探索·收穫!我校夏可宇、陸延青等與上海交大合作實現光子晶片上...

2020-11-26 澎湃新聞

探索·收穫！我校夏可宇、陸延青等與上海交大合作實現光子晶片上矢量渦旋光產生

2020-04-24 14:00 來源：澎湃新聞·澎湃號·政務

近期小南推文

近日，現代工學院夏可宇教授和陸延青教授團隊與上海交通大學金賢敏教授團隊合作，在國際物理學權威期刊《Physical Review Letters》以「Vector Vortex Beam Emitter Embedded in a Photonic Chip」為題發表了最新研究成果，建立了光子晶片雷射直寫控制模型，提出了包含軌道角動量光模式的張量形式耦合模理論並實驗實現了光子晶片上矢量渦旋光的高效率產生。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成現實。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。

圖.嵌入在雷射直寫光子晶片中的矢量渦旋光輻射器陣列，直寫雷射能量及擾動與波導結構的關係，張能量形式模式耦合係數。

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，支撐大數據和網際網路流量的空前增長，乃至於可用來構建高維希爾伯特空間的量子計算機。

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。如何利用雷射直寫技術製備高性能光子晶片？如何理解微小空間內密集光學模式直接的相互作用、傳輸和轉換？這些關鍵科學問題的回答和矢量渦旋光光子晶片高效產生將極大推動高容量光通信技術和大規律高維光量子信息處理技術的發展。

夏可宇和陸延青教授團隊與上海交通大學集成量子信息技術中心（IQIT）金賢敏教授團隊緊密協作，理論和實驗上均取得了重要突破。他們在理論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指導，並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，還將耦合模理論推廣到更普適的情況，可以為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。實驗上，他們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，突破了光子集成晶片內可控產生矢量渦旋光的難題。通過在工程上精確調控相位匹配條件，可以按需產生具有特定拓撲荷的矢量渦旋光束，轉化效率高達74%。

金賢敏教授、夏可宇教授和陸延青教授作為文章的共同通訊作者，感謝國家重點研發計劃量子調控專項、國家自然科學基金項目的大力支持。該工作的南大部分還得到了南京大學卓越研究計劃項目的支持。

論文連結：

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

陸延青課題組網站：http://light.nju.edu.cn

夏可宇課題組網站：http://cwqed.nju.edu.cn

原標題：《探索·收穫！我校夏可宇、陸延青等與上海交大合作實現光子晶片上矢量渦旋光產生》

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