近日，beat365官方网站現代光學研究所、人工微結構和介觀物理國家重點實驗室、納光電子前沿科學中心“極端光學創新研究團隊”楊起帆研究員、劉文靜研究員、肖雲峰教授以及龔旗煌院士等人合作，在實驗上首次基于光子芯片獲得了攜帶軌道角動量特性的光學頻率梳。2024年3月29日，相關研究成果以“集成渦旋孤子微梳”（Integrated vortex soliton microcombs）為題，發表于《自然•光子學》（Nature Photonics）。

光學頻率梳脫胎于飛秒鎖模激光器，由一系列均勻間隔且具有相幹穩定相位關系的頻率分量組成，是測量和控制光學頻率最精密的工具，在光譜學、微波光子學、計量學、激光雷達等領域有廣泛應用，并獲得了2005年的諾貝爾物理學獎。近些年高品質因子光學微腔的發展，使得在光子芯片上産生光學頻率梳成為了可能，有望大大拓展光學頻率梳的應用場景。

光學“梳“的概念可以進一步拓展到除了頻率維度以外的其他維度。例如，在空間維度上，光場可以具備離散的軌道角動量（Orbital angular momentum, OAM）。将頻率與OAM這兩個獨立的物理屬性在梳狀結構上相互關聯，可以将對OAM的調控與測量轉換到頻率維度上，從而解決之前創建、處理和檢測高維OAM光場所帶來的硬件複雜度問題，也可以催生新型時空光場和光學計量方法。但是，在光子芯片上實現該功能仍然面臨一系列挑戰。

圖1.渦旋孤子微梳原理展示。

在之前的研究中人們已經發現光學微腔中的回音壁模式能夠通過角光栅結構垂直發射到自由空間中，并在此過程中攜帶與光的頻率對應的OAM。研究團隊提出，利用連續光泵浦帶有角光栅結構的高品質因子光學微腔時，不僅可以産生孤子鎖模的光梳，而且其産生的光學邊帶會根據頻率不同發射出攜帶不同OAM的光束（如圖1所示）。根據此原理，研究團隊進一步利用微納加工技術，在800納米厚的氮化矽薄膜上制造了自由光譜範圍為1THz、帶有角光栅的微環腔。通過設計角光栅的構型，能夠在保持微腔高品質因子的同時，以較高效率發射出高純度的OAM光束。在微環腔處于非激射工作條件下時，通過模式分解測量，該器件在測量範圍内的OAM純度達到了80%以上，這證明了光栅加工的高度一緻性和均勻性。

研究團隊通過将高斯光與渦旋孤子微梳相幹涉，并利用光栅分離不同光學頻率，成功在CCD上觀測到OAM特有的懸臂圖案，從而證實了OAM與頻率的一一對應關系，如圖2所示。

圖2. 渦旋孤子微梳的頻譜特性。a, 單孤子的光譜和 sech²包絡拟合。b, 渦旋孤子的左旋成分和高斯光束的幹涉圖案。每個圖案對應于a圖着色區域内的一根梳齒。

此外，研究團隊還測量了渦旋孤子光梳的時空結構，發現其光場強度在遠場呈現螺旋結構，與理論預測相符，如圖3所示。

圖3. 渦旋孤子微梳的時空結構表征。a, 不同時間延遲下的橫截面的電場強度和實部分布的測量和模拟結果。b, 光束強度的時空演化重構的測量和模拟結果。

最後，該研究還展示了渦旋光譜學的概念，即利用渦旋微梳一次性識别頻域中拓撲荷分布的可能性。實驗中，渦旋微梳被用于測量光學路徑中的拓撲荷分布，并通過全息圖案編碼模拟自由空間通信通道中的湍流空氣渦旋。如圖4所示，實驗結果與模拟數據高度一緻，展現了這一技術在新型光譜分析和高維度光學編碼方面的巨大潛力。

圖4.渦旋光譜學。a,實驗設置示意圖。b,梳齒階數和具有單一階數的拓撲荷圖案的歸一化傳輸矩陣。将每根梳齒對所有圖案中的最大接收功率設置作為歸一因子。c,三種預設圖案的拓撲荷權重的測量值和設定值的比較。

beat365官方网站2020級博士研究生劉炎武和2018級博士生勞成昊（現beat365博士後）為論文共同第一作者；楊起帆、劉文靜和肖雲峰為論文共同通訊作者。合作者還包括beat365官方网站王劍威教授與龔旗煌院士，中國科學院物理研究所李貝貝教授，北京理工大學高春清教授與付時堯教授，中國科學院物理研究所博士生王敏，beat365官方网站博士研究生程寅恪和王元蕾。

上述研究工作得到了國家重點研發計劃、北京市自然科學基金、國家自然科學基金及人工微結構和介觀物理國家重點實驗室和納光電子前沿科學中心的大力支持。

論文原文鍊接：https://www.nature.com/articles/s41566-024-01418-x