軌道角動量波導光子晶片

軌道角動量波導光子晶片是上海交通大學金賢敏團隊研製出的全球首個光子晶片。軌道角動量波導光子晶片是首次在光晶片內製備出可攜帶光子OAM自由度的光波導，並實現光子OAM在波導內高效和高保真地傳輸。

2018年12月，上海交通大學金賢敏團隊研製出了全球首個軌道角動量（OAM）波導光子晶片。

基本介紹

• 中文名：軌道角動量波導光子晶片
• 研發：金賢敏團隊
• 發布時間：2018年12月
• 特點：全球首個光子晶片

研發背景

由於扭曲光（twisted light）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OAM的動態特性，被廣泛用於光操縱、光鉗等領域。不同於光的自旋角動量，OAM擁有無限的拓撲荷和內在正交性，可用於解決通信系統信道容量緊縮的問題。

而在量子信息等領域，光子OAM可用於分發高維量子態以及構建高維量子計算機。

但大規模套用OAM需要將其傳輸、產生及操縱一體化，而此前的研究均無法讓OAM存在於晶片內部。

研發過程

金賢敏團隊通過飛秒雷射直寫技術，製備了首個波導橫截面為“甜甜圈”型的三維集成OAM波導光子晶片。通過測量從晶片出來的扭曲光與參考光的干涉，以及對晶片前後的態進行投影測量，實驗證實，此波導可高效高保真地傳輸低階OAM模式，傳輸總效率達60%；且該波導會將高階模式轉化為低階模式。此外，該波導也可高保真地傳輸三比特的“高維量子比特（qutrit）”態，超越傳統兩比特的“量子比特（qubit）”態，表明此波導有潛力用於高維量子態的傳輸與操控。

帶有螺旋形波陣面的軌道角動量光子通過晶片內的波導

產品套用

金賢敏希望該晶片首先能用於高通量光通信領域；而英國聖安德魯斯大學光操控專家基山·多拉基亞認為，新晶片有望為量子光學和成像等領域開闢新天地。金賢敏團隊已為該波導晶片向國家知識產權局申請了發明專利。

產品評價

審稿人對該項成果給予了高度評價：

1. “the first demonstration of OAM transmission through a waveguide on chip”（首個在晶片的波導上演示了軌道角動量的傳輸實驗）
   
2. “the first OAM carrying waveguide chip”（首個可攜帶軌道角動量的波導晶片）
   
3. “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，同時對於整個光學領域和扭曲光來說是重要的一步）