中大新聞網訊（通訊員林銳娜）近日，中山大學電子與信息工程學院（微電子學院）、光電材料與技術國家重點實驗室張彥峰、余思遠課題組在探索更高維度空間的相干光束產生方面取得了突破，成功在單個氮化硅微環上實現頻率和拓撲荷二維參數空間的相干光頻梳。該成果以“Coherent Optical Comb Generation in the Joint Space of Frequency and Topological Charge”為題，2024年1月31日在線發表于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、余思遠教授為共同通訊作者。
在過去的十多年里，基于片上集成器件對光的相干性在空間和頻率維度的探索取得了顯著進展，分別是集成渦旋光發射器和集成微腔光頻梳（圖1a）。其中，前者通過在微環側壁上刻蝕角向光柵將腔內光場輻射到空間中形成攜帶軌道角動量（orbital angular momentum，OAM）的渦旋光束，后者則利用微環的Kerr非線性將連續波泵浦光轉化為具有等頻率間隔的多波長光源，即光學頻率梳。
張彥峰、余思遠課題組近年來一直致力于發展超低損耗氮化硅光子集成材料低溫制備技術，并基于制備的高品質因子微環開展集成OAM發射器和微腔光頻梳的研究。在集成OAM發射器方面，將材料平臺拓展到低損耗的氮化硅平臺，并提出了一種光子橫向自旋和軌道角動量耦合的新途徑Nature Communications, 9, 926 (2018)。在集成微腔光頻梳方面，實現了世界首例CMOS全兼容氮化硅微環相干孤子光頻梳芯片Photonics Research, 10(5), 1290-1296 (2022)，并在帶有側壁光柵的微環內實現了高能量效率、高光譜對稱性的光頻梳產生Communications Physics, 6, 335 (2023)。
圖1. (a) 2012年以來，在集成渦旋光發射器和集成微腔光頻梳領域取得的重大突破；(b) 在一個帶有側壁光柵的微環諧振腔內產生的相干光學頻率梳（f-l comb）示意圖，每根梳齒都攜帶有不同的OAM拓撲荷。
最近，張彥峰、余思遠研究團隊將基于微環的渦旋光發射器和微腔光頻梳相結合，提出并通過實驗證明了一種同時攜帶不同頻率（f-）和拓撲荷(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諧振相匹配，只需要在微環內引入角向光柵即可將光學頻率梳映射到OAM拓撲荷空間，共軸地輻射出每根梳齒攜帶不同拓撲荷數的f-l梳。該光頻梳實現的關鍵在于高品質因子（Q）的光柵微環器件制備，如圖2a所示。研究團隊基于自主開發的低損耗氮化硅平臺，通過合理地設計光柵尺寸，成功在高Q氮化硅光柵微環中實現了相干光頻梳的產生（圖2c-d），并對輻射到自由空間中的OAM光梳進行了表征（圖2b，e-f），證實了f-l梳中的頻率-拓撲荷耦合關系。還可以進一步通過改變泵浦波長，可以實現對f-l梳的重構，該研究團隊在工作中展示了從1倍FSR到11倍FSR的梳齒間隔調控。除了頻域（f-）下泵浦光和諧振模式之間的調諧，該方案還提供了拓撲荷域（l-）下角向光柵和諧振模式之間的調諧，可以實現f-l光梳在拓撲荷域的線性平移。該集成光梳在光通信、光傳感、量子信息處理、高維糾纏和時空光束產生等領域具有潛在的應用前景。
圖2. (a) 用于產生f-l梳的光柵微環器件掃描電子顯微鏡照片；(b) 實驗測試裝置圖；(c, d) 在1550.5 nm和1554.8 nm位置泵浦得到的光頻梳透過譜；(e, f) 梳齒對應的OAM拓撲荷數，此處的偽色指代不同的波長。
該工作得到國家自然科學基金、廣州市科技計劃以及中山大學光電材料與技術國家重點實驗室的大力支持。
論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/lpor.202300837
