近日，上海交通大学金贤敏团队与南京大学夏可宇教授、陆延青教授合作研究，在国际物理学权威期刊《物理评论快报》以“Vector Vortex Beam Emitter Embedded in a Photonic Chip”为题发表了最新研究成果，展示了矢量涡旋光辐射器芯片。光子集成芯片内矢量涡旋光的嵌入式产生，使得在单个芯片内实现产生、传输和操控一体化变得可能。结合阵列化集成能力，该工作为大规模集成化地利用光子轨道角动量自由度资源，以及开展高容量通信和高维量子信息处理奠定了基础。该嵌入式的矢量涡旋光辐射器光子集成芯片技术已经获得了国际PCT专利。
光子除了具有频率、空间模式、以及时间-能量等自由度之外，还可以携带自旋角动量和轨道角动量。自旋角动量与光的极化相关，被广泛应用于量子光学的二维希尔伯特空间中编码信息。不同于自旋角动量，轨道角动量拥有无限的拓扑荷和内在的正交性，可以为模式多路分发提供巨大的资源，有望用于解决通信系统上信道容量紧缩的问题。矢量涡旋光束同时携带光的自旋和轨道角动量，为现代光学、经典和量子信息技术都提供了额外的自由度和新兴的资源。其固有的无限维度有望用来提高数据容量，以维持大数据和互联网流量的空前增长，以及用来构建高维希尔伯特空间的量子计算机。
超越原理性的演示，矢量涡旋光束的大规模应用迫切需要开发光子集成技术，能够在光子芯片上产生、传输，甚至处理矢量涡旋光束。目前从芯片表面辐射矢量涡旋光束到自由空间已经得到了广泛的研究，然而，在光子集成芯片内部产生和传输矢量涡旋光束仍然是一个长期存在的挑战。
图一. 嵌入在光子芯片中的矢量涡旋光辐射器及阵列
上海交通大学集成量子信息技术中心（IQIT）金贤敏教授及其团队经过多年的研究，2018制备出世界首个轨道角动量波导光子芯片，通过飞秒激光直写技术直接构建具有甜甜圈截面的光波导，可以支持和传输光子轨道角动量光束[Phys. Rev. Lett. 121, 233602 (2018)]。片内的可控产生是下一个更大的挑战。金贤敏团队进一步经过反复尝试，实验上通过调控片内单模光波导和甜甜圈型光波导之间的倏逝波耦合，成功突破了光子集成芯片内可控产生矢量涡旋光的难题。通过工程上调控相位匹配条件，可以可控地产生一阶和二阶矢量涡旋光束，转化效率高达74%。
研究团队与南京大学夏可宇教授、陆延青教授合作，理论上推导了直写激光能量与光子芯片结构参数的关系，为激光直写高性能功能定制的光子芯片提供了依据，并成功构建了包含矢量涡旋光模式和材料介电张量的广义耦合模理论。该理论的建立不仅有助于理解多个模式间的相互转化、波导中场的演化以及不完美加工所带来的影响，还填补了轨道角动量模式的耦合模理论的缺失，可以为在光子集成芯片内有效操控轨道角动量自由度提供重要支撑。
金贤敏教授、夏可宇教授和陆延青教授为文章的共同通讯作者，陈媛为文章第一作者。研究团队感谢上海市科委重大项目和国家自然科学基金重点项目的雪中送炭，感谢国家重点研发计划、上海市教委的大力支持。（上海交大新闻网）
论文链接：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.124.153601
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.121.233602
