近日，北京大學(xué)物理學(xué)院現(xiàn)代光學(xué)研究所、人工微結(jié)構(gòu)和介觀物理國家重點實驗室和納光電子前沿科學(xué)中心“極端光學(xué)創(chuàng)新研究團隊”的楊起帆研究員、劉文靜研究員、肖云峰教授以及龔旗煌院士等人合作，實驗上首次基于光子芯片獲得了攜帶軌道角動量特性的光學(xué)頻率梳。2024年3月29日，相關(guān)研究成果以《集成渦旋孤子微梳》（“Integrated vortex soliton microcombs”）為題，發(fā)表于《自然·光子學(xué)》（Nature Photonics）。

光學(xué)頻率梳脫胎于飛秒鎖模激光器，由一系列均勻間隔且具有相干穩(wěn)定相位關(guān)系的頻率分量組成，是測量和控制光學(xué)頻率最精密的工具，在光譜學(xué)、微波光子學(xué)、計量學(xué)、激光雷達等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用，并獲得了2005年的諾貝爾物理學(xué)獎。近些年高品質(zhì)因子光學(xué)微腔的發(fā)展，使得在光子芯片上產(chǎn)生光學(xué)頻率梳成為了可能，有望大大拓展光學(xué)頻率梳的應(yīng)用場景。

光學(xué)“梳“的概念可以進一步拓展到除了頻率維度以外的其他維度。例如，在空間維度上，光場可以具備離散的軌道角動量（Orbital angular momentum, OAM）。將頻率與OAM這兩個獨立的物理屬性在梳狀結(jié)構(gòu)上相互關(guān)聯(lián)，可以將對OAM的調(diào)控與測量轉(zhuǎn)換到頻率維度上，從而解決之前創(chuàng)建、處理和檢測高維OAM光場所帶來的硬件復(fù)雜度問題，也可以催生新型時空光場和光學(xué)計量方法。但是，在光子芯片上實現(xiàn)該功能仍然面臨一系列挑戰(zhàn)。

圖1. 渦旋孤子微梳原理展示

在之前的研究中，人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)光學(xué)微腔中的回音壁模式能夠通過角光柵結(jié)構(gòu)垂直發(fā)射到自由空間中，并在此過程中攜帶與光的頻率對應(yīng)的OAM。研究團隊提出，利用連續(xù)光泵浦帶有角光柵結(jié)構(gòu)的高品質(zhì)因子光學(xué)微腔時，不僅可以產(chǎn)生孤子鎖模的光梳，而且其產(chǎn)生的光學(xué)邊帶會根據(jù)頻率不同發(fā)射出攜帶不同OAM的光束（如圖1所示）。根據(jù)此原理，研究團隊進一步利用微納加工技術(shù)，在800納米厚的氮化硅薄膜上制造了自由光譜范圍為1THz、帶有角光柵的微環(huán)腔。通過設(shè)計角光柵的構(gòu)型，能夠在保持微腔高品質(zhì)因子的同時，以較高效率發(fā)射出高純度的OAM光束。在微環(huán)腔處于非激射工作條件下時，通過模式分解測量，該器件在測量范圍內(nèi)的OAM純度達到了80%以上，這證明了光柵加工的高度一致性和均勻性。

研究團隊通過將高斯光與渦旋孤子微梳相干涉，并利用光柵分離不同光學(xué)頻率，成功在CCD上觀測到OAM特有的懸臂圖案，從而證實了OAM與頻率的一一對應(yīng)關(guān)系，如圖2所示。

圖2. 渦旋孤子微梳的頻譜特性。a.單孤子的光譜和 sech2 包絡(luò)擬合。b.渦旋孤子的左旋成分和高斯光束的干涉圖案。每個圖案對應(yīng)于a圖著色區(qū)域內(nèi)的一根梳齒