Laser Photonics Reviews：椭圆OAM微激光器实现高维光学加密

导读

多维光学加密是提升信息储存安全性的关键技术。近年来，微腔激光器正发展成为光学加密的新兴载体，其多维激光特性赋予了其天然的多维加密功能。随着光学调控维度的不断拓展，基于光子轨道角动量（OAM）的模分复用（MDM）技术成为提升加密维度的重要途径。然而，由于缺乏OAM模式的精准调控手段，当前基于微腔激光器的光学加密技术仍局限于较低的编码维度（维度数量≤2）。近日，上海理工大学张大伟教授、乔桢教授课题组通过构建椭圆OAM微激光器阵列实现了四维光学加密，结合微腔激光器的不可克隆功能（PUF），所提出的加密方案在高安全性信息储存以及防伪等应用具有重要潜力。相关工作以“Manipulating Elliptical Photonic Orbits in Microlasers for High-Dimensional Encryption“为题发表在《Laser Photonics Reviews》上（本文第一作者为上海理工大学研究生毛林格）。

研究背景

光学加密技术因其多编码维度、高并行性和大容量存储等独特优势，在信息安全领域具有重要应用价值。随着光学编码维度的增加，信息加密的复杂度也会显著提升。因此，多维光学加密是提升信息储存安全性的关键技术。微腔激光器作为新一代光学加密器件，其出射激光表现出多维光学特征，因而能够为集成化多维光学加密器件提供创新平台。此外，激光特性对于微腔的细微变化极其敏感，因此，微腔激光器具有天然的不可克隆功能（PUF），这为信息安全又增添了一道保障。在各类编码维度中，对于光子轨道角动量（OAM）的调控因其加密维度的拓展能力而备受关注。在光波长、偏振等复用维度趋近饱和的情况下，探索OAM的创新模分复用（MDM）方法，能够有效提升光学加密的维度数量。然而，由于缺乏OAM模式的精准调控手段，基于微腔激光器的光学加密维度仍处于较低水平。

为突破这一限制，研究人员通过在法布里-珀罗微腔内创建介电椭环阵列，实现了椭圆OAM模式阵列的产生以及多维加密，加密维度包括椭圆OAM模式的角向阶数l、径向阶数p、椭偏度ε 以及长轴方向θ。此外，因腔内等效光子势对微腔的高度敏感性，每个椭圆OAM模式都表现出不可克隆性的激光图案。如图1所示，椭圆OAM微腔激光器阵列的多维编码与不可克隆功能，构成了高度安全性的加密系统。

图1. 椭圆OAM微激光器用于多维光学加密。（a）椭圆OAM微激光器示意图及其模式参数表征。(l, p, ϵ, θ) 分别代表激光模式的角向阶数、径向阶数、椭偏度以及长轴方向。（b）椭圆OAM模式的四维编码。（c）微腔激光器阵列的四维加密示意。

研究亮点

研究团队首先利用光刻技术在法布里-珀罗微腔内构建了介电椭环结构，并验证了椭圆OAM模式的产生。如图2所示，由于介电椭环结构的折射率高于周围环境的折射率，光子在振荡过程中会被有效限制在椭环的区域，从而形成椭圆OAM模式。该OAM模式是沿顺时针和逆时针振荡的两个相反手性椭圆涡旋态的叠加，从而会在角向方向形成“花瓣”的干涉分布。进一步，研究人员证明能够通过控制介电椭环的结构对椭圆OAM模式的几何参量进行调控。如图3所示，OAM模式的角向阶数l、径向阶数p、椭偏度ε以及长轴方向θ可以通过调整微环的各个物理参数进行控制。利用这四个独立的几何参量可以对一个椭圆OAM模式进行四维编码。

图2. 椭圆OAM模式的激光表征。a）微腔加工过程。b）微腔显微图像与激光光斑。c）激光光谱。d）激光阈值曲线。

图3. 椭圆OAM模式的几何参量调控。a、b）角向阶数调控。c、d）径向阶数调控。e、f）椭偏度调控。g、h）长轴方向调控。

为了证明OAM激光图案具有不可复制性，研究人员对微腔进行了复制加工，并比较了原始激光图案和复制激光图案的相似度。通过比较发现，即使针对同样的设计参数对微腔进行加工，也难以得到相同的OAM激光图案。与原始比较，绝大部分激光图案的相似度在80%以下。研究人员通过计算模拟揭示了这种不可复制性的原因：微腔在加工过程中引入的微小变化，会导致腔内等效光子势的显著变化，从而无法获得相同的OAM激光图像（图4）。椭圆OAM模式的多几何参量编码与不可复制性共同构成了信息加密的安全壁垒。作为比喻，如果将OAM激光比喻成“印章”，多几何参量编码则可比作“印章”中隐藏的“文字”，OAM激光图案就像“文字”的“书体”。即使通过微腔的复制获得相似的“印章”，也无法获得相同“书体”的“文字”。

图4 椭圆OAM激光的不可复制性表征。a,b）两对具有相同设计结构的微环的明场显微图像（上排）及其对应的椭圆OAM模式远场激光发射图案（下排）。S 表示两组椭圆OAM模式之间的相似度。c）100对具有相同设计结构的微环生成的OAM模式之间相似度的统计分布。d–f）基于不同腔体结构对椭圆OAM模式振荡的模拟结果。

最后，研究人员通过构建椭圆OAM微腔阵列演示了多维加密功能。通过构建5×5激光器阵列，将四个字母图形同时加密在了同一套激光阵列中（图5）。只有利用正确的密钥阈值（l0、p0、ε0、θ0）才能获得正确的加密信息。进一步的实验证明，同一套激光阵列无法被精准复制（图6）。

图5 微腔激光器阵列的四维加密。a,e）椭圆微环阵列的显微图像。b,f）经过加密的椭圆OAM激光阵列图像。c,g）激光阵列中每个椭圆OAM模式的几何参量（l，p，ϵ，𝜃）表征。d,h）从激光阵列中解密出的字母组合（"U"、"S"、"S"、"T"）以及（"O"、"E"、"C"、"E"）。

图 6. 原始加密器件与克隆加密器件的激光图案对比。a）微腔复制示意图。b）复制的微腔阵列与原始微腔阵列所生成的椭圆OAM模式之间的相似度。c）对同一微腔阵列在第1天与第30天采集的椭圆OAM模式之间的相似度。d）同一微环下，第1天与第n天测量产生的椭圆OAM模式的相似度对比。

总结与展望

科研团队通过在法布里-珀罗微腔内精密调控椭圆光子轨道，成功突破了传统OAM模式在MDM加密中的维度限制。相较于仅利用角向阶数作为编码维度的传统OAM加密方案，该方法打破了光子轨道的中心对称性，构建了四维参数空间的光学加密系统。利用这些几何参数的连续可调特性以及激光不可复制性，该方法在大容量信息加密、防伪等方面具有重要应用前景。