上海交大金贤敏课题组：轨道角动量波导光子芯片

来源：中国激光

上海交通大学金贤敏研究团队通过飞秒激光直写技术制备出了波导横截面为“甜甜圈”型，可支持轨道角动量自由度的三维集成光子芯片。这项研究进展使得未来在光子集成芯片内高效利用光子轨道角动量资源成为可能，例如，光子芯片上进行高通量的光信息编解码、大规模光互连，和发展高维光量子计算等，为基于光子轨道角动量自由度的光信息以及量子信息技术芯片化集成化开辟了新的途径。

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图1 带有螺旋形波阵面的轨道角动量光子通过芯片内的波导

近年来，扭曲光（twisted light）由于具有“甜甜圈”分布的强度结构，螺旋型波阵面的位相结构，携带轨道角动量的动态特性，广泛应用于光束缚、光操纵以及光钳等领域。不同于光的自旋角动量，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，用于解决通信系统上信道容量紧缩的问题。而在量子光学与量子信息领域，光子轨道角动量作为内秉的无限维的自由度，可将其用于分发高维的量子态以及构建高维希尔伯特空间的量子计算机。

大规模地应用轨道角动量超越原理性的验证迫切地要求发展集成器件将轨道角动量传输、产生以及操纵于一体化。之前的工作，不论是利用可控的位相阵列，还是微环共振腔产生轨道角动量，均是将轨道角动量辐射到自由空间中，无法存在于芯片内部。

金贤敏团队通过飞秒激光直写技术制备了首个波导横截面为“甜甜圈”型的三维集成的轨道角动量波导光子芯片（如图2），使得轨道角动量这一新兴自由度在芯片内操控得以在实验中首次实现。这也将促进未来光子集成芯片上高维量子信息处理与高维量子计算的实现。

图2 显微镜下所观察到的“甜甜圈”型波导的横截面，波导直径约为10μm

传统的波导，由于其有效折射率过小而不能分开几乎简并的轨道角动量模式。研究组通过三维飞秒激光直写技术得到的“甜甜圈”波导可以有效地将简并的轨道角动量模式分开。此“甜甜圈”型波导是由12根相互之间有轻微重叠的波导和高折射率芯所组成的。通过测量从芯片出来的扭曲光与参考光的干涉以及对芯片前后的态作投影测量，实验验证了此波导可以高效高保真地传输低阶轨道角动量模式，特别是传输总效率高达60%。对于高阶模式，目前加工出来的波导，会让其转化为低阶模式。同时实验发现，此波导也可以高保真地传输三比特的“qutrit”态，超越了传统的两比特的“qubit”态。这暗示着此波导将很有潜力可以用于高维量子态的传输与操控。

这项研究使得在光子集成芯片内操纵轨道角动量这一新兴的的自由度成为可能，对于实现高容量的通信，大规模信息处理，和高维的量子信息技术具有重要的意义。研究组已经为轨道角动量波导光子芯片申请了发明专利。研究成果于2018年12月7日在Physical Review Letters上发表，并被美国物理学会同时选为编辑推荐（Editor's Suggestion）和亮点文章（Featured in Physics）。

本研究工作受到上海市科委重大项目、国家自然科学基金、中组部青年千人计划、国家重点研发计划、上海市教委等支持。

论文链接: 

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.121.233602