【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，美國物理學(xué)權(quán)威應(yīng)用期刊Physical Review Letters上以Locking Orbital Angular Momentum with Linear Momentum of Light為題發(fā)表最新研究成果，提出了一種在光子芯片內(nèi)構(gòu)建出截面呈阿基米德螺旋的手性波導(dǎo)，首次實現(xiàn)了光的軌道角動量與線動量的“一一鎖定”。
上海交通大學(xué)物理與天文學(xué)院博士研究生王慧明、深圳國際量子研究院助理研究員陳媛博士和南京大學(xué)陳明遠博士為本文的共同第一作者，上海交通大學(xué)物理與天文學(xué)院金賢敏教授、朱卡的教授、南京大學(xué)夏可宇教授、陸延青教授和新加坡國立大學(xué)仇成偉教授為論文的共同通訊作者。
軌道角動量(Orbital Angular Momentum, OAM)因其“無限維”自由度而成為突破光信息容量瓶頸的關(guān)鍵資源，但在片上平臺中，由于正負拓撲荷 (±?) 天然簡并，高純度、可編程OAM的產(chǎn)生與傳輸一直在芯片內(nèi)難以實現(xiàn)。另一方面，光子內(nèi)部自由度與傳播方向的耦合是拓展光場調(diào)控維度的核心途徑：自旋-動量鎖定已在手性量子光學(xué)和拓撲光子學(xué)中催生出豐富現(xiàn)象，而軌道角動量這一高維自由度依舊缺乏對應(yīng)的“鎖定”機制。由于不同手性模式在常規(guī)波導(dǎo)中簡并，片上無法選擇性地產(chǎn)生特定OAM，成為集成高維信息處理的關(guān)鍵瓶頸。本文通過在光子芯片內(nèi)引入阿基米德螺旋折射率分布的手性波導(dǎo)，首次實現(xiàn)OAM與線動量k的一一鎖定，進而實現(xiàn)了高魯棒、可編程的片上渦旋光生成，為高維光通信和量子技術(shù)提供了全新平臺。
圖1 | OAM-momentum locking原理圖。a)和d) 常規(guī)單模波導(dǎo)不同方向的激發(fā)均為單模；b)和e) 普通環(huán)形波導(dǎo)不同方向的激發(fā)會同時產(chǎn)生不同手性的OAM模式； c)和f) 手性結(jié)構(gòu)下不同方向的激發(fā)會選擇性激發(fā)不同手性的OAM模式。
基于第三類手性發(fā)射器設(shè)計，團隊在光子芯片內(nèi)采用飛秒激光直寫制備了截面呈阿基米德螺旋的螺旋波導(dǎo)：對于一階設(shè)計(|?| = 1)，螺旋參數(shù)設(shè)為a? = 3 µm、b? = 0.30 µm rad?¹，實現(xiàn)當(dāng)光沿+z方向輸入時僅輸出? = +1渦旋、沿−z方向輸入時僅輸出? = −1渦旋；而二階設(shè)計(|?| = 2)將參數(shù)增至a? = 4 µm、b? = 0.38 µm rad?¹，可在同一芯片內(nèi)切換產(chǎn)生? = ±2模式。實驗通過在器件兩端分別注入高斯光并測量輸出OAM模式譜驗證了OAM–momentum locking效應(yīng)：正向入射時目標(biāo)渦旋純度維持在較高水平，反向入射則以同等純度產(chǎn)生符號相反的渦旋，非目標(biāo)模式被抑制至5–10%以下。
圖2 | 片上手性O(shè)AM發(fā)射器示意圖，插圖為手性波導(dǎo)端面結(jié)構(gòu)和實際加工出的器件顯微圖。
片上OAM器件要在微小尺度內(nèi)精確操控OAM的模式；任何輕微工藝誤差或環(huán)境漂移(溫度、應(yīng)力)都可能導(dǎo)致模式劣化，嚴重降低輸出純度。因此，器件魯棒性成為能否走向大規(guī)模集成的關(guān)鍵指標(biāo)。我們設(shè)計的手性結(jié)構(gòu)從根本上解決了不同模式間的簡并問題，通過人工勢場的方式改變波導(dǎo)間模式帶隙。因此在這里我們對器件魯棒性給出了系統(tǒng)性驗證：我們分別將耦合長度在3.6–4.4 mm范圍內(nèi)步進調(diào)整，并將飛秒激光寫入功率在設(shè)計值附近多點取樣，統(tǒng)計了25組器件的OAM模式譜。結(jié)果顯示，無論是一階還是二階螺旋波導(dǎo)，目標(biāo)渦旋的平均純度始終保持在70–90%區(qū)間，非目標(biāo)模式被抑制至5–10%以下，平均消光比超過10 dB；即便在最極端參數(shù)組合下，器件仍未出現(xiàn)純度驟降，充分證明了OAM–Momentum Locking 架構(gòu)對制造誤差和外界擾動的天然免疫力，為片上高維光場的可編程操控奠定了可靠工程基礎(chǔ)。
圖3 | 不同設(shè)計參數(shù)下的手性O(shè)AM發(fā)射器的性能表征，上表面(橙色)為目標(biāo)模式純度占比，下表面(藍色)為非目標(biāo)模式純度占比。
該工作首次在光子芯片上實現(xiàn)了OAM與線動量的鎖定調(diào)控，為構(gòu)建高維片上通信、量子信息處理提供了全新范式；同時，它也填補了自旋-動量鎖定之外的另一類手性相互作用空白，為未來探索更多手性光子學(xué)現(xiàn)象、自由度間相互作用及高維復(fù)雜片上光學(xué)調(diào)控奠定了堅實基礎(chǔ)。
本研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金委員會、上海市科學(xué)技術(shù)委員會、上海市教育委員會、上海市人才計劃、量子科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新計劃、江蘇省創(chuàng)新人才與企業(yè)家計劃、廣東省自然科學(xué)基金等項目的資助。
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