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聲明：因水平有限，錯誤不可避免，或有些信息非最及時，歡迎留言指出。本文僅作生化環(huán)材等相關(guān)領(lǐng)域介紹; 本文不構(gòu)成任何投資建議！

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研究背景

隨著光學(xué)領(lǐng)域?qū)獾奈锢碜杂啥鹊牟粩嗵剿?，如軌道角動量（OAM）和頻率等無限維度的特性引起了越來越多的關(guān)注。 這些特性在現(xiàn)代光學(xué)中具有重要的意義，可以應(yīng)用于各種領(lǐng)域，包括基礎(chǔ)物理、光通信和量子光子學(xué)等。 其中，光的OAM是一種特殊的量子屬性，可以帶有無限但量子化的角動量，因此被認(rèn)為是一種具有潛在應(yīng)用前景的光學(xué)工具。 然而，盡管OAM的潛力巨大，但在實際應(yīng)用中存在一些挑戰(zhàn)和問題。 特別是在微納光子學(xué)領(lǐng)域，要有效地利用光的OAM，需要設(shè)計并制造出能夠穩(wěn)定支持OAM的光學(xué)器件。 而傳統(tǒng)的方法往往面臨著光學(xué)器件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、效率低下等問題，限制了其在實際應(yīng)用中的進(jìn)一步發(fā)展。

為了解決這些問題，一些科學(xué)家開始探索利用微型諧振腔等結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)OAM的穩(wěn)定支持和高效利用。微型諧振腔能夠通過特定的結(jié)構(gòu)設(shè)計來實現(xiàn)對光的OAM的支持，并且具有較高的光學(xué)品質(zhì)因子（Q因子），能夠增強(qiáng)光-物質(zhì)相互作用效應(yīng)。然而，目前微型諧振腔主要用于單色的OAM發(fā)射器或非線性微梳的生成，而將這兩者結(jié)合起來的研究相對較少。

鑒于此，中山大學(xué)物理學(xué)院光電材料與技術(shù)國家重點(diǎn)實驗室Bo Chen(第一作者),王雪華教授，劉進(jìn)教授、丹麥技術(shù)大學(xué)Minhao Pu教授聯(lián)合上海理工大學(xué)曹前教授，詹其文教授等團(tuán)隊攜手提出了一種新型的納米光子器件——渦旋微梳，將光學(xué)渦旋發(fā)射器和微梳發(fā)生器相結(jié)合。通過精心設(shè)計的諧振器結(jié)構(gòu)，平衡了光束約束和渦旋發(fā)射的需求，利用非線性材料的特性實現(xiàn)了在單個器件中同時實現(xiàn)光學(xué)渦旋和微梳的生成。

具體地，通過在AlGaAsOI平臺上制造內(nèi)側(cè)壁光柵的高Q微環(huán)，實現(xiàn)了在微腔中產(chǎn)生大量的光學(xué)渦旋，并將它們與微梳的頻率組合在一起。這種渦旋微梳結(jié)構(gòu)不僅能夠產(chǎn)生具有多種OAM和頻率的光學(xué)渦旋，還能夠在時間上產(chǎn)生具有時變OAM的自扭脈沖。相關(guān)成果于Nature Photonics期刊發(fā)表題為Integrated optical vortex microcomb的最新科研論文。

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研究貢獻(xiàn)

在圖1中，研究者展示了渦旋微梳的示意圖。圖中顯示了一個具有角光柵的非線性微環(huán)，通過這個微環(huán)發(fā)射出多個光學(xué)渦旋，每個光學(xué)渦旋都對應(yīng)著不同的頻率和OAM模式。通過將渦旋微梳通過色散介質(zhì)，可以生成具有變化OAM的時空光脈沖。這些結(jié)果為深入理解和利用渦旋微梳在光子學(xué)和量子技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ) 。

圖1. 從渦旋微梳產(chǎn)生自扭矩脈沖的示意圖

在圖2中，研究者通過掃描電子顯微鏡（SEM）圖像和透射譜的分析，詳細(xì)描繪了AlGaAsOI微環(huán)的特性。圖2a展示了微環(huán)與總線波導(dǎo)的耦合結(jié)構(gòu)，圖2b展示了耦合區(qū)域的放大圖，清晰顯示了內(nèi)部側(cè)壁的角光柵。通過對微環(huán)橫截面的SEM圖像進(jìn)行分析（圖2c），研究者確定了TE00模式的模式分布。圖2d和圖2e展示了不同諧振特性的透射譜，其中圖2d中顯示了渦旋發(fā)射器的零階OAM諧振的模式分裂，而圖2e則展示了具有非零拓?fù)潆姾傻闹C振。通過這些實驗結(jié)果，研究者證明了AlGaAsOI平臺的微環(huán)具有較高的Q值和角光柵的有效性，這對于實現(xiàn)渦旋微梳的梳齒生成和渦旋發(fā)射具有重要意義 。

圖2. AlGaAsOI微環(huán)的表征

為了表征渦旋梳，研究在圖3a展示了實驗裝置的示意圖，包括了一個可調(diào)連續(xù)波激光器通過光纖偏振控制器耦合到波導(dǎo)中，然后通過透鏡纖維耦合到波導(dǎo)中，最終通過一個透射光柵進(jìn)行空間分離，使所有生成的梳線被噴射到自由空間中。圖3b展示了完整的梳狀光譜，涵蓋了從1,480到1,680 nm的范圍。研究者通過使用高靈敏度的CCD成像設(shè)備，成功成像了從l = 4到l = -4的各個光學(xué)渦旋的遠(yuǎn)場模式，并觀察到了CW和CCW干涉圖案（圖3c）。進(jìn)一步的數(shù)值模擬證實了這些觀察結(jié)果，通過在微環(huán)中放置內(nèi)部偶極源來模擬實驗中的干涉圖案（圖3d）。為了進(jìn)一步確認(rèn)OAM的本質(zhì)，研究者將上升的光子與從波導(dǎo)輸出傳輸?shù)膮⒖脊馐M(jìn)行干涉。通過對順時針和逆時針干涉圖案投影到線性偏振基上，可以清晰地提取出高階渦旋光束的拓?fù)潆姾?。這些結(jié)果有助于深入理解渦旋梳的性質(zhì)和行為，并提供了驗證實驗和理論模擬之間的一致性 。

圖3. 渦旋頻率微梳的特征

為 了合成自扭脈沖并探索其動態(tài)OAM特性，研究者設(shè)計了實驗裝置，并在圖4中展示了相關(guān)結(jié)果。圖4a展示了實驗設(shè)置的示意圖，其中包括帶通濾波器、馬赫-曾德干涉儀等設(shè)備。實驗中，通過調(diào)節(jié)馬赫-曾德干涉儀的兩個分支，分別引入組延遲色散和形成自扭波包的相位，從而生成和表征自扭脈沖。圖4b和g展示了微梳的測量譜，分別對應(yīng)不同的梳狀模式間距。通過選擇梳線，可以過濾出具有不同OAM電荷的幾個光束，用于生成自扭脈沖。圖4c和h展示了自扭脈沖的模擬空間-時間強(qiáng)度分布圖，以及其橫截面強(qiáng)度和相位分布。實驗結(jié)果表明，自扭脈沖在強(qiáng)度和相位上呈現(xiàn)出動態(tài)變化的OAM特性。圖4e和j展示了實驗測得的自扭脈沖的等強(qiáng)度輪廓，圖4f和k展示了從自扭脈沖干涉中提取的動態(tài)OAM。研究結(jié)果表明，渦旋微梳可用于生成具有時空特性的自扭脈沖，為研究光學(xué)領(lǐng)域中的自誘導(dǎo)角動量時間變化提供了新的實驗平臺 。

圖4. 在孤子狀態(tài)時，基于渦旋微梳合成自力矩脈沖

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研究展望

作者通過將光學(xué)渦旋和微梳這兩個獨(dú)立發(fā)展的領(lǐng)域融合在一起，展示了一個概念上全新的納米光子學(xué)器件。 作者的器件可以發(fā)射多達(dá)50種OAM模式，每種模式都來自于由AlGaAs微環(huán)產(chǎn)生的對應(yīng)Kerr微梳線。 作者通過在不同的孤子狀態(tài)下操作微梳器件，實驗證明了光學(xué)脈沖的時變OAM的產(chǎn)生和工程化。 可以通過實施最近展示的耦合微腔設(shè)計來進(jìn)一步提高微梳的轉(zhuǎn)換效率。 在這項工作中采用的III-V族化合物半導(dǎo)體具有二階和三階非線性以及可工程化的帶隙，這對于集成非線性光子學(xué)非常有利。

此外，AlGaAs的直接帶隙為與芯片激光器和探測器的單片集成提供了機(jī)會。進(jìn)入量子領(lǐng)域后，可以從渦旋微梳中創(chuàng)建高維OAM糾纏量子態(tài)的光，這在更強(qiáng)烈地違反局域?qū)嵲谛院蜑槲磥砹孔蛹夹g(shù)生成高維多光子糾纏方面具有潛在應(yīng)用。作者生成渦旋微梳的方法可以輕松地在其他材料平臺上實現(xiàn)，例如SiN、SiC、AlN、LiNbO?等，為開發(fā)利用結(jié)構(gòu)化光-物質(zhì)相互作用的集成光子學(xué)提供了令人興奮的機(jī)會。

原文詳情：

-- Chen, B., Zhou, Y., Liu, Y. et al. Integrated optical vortex microcomb. Nat. Photon. (2024). https://doi.org/10.1038/s41566-024-01415-0  

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