北京大學(xué)Nature Photonics，光子芯片最新進(jìn)展??！
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聲明：因水平有限，錯(cuò)誤不可避免，或有些信息非最及時(shí)，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！
光學(xué)頻率梳（Optical Frequency Comb，OFC）技術(shù)是一種在頻率域中具有均勻間隔、互相相干的光譜線集合，為大規(guī)模數(shù)據(jù)傳輸和處理提供了成熟的工具。而軌道角動(dòng)量（Orbital Angular Momentum，OAM）則是光的另一個(gè)重要屬性，通過(guò)空間拓?fù)潆姾蛇M(jìn)行量化，其螺旋波前和相位奇點(diǎn)為光學(xué)應(yīng)用帶來(lái)了新的可能性。然而，將OAM與OFC相結(jié)合存在一些挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)上，將OAM編碼到OFC需要復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)裝置，包括波長(zhǎng)分配器、指定相位模式和空間相位調(diào)制器等大型光學(xué)元件。此外，在微觀尺度上實(shí)現(xiàn)對(duì)OAM的生成和探測(cè)也是一個(gè)挑戰(zhàn)，需要克服微觀系統(tǒng)中的多種限制。
針對(duì)這些挑戰(zhàn)，北京大學(xué)物理學(xué)院現(xiàn)代光學(xué)研究所肖云峰、劉文靜、楊起帆教授等科學(xué)家們開(kāi)始探索微光子學(xué)作為一個(gè)解決方案。光學(xué)微腔被引入作為一種新興平臺(tái)，其中攪拌場(chǎng)模式自然攜帶OAM，并且具有足夠高的Q因子以支持OFC的緊湊生成。本研究中，科學(xué)家們通過(guò)在非線性環(huán)微腔中形成耗散光孤子，并借助刻蝕的角光柵，實(shí)現(xiàn)了對(duì)OAM和頻率的聯(lián)合控制。通過(guò)這種方法，他們成功地創(chuàng)造了一種稱(chēng)為漩渦孤子微梳的高度多路復(fù)用的相干OAM源。以上成果于Nature Photonics期刊發(fā)表題為Integrated vortex soliton microcombs的最新科研論文。
在圖1中，研究者通過(guò)示意圖展示了漩渦孤子微梳的操作原理。連續(xù)波泵浦激光通過(guò)總線波導(dǎo)進(jìn)入微腔，經(jīng)過(guò)強(qiáng)烈的共振能量積聚，通過(guò)四波混頻激發(fā)了一系列縱向模式中的光學(xué)旁帶。調(diào)節(jié)泵浦激光的頻率，使得旁帶的相位同步調(diào)整，形成了光孤子微梳。通過(guò)在微腔的內(nèi)周刻蝕一組角光柵，使得微梳能夠被發(fā)射到自由空間中。。通過(guò)這些圖表，研究者可以直觀地展示他們的研究成果，同時(shí)也為其他科學(xué)家提供了重要的參考和理解。這些結(jié)果對(duì)于理解光子學(xué)中頻率和OAM之間的相互作用，以及微腔技術(shù)在光學(xué)器件中的應(yīng)用具有重要意義
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圖2則展示了Si3N4微腔渦流發(fā)射器的設(shè)備特性。首先，研究者通過(guò)掃描電子顯微鏡圖像展示了微腔的結(jié)構(gòu)，包括波導(dǎo)、微腔和角光柵。然后，通過(guò)圖示的模式家族色散曲線，研究者說(shuō)明了微腔中不同模式的色散特性。他們進(jìn)一步測(cè)量了微腔非分裂模式和分裂模式的傳輸光譜，并且得到了微腔的固有品質(zhì)因子和頻率分裂值。最后，研究者通過(guò)模態(tài)分解方法對(duì)微腔作為渦流發(fā)射器的性能進(jìn)行了評(píng)估，并且發(fā)現(xiàn)了其高純度的OAM發(fā)射性能
。
在圖3中，研究者首先展示了單孤子微梳的光譜特性。光譜呈現(xiàn)出典型的sech^2包絡(luò)，跨越了超過(guò)40 THz的頻率范圍。通過(guò)實(shí)驗(yàn)設(shè)置，研究者成功地識(shí)別了每個(gè)梳線攜帶的軌道角動(dòng)量（OAM）狀態(tài)，將它們分為14個(gè)不同的光渦旋。圖3b展示了左旋圓偏振干涉圖案，通過(guò)這些圖案可以確定每個(gè)梳線的拓?fù)潆姾伞＿@些實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)于理解光的頻譜特性以及梳線攜帶的OAM信息具有重要意義
。
在圖4中，研究者進(jìn)一步分析了漩渦孤子微梳的空間-時(shí)間特性。通過(guò)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)測(cè)量，他們重構(gòu)了發(fā)射光束的三維輪廓，并觀察到其動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)的雙螺旋強(qiáng)度輪廓。這種特殊的光場(chǎng)被歸類(lèi)為“光彈簧”，這是空間-頻率相關(guān)的典型結(jié)果。圖4的結(jié)果揭示了漩渦孤子微梳具有獨(dú)特的空間和時(shí)間特性，為進(jìn)一步研究其應(yīng)用和光學(xué)性質(zhì)提供了重要的見(jiàn)解
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研究者展示了圖5中的漩渦光譜學(xué)，旨在將光頻率梳的概念轉(zhuǎn)化為漩渦微梳，并實(shí)現(xiàn)漩渦光譜學(xué)。該方法能夠一次性識(shí)別頻率域中的拓?fù)潆姾煞植?。在?shí)驗(yàn)設(shè)置中，光束通過(guò)一個(gè)反射式空間光調(diào)制器（SLM），該器件編碼了全息圖案，模擬了自由空間通信通道中的湍流氣旋（見(jiàn)圖5a）。相位模式的變化調(diào)制了漩渦孤子微梳的橫截面輪廓，這些輪廓被進(jìn)一步傅里葉變換以獲得光譜信息。通過(guò)阻擋具有非零軌道角動(dòng)量的分量，只保留了具有l(wèi) = 0的分量，從而產(chǎn)生了只包含特定拓?fù)潆姾傻墓庾V。圖5b顯示了當(dāng)模式的拓?fù)潆姾勺兓瘯r(shí)，梳線的傳輸功率被歸一化，并且每個(gè)梳線僅響應(yīng)于特定的拓?fù)潆姾?。通過(guò)比較預(yù)設(shè)值和測(cè)量結(jié)果，研究者證明了測(cè)量的拓?fù)潆姾蓹?quán)重與預(yù)設(shè)值之間的顯著一致性（見(jiàn)圖5c）。這項(xiàng)研究提供了一種新穎的方法，可以快速而準(zhǔn)確地測(cè)量光束中的拓?fù)潆姾煞植?，為光通信和光學(xué)成像等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了重要參考
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本
文揭示了光的空間和頻率自由度之間的相關(guān)性，為生成、操控和檢測(cè)結(jié)構(gòu)光提供了新的范式。通過(guò)實(shí)現(xiàn)漩渦孤子微梳，作者展示了如何在微型光子芯片上實(shí)現(xiàn)對(duì)光的頻率和軌道角動(dòng)量的精確控制。這一研究不僅拓展了光學(xué)頻率梳的應(yīng)用領(lǐng)域，還為光學(xué)領(lǐng)域提供了新的研究思路和方法。作者提出的新型光譜學(xué)方法和超糾纏量子頻率梳的概念不僅具有重要的基礎(chǔ)科學(xué)意義，而且具有潛在的應(yīng)用前景。此外，本研究還強(qiáng)調(diào)了微型光子學(xué)在光子學(xué)和量子信息處理等領(lǐng)域的重要性，并為未來(lái)光子學(xué)設(shè)備的設(shè)計(jì)和制造提供了新的思路和方向。因此，本文的科學(xué)啟示在于為光學(xué)研究和應(yīng)用開(kāi)辟了新的可能性，推動(dòng)了光子學(xué)領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展和創(chuàng)新
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Liu, Y., Lao, C., Wang, M. et al. Integrated vortex soliton microcombs. Nat. Photon. (2024). https://doi.org/10.1038/s41566-024-01418-x. https://www.nature.com/articles/s41566-024-01418-x
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