光学旋涡由于其在光俘获、光学加工、光通信、量子信息和光学显微镜等方面的应用,近年来引起了广泛的关注。OAM引起的有趣的效应,如角动量转换、光的自旋霍尔效应(SHEL)和自旋-轨道相互作用,也引起了越来越多的关注。在这篇文章中,我们将概述OAM调控下自由空间中标量场和向量场的传播动力学。首先,我们介绍了正则和非正则光学旋涡的演化,并采用局域空间频率进行了分析。其次,我们回顾了由自旋-轨道相互作用产生的Pancharatnam-Berry(PB)相,揭示了自旋相关分裂和偏振奇点转换等新行为对光束演化的控制。最后,我们讨论了方位破缺矢量涡旋光束的传输和聚焦特性。

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[REVIEW ARTICLE] Vector mode based optical direct detection orthogonal frequency division multiplexing transmission in short-reach optical link
短途光链路中基于矢量模式的直接探测正交频分复用光传输
Jianping LI, Zhaohui LI.
Frontiers of Optoelectronics, 2019, 12(1): 41 -51.
https://doi.org/10.1007/s12200-018-0836-7
摘要:作为实现大容量空分复用(SDM)传输系统的一种解决方案,模分复用(MDM)技术近年来备受关注。采用矢量模式(VM),即光纤的本征模,已经实现了包括自由空间光传输和光纤链路传输在内的光通信。考虑到对短距离光互连的关注,需要开发低成本、高集成度的技术。将高级调制格式的直接检测(DD)与MDM技术结合可以在系统性能和复杂度方面提供一个有效的折衷方案。我们回顾了基于VM-MDM(VMDM)技术的空间光通信(FSO)和光纤高速数据传输。用QP板产生了一种特殊的矢量光束,柱状矢量光束(CVB),并对其进行了表征。然后利用它们实现了直接检测正交频分复用(DD-OFDM)的VMDM传输。这些实验结果展示了VMDM-DD-OFDM技术在大容量短距离传输链路中应用的潜力。

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[REVIEW ARTICLE] Fiber transmission demonstrations in vector mode space division multiplexing
矢量模式空分复用的光纤传输
Leslie A. RUSCH, Sophie LAROCHELLE.
Front. Optoelectron., 2018, 11 (2): 155-162.
https://doi.org/10.1007/s12200-018-0812-2
摘要:标量模式在空分复用(SDM)中的应用受到了广泛的关注,而矢量模式为SDM提供了另一个可替代的解决方案,使得系统性能与复杂性之间的平衡得以扩展。我们提出了两种环芯光纤的构想和设计,以探索模式之间相互作用较小的光纤中的SDM。我们回顾了基于两种不同矢量模式的光纤数据传输:一种是轨道角动量(OAM)模式,另一种是线偏振矢量(LPV)模式。OAM模式的实验结果验证了采用商用收发器的短距离传输,以及更高速率、公里长度的传输。LPV模式的实验结果验证了采用相干检测的高速率公里长度跨距的传输,以及基于窄带信号直接检测的光纤无线电(ROF)传输。

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