集成光学涡旋微梳

Bo Chen, Yue-Guang Zhou, Yang Liu, Chao-Chao Ye, Qian Cao, Pei-Nian Huang, Chan-Ju Kim, Yi Zheng, Leif Katsuo Oxenløwe, Kresten Yvind, Jin Li, Jiaqi Li, Yan-Feng Zhang, Chun-Hua Dong, Song-Nian Fu, Qi-Wen Zhan, Xue-Hua Wang, Min-Hao Pu and Jin Liu, Integrated optical vortex microcomb, Nature Photonics 18(6): 625-631 (2024). 

具有螺旋相位前的光子可以携带无限但量子化的轨道角动量，因此是一种应用于基础物理学、光通信和量子光子学的可行技术。微盘或微环之类的圆形光学谐振器可以维持自然携带轨道角动量的回音壁模。在回音壁模谐振器中引入周期性角光栅会将回音壁模集中散射到自由空间，从而在片上发射光学涡旋。与用于涡旋发射器的其他片上解决方案相比，例如，超表面、叉形光栅微谐振器和涡旋发射器，由于光子寿命延长和光强度增强，可以从强的光物质相互作用中获益。例如，腔量子电动力学效应可显著地增强自发辐射和受激辐射，促进实现高效轨道角动量单光子源和低阈值涡旋微激光器。到目前为止，基于无源或有源微环的光学涡流发射器都是单色运行。另一方面，集成微谐振器在非线性材料中能够实现kerr梳的产生，为计时、电信、化学传感、测距等应用带来革命性的变化。与轨道角动量发射器不同，微梳依赖于具有高品质因子和极低空腔往返损耗的微谐振器。尽管微谐振器支持轨道角动量和kerr梳的产生，但基于微谐振器的涡旋发射器和梳发生器在空腔结构散射方面的要求相互矛盾（前者依赖于光散射，而后者需要有效抑制光散射），因此彼此发展一直相互脱节。

所研究的器件由一个高品质因子微环组成，其内侧壁光栅由AlGaAsOI平台制成，呈现紧密模式低阈值的约束和强光学非线性，适用于低阈值微梳的产生。涡旋微梳（图1）由连续波泵浦驱动，该泵浦可在微环的相邻回音壁模之间初始化光学参数振荡和级联四波混合，产生等距边带的微梳。每个梳线对应于具有方位角数为m的回音壁模式，其中角光栅在发射的光学涡旋和回音壁模式之间建立模式关系。生成的梳线（回音壁模）向上射入到自由空间中，其形成具有拓扑荷为l=sgn(m)(/m/−N)的多个光学涡旋，其中符号函数sgn(m)由逆时针方向（sgn(m)=1）和顺时针方向（sgn(m)=−1）回音壁模决定，N是角光栅的周期数。将涡流梳通过色散介质，就能产生具有时变轨道角动量的自扭矩脉冲。

该器件是在AlGaAsOI平台上制造的（图1）。图2a显示了25 μm半径的微环与总线波导耦合的扫描电子显微镜图像。图2b显示了放大的耦合区域，在该区域可以清楚地识别角光栅。为了减少在轨道角动量微环中的基模TE₀₀的散射损失，使用截面尺寸为380 nm×750 nm的多模式波导。在图2c中，展现了微环的截面扫描电子显微镜图像，并叠加了TE₀₀模式的场分布。光栅突起被设计为30 nm以实现高效的涡旋发射和高Q值的梳状光束生成。在设计中总共应用了274个角光栅，使得具有零阶轨道角动量的回音壁模属于电信C波段。图2d,e展现了角光栅装饰的微环不同谐振特性的典型透射光谱。在图2d中可以观察到9.0 GHz的明显模式分裂，这是涡旋发射器零阶（l＝0）空腔谐振的固有特征。对于非零拓扑荷的典型谐振，如图2e所示。模式分裂可忽略不计，得到的本征品质因子值为3.1×10⁵。图2f显示了光学涡旋发射器和参考微环（无角光栅）的品质因子分布。尺寸为30 nm×30 nm的光栅有效地将回音壁模散射到自由空间，同时保持合理高的品质因子，通过腔增强的非线性光学过程有效的产生频率梳。

表征涡旋梳的实验装置，如图3a所示。图3b显示了从1480 nm到1680 nm范围内完整梳状光谱。所有生成的梳线被嵌入的角光栅射入到自由空间中，并用离片透射光栅进一步空间分离，以解析不同的轨道角动量模式。研究人员使用安装在可移动台上的具有高灵敏度电荷耦合器件，从l=4到l=−4成像了每个光学旋涡的远场模式。远场发射的直接成像导致顺时针和逆时针方向干涉图样（图3c），其可以通过将内部偶极源放置在微环中的数值模拟准确的再现（图3d）。这样的干涉行为在低品质因子GaAs和高品质因子SiN微环的光学涡流中很容易地观察到。理论和实验都证明，带有角光栅的微环产生的圆柱形矢量涡旋可以转换为拓扑荷为∣l+1∣的右旋圆偏振光束和拓扑荷为∣l−1∣的左旋圆偏振光束。因此，通过将向上发射的光子与波导输出端发射的参考光束进行干涉，可以进一步证实了轨道角动量的性质（图3e）。在干涉之前采用四分之一波片将拓扑荷为l的矢量参考光束投影在圆偏振基上，形式l′=|l−1|的左旋偏振光。因此，如数值模拟所证实的，测得的干涉图显示出螺旋臂等于∣l−1∣。发射的涡旋在右侧l′=|l+1|的圆偏振光束的投影显示的成分几乎等于左侧成分。对于具有大拓扑荷的涡旋光束，例如，l=−5到l=−13，由于腔场的方位角分量和径向成分的叠加，顺时针和逆时针方向干涉图表现出卷积模式，这使得定量比较实验和仿真之间的所有特征具有挑战性（图3g,h）。此外，对于高阶涡旋光束，螺旋臂变得模糊（图3e,f），无法进行清晰识别拓扑荷。为了可靠地提取涡旋光束的高阶拓扑荷，研究人员将顺时针和逆时针方向干涉图案投影到线偏振基上，形成清晰的反模数等于l′=2|l−1|的驻波图案（图3i,j）。使用这种方法成功地量化了高达25的拓扑荷。

涡旋微梳可直接用于研究基本光学物理，探索先进的光子技术。特别是，设备发射的光束具有轨道角动量和频率相关性，这与最近在产生时空光弹簧方面取得的突破非常吻合。通过进一步引入不同模式之间的特定相位关系，光弹簧可以表现出时变轨道角动量。自扭矩脉冲为研究光学领域中角动量的自发的时间变化提供了前所未有的机会，类似于带电粒子辐射反应或引力自场。到目前为止，这种自扭矩脉冲仅通过高次谐波产生过程或通过嵌入傅立叶变换设置中的超表面产生。然而，前一种情况的波长仅限于高次谐波产生过程中的极紫外区域，而后一实验中的轨道角动量阶数则受到超表面的限制。然而，图4表明，自扭矩光脉冲可以用涡旋微梳合成。产生和表征自扭矩脉冲的装置，如图4a所示。向上发射的梳状光通过带通滤波器传播（以去除泵浦并选择目标梳线，从而更好地分辨不同的轨道角动量特征），随后进入马赫-曾德尔干涉仪，用于自扭矩脉冲的产生和表征。在马赫-曾德尔干涉仪的一个臂中，通过空间光调制器将群延迟色散相位引入发射光的线偏振分量，以形成具有时变轨道角动量的光脉冲。在另一个臂上，梳状发射光束穿过空间滤波器和光学延迟线，用作参考光束，与自扭矩脉冲发生干涉，来表征动态轨道角动量。

注意，空间滤波器被特意放置在与空间光调制器具有相同取向的线性偏振的局部场中。因此，由于偏振失配，发射的其他偏振分量在干涉过程中被有效地过滤掉。为了在不同梳线之间保持稳定的相位以产生自扭矩脉冲，在孤子状态下操作微梳（图4b）。噪声测量结果证实了微腔的孤子特征。通过使用空间光调制器进行的进一步定量模式分解。发射涡旋中的逆时针方向分量比其顺时针方向分量更强。对强度变化低于1 dB的三条梳线（l=4、5和6）进行滤波，以产生自扭矩脉冲（图4b红线区域）。模拟的目标自扭矩脉冲的时空剖面图以等值面图的形式显示在4c图，聚焦于主瓣的分布并在不同时间的强度和相位上表现出不同的轨道角动量（图4d）。实验产生的自扭矩光脉冲在图4e中重建。其动态轨道角动量，如图4f所示。显示出与数值模拟很好的一致性。在图4g中进一步显示了，微梳可以在具有2个自由光谱范围模式间隔的孤子状态下操作。通过光谱选择对应于l=6和8的梳线，获得了双螺旋自扭矩光束，如图4h,i中的数值计算和图4j,k中的实验所示。

与高次谐波产生和其他方法相比使用涡旋微梳产生自扭矩时空脉冲具有显著优势。首先，涡旋梳只需要连续波激光器，而不需要高功率超快脉冲激光器。第二，轨道角动量的拓扑结构的定量可以通过调整梳状状态的自由光谱范围进行通用设计，这在高次谐波产生方法无法实现的。第三，通过采用不同的材料平台，涡旋梳的自扭矩光束的频率可以直接从可见光扩展到中红外。最后，集成装置更小型，适用于使用现代纳米制造技术进行大规模生产。