客户成果丨深圳大学《Communications Physics》：圆柱矢量光束通过扭曲莫尔超器件的高效动态空间光-光纤耦合

近日，深圳大学微纳光电子学研究院陈书青团队在高速大容量自由空间-光纤耦合通信领域取得最新进展，该研究成果以“Efficient dynamic free-space-to-fiber coupling of cylindrical vector beams via twisted moiré meta-devices”为题，发表在国际顶级期刊《Communications Physics》上。

为满足高效率、可重构的矢量光自由空间-光纤耦合的需求，研究团队介绍了一种基于扭曲莫尔变换的新型光场调控策略，通过成对超构器件将轴棱锥调制傅里叶变换与平面内扭曲莫尔操作相结合，实现0.0955-0.7430 mm范围可调的完美圆柱矢量光束，有效抑制模式发散并保持稳定环形分布，从而实现高效动态的自由空间-光纤耦合。与传统直接耦合方式相比，该方法将耦合效率提升约80.7%，并将通道串扰抑制提高约2.75 dB。进一步的系统验证表明，在282通道多维复用下，可实现14.1 Tbit s-1正交相移键控信号的稳定传输。该工作为实现高容量、低串扰的基于CVB的光通信提供了一种动态可重构且高效率的耦合机制，为自由空间与光纤网络的一体化互联奠定了重要基础。

图1：双层扭曲莫尔超构表面器件的设计与表征。a）超构表面器件设计图，基于IP-Dip的超构单元组成，排列在SiO2基底上，晶格参数为4 μm (Px = Py)。b） 第二层超构表面的扫描电子显微镜图像；c）在波长1550 nm下，不同结构单元高度H对应的模拟相移(ϕx,ϕy)与透射率T。d、e）基于 x 偏振平面波激发，在六个离散波长下这些超构单元的宽带相移d与透射率曲线。

为了实现完美圆柱矢量光束的可调环半径调控，我们构建了基于扭曲莫尔变换的双层超构器件。该器件利用双光子纳米光刻技术，在SiO2基底上直接构筑不同高度的超构单元，实现基于光传播理论的相位调控。相位调控通过高度–相位线性映射关系建立，并将单元高度在0–3.1 μm范围内离散为16级，实现完整的2π相位覆盖。最终制得的扭曲莫尔超构器件有效工作直径为2 mm，阵列规模为500×500单元。为了表征其结构精度与表面形貌，采用扫描电子显微镜与托托科技的三维光学轮廓仪进行测试，结果表明器件具备高制备精度和良好的一致性。

图2：3D光学轮廓仪捕获不同视角的器件表面轮廓图

为了进一步验证所制造器件的高度变换的准确性，我们采用了三维光学轮廓仪(托托技术，MV-1000) 以捕获制造的元器件的表面轮廓。这个仪器利用了白光源的宽光谱带宽结合干涉原理能够精确量化细微的表面形貌偏差。如图2所示，颜色分布对应于元单元上的高度变化，其能够准确表示所设计的相位梯度，这进一步确认了预期的设计和实际制造结果。

图3：实验结果展示了完美圆柱矢量光束（PCVB）环半径的可调性。a）经转换后的 PCVB 的强度与偏振检测结果，展示了环半径尺寸与旋转角度之间的相关性。b）在 y = 0 条件下，沿水平中心 x 方向测得的归一化强度分布。c）环半径 R 随旋转角度变化的理论、模拟与实验结果对比。

为了验证完美圆柱矢量光束环半径可调性，图3展示了四种不同阶数（m = 1、2、4、6）的完美圆柱矢量光束环半径可调性的实验结果。结果表明，调节成对超构器件的相对旋转角度可精确控制PCVB的环半径，实现与扭曲角匹配的环形强度分布。当旋转角在0°–180°范围内时，环半径随角度增加而扩大，超过180°后则逐渐收缩，该趋势与数值模拟结果一致。偏振检测进一步验证了光束矢量分布的稳定性，而环形强度的轻微不均匀性可通过归一化横截面分析得到校正。图 3(c) 所示的实验与模拟结果吻合良好，证实了该方法在实现 PCVB 环半径动态可调方面的有效性与可控性。

图4：采用/不采用 PCVB 耦合方案的自由空间到光纤耦合效率和通信性能的结果。a）测量三种不同圆柱矢量光束（CVB）在与 5 km 多模光纤（MMF）耦合时的接收光功率，用以评估耦合效率的提升。b）直接 CVB 耦合下的通信性能指标，包含 282 个复用通道的误码率（BER）曲线、星座图及误差矢量幅度（EVM）结果。c）在 20° 扭转角下基于 PCVB 耦合方案的通信性能，与接收光功率的对应关系。d）不同旋转角度下 PCVB 耦合方案性能的对比结果，用于分析旋转调控对通信表现的影响。

为验证该方法在提升自由空间到光纤耦合性能方面的有效性，构建了一套结合波分与偏振复用的原型光通信系统，可支持 282 通道多维复用传输（14.1 Tbit s-1）。实验结果表明，如图 4 所示，通过引入扭曲莫尔超构器件将 CVB 转换为环半径可调 PCVB ，可显著提升自由空间到 5 km 多模光纤的耦合性能：在 20° 旋转角下效率提高约 80.7% ，串扰抑制改善 2.75 dB，功率波动降至 0.29 dB 以内。实验结果表明该方法能实现通道间功率与信号质量的均衡，充分证明该方法可实现高效、稳定、低串扰的多模光通信耦合。

该工作通过使用TuoTuo Technology（MV-1000）三维光学轮廓仪对所加工的器件进行表面轮廓表征与分析，感谢深圳技术大学新材料与新能源学院吴丹副教授团队的设备支持。

深圳技术大学新材料与新能源学院刘俊敏助理教授、硕士研究生吴志彬、深圳大学微纳光电子学研究院博士研究生曾庆计为文章的共同第一作者，深圳大学微纳光电子学研究院陈书青副教授为论文的唯一通讯作者。此项研究工作得到国家自然科学基金，广东省基础与应用基础研究基金，深圳市科技计划项目，以及深圳技术大学高层次人才自然科学基金的支持。

文章链接：https://doi.org/10.1038/s42005-025-02323-7