片上光子轨道角动量叠加态的产生与调控研究

Recently, the generation and control of photonic orbital angular momentum (OAM) states and its superposition on an integrated chip is a hot topic of photonics. It has great significance to OAM-based multiplexing, sensing, detection and optical manipulation. In this subject, we are planning to explore a novel approach with high integration and multi- parameter adjustable, in which an arc waveguide is used to preset helical phase and angular arranged diffraction gratings are used as the radiation elements. The influence of several structural parameters on the OAM states will be studied, and the cross coupling mechanism of the OAM states and between the OAM states and SAM (spin angular momentum) states will be deeply explored. Then the novel characteristics and the temporal-spatial evolution laws of the new type of light field will be detected, and the corresponding physical models will be established. In addition, supporting and initiating this subject have great help for improving the light field control theory based on micro-/nano-structures and have important values for deepening researches on the nature of photonic OAM and its applied theory.

于集成芯片上产生与调控携带轨道角动量（OAM）及其叠加态的光束对OAM复用通信、空间遥感、旋转探测、光学微操纵等具有巨大的意义，是当前光子学研究的一个前沿热点课题。本课题拟采用圆弧形波导预置螺旋形的相位，以角向衍射光栅作为辐射手段，在绝缘体上硅（SOI）材料上实现一种新型的、高集成度的、多维参数可调的OAM叠加态产生方案。并深入研究各种结构参数对OAM态的影响，以及各OAM态之间、OAM态与SAM（自旋角动量）态之间的耦合机制。探明这种新型光场的新颖特性和时空演化规律，建立相应的数理模型。本课题的立项与实施，将有助于完善微纳结构调控光场的理论，对深化光子OAM本质和应用理论的研究具有重大价值。

携带轨道角动量（OAM）及其叠加态的光束在光纤通信、量子信息以及短距离光互联中有望大幅度提高通信容量和信息安全，具有重要的研究价值。其中，基于光子集成回路产生与调控OAM光子及其叠加态是个研究热点。在本基金项目的资助下，我们提出了一个圆弧形的波导光栅耦合器结构作为预置螺旋相位的基础结构，基于该结构我们首先研制了一个Ω型涡旋光束发射器，并实验证实了该器件在合理的波长调节情况下能辐射高质量的OAM模式；基于该结构我们还研制了一个阿基米德螺线形涡旋光束发射器，实验证实该器件可以有效提升涡旋光束的方向性，同时提高OAM模式的纯度；基于Ω型涡旋光束发射器我们提出并试制了一种嵌套共轴集成的OAM叠加态器件，研究表明该器件通过热调制能够实现多个器件在同一波长发射高质量OAM模式，即有望作为可灵活操控的片上OAM复用/解复用器使用，该工作仍在优化进行中；我们还开展了基于少模弯曲光波导的片上OAM光束调控研究，理论上验证了基于少模微环发射器内的两个偏振模叠加可以产生高纯度的圆偏振OAM光束，该工作正在试制样品。此外，我们还为Ω型涡旋光束发射器建立了理论模型，研究了其辐射光场的特性及传播规律，推导并估算了该器件OAM模式的纯度极限；同时我们还开发了一套快速测量任意光场OAM谱及模式纯度的方法，有效解决了动态光场中OAM模式的识别与测量问题。综上所述，本研究为揭示波导模式与OAM模式的映射机理奠定了坚实的基础，同时对于探讨片上OAM光束的产生与调控提供了重要的启示。.项目资助发表核心论文1篇，待发表论文1篇，专著1部。培养研究生7名，其中一名已获得学位。培养青年教师4名，形成了稳定的学术队伍。项目预算经费40万元，支出93,422元，各项支出严格按照预算执行。剩余经费306,578元，剩余经费计划用于本项目的后续研究支出。