上海交大金贤敏、朱卡的团队发文：光子芯片中的轨道角动量与线动量锁定

近日，美国物理学权威应用期刊Physical Review Letters上以Locking Orbital Angular Momentum with Linear Momentum of Light为题发表最新研究成果，提出了一种在光子芯片内构建出截面呈阿基米德螺旋的手性波导，首次实现了光的轨道角动量与线动量的“一一锁定”。

上海交通大学物理与天文学院博士研究生王慧明、深圳国际量子研究院助理研究员陈媛博士和南京大学陈明远博士为本文的共同第一作者，上海交通大学物理与天文学院金贤敏教授、朱卡的教授、南京大学夏可宇教授、陆延青教授和新加坡国立大学仇成伟教授为论文的共同通讯作者。

轨道角动量（Orbital Angular Momentum, OAM）因其“无限维”自由度而成为突破光信息容量瓶颈的关键资源，但在片上平台中，由于正负拓扑荷 (±ℓ) 天然简并，高纯度、可编程OAM的产生与传输一直在芯片内难以实现。另一方面，光子内部自由度与传播方向的耦合是拓展光场调控维度的核心途径：自旋-动量锁定已在手性量子光学和拓扑光子学中催生出丰富现象，而轨道角动量这一高维自由度依旧缺乏对应的“锁定”机制。由于不同手性模式在常规波导中简并，片上无法选择性地产生特定OAM，成为集成高维信息处理的关键瓶颈。本文通过在光子芯片内引入阿基米德螺旋折射率分布的手性波导，首次实现OAM与线动量k的一一锁定，进而实现了高鲁棒、可编程的片上涡旋光生成，为高维光通信和量子技术提供了全新平台。

图1 | OAM-momentum locking原理图。a)和d) 常规单模波导不同方向的激发均为单模；b)和e) 普通环形波导不同方向的激发会同时产生不同手性的OAM模式； c)和f) 手性结构下不同方向的激发会选择性激发不同手性的OAM模式。

基于第三类手性发射器设计，团队在光子芯片内采用飞秒激光直写制备了截面呈阿基米德螺旋的螺旋波导：对于一阶设计（|ℓ| = 1），螺旋参数设为a₁ = 3 µm、b₁ = 0.30 µm rad⁻¹，实现当光沿+z方向输入时仅输出ℓ = +1涡旋、沿−z方向输入时仅输出ℓ = −1涡旋；而二阶设计（|ℓ| = 2）将参数增至a₂ = 4 µm、b₂ = 0.38 µm rad⁻¹，可在同一芯片内切换产生ℓ = ±2模式。实验通过在器件两端分别注入高斯光并测量输出OAM模式谱验证了OAM–momentum locking效应：正向入射时目标涡旋纯度维持在较高水平，反向入射则以同等纯度产生符号相反的涡旋，非目标模式被抑制至5–10%以下。

图2 | 片上手性OAM发射器示意图，插图为手性波导端面结构和实际加工出的器件显微图。

片上OAM器件要在微小尺度内精确操控OAM的模式；任何轻微工艺误差或环境漂移（温度、应力）都可能导致模式劣化，严重降低输出纯度。因此，器件鲁棒性成为能否走向大规模集成的关键指标。我们设计的手性结构从根本上解决了不同模式间的简并问题，通过人工势场的方式改变波导间模式带隙。因此在这里我们对器件鲁棒性给出了系统性验证：我们分别将耦合长度在3.6–4.4 mm范围内步进调整，并将飞秒激光写入功率在设计值附近多点取样，统计了25组器件的OAM模式谱。结果显示，无论是一阶还是二阶螺旋波导，目标涡旋的平均纯度始终保持在70–90%区间，非目标模式被抑制至5–10%以下，平均消光比超过10 dB；即便在最极端参数组合下，器件仍未出现纯度骤降，充分证明了OAM–Momentum Locking 架构对制造误差和外界扰动的天然免疫力，为片上高维光场的可编程操控奠定了可靠工程基础。

图3 | 不同设计参数下的手性OAM发射器的性能表征，上表面（橙色）为目标模式纯度占比，下表面（蓝色）为非目标模式纯度占比。

该工作首次在光子芯片上实现了OAM与线动量的锁定调控，为构建高维片上通信、量子信息处理提供了全新范式；同时，它也填补了自旋-动量锁定之外的另一类手性相互作用空白，为未来探索更多手性光子学现象、自由度间相互作用及高维复杂片上光学调控奠定了坚实基础。

本研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金委员会、上海市科学技术委员会、上海市教育委员会、上海市人才计划、量子科学与技术创新计划、江苏省创新人才与企业家计划、广东省自然科学基金等项目的资助。

论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/tttd-v936

作者： 叶丹 供稿单位： 物理与天文学院