金賢敏團隊製備出矢量渦旋光輻射器光子集成晶片

2020-12-14 上海交通大學新聞網

4月17日，上海交通大學金賢敏團隊與南京大學夏可宇教授、陸延青教授合作，在國際物理學權威期刊《物理評論快報》以「Vector Vortex Beam Emitter Embedded in a Photonic Chip」為題發表了最新研究成果，展示了矢量渦旋光輻射器晶片。光子集成晶片內矢量渦旋光的嵌入式產生，使得在單個晶片內實現產生、傳輸和操控一體化變得可能。結合陣列化集成能力，該工作為大規模集成化地利用光子軌道角動量自由度資源，以及開展高容量通信和高維量子信息處理奠定了基礎。該嵌入式的矢量渦旋光輻射器光子集成晶片技術已經獲得了國際PCT專利。

光子除了具有頻率、空間模式、以及時間-能量等自由度之外，還可以攜帶自旋角動量和軌道角動量。自旋角動量與光的極化相關，被廣泛應用於量子光學的二維希爾伯特空間中編碼信息。不同於自旋角動量，軌道角動量擁有無限的拓撲荷和內在的正交性，可以為模式多路分發提供巨大的資源，有望用於解決通信系統上信道容量緊縮的問題。矢量渦旋光束同時攜帶光的自旋和軌道角動量，為現代光學、經典和量子信息技術都提供了額外的自由度和新興的資源。其固有的無限維度有望用來提高數據容量，以維持大數據和網際網路流量的空前增長，以及用來構建高維希爾伯特空間的量子計算機。

超越原理性的演示，矢量渦旋光束的大規模應用迫切需要開發光子集成技術，能夠在光子晶片上產生、傳輸，甚至處理矢量渦旋光束。目前從晶片表面輻射矢量渦旋光束到自由空間已經得到了廣泛的研究，然而，在光子集成晶片內部產生和傳輸矢量渦旋光束仍然是一個長期存在的挑戰。

 

圖一. 嵌入在光子晶片中的矢量渦旋光輻射器及陣列

上海交通大學集成量子信息技術中心（IQIT）金賢敏教授及其團隊經過多年的研究，2018製備出世界首個軌道角動量波導光子晶片，通過飛秒雷射直寫技術直接構建具有甜甜圈截面的光波導，可以支持和傳輸光子軌道角動量光束[Phys. Rev. Lett. 121, 233602 (2018)]。片內的可控產生是下一個更大的挑戰。金賢敏團隊進一步經過反覆嘗試，實驗上通過調控片內單模光波導和甜甜圈型光波導之間的倏逝波耦合，成功突破了光子集成晶片內可控產生矢量渦旋光的難題。通過工程上調控相位匹配條件，可以可控地產生一階和二階矢量渦旋光束，轉化效率高達74%。

研究團隊與南京大學夏可宇教授、陸延青教授合作，理論上推導了直寫雷射能量與光子晶片結構參數的關係，為雷射直寫高性能功能定製的光子晶片提供了依據，並成功構建了包含矢量渦旋光模式和材料介電張量的廣義耦合模理論。該理論的建立不僅有助於理解多個模式間的相互轉化、波導中場的演化以及不完美加工所帶來的影響，還填補了軌道角動量模式的耦合模理論的缺失，可以為在光子集成晶片內有效操控軌道角動量自由度提供重要支撐。

金賢敏教授、夏可宇教授和陸延青教授為文章的共同通訊作者，陳媛為文章第一作者。研究團隊感謝上海市科委重大項目和國家自然科學基金重點項目的雪中送炭，感謝國家重點研發計劃、上海市教委的大力支持。

論文連結：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.124.153601

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.121.233602

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