【儀表網 研發快訊】近日，美國物理學權威應用期刊Physical Review Letters上以Locking Orbital Angular Momentum with Linear Momentum of Light為題發表最新研究成果，提出了一種在光子芯片內構建出截面呈阿基米德螺旋的手性波導，首次實現了光的軌道角動量與線動量的“一一鎖定”。
 

　　上海交通大學物理與天文學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陳明遠博士為本文的共同第一作者，上海交通大學物理與天文學院金賢敏教授、朱卡的教授、南京大學夏可宇教授、陸延青教授和新加坡國立大學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的產生與傳輸一直在芯片內難以實現。另一方面，光子內部自由度與傳播方向的耦合是拓展光場調控維度的核心途徑：自旋-動量鎖定已在手性量子光學和拓撲光子學中催生出豐富現象，而軌道角動量這一高維自由度依舊缺乏對應的“鎖定”機制。由于不同手性模式在常規波導中簡并，片上無法選擇性地產生特定OAM，成為集成高維信息處理的關鍵瓶頸。本文通過在光子芯片內引入阿基米德螺旋折射率分布的手性波導，首次實現OAM與線動量k的一一鎖定，進而實現了高魯棒、可編程的片上渦旋光生成，為高維光通信和量子技術提供了全新平臺。
 

　　圖1 | OAM-momentum locking原理圖。a)和d) 常規單模波導不同方向的激發均為單模；b)和e) 普通環形波導不同方向的激發會同時產生不同手性的OAM模式； c)和f) 手性結構下不同方向的激發會選擇性激發不同手性的OAM模式。
 

　　基于第三類手性發射器設計，團隊在光子芯片內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：對于一階設計(|?| = 1)，螺旋參數設為a? = 3 µm、b? = 0.30 µm rad?¹，實現當光沿+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；而二階設計(|?| = 2)將參數增至a? = 4 µm、b? = 0.38 µm rad?¹，可在同一芯片內切換產生? = ±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：正向入射時目標渦旋純度維持在較高水平，反向入射則以同等純度產生符號相反的渦旋，非目標模式被抑制至5–10%以下。
 

　　圖2 | 片上手性OAM發射器示意圖，插圖為手性波導端面結構和實際加工出的器件顯微圖。
 

　　片上OAM器件要在微小尺度內精確操控OAM的模式；任何輕微工藝誤差或環境漂移(溫度、應力)都可能導致模式劣化，嚴重降低輸出純度。因此，器件魯棒性成為能否走向大規模集成的關鍵指標。我們設計的手性結構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間模式帶隙。因此在這里我們對器件魯棒性給出了系統性驗證：我們分別將耦合長度在3.6–4.4 mm范圍內步進調整，并將飛秒激光寫入功率在設計值附近多點取樣，統計了25組器件的OAM模式譜。結果顯示，無論是一階還是二階螺旋波導，目標渦旋的平均純度始終保持在70–90%區間，非目標模式被抑制至5–10%以下，平均消光比超過10 dB；即便在最極端參數組合下，器件仍未出現純度驟降，充分證明了OAM–Momentum Locking 架構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。
 

　　圖3 | 不同設計參數下的手性OAM發射器的性能表征，上表面(橙色)為目標模式純度占比，下表面(藍色)為非目標模式純度占比。
 

　　該工作首次在光子芯片上實現了OAM與線動量的鎖定調控，為構建高維片上通信、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現象、自由度間相互作用及高維復雜片上光學調控奠定了堅實基礎。
 

　　本研究工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金委員會、上海市科學技術委員會、上海市教育委員會、上海市人才計劃、量子科學與技術創新計劃、江蘇省創新人才與企業家計劃、廣東省自然科學基金等項目的資助。