超紧凑宽带偏振多样的硅基光子集成轨道角动量发射器

来源：中国激光

华中科技大学武汉光电国家研究中心多维光子学实验室（MDPL）王健教授团队和中山大学蔡鑫伦教授，利用片上超紧凑的亚波长表面结构产生宽带且偏振多样的轨道角动量光束。

光是一种电磁波，具有能量和动量，而动量可以分为线性动量和角动量。当一束光在空间传输，其电场会在与光束传播相垂直的方向上振动，对于圆偏振光，其电场振动方向是围绕着光束传播方向旋转的，携带自旋角动量（SAM：Spin Angular Momentum）。1992年，物理学家Les Allen指出，除了与圆偏振光相关联的自旋角动量外，光还可以携带另外一种角动量形式，即由光场空间分布决定的轨道角动量（OAM：Orbital Angular Momentum）。这种光的相位波前是一个三维螺旋面，由于螺旋相位波前在中心处存在一个相位奇点，使得中心光强为零，光强呈环状分布，围绕中心奇点，在传播方向横截面上沿角向光相位不断增加，角向旋转一周相位变化是2π的整数倍，取决于角量子数l，也称为拓扑电荷数。

光子轨道角动量已经成为光学领域的一个研究热点，在基础物理、应用物理以及天文、生物等交叉学科的研究中都具有重要的应用价值。轨道角动量光束由于其独特的光场特性，在光学操控、光学捕获、光镊、显微成像、传感测量、光存储、天文观测、非线性光学、量子科学、光通信方面都有重要的应用前景。

特别地，光子轨道角动量自由度可以构成一个完备的无限维Hilbert空间，不同于自旋角动量只有两个取值，光子轨道角动量理论上取值无限且两两正交。因此，类比于光子的频率维度和光通信中的波分复用技术，若将信息加载到光子轨道角动量空间，通过轨道角动量复用技术可以大幅提高信息传输容量，有望解决光通信因光子现有维度资源（频率/波长、时间、偏振、幅度、相位）开发殆尽而出现的“新容量危机”，为未来高速大容量光通信的可持续扩容提供新途径。

将光子轨道角动量引入光通信首先要产生轨道角动量光束，特别地，理想的轨道角动量复用技术需要与现有的波分复用和偏振复用等技术完全兼容，支持多维光通信，同时，轨道角动量发射器件的小型化和集成化也是必然趋势。因此，超紧凑、宽带、偏振多样的光子集成轨道角动量发射器是关键，也是轨道角动量光通信领域一直以来的重要挑战。

图1 超紧凑宽带偏振多样硅基光子集成轨道角动量发射器的原理示意图

华中科技大学武汉光电国家研究中心的王健教授团队长期从事光通信、轨道角动量、结构光、硅基光子学等领域的应用基础研究。利用在硅基光波导上形成一个简单的亚波长表面结构（叠加全息叉形光栅），硅基光波导中的导模在亚波长表面结构区域会耦合为自由空间的轨道角动量模式。如图1所示，提出并实现了一种基于硅光子平台的超紧凑宽带偏振多样光子集成轨道角动量发射器，其基本原理是利用硅基光波导的导模与轨道角动量模式干涉产生全息叉形光栅，将该全息叉形光栅利用硅光子微纳加工工艺制作到硅基光波导表面，当硅基光波导的导模传输至全息叉形光栅区域，会耦合出轨道角动量模式到自由空间中。

特别地，采用图1所示的四端口结构，设计、优化并制备X方向和Y方向叠加的全息叉形光栅，在硅基光波导表面形成超紧凑的亚波长表面结构，此时，从四个不同端口入射时，在亚波长表面结构上方会对应产生X偏振和Y偏振具有不同拓扑电荷数的轨道角动量模式。值得注意的是，超紧凑的光子集成轨道角动量发射器由于采用了亚波长表面结构具有宽带特性，兼容波分复用技术，叠加全息叉形光栅四端口设计具有偏振多样性，兼容偏振复用技术，同时，设计不同的叠加全息光栅，轨道角动量拓扑电荷数也可以改变。

图2  实验产生的宽带偏振多样轨道角动量模式环形光场分布和螺旋干涉图样

依据图1所示基本原理，系统设计、优化并制备了硅基光子集成轨道角动量发射器，尺寸仅为3.6x3.6 μm2。实验测试结果如图2所示，在整个光通信C波段，实验产生的四种偏振多样的轨道角动量模式具有良好的环形光场分布与螺旋干涉图样。为更准确表征所产生轨道角动量模式的质量，进一步利用傅里叶变换方法从测量的倾斜干涉图样中重构出轨道角动量模式相位。

图3 宽带偏振多样轨道角动量模式的相位纯度与串扰矩阵表征

图3展示了产生的一阶轨道角动量模式0到2π的角向相位分布，在1500到1630 nm的超大波长范围内，其相位纯度大于85%。此外，为表征产生的偏振多样轨道角动量模式的串扰，进一步系统测量了串扰矩阵，如图3所示，硅基光子集成轨道角动量发射器所产生的偏振多样轨道角动量模式信道间串扰优于-10.6 dB，信道累积总串扰优于-8.8 dB。以上仿真和实验测试结果证明，该超紧凑宽带偏振多样硅基光子集成轨道角动量发射器具有良好的性能，可以作为轨道角动量多维光通信的发射/复用器和解复用/探测器，兼容波分复用技术和偏振复用技术，结构紧凑，为未来高速大容量多维光通信提供了一种有效的解决方案。

成果以“Ultra-compact broadband polarization diversity orbital angular momentum generator with 3.6 x 3.6 μm2 footprint”于2019年5月31日在Science子刊Science Advances上发表。华中科技大学博士研究生周南为论文第一作者，华中科技大学王健教授和中山大学蔡鑫伦教授为共同通讯作者，华中科技大学为论文第一单位。

该论文得到了国家自然科学基金（11574001、61761130082、11774116、11274131、61222502、11690031和61575224）、国家973计划课题（2014CB340004）、英国皇家学会牛顿高级学者、国家万人计划青年拔尖人才、长江学者奖励计划青年学者、湖北省自然科学基金（2018CFA048）、广东省重点研发计划（2018B030325002）、珠江人才计划（2017BT01X121）、华中科技大学学术前沿青年团队（2016QYTD05）等的支持。

论文链接：

https://advances.sciencemag.org/content/5/5/eaau9593