近日，上海交大金贤敏教授团队，新加坡国立大学仇成伟教授，联合南京大学陆延青教授和夏可宇教授团队，在美国物理学权威应用期刊Physical Review Letters上以“Locking Orbital Angular Momentum with Linear Momentum of Light”为题发表最新研究成果，提出了一种在光子芯片内构建出截面呈阿基米德螺旋的手性波导诱导光子轨道-轨道相互耦合，首次实现了光的轨道角动量与传输动量的“一对一锁定”。正如光子-自旋动量锁定是手性量子光学的基础，这种轨道-动量锁定特性也有望为高维手性量子光学提供实现机制。
光的轨道角动量（OAM）因其具有无限的拓扑荷值，被认为是突破现有光信息技术容量瓶颈的理想高维载体。然而，在光子芯片这样的集成化平台中，由于带正、负拓扑荷（±ℓ）的OAM模式在能量上天然简并，我们始终难以选择性地激发其中一种模式。这一拓扑荷简并特性极大地限制了OAM在片上高维信息处理中的应用。
为解决拓扑荷产生和传输中的简并这一科学问题，合作团队首先从理论上展开了突破。南京大学团队构建了该现象的理论模型，提出了光子轨道-轨道相互作用的物理机制。他们与合作者创新性地设计了一种具有阿基米德螺旋形截面的手性光学波导，并从理论上论证了这种非对称结构能够诱导一种新颖的“轨道-轨道相互作用”（Orbit-Orbit Interaction, OOI）。 这种相互作用打破了光子芯片中OAM模式的对称性，解除了±ℓ模式的简并。理论模型清晰地指出，光子的传播方向（即线动量 k）将唯一地决定其携带的OAM拓扑荷（ℓ）的符号。这意味着，只要控制光从哪个方向进入波导，就能确定性地生成所需符号的涡旋光束。这一理论预测为实现OAM与线动量的“锁定”提供了坚实的物理基础和清晰的设计蓝图。
在南京大学团队的创新理论设计基础上，上海交通大学金贤敏教授团队利用通过飞秒激光直写技术，在光子芯片上成功制备出了这种手性螺旋波导并实验观测到了这种轨道-动量锁定。 实验中，他们精确地构建了一阶（|ℓ|=1）和二阶（|ℓ|=2）的OAM发射器。团队在光子芯片内采用飞秒激光直写制备了截面呈阿基米德螺旋的螺旋波导，通过巧妙地控制螺旋结构的参数，选择性的支持一阶和二阶OAM光芯片内高质量产生。实验通过在器件两端分别注入高斯光并测量输出 OAM模式谱，结果发现实验结果与理论预测完美吻合：当高斯光束从一端输入时，芯片只输出特定拓扑荷（如+1）的涡旋光；而当光从另一端反向输入时，则会确定性地输出拓扑荷相反（-1）的涡旋光。正向入射时目标涡旋纯度维持在较高水平，反向入射则以同等纯度产生符号相反的涡旋，非目标模式被抑制至5–10 %以下。
图1 OAM-momentum locking原理图。a)和d) 常规单模波导不同方向的激发均为单模；b)和e) 普通环形波导不同方向的激发会同时产生不同手性的OAM模式； c)和f) 手性结构下不同方向的激发会选择性激发不同手性的OAM模式。
图2 片上手性OAM发射器示意图，插图为手性波导端面结构和实际加工出的器件显微图。
片上 OAM器件要在微小尺度内精确操控OAM的模式；任何轻微工艺误差或环境漂移（温度、应力）都可能导致模式劣化，严重降低输出纯度。因此，器件鲁棒性成为能否走向大规模集成的关键指标。我们设计的手性结构从根本上解决了不同模式间的简并问题，通过人工势场的方式改变波导间模式带隙。因此在这里我们对器件鲁棒性给出了系统性验证：我们分别将耦合长度在 3.6–4.4 mm范围内步进调整，并将飞秒激光写入功率在设计值附近多点取样，统计了25组器件的OAM模式谱。结果显示，无论是一阶还是二阶螺旋波导，目标涡旋的平均纯度始终保持在70–90 %区间，非目标模式被抑制至5–10 %以下，平均消光比超过10 dB；即便在最极端参数组合下，器件仍未出现纯度骤降，充分证明了 OAM–Momentum Locking架构对制造误差和外界扰动的天然免疫力，为片上高维光场的可编程操控奠定了可靠工程基础。
图3 不同设计参数下的手性OAM发射器的性能表征，上表面（橙色）为目标模式纯度占比，下表面（蓝色）为非目标模式纯度占比。
该工作首次在光子芯片上实现了 OAM与传输动量的锁定调控，为构建高维片上通信、量子信息处理提供了全新范式；同时，它也填补了自旋-动量锁定之外的另一类手性相互作用空白，为未来探索更多手性光子学现象、自由度间相互作用及高维复杂片上光学调控奠定了坚实基础。
上海交通大学物理与天文学院博士研究生王慧明、深圳国际量子研究院助理研究员陈媛博士和南京大学陈明远博士为本文的共同第一作者，上海交通大学金贤敏教授、南京大学夏可宇教授、陆延青教授和新加坡国立大学仇成伟教授为论文的共同通讯作者。本研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金委员会、上海市科学技术委员会、上海市教育委员会、上海市人才计划、量子科学与技术创新计划、江苏省创新人才与企业家计划、广东省自然科学基金等项目的资助。
论文链接：https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/tttd-v936。
