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随着通信技术的快速发展，近些年的通信容量实现了快速增长，传统的光纤通信网络已经难以满足当前高速通信的需求。增大通信网络的容量和提高通信速度的一种方法是开发太赫兹(Terahertz, THz)波段的光纤通信空间维度。太赫兹波是介于微波和红外光之间的一种电磁波，频率介于0.1THz到10THz之间，由于它带宽大和传输速度快以及可以提供点对点的网络拓扑结构而备受关注。而在空间维度资源中，基于轨道角动量（Orbital Angular Momentum，OAM）的模分复用技术由于携带不同拓朴荷数的相互正交的轨道角动量模式成为扩大通信容量的一种非常有潜力的方案。轨道角动量具有全新的电磁波自由度特性，具有轨道角动量特性的电磁波可以在常用的信息传输方式，如波分复用（Wave Division Multiplexing，WDM）、偏振复用（Polarization Multiplexin，PM）、时分复用（Time Division Multiplexing，TDM）等信息传输方式上成倍的提高信息传输容量。近日，中国计量大学严德贤课题组提出了基于太赫兹波段的负曲率轨道角动量光纤。该光纤以重庆摩方精密科技有限公司提供的HTL聚合物材料（耐高温树脂）为基底，采用两层倾斜椭圆管的结构设计，通过引入环芯区域在0.4-0.8THz波段成功产生50-52个OAM模式，且在所研究的波段内获得了高模式纯度、低限制损耗和低波导色散等传输特性，相关研究成果以“Design of negative curvature fiber carrying multiorbital angular momentum modes for terahertz wave transmission”为题发表在《Results in Physics》。图1.3D打印负曲率轨道角动量光纤结构图图1展示了基于摩方精密nanoArch S140打印技术的3D打印光纤样品图。光纤整体尺寸为6.57mm，靠近纤芯区域的第二层倾斜椭圆管结构最小尺寸为0.051mm。光纤结构设计完成后，在Comsol Multiphysics有限元仿真软件中选取光纤结构的任一截面进行仿真研究。在研究频段内给定相应的太赫兹频率后，可以获得相应的模场分布，针对相应的模式进行数据收集和处理可以得出所需传输特性。在光纤中产生OAM模式的前提条件是有效生成HE和EH模式，且HEl+1，1与EHl-1，1有效模式折射率差异高于10-4。光纤中的OAM模式合成规则可由公式1表述： (1)根据公式1，在图2中给出了和在0.5THz的线性叠加过程以及相位分布图。图2.和在0.5THz的线性叠加过程以及相位分布如图2所示，和在模式合成后环芯区域有效产生OAM模式的模场分布，并获得[-ℼ-ℼ]的相位分布效果，满足在光纤中产生OAM模式的合成规则。图3是OAM光纤各种传输特性随频率的变化趋势。由图3(a)和(b)可知，光纤产生的所有HEl+1，1与EHl-1，1之间的折射率差异均高于10-4，表明HE和EH模式均可以有效合成OAM模式。图3(c)是光纤的限制损耗特性，限制损耗与光纤的有效传输距离密切相关，由图可知光纤的限制损耗在0.55-0.8THz区间可以达到10-15(dB/cm)量级。图3(d)表示了OAM光纤的低平坦色散趋势，在0.4-0.8THz区间有近零的波导色散参数，有利于太赫兹波在光纤内部的快速传输。OAM模式的高模式纯度特性表明了光纤可以有效携带信息进行传输，由图3(e)所示结果，在0.55-0.8THz区间光纤的OAM模式纯度均高于80%。图3(f)是OAM光纤的有效模场面积特性，一般来说具有较高的有效模场面积可以产生较小的非线性特性，可以进一步提高信息的传输质量。图3.(a)有效模式折射率，(b)有效模式折射率差异，(c)限制损耗，(d)波导色散，(e)OAM模式纯度，(f)有效模场面积随频率的变化趋势 文章链接：https://doi.org/10.1016/j.rinp.2021.104766

中国科学技术大学郭光灿院士团队在量子密钥分发研究中取得重要进展。该团队韩正甫、王双、银振强、陈巍与合作者提出了一种无需主动调制的新型量子密钥分发实现方案并完成了实验验证，为实现高现实安全的量子密钥分发系统提供了新思路。该成果于2023年9月13日发表在国际学术期刊《Physical Review Letters》[Phys. Rev. Lett. 131, 110802 (2023)]。 　　量子密钥分发理论上可以实现无条件安全的密钥共享。但器件特性、调制精度、环境干扰等因素有可能造成系统的现实安全性问题。例如，郭光灿团队发现，系统中广泛使用的铌酸锂主动调制器件，可能会受到光折变等侧信道攻击而泄漏信息[Optica, 10, 520-527(2023)][Phys. Rev. Applied, 19,054052(2023)]。 　　为彻底解决主动调制带来的隐患，郭光灿团队与合作者另辟蹊径，设计了无需主动调制的量子密钥分发系统。该系统方案克服了此前无法同时实现“被动”光强调制和量子态编码的矛盾，并给出了考虑“有限长效应”的严格安全密钥率。团队通过全被动时间戳-相位编码解决信道环境干扰的难题，同时通过优化后选择策略解决数据吞吐量过大的难题，最终完成了无需任何主动调制的量子密钥分发系统，验证了全被动量子密钥分发的安全性与可行性。 图1 全被动量子密钥分发实验系统 　　安全性是量子密钥分发的核心价值和要求。探索具有更高现实安全性的协议，并设计相应的方案和系统，是推进量子密钥分发走向实用化的关键之一。该研究为实现高现实安全的量子密钥分发系统提供了全新的思路，对推动该领域的实用化和标准化具有重要意义。 　　本工作第一作者为中科院量子信息重点实验室的博士后卢奉宇、博士生王泽浩和西班牙维戈大学的博士后Víctor Zapatero，通讯作者为中科院量子信息重点实验室的王双教授和银振强教授。本研究工作得到了科技部、国家自然科学基金委、中国博士后科学基金会、中国科学院和安徽省的资助。

近日，中国科学院上海技术物理研究所胡伟达、苗金水团队与北京大学彭海琳团队合作，提出将动量匹配和能带匹配（能动量匹配）的范德华异质结应用于红外探测，结果表明该器件设计可显著提高二维材料红外探测器量子效率，为研制高量子效率红外探测器提供了新方法。相关研究成果以Momentum-matching and band-alignment van der Waals heterostructures for high-efficiency infrared photodetection为题，发表在《科学进展》（Science Advances）上。窄禁带二维半导体具有层间范德华力任意堆叠成异质结构、无表面悬挂键、暗电流极易被外场操控等优点，为研制室温、高灵敏红外探测器提供了新机遇。然而，二维半导体原子级薄层特性限制了其高量子效率红外探测器的应用。本研究创新性地将新型能动量匹配范德华异质结应用于红外探测器技术。研究显示，二维半导体Black phosphorus（BP）的价带顶和Bi2O2Se的导带底位于布里渊区的Γ点（图1a），光生载流子在界面处能直接跃迁到BP和Bi2O2Se的导带，提高了光生载流子的跃迁几率和产生率。BP和Bi2O2Se形成了完美的Ⅱ类能带结构（图1b），进而提高了光生载流子的收集效率。本研究制备的能动量匹配BP/Bi2O2Se异质结红外探测器实现了与传统材料红外探测器相比拟的量子效率，在1.3 μm时量子效率达到84%，在2 μm时量子效率达到76.5%（图1c）。此外，该BP/Bi2O2Se异质结红外探测器实现了较高的偏振特性，在短波红外波段偏振比达到17（图1d）。研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、中科院、上海市自然科学基金的支持。动量匹配与能带匹配的范德华红外探测器：a、动量匹配的BP/Bi2O2Se异质结能谷结构示意图；b、能带匹配的BP/Bi2O2Se异质结能带结构示意图；c、能动量匹配的BP/Bi2O2Se异质结红外探测器的量子效率；d、能动量匹配的BP/Bi2O2Se异质结红外探测器的偏振特性。