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北京大学Nature Photonics,光子芯片最新进展!!

时间:2024-04-07 来源: 浏览:

北京大学Nature Photonics,光子芯片最新进展!!

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研究背景
光学频率梳(Optical Frequency Comb,OFC)技术是一种在频率域中具有均匀间隔、互相相干的光谱线集合,为大规模数据传输和处理提供了成熟的工具。而轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM)则是光的另一个重要属性,通过空间拓扑电荷进行量化,其螺旋波前和相位奇点为光学应用带来了新的可能性。然而,将OAM与OFC相结合存在一些挑战。传统上,将OAM编码到OFC需要复杂的实验装置,包括波长分配器、指定相位模式和空间相位调制器等大型光学元件。此外,在微观尺度上实现对OAM的生成和探测也是一个挑战,需要克服微观系统中的多种限制。
针对这些挑战,北京大学物理学院现代光学研究所肖云峰、刘文静、杨起帆教授等科学家们开始探索微光子学作为一个解决方案。光学微腔被引入作为一种新兴平台,其中搅拌场模式自然携带OAM,并且具有足够高的Q因子以支持OFC的紧凑生成。本研究中,科学家们通过在非线性环微腔中形成耗散光孤子,并借助刻蚀的角光栅,实现了对OAM和频率的联合控制。通过这种方法,他们成功地创造了一种称为漩涡孤子微梳的高度多路复用的相干OAM源。以上成果于Nature Photonics期刊发表题为Integrated vortex soliton microcombs的最新科研论文。
 
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科学贡献
在图1中,研究者通过示意图展示了漩涡孤子微梳的操作原理。连续波泵浦激光通过总线波导进入微腔,经过强烈的共振能量积聚,通过四波混频激发了一系列纵向模式中的光学旁带。调节泵浦激光的频率,使得旁带的相位同步调整,形成了光孤子微梳。通过在微腔的内周刻蚀一组角光栅,使得微梳能够被发射到自由空间中。。通过这些图表,研究者可以直观地展示他们的研究成果,同时也为其他科学家提供了重要的参考和理解。这些结果对于理解光子学中频率和OAM之间的相互作用,以及微腔技术在光学器件中的应用具有重要意义
图1.  基涡旋孤子微梳
图2则展示了Si3N4微腔涡流发射器的设备特性。首先,研究者通过扫描电子显微镜图像展示了微腔的结构,包括波导、微腔和角光栅。然后,通过图示的模式家族色散曲线,研究者说明了微腔中不同模式的色散特性。他们进一步测量了微腔非分裂模式和分裂模式的传输光谱,并且得到了微腔的固有品质因子和频率分裂值。最后,研究者通过模态分解方法对微腔作为涡流发射器的性能进行了评估,并且发现了其高纯度的OAM发射性能
图2.  Si3N4微谐振器涡流发射器
在图3中,研究者首先展示了单孤子微梳的光谱特性。光谱呈现出典型的sech^2包络,跨越了超过40 THz的频率范围。通过实验设置,研究者成功地识别了每个梳线携带的轨道角动量(OAM)状态,将它们分为14个不同的光涡旋。图3b展示了左旋圆偏振干涉图案,通过这些图案可以确定每个梳线的拓扑电荷。这些实验结果对于理解光的频谱特性以及梳线携带的OAM信息具有重要意义
图3. 涡旋孤子微梳的光谱特性
在图4中,研究者进一步分析了漩涡孤子微梳的空间-时间特性。通过数值模拟和实验测量,他们重构了发射光束的三维轮廓,并观察到其动态旋转的双螺旋强度轮廓。这种特殊的光场被归类为“光弹簧”,这是空间-频率相关的典型结果。图4的结果揭示了漩涡孤子微梳具有独特的空间和时间特性,为进一步研究其应用和光学性质提供了重要的见解
图4. 涡旋孤子微梳的时空特性

研究者展示了图5中的漩涡光谱学,旨在将光频率梳的概念转化为漩涡微梳,并实现漩涡光谱学。该方法能够一次性识别频率域中的拓扑电荷分布。在实验设置中,光束通过一个反射式空间光调制器(SLM),该器件编码了全息图案,模拟了自由空间通信通道中的湍流气旋(见图5a)。相位模式的变化调制了漩涡孤子微梳的横截面轮廓,这些轮廓被进一步傅里叶变换以获得光谱信息。通过阻挡具有非零轨道角动量的分量,只保留了具有l = 0的分量,从而产生了只包含特定拓扑电荷的光谱。图5b显示了当模式的拓扑电荷变化时,梳线的传输功率被归一化,并且每个梳线仅响应于特定的拓扑电荷。通过比较预设值和测量结果,研究者证明了测量的拓扑电荷权重与预设值之间的显著一致性(见图5c)。这项研究提供了一种新颖的方法,可以快速而准确地测量光束中的拓扑电荷分布,为光通信和光学成像等领域的应用提供了重要参考

图5. 涡旋光谱

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科学启迪
文揭示了光的空间和频率自由度之间的相关性,为生成、操控和检测结构光提供了新的范式。通过实现漩涡孤子微梳,作者展示了如何在微型光子芯片上实现对光的频率和轨道角动量的精确控制。这一研究不仅拓展了光学频率梳的应用领域,还为光学领域提供了新的研究思路和方法。作者提出的新型光谱学方法和超纠缠量子频率梳的概念不仅具有重要的基础科学意义,而且具有潜在的应用前景。此外,本研究还强调了微型光子学在光子学和量子信息处理等领域的重要性,并为未来光子学设备的设计和制造提供了新的思路和方向。因此,本文的科学启示在于为光学研究和应用开辟了新的可能性,推动了光子学领域的进一步发展和创新
原文详情:
-- Liu, Y., Lao, C., Wang, M. et al. Integrated vortex soliton microcombs. Nat. Photon. (2024). https://doi.org/10.1038/s41566-024-01418-x. https://www.nature.com/articles/s41566-024-01418-x

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