中大新聞網(wǎng)訊（通訊員林銳娜）近日，中山大學(xué)電子與信息工程學(xué)院（微電子學(xué)院）、光電材料與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室張彥峰、余思遠(yuǎn)課題組在探索更高維度空間的相干光束產(chǎn)生方面取得了突破，成功在單個(gè)氮化硅微環(huán)上實(shí)現(xiàn)頻率和拓?fù)浜啥S參數(shù)空間的相干光頻梳。該成果以“Coherent Optical Comb Generation in the Joint Space of Frequency and Topological Charge”為題，2024年1月31日在線(xiàn)發(fā)表于Laser & Photonics Reviews，博士生李嘉琦和曾世豪為共同第一作者，張彥峰副教授、余思遠(yuǎn)教授為共同通訊作者。
在過(guò)去的十多年里，基于片上集成器件對(duì)光的相干性在空間和頻率維度的探索取得了顯著進(jìn)展，分別是集成渦旋光發(fā)射器和集成微腔光頻梳（圖1a）。其中，前者通過(guò)在微環(huán)側(cè)壁上刻蝕角向光柵將腔內(nèi)光場(chǎng)輻射到空間中形成攜帶軌道角動(dòng)量（orbital angular momentum，OAM）的渦旋光束，后者則利用微環(huán)的Kerr非線(xiàn)性將連續(xù)波泵浦光轉(zhuǎn)化為具有等頻率間隔的多波長(zhǎng)光源，即光學(xué)頻率梳。
張彥峰、余思遠(yuǎn)課題組近年來(lái)一直致力于發(fā)展超低損耗氮化硅光子集成材料低溫制備技術(shù)，并基于制備的高品質(zhì)因子微環(huán)開(kāi)展集成OAM發(fā)射器和微腔光頻梳的研究。在集成OAM發(fā)射器方面，將材料平臺(tái)拓展到低損耗的氮化硅平臺(tái)，并提出了一種光子橫向自旋和軌道角動(dòng)量耦合的新途徑Nature Communications, 9, 926 (2018)。在集成微腔光頻梳方面，實(shí)現(xiàn)了世界首例CMOS全兼容氮化硅微環(huán)相干孤子光頻梳芯片Photonics Research, 10(5), 1290-1296 (2022)，并在帶有側(cè)壁光柵的微環(huán)內(nèi)實(shí)現(xiàn)了高能量效率、高光譜對(duì)稱(chēng)性的光頻梳產(chǎn)生Communications Physics, 6, 335 (2023)。
圖1. (a) 2012年以來(lái)，在集成渦旋光發(fā)射器和集成微腔光頻梳領(lǐng)域取得的重大突破；(b) 在一個(gè)帶有側(cè)壁光柵的微環(huán)諧振腔內(nèi)產(chǎn)生的相干光學(xué)頻率梳（f-l comb）示意圖，每根梳齒都攜帶有不同的OAM拓?fù)浜伞?/p>
最近，張彥峰、余思遠(yuǎn)研究團(tuán)隊(duì)將基于微環(huán)的渦旋光發(fā)射器和微腔光頻梳相結(jié)合，提出并通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了一種同時(shí)攜帶不同頻率（f-）和拓?fù)浜?l-)的二維光梳（圖1b）。由于微腔光頻梳的梳齒頻率天然地與微環(huán)諧振相匹配，只需要在微環(huán)內(nèi)引入角向光柵即可將光學(xué)頻率梳映射到OAM拓?fù)浜煽臻g，共軸地輻射出每根梳齒攜帶不同拓?fù)浜蓴?shù)的f-l梳。該光頻梳實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵在于高品質(zhì)因子（Q）的光柵微環(huán)器件制備，如圖2a所示。研究團(tuán)隊(duì)基于自主開(kāi)發(fā)的低損耗氮化硅平臺(tái)，通過(guò)合理地設(shè)計(jì)光柵尺寸，成功在高Q氮化硅光柵微環(huán)中實(shí)現(xiàn)了相干光頻梳的產(chǎn)生（圖2c-d），并對(duì)輻射到自由空間中的OAM光梳進(jìn)行了表征（圖2b，e-f），證實(shí)了f-l梳中的頻率-拓?fù)浜神詈详P(guān)系。還可以進(jìn)一步通過(guò)改變泵浦波長(zhǎng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)f-l梳的重構(gòu)，該研究團(tuán)隊(duì)在工作中展示了從1倍FSR到11倍FSR的梳齒間隔調(diào)控。除了頻域（f-）下泵浦光和諧振模式之間的調(diào)諧，該方案還提供了拓?fù)浜捎颍╨-）下角向光柵和諧振模式之間的調(diào)諧，可以實(shí)現(xiàn)f-l光梳在拓?fù)浜捎虻木€(xiàn)性平移。該集成光梳在光通信、光傳感、量子信息處理、高維糾纏和時(shí)空光束產(chǎn)生等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景。
圖2. (a) 用于產(chǎn)生f-l梳的光柵微環(huán)器件掃描電子顯微鏡照片；(b) 實(shí)驗(yàn)測(cè)試裝置圖；(c, d) 在1550.5 nm和1554.8 nm位置泵浦得到的光頻梳透過(guò)譜；(e, f) 梳齒對(duì)應(yīng)的OAM拓?fù)浜蓴?shù)，此處的偽色指代不同的波長(zhǎng)。
該工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、廣州市科技計(jì)劃以及中山大學(xué)光電材料與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的大力支持。
論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/lpor.202300837
