近日，北京大学物理学院现代光学研究所、人工微结构和介观物理国家重点实验室和纳光电子前沿科学中心“极端光学创新研究团队”杨起帆研究员、刘文静研究员、肖云峰教授以及龚旗煌院士等人合作，实验上首次基于光子芯片获得了携带轨道角动量特性的光学频率梳。2024年3月29日，相关研究成果以“集成涡旋孤子微梳”（Integrated vortex soliton microcombs）为题，发表于《自然•光子学》（Nature Photonics）。
光学频率梳脱胎于飞秒锁模激光器，由一系列均匀间隔且具有相干稳定相位关系的频率分量组成，是测量和控制光学频率最精密的工具，在光谱学、微波光子学、计量学、激光雷达等领域有广泛应用，并获得了2005年的诺贝尔物理学奖。近些年高品质因子光学微腔的发展，使得在光子芯片上产生光学频率梳成为了可能，有望大大拓展光学频率梳的应用场景。
光学“梳“的概念可以进一步拓展到除了频率维度以外的其他维度。例如，在空间维度上，光场可以具备离散的轨道角动量（Orbital angular momentum, OAM）。将频率与OAM这两个独立的物理属性在梳状结构上相互关联，可以将对OAM的调控与测量转换到频率维度上，从而解决之前创建、处理和检测高维OAM光场所带来的硬件复杂度问题，也可以催生新型时空光场和光学计量方法。但是，在光子芯片上实现该功能仍然面临一系列挑战。
图1. 涡旋孤子微梳原理展示。
在之前的研究中人们已经发现光学微腔中的回音壁模式能够通过角光栅结构垂直发射到自由空间中，并在此过程中携带与光的频率对应的OAM。研究团队提出，利用连续光泵浦带有角光栅结构的高品质因子光学微腔时，不仅可以产生孤子锁模的光梳，而且其产生的光学边带会根据频率不同发射出携带不同OAM的光束（如图1所示）。根据此原理，研究团队进一步利用微纳加工技术，在800纳米厚的氮化硅薄膜上制造了自由光谱范围为1THz、带有角光栅的微环腔。通过设计角光栅的构型，能够在保持微腔高品质因子的同时，以较高效率发射出高纯度的OAM光束。在微环腔处于非激射工作条件下时，通过模式分解测量，该器件在测量范围内的OAM纯度达到了80%以上，这证明了光栅加工的高度一致性和均匀性。
研究团队通过将高斯光与涡旋孤子微梳相干涉，并利用光栅分离不同光学频率，成功在CCD上观测到OAM特有的悬臂图案，从而证实了OAM与频率的一一对应关系，如图2所示。
图2. 涡旋孤子微梳的频谱特性。a, 单孤子的光谱和 sech2 包络拟合。b, 涡旋孤子的左旋成分和高斯光束的干涉图案。每个图案对应于a图着色区域内的一根梳齿。
此外，研究团队还测量了涡旋孤子光梳的时空结构，发现其光场强度在远场呈现螺旋结构，与理论预测相符，如图3所示。
图3. 涡旋孤子微梳的时空结构表征。a, 不同时间延迟下的横截面的电场强度和实部分布的测量和模拟结果。b, 光束强度的时空演化重构的测量和模拟结果。
最后，该研究还展示了涡旋光谱学的概念，即利用涡旋微梳一次性识别频域中拓扑荷分布的可能性。实验中，涡旋微梳被用于测量光学路径中的拓扑荷分布，并通过全息图案编码模拟自由空间通信通道中的湍流空气涡旋。如图4所示，实验结果与模拟数据高度一致，展现了这一技术在新型光谱分析和高维度光学编码方面的巨大潜力。
图4. 涡旋光谱学。a, 实验设置示意图。b, 梳齿阶数和具有单一阶数的拓扑荷图案的归一化传输矩阵。将每根梳齿对所有图案中的最大接收功率设置作为归一因子。c, 三种预设图案的拓扑荷权重的测量值和设定值的比较。
北京大学物理学院2020级博士研究生刘炎武和2018级博士生劳成昊（现北京大学博士后）为论文共同第一作者；杨起帆、刘文静和肖云峰为论文共同通讯作者。合作者还包括北京大学物理学院王剑威教授与龚旗煌院士，中国科学院物理研究所李贝贝教授，北京理工大学高春清教授与付时尧教授，中国科学院物理研究所博士生王敏，北京大学物理学院博士研究生程寅恪和王元蕾。
上述研究工作得到了国家重点研发计划、北京市自然科学基金、国家自然科学基金及人工微结构和介观物理国家重点实验室和纳光电子前沿科学中心的大力支持。
论文原文链接：https://www.nature.com/articles/s41566-024-01418-x
