首创！上海交大金贤敏团队研制出轨道角动量波导光子芯片

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来源：上海交通大学光子集成与量子信息实验室

【新智元导读】上海交通大学金贤敏团队研究成功世界上首个轨道角动量（OAM）波导光子芯片。使得未来在光子集成芯片内高效利用光子轨道角动量这一新兴的的自由度成为可能，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打开了大门。

12月7日，国际物理学权威期刊《物理评论快报》以“Mapping Twisted Light into and out of a Photonic Chip”为题，发表了上海交通大学金贤敏团队最新研究成果，该文报道了世界上首个轨道角动量（OAM）波导光子芯片。

并且同时作为Editors’ Suggestion和Featured in Physics 亮点文章（highlighted article）在PRL网站首页重点推荐。美国物理学会的《物理》期刊也做了同步发表亮点文章。

这是首次在光芯片内制备出可携带光子轨道角动量自由度的光波导，并实现在波导内高效和高保真地传输。

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这一新兴的的自由度成为可能，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打开了大门。

研究组发表文章前已经为该波导芯片申请了发明专利。

带有螺旋形波阵面的轨道角动量光子通过芯片内的波导

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10微米

近年来，由于扭曲光（twisted light）独特的特性，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，使其被广泛地应用于光束缚、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，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与高维量子计算的实现。

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。

审稿人对该项成果给予了高度评价：

1. “the first demonstration of OAM transmission through a waveguide on chip”（首个在芯片的波导上演示了轨道角动量的传输实验）
2. “the first OAM carrying waveguide chip”（首个可携带轨道角动量的波导芯片）
3. “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”（首个迈向轨道角动量集成结构的有前景的一步，同时对于整个光学领域和扭曲光来说是重要的一步）

由于此项研究的重大意义，国际物理学权威期刊《物理评论快报》不仅将金贤敏团队的这篇文章遴选为编辑推荐，同时还邀请了过去20年来一直在国际顶级期刊《Nature》做编辑的Philip Ball撰写了 Twisted Light in a Photonic Chip [Physics 11, 125 (2018)]进行深入报道。

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，感谢中组部青年千人计划、国家重点研发计划、上海市教委和上海交大致远学院的大力支持。