上海交通大學金賢敏團隊研究成功世界上首個軌道角動量（OAM）波導光子芯片。使得未來在光子集成芯片內高效利用光子軌道角動量這一新興的的自由度成為可能，為基于光子軌道角動量自由度的光信息以及量子信息技術芯片化集成化打開了大門。

12月7日，國際物理學權威期刊《物理評論快報》以“Mapping Twisted Light into and out of a Photonic Chip”為題，發(fā)表了上海交通大學金賢敏團隊最新研究成果，該文報道了世界上首個軌道角動量（OAM）波導光子芯片。

并且同時作為Editors’ Suggestion和Featured in Physics 亮點文章（highlighted article）在PRL網(wǎng)站首頁重點推薦。美國物理學會的《物理》期刊也做了同步發(fā)表亮點文章。

這是首次在光芯片內制備出可攜帶光子軌道角動量自由度的光波導，并實現(xiàn)在波導內高效和高保真地傳輸。

這項研究進展使得未來在光子集成芯片內高效利用光子軌道角動量這一新興的的自由度成為可能，為基于光子軌道角動量自由度的光信息以及量子信息技術芯片化集成化打開了大門。

研究組發(fā)表文章前已經(jīng)為該波導芯片申請了發(fā)明專利。

帶有螺旋形波陣面的軌道角動量光子通過芯片內的波導

顯微鏡下所觀察到的“甜甜圈”型波導的橫截面，波導直徑約為10微米

近年來，由于扭曲光（twisted light）獨特的特性，具有“甜甜圈”分布的強度結構，螺旋型波陣面的位相結構，攜帶軌道角動量的動態(tài)特性，使其被廣泛地應用于光束縛、光操縱以及光鉗等領域。

不同于光的自旋角動量，軌道角動量擁有無限的拓撲荷和內在的正交性，可以為模式多路分發(fā)提供巨大的資源，用于解決通信系統(tǒng)上信道容量緊縮的問題。

而在量子光學與量子信息領域，光子軌道角動量，作為內秉的無限維的自由度，可將其用于分發(fā)高維的量子態(tài)以及構建高維希爾伯特空間的量子計算機。

大規(guī)模地應用軌道角動量超越原理性的驗證迫切地要求發(fā)展集成器件將軌道角動量傳輸、產(chǎn)生以及操縱于一體化。

之前的工作，不論是利用可控的位相陣列，還是微環(huán)共振腔產(chǎn)生軌道角動量，均是將軌道角動量輻射到自由空間中，無法存在于芯片內部。

金賢敏團隊通過飛秒激光直寫技術制備了首個波導橫截面為“甜甜圈”型的三維集成的軌道角動量波導光子芯片，使得軌道角動量這一新興自由度在芯片內操控得以在實驗中首次實現(xiàn)。

這也將促進未來光子集成芯片上高維量子信息與高維量子計算的實現(xiàn)。

傳統(tǒng)的波導，由于其有效折射率過小而不能分開幾乎簡并的軌道角動量模式。

研究組通過三維飛秒激光直寫技術得到的“甜甜圈”波導可以有效地將簡并的軌道角動量模式分開。

此“甜甜圈”型波導是由12根相互之間有輕微重疊的波導和高折射率芯所組成的。

通過測量從芯片出來的扭曲光與參考光的干涉以及對芯片前后的態(tài)作投影測量，實驗驗證了此波導可以高效高保真地傳輸?shù)碗A軌道角動量模式，特別是傳輸總效率高達60%。

對于高階模式，目前加工出來的波導，會讓其轉化為低階模式。同時實驗發(fā)現(xiàn)，此波導也可以高保真地傳輸三比特的“qutrit”態(tài)，超越了傳統(tǒng)的兩比特的“qubit”態(tài)。

這暗示著此波導將很有潛力可以用于高維量子態(tài)的傳輸與操控。

審稿人對該項成果給予了高度評價：

“the first demonstration of OAM transmission through a waveguide on chip”（首個在芯片的波導上演示了軌道角動量的傳輸實驗）

“the first OAM carrying waveguide chip”（首個可攜帶軌道角動量的波導芯片）

“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”（首個邁向軌道角動量集成結構的有前景的一步，同時對于整個光學領域和扭曲光來說是重要的一步）

由于此項研究的重大意義，國際物理學權威期刊《物理評論快報》不僅將金賢敏團隊的這篇文章遴選為編輯推薦，同時還邀請了過去20年來一直在國際頂級期刊《Nature》做編輯的Philip Ball撰寫了 Twisted Light in a Photonic Chip [Physics 11, 125 (2018)]進行深入報道。

研究團隊感謝上海市科委重大項目和國家自然科學基金重點項目的雪中送炭，感謝中組部青年千人計劃、國家重點研發(fā)計劃、上海市教委和上海交大致遠學院的大力支持。