首創！上海交大金賢敏團隊研製出軌道角動量波導光子晶元

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來源：上海交通大學光子集成與量子信息實驗室

【新智元導讀】上海交通大學金賢敏團隊研究成功世界上首個軌道角動量（OAM）波導光子晶元。使得未來在光子集成晶元內高效利用光子軌道角動量這一新興的的自由度成為可能，為基於光子軌道角動量自由度的光信息以及量子信息技術晶元化集成化打開了大門。

12月7日，國際物理學權威期刊《物理評論快報》以「Mapping Twisted Light into and out of a Photonic Chip」為題，發表了上海交通大學金賢敏團隊最新研究成果，該文報道了世界上首個軌道角動量（OAM）波導光子晶元。

並且同時作為Editors』 Suggestion和Featured in Physics 亮點文章（highlighted article）在PRL網站首頁重點推薦。美國物理學會的《物理》期刊也做了同步發表亮點文章。

這是首次在光晶元內製備出可攜帶光子軌道角動量自由度的光波導，並實現在波導內高效和高保真地傳輸。

這項研究進展使得未來在光子集成晶元內高效利用光子軌道角動量這一新興的的自由度成為可能，為基於光子軌道角動量自由度的光信息以及量子信息技術晶元化集成化打開了大門。

研究組發表文章前已經為該波導晶元申請了發明專利。

帶有螺旋形波陣面的軌道角動量光子通過晶元內的波導

顯微鏡下所觀察到的「甜甜圈」型波導的橫截面，波導直徑約為10微米

近年來，由於扭曲光（twisted light）獨特的特性，具有「甜甜圈」分布的強度結構，螺旋型波陣面的位相結構，攜帶軌道角動量的動態特性，使其被廣泛地應用於光束縛、光操縱以及光鉗等領域。

不同於光的自旋角動量，軌道角動量擁有無限的拓撲荷和內在的正交性，可以為模式多路分發提供巨大的資源，用於解決通信系統上信道容量緊縮的問題。

而在量子光學與量子信息領域，光子軌道角動量，作為內秉的無限維的自由度，可將其用於分發高維的量子態以及構建高維希爾伯特空間的量子計算機。

大規模地應用軌道角動量超越原理性的驗證迫切地要求發展集成器件將軌道角動量傳輸、產生以及操縱於一體化。

之前的工作，不論是利用可控的位相陣列，還是微環共振腔產生軌道角動量，均是將軌道角動量輻射到自由空間中，無法存在於晶元內部。

金賢敏團隊通過飛秒激光直寫技術製備了首個波導橫截面為「甜甜圈」型的三維集成的軌道角動量波導光子晶元，使得軌道角動量這一新興自由度在晶元內操控得以在實驗中首次實現。

這也將促進未來光子集成晶元上高維量子信息與高維量子計算的實現。

傳統的波導，由於其有效折射率過小而不能分開幾乎簡併的軌道角動量模式。

研究組通過三維飛秒激光直寫技術得到的「甜甜圈」波導可以有效地將簡併的軌道角動量模式分開。

此「甜甜圈」型波導是由12根相互之間有輕微重疊的波導和高折射率芯所組成的。

通過測量從晶元出來的扭曲光與參考光的干涉以及對晶元前後的態作投影測量，實驗驗證了此波導可以高效高保真地傳輸低階軌道角動量模式，特別是傳輸總效率高達60%。

對於高階模式，目前加工出來的波導，會讓其轉化為低階模式。同時實驗發現，此波導也可以高保真地傳輸三比特的「qutrit」態，超越了傳統的兩比特的「qubit」態。

這暗示著此波導將很有潛力可以用於高維量子態的傳輸與操控。

審稿人對該項成果給予了高度評價：

「the first demonstration of OAM transmission through a waveguide on chip」（首個在晶元的波導上演示了軌道角動量的傳輸實驗）

「the first OAM carrying waveguide chip」（首個可攜帶軌道角動量的波導晶元）

「first promising steps towards integrated structures for OAM-carrying light and also might be considered an important step for the twisted light and optics community」（首個邁向軌道角動量集成結構的有前景的一步，同時對於整個光學領域和扭曲光來說是重要的一步）

由於此項研究的重大意義，國際物理學權威期刊《物理評論快報》不僅將金賢敏團隊的這篇文章遴選為編輯推薦，同時還邀請了過去20年來一直在國際頂級期刊《Nature》做編輯的Philip Ball撰寫了 Twisted Light in a Photonic Chip [Physics 11, 125 (2018)]進行深入報道。

研究團隊感謝上海市科委重大項目和國家自然科學基金重點項目的雪中送炭，感謝中組部青年千人計劃、國家重點研發計劃、上海市教委和上海交大致遠學院的大力支持。

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