軌道角動量波導光子芯片

金賢敏團隊通過飛秒激光直寫技術(shù)，制備了首個波導橫截面為“甜甜圈”型的三維集成OAM波導光子芯片。通過測量從芯片出來的扭曲光與參考光的干涉，以及對芯片前后的態(tài)進行投影測量，實驗證實，此波導可高效高保真地傳輸?shù)碗AOAM模式，傳輸總效率達60%；且該波導會將高階模式轉(zhuǎn)化為低階模式。此外，該波導也可高保真地傳輸三比特的“高維量子比特（qutrit）”態(tài)，超越傳統(tǒng)兩比特的“量子比特（qubit）”態(tài)，表明此波導有潛力用于高維量子態(tài)的傳輸與操控。

審稿人對該項成果給予了高度評價：

1. “the first demonstration of OAM transmission through a waveguide on chip”（首個在芯片的波導上演示了軌道角動量的傳輸實驗）

2. “the first OAM carrying waveguide chip”（首個可攜帶軌道角動量的波導芯片）

3. “first promising steps towards integrated structures for OAM-carrying light and also might be considered an important step for the twisted light and optics community”（首個邁向軌道角動量集成結(jié)構(gòu)的有前景的一步，同時對于整個光學領(lǐng)域和扭曲光來說是重要的一步）

由于扭曲光（twisted light）具有“甜甜圈”分布的強度結(jié)構(gòu)、螺旋型波陣面的位相結(jié)構(gòu)、攜帶OAM的動態(tài)特性，被廣泛用于光操縱、光鉗等領(lǐng)域。不同于光的自旋角動量，OAM擁有無限的拓撲荷和內(nèi)在正交性，可用于解決通信系統(tǒng)信道容量緊縮的問題。

而在量子信息等領(lǐng)域，光子OAM可用于分發(fā)高維量子態(tài)以及構(gòu)建高維量子計算機。

但大規(guī)模應(yīng)用OAM需要將其傳輸、產(chǎn)生及操縱一體化，而此前的研究均無法讓OAM存在于芯片內(nèi)部。

金賢敏希望該芯片首先能用于高通量光通信領(lǐng)域；而英國圣安德魯斯大學光操控專家基山·多拉基亞認為，新芯片有望為量子光學和成像等領(lǐng)域開辟新天地。金賢敏團隊已為該波導芯片向國家知識產(chǎn)權(quán)局申請了發(fā)明專利。

規(guī)則波導1.1定義

波導（WAVEGUIDE），用來定向引導電磁波的結(jié)構(gòu)。常見的波導結(jié)構(gòu)主要有平行雙導線、同軸線、平行平板波導、矩形波導、圓波導、微帶線、平板介質(zhì)光波導和光纖。從引導電磁波的角度看，它們都可分為內(nèi)部區(qū)域和外部區(qū)域，電磁波被限制在內(nèi)部區(qū)域傳播（要求在波導橫截面內(nèi)滿足橫向諧振原理）。

通常，波導專指各種形狀的空心金屬波導管和表面波波導，前者將被傳輸?shù)碾姶挪ㄍ耆拗圃诮饘俟軆?nèi)，又稱封閉波導；后者將引導的電磁波約束在波導結(jié)構(gòu)的周圍，又稱開波導。當無線電波頻率提高到3000兆赫至300吉赫的厘米波波段和毫米波波段時，同軸線的使用受到限制而采用金屬波導管或其他導波裝置。波導管的優(yōu)點是導體損耗和介質(zhì)損耗??；功率容量大；沒有輻射損耗；結(jié)構(gòu)簡單，易于制造。波導管內(nèi)的電磁場可由麥克斯韋方程組結(jié)合波導的邊界條件求解，與普通傳輸線不同，波導管里不能傳輸TEM模，電磁波在傳播中存在嚴重的色散現(xiàn)象，色散現(xiàn)象說明電磁波的傳播速度與頻率有關(guān)。表面波波導的特征是在邊界外有電磁場存在。其傳播模式為表面波。在毫米波與亞毫米波波段，因金屬波導管的尺寸太小而使損耗加大和制造困難。這時使用表面波波導，除具有良好傳輸性外，主要優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，制作容易，可具有集成電路需要的平面結(jié)構(gòu)。表面波波導的主要形式有：介質(zhì)線、介質(zhì)鏡像線、H-波導和鏡像凹波導。

規(guī)則波導1.2基本特征

電磁波在波導中的傳播受到波導內(nèi)壁的限制和反射。波導管壁的導電率很高（一般用銅、鋁等金屬制成，有時內(nèi)壁鍍有銀或金），通?？杉俣ú▽П谑抢硐雽w，波導管內(nèi)的電磁場分布可由麥克斯韋方程組結(jié)合波導的邊界條件來求解。波導管內(nèi)不能傳輸TEM波，電磁波在波導中的傳播存在著嚴重的色散現(xiàn)象。波導中可能存在無限多種電磁場的結(jié)構(gòu)或分布，每一種電磁場的分布稱為一種波型（模式），每一種波型都有對應(yīng)的截止波長和不同的相速。橫截面均勻的空心波導稱為均勻波導，均勻波導中電磁波的波型可分為電波（TE模）和磁波（TM模）兩大類。

通常，波導專指各種形狀的空心金屬波導管和表面波波導，前者將被傳輸?shù)碾姶挪ㄍ耆拗圃诮饘俟軆?nèi)，又稱封閉波導；后者將引導的電磁波約束在波導結(jié)構(gòu)的周圍，又稱開波導。

介質(zhì)波導采用固體介質(zhì)桿而不是空心管。光導纖維是在光頻率工作下的介質(zhì)波導。微帶、共面波導、帶狀線或同軸電纜等傳輸線也可以認為是波導。

當無線電波頻率提高到3000兆赫至 300吉赫的厘米波波段和毫米波波段時，同軸線的使用受到限制而采用金屬波導管或其他導波裝置。波導管的優(yōu)點是導體損耗和介質(zhì)損耗??；功率容量大；沒有輻射損耗；結(jié)構(gòu)簡單，易于制造。波導管內(nèi)的電磁場可由麥克斯韋方程組結(jié)合波導的邊界條件求解，與普通傳輸線不同，波導管里不能傳輸 TEM模，電磁波在傳播中存在嚴重的色散現(xiàn)象，色散現(xiàn)象說明電磁波的傳播速度與頻率有關(guān)。表面波波導的特征是在邊界外有電磁場存在 。其傳播模式為表面波。在毫米波與亞毫米波波段，因金屬波導管的尺寸太小而使損耗加大和制造困難。這時使用表面波波導，除具有良好傳輸性外，主要優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，制作容易，可具有集成電路需要的平面結(jié)構(gòu)。表面波波導的主要形式有：介質(zhì)線、介質(zhì)鏡像線、H-波導和鏡像凹波導。

金屬管波導中的電磁波可以想象為沿Z字形路徑在波導中行進，在波導的壁之間來回反射。對于矩形波導的特殊情況，可以立足于這種觀點的精確分析。在介質(zhì)波導中的傳播也可以同樣的方式看待，波被電介質(zhì)表面的全內(nèi)反射限制在電介質(zhì)的內(nèi)部。一些結(jié)構(gòu)，如無輻射介質(zhì)波導和高保線，使用金屬壁和電介質(zhì)表面來限制波。

本書是關(guān)于光子集成理論以及制備技術(shù)的專著。全書共10章，第1章主要介紹光波導基礎(chǔ)理論；第2、3章主要介紹光波導器件數(shù)值模擬技術(shù)；第4章主要介紹各類光波導（包括最新發(fā)展的硅納米光波導等）基本特性以及相關(guān)制作工藝；第5章重點介紹針對光纖到戶系統(tǒng)需求的新型集成光子器件；第6、7章重點介紹光通信系統(tǒng)中最具代表性的集成光子器件，包括波分復用器、微環(huán)濾波器等，并在第7章對微環(huán)傳感器的最新進展作了相關(guān)介紹；第8章詳細介紹最新發(fā)展的表面等離子金屬光波導的原理、結(jié)構(gòu)以及發(fā)展前景；第9章主要介紹和總結(jié)另一種新型光波導——光子晶體波導；第10章著重介紹硅光子學的最新研究進展。

本書可作為大專院校相關(guān)專業(yè)本科生、研究生的課程教材，也可作為從事光通信器件專業(yè)的科學技術(shù)人員的參考用書。