光学轨道角动量（Orbital Angular Momentum, OAM）在理论上提供了无穷多维度的正交基，可用于光通信中光子的信息编码。基于OAM复用技术的高维光通信技术可大幅度增加光子的信息携带量，提高光通信网络的信道容量，是未来光通信系统发展的重要趋势。高维复用光通信系统中，由于其多种空间模式与密集波分复用的特点，光纤中的非线性效应易于形成难以抑制的噪声，制约了高维光通信技术的发展。基于轨道角动量光子态的非线性控制一直是高维光通信中悬而未决的问题。同时，非线性操纵在高功率光纤激光器方面也有重要应用。
针对上述问题，中国科学技术大学光学与光学工程系光纤与激光技术许立新课题组，利用基因遗传算法设计并首次实现了一种基于色散管理的的新型涡旋光纤，该涡旋光纤稳定传输并操控轨道角动量光非线性，在未来高维光通信及高功率光纤激光器领域有着重要应用。该小组与中科院量子信息重点实验室史保森教授合作进行了实验验证，相关研究成果以“Tailoring Nonlinear Processes of Orbital Angular Momentum with Dispersion Engineering in Vortex Fibers”为题，2019年9月5日发表在应用物理权威杂志《Physical Review Applied》上。
该工作通过对涡旋光纤空间维度的群速度色散特性控制，以基因遗传算法作为反馈，选出符合既定目标的特殊光纤结构。该光纤不仅实现了稳定的轨道角动量模式的传输，并且在多个模式实现了相位匹配。在实验上首次验证了一种低串扰、多模式的轨道角动量光子态的模内四波混频现象，且实验结果与设计理论相符，可以此抑制高维光通信网络中的噪声。同时，这种新型的涡旋光纤对多个轨道角动量模式都具有相当平坦的非线性增益带宽，可应用于高功率光纤激光器的制作。
论文第一作者是光学与光学工程系博士研究生方文坛，通讯作者为许立新老师。上述研究工作得到了国家重点研发计划、自然科学基金基金委、安徽省科技厅等项目的支持。
附论文链接 ： https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.12.034007