中大新闻网讯（通讯员林锐娜）近日，中山大学电子与信息工程学院（微电子学院）、光电材料与技术国家重点实验室张彦峰、余思远课题组在探索更高维度空间的相干光束产生方面取得了突破，成功在单个氮化硅微环上实现频率和拓扑荷二维参数空间的相干光频梳。该成果以“Coherent Optical Comb Generation in the Joint Space of Frequency and Topological Charge”为题，2024年1月31日在线发表于Laser & Photonics Reviews，博士生李嘉琦和曾世豪为共同第一作者，张彦峰副教授、余思远教授为共同通讯作者。
在过去的十多年里，基于片上集成器件对光的相干性在空间和频率维度的探索取得了显著进展，分别是集成涡旋光发射器和集成微腔光频梳（图1a）。其中，前者通过在微环侧壁上刻蚀角向光栅将腔内光场辐射到空间中形成携带轨道角动量（orbital angular momentum，OAM）的涡旋光束，后者则利用微环的Kerr非线性将连续波泵浦光转化为具有等频率间隔的多波长光源，即光学频率梳。
张彦峰、余思远课题组近年来一直致力于发展超低损耗氮化硅光子集成材料低温制备技术，并基于制备的高品质因子微环开展集成OAM发射器和微腔光频梳的研究。在集成OAM发射器方面，将材料平台拓展到低损耗的氮化硅平台，并提出了一种光子横向自旋和轨道角动量耦合的新途径Nature Communications, 9, 926 (2018)。在集成微腔光频梳方面，实现了世界首例CMOS全兼容氮化硅微环相干孤子光频梳芯片Photonics Research, 10(5), 1290-1296 (2022)，并在带有侧壁光栅的微环内实现了高能量效率、高光谱对称性的光频梳产生Communications Physics, 6, 335 (2023)。
图1. (a) 2012年以来，在集成涡旋光发射器和集成微腔光频梳领域取得的重大突破；(b) 在一个带有侧壁光栅的微环谐振腔内产生的相干光学频率梳（f-l comb）示意图，每根梳齿都携带有不同的OAM拓扑荷。
最近，张彦峰、余思远研究团队将基于微环的涡旋光发射器和微腔光频梳相结合，提出并通过实验证明了一种同时携带不同频率（f-）和拓扑荷(l-)的二维光梳（图1b）。由于微腔光频梳的梳齿频率天然地与微环谐振相匹配，只需要在微环内引入角向光栅即可将光学频率梳映射到OAM拓扑荷空间，共轴地辐射出每根梳齿携带不同拓扑荷数的f-l梳。该光频梳实现的关键在于高品质因子（Q）的光栅微环器件制备，如图2a所示。研究团队基于自主开发的低损耗氮化硅平台，通过合理地设计光栅尺寸，成功在高Q氮化硅光栅微环中实现了相干光频梳的产生（图2c-d），并对辐射到自由空间中的OAM光梳进行了表征（图2b，e-f），证实了f-l梳中的频率-拓扑荷耦合关系。还可以进一步通过改变泵浦波长，可以实现对f-l梳的重构，该研究团队在工作中展示了从1倍FSR到11倍FSR的梳齿间隔调控。除了频域（f-）下泵浦光和谐振模式之间的调谐，该方案还提供了拓扑荷域（l-）下角向光栅和谐振模式之间的调谐，可以实现f-l光梳在拓扑荷域的线性平移。该集成光梳在光通信、光传感、量子信息处理、高维纠缠和时空光束产生等领域具有潜在的应用前景。
图2. (a) 用于产生f-l梳的光栅微环器件扫描电子显微镜照片；(b) 实验测试装置图；(c, d) 在1550.5 nm和1554.8 nm位置泵浦得到的光频梳透过谱；(e, f) 梳齿对应的OAM拓扑荷数，此处的伪色指代不同的波长。
该工作得到国家自然科学基金、广州市科技计划以及中山大学光电材料与技术国家重点实验室的大力支持。
论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/lpor.202300837
