近日，中山大学物理学院、光电材料与技术国家重点实验室王雪华、刘进教授团队与上海理工大学詹其文教授、丹麦科技大学Minhao Pu教授合作，在片上集成轨道角动量频率梳产生超快时空自扭矩脉冲光的研究中取得突破性进展。合作团队基于III-V族AlGaAsOI平台，首先制备出光学轨道角动量频率梳，并对产生的飞秒孤子脉冲进行色散调制，在时空域产生了具有自扭矩特性的超快脉冲光。在该工作中，集成光学芯片上产生的时空孤子脉冲，具有良好的相干性和相位稳定性，锁相条件下产生具有自扭矩特性的单螺旋和双螺旋脉冲光，是国际上首次在集成化平台上实现空间轨道角动量模式、光学频率梳、时间孤子脉冲的多维度复杂时空光场联合调控。
相关成果以“Integrated optical vortex microcomb”为题，于2024年03月29日发表在Nature Photonics上。
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研究背景
光的频率和轨道角动量是两个独立具有无限维度的物理量自由度，分别在频率和空间模式上形成无限维正交完备基，理论上均可实现携带无限维信息。光学频率梳(Optical Frequency Comb, OFC)是由频率域中一系列离散的、等间隔的频率成分组成的梳状光谱，在时域上为等周期的超短脉冲序列，如图1(a, b)所示。因具有光学模式间隔相等、相位关系锁定的特性，光学频率梳在光学时钟、精密光谱、频谱测量、光学传感、光信号处理及量子光学等领域得到广泛的研究和应用。物理学家J. Hall和T. W. Hänsch由于在光频梳研究中做出的开拓性贡献荣膺2005年诺贝尔物理学奖。自1992年光子轨道角动量(Orbital Angular Momentum, OAM)被发现以来，OAM的概念研究在物理学和光学界引起了极大的关注。由于OAM光束特殊的强度和相位分布，如图1(c)所示, 携带OAM的光束在高速高容量光通信、光镊、成像、精密测量、非线性光学和量子信息处理中具有广泛的应用，与OAM相关的光镊技术于2018年获得诺贝尔物理学奖。
图1 光学频率梳的(a)时域特性和(b)频域特性及(c)光子离散轨道角动量示意图
在前期的研究与应用中，产生光学频率梳和轨道角动量两个自由度相关的光电子器件均是分离的，这极大地限制了光子在频率和轨道角动量自由度上的开发和利用。近年来，随着集成光学技术的发展，在芯片上实现小型化、集成化、多功能的光子器件是芯片集成走向实用化的必然趋势。以微环谐振腔为基础，通过级联四波混频效应实现宽带克尔(Kerr)频率梳已经在不同材料平台得到了广泛的研究。基于III-V族材料平台，课题组前期在内壁嵌入角向光栅的微环谐振腔中实现了单光子轨道角动量量子叠加态的产生[Nat. Nanotechnol.,16(3), 302, (2021)]。同时基于微环谐振腔非线性四波混频效应实现了光折变可调的量子光源[Nano Lett., 23(10), 4487, (2023)]。在微环谐振腔的基础上开发片上集成Kerr OFC和OAM为实现光学频率和空间轨道角动量两个自由度的联合开发提供了可能。
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研究创新点
研究团队首次在III-V族AlGaAsOI平台上基于内壁嵌入角向光栅的微环谐振腔产生了光学轨道角动量频率梳，并基于该轨道角动量频率梳在时空域实现了具有自扭矩特性的时变轨道角动量脉冲光，如图2所示。
图2 轨道角动量光学频率梳产生自扭矩脉冲示意图
在微环谐振腔中，轨道角动量的出射需要把腔内的高阶OAM调制并散射到自由空间，而光学频率梳的产生需要有效抑制光的散射，平衡两者之间的矛盾是实现片上产生轨道角动量频率梳的关键和难点。该研究基于AlGaAs材料高三阶非线性系数和较高的折射率，有效补偿了因光栅散射造成的损耗并在把光局限在微环腔内，实验中使用半径25 µm内壁嵌入30 nm×30 nm角向光栅的微环谐振腔，平均腔模Q值高达3.1×105，如图3所示，该方案具有片上集成尺寸小、泵浦功率低、非线性转换效率高等优势。
图3 AlGaAsOI微环谐振腔的表征。(a)内壁嵌入角向光栅微环谐振腔的SEM图像;(b)耦合区域及角向光栅放大图;(c)叠加TE00模式电场分布的微环波导横截面SEM图;(d)微环谐振腔中零阶轨道角动量模式的透射谱，显示了约9.0GHz劈裂;(e)微环谐振腔中非零阶模式的透射谱;(f)带角向光栅的微环谐振腔和参考微环谐振腔的本征Q值分布。
基于该微环谐振腔，产生频率梳和轨道角动量空间模式的表征如图4所示。实验中使用连续激光器单波长激发可实现超过200 nm的宽带光学频率梳，并携带高达50阶OAM模式出射。对于片上出射的轨道角动量模式，实验中使用了多种方法进行验证，图4展示了利用片上耦合出来的高斯光频梳和轨道角动量光频梳干涉法和基于线偏振投影法检测OAM的阶数。
图4 轨道角动量频率梳的频谱和空间模式的表征。(a)轨道角动量频率梳的表征实验装置示意图;(b)微环谐振腔中产生轨道角动量频率梳的光谱分布;(c-f)轨道角动量阶数l = 4到l = -4的实验(c)和仿真(d)远场分布，及和参考光干涉后的实验(e)和仿真(f)电场强度分布。(g-j)轨道角动量阶数l = -5到l = -13的实验(g)和仿真(h)远场分布，及投影到线偏振后的实验(i)和仿真(j)电场强度分布。
在上述轨道角动量频率梳的基础上进一步精确调控，可以实现轨道角动量频率梳孤子态的产生，如图5(b，g)所示，此时频率梳的相位实现锁定，并产生约34 fs的孤子脉冲。在此基础上，通过引入二阶群速度色散(GDD)，可以实现具有自扭矩特性的时变OAM超快脉冲。如图5(a)所示的干涉光路可用于验证这种时空特性，一路用于引入GDD色散，另一路作为参考光并使用精确控制的位移台进行延时，使两路脉冲进行干涉，从而得到自扭矩脉冲光的光强和相位分布，并重建时空自扭矩脉冲光波包的三维信息。图5展示了频率间隔为500 GHz(b)和1000 GHz(g)两种孤子态的频谱和具有自扭矩特性的超快时变OAM脉冲光，分别对应单螺旋和双螺旋随时间变化的轨道角动量超快脉冲。
图5 基于轨道角动量频率梳孤子态合成具有自扭矩特性的时变轨道角动量脉冲光表征。(a)测试时空自扭矩脉冲光场的实验装置示意图;(b，g)孤子状态下梳齿间距为500 GHz(b)和1000 GHz(g)的轨道角动量频率梳的光谱分布;(c，h)OAM阶数分别为l = 4，5，6(c)和l = 6，8(h)合成自扭矩脉冲光的三维时空等值面强度分布的仿真结果，(d)和(i)为对应灰色平面的强度和相位分布;(e，j)实验中测得的单螺旋(FSR = 500 GHz)和双螺旋(FSR= 1000 GHz)自扭矩脉冲等值面强度分布，(f)和(k)为实验中对应提取的强度和相位分布。
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总结与展望
基于III-V族AlGaAsOI平台在内壁嵌入角向光栅的微环谐振腔首次实现轨道角动量频率梳的产生，并得到约34 fs的孤子脉冲。在频率梳相位锁定条件下，实现了频率间隔为500 GHz和1000 GHz两种孤子态下具有自扭矩特性且随时间变化的轨道角动量单螺旋和双螺旋超快脉冲，是国际上首次在集成化平台上实现空间轨道角动量模式、光学频率梳、时间孤子脉冲的多维度复杂时空光场联合调控。这种生成轨道角动量频率梳并应用到多维度时空光场调控的方法很容易拓展到其他产生光学频率梳的材料平台，如SiN、SiC、AlN和LiNbO3等，可以在不同光频段实现上述研究的拓展，而且可利用先进的微纳加工技术进行大规模的生产，实现小尺寸、可集成、可拓展的片上高维动态相干脉冲光源，为集成光子学利用片上集成微纳结构实现光与物质的相互作用提供了良好的平台，在非线性光子学和高维光量子信息处理具有潜在的应用前景。
中山大学物理学院陈波副研究员，丹麦科技大学Yueguang Zhou、Yang Liu、Chaochao Ye博士和上海理工大学曹前副研究员为文章共同第一作者，中山大学王雪华教授、刘进教授，丹麦科技大学Minhao Pu教授和上海理工大学詹其文教授为通讯作者。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目以及欧洲研究委员会(European Research Council, ERC)的大力支持。
