科研进展 | 浙江大学、北京大学等：全片上可重构结构光生成器，赋能集成量子技术

携带角动量（例如自旋角动量，SAM；以及轨道角动量，OAM）的结构光，一直是新型科学与应用的核心，推动了对紧凑型片上光源的需求。尽管目前已展示了许多静态片上解决方案，以及自由空间模式的片上光源，但迄今为止，尚未出现一种能够在所有角动量状态下实现完全可重构且全片上集成的架构。

6月30日，由浙江大学、北京大学、威特沃特斯兰德大学组成的研究团队，在《Light: Science & Applications》期刊发表题为“All-on-chip reconfigurable generation of scalar and vectorial orbital angular momentum beams”（全集成可重构芯片上标量与矢量轨道角动量光束的产生）的研究论文。赵伟科、Xiaolin Yi为论文共同第一作者，戴道锌教授和Andrew Forbes教授为论文通讯作者。

该研究首次报道了一种全集成化的结构光发生器，通过绝缘体上硅（SOI）芯片与二氧化硅模式复用器的协同设计，实现了标量与矢量角动量光束的按需生成。研究团队通过选择性激发二氧化硅多模总线波导中的六种线性偏振（LP）模式，并利用SOI芯片精确调控各模式的功率与相位，从而能够构建任意模式叠加态，合成常见的柱形矢量涡旋光束以及具有可控自旋和拓扑荷的OAM光束。这项工作中开发的紧凑型结构光发生器具有高速切换特性，并支持电信波段工作，为光通信和集成量子技术等应用提供了新的解决方案。

研究背景

近年来，结构化光场因其独特的光场特性在科研和应用领域备受关注。这类特殊光场主要包括以下四种类型：（1）自旋角动量(SAM)光束：具有圆偏振特性，每个光子携带S=σħ(σ=±1)的自旋角动量；（2）柱矢量(CV)光束：呈现圆对称偏振分布，中心存在偏振奇点，在纳米聚焦和光学操控等领域应用广泛；（3）轨道角动量(OAM)光束：具有螺旋相位波前exp(ilθ)(l为拓扑荷，θ为方位角)，中心存在相位奇点；在光通信、微操控等方面优势显著；（4）总角动量(TAM)光束：兼具SAM和OAM特性。这些特殊光场在多个领域展现出独特优势：CV光束凭借其特殊的偏振特性，在等离子体纳米聚焦和高分辨率显微等领域表现突出；OAM光束则因其螺旋相位特性，在光通信和光学微操控等方面具有重要应用价值。

为生成这些特殊光场，研究人员已开发出多种技术。传统体光学方案包括空间光调制器、光纤器件、螺旋相位板、和直接激光输出。其中，光纤器件通过模式耦合可高效产生CV和OAM光束，但系统体积较大、灵活性不足。集成光子学方案因其紧凑性优势而快速发展。基于SOI平台的研究表明：超构材料/超表面可利用电偶极共振实现OAM光束生成，但衍射效率受限于向下辐射（≤25%）；全息光栅通过亚波长结构耦合导模与自由空间模式，但大发散角导致光纤耦合困难；回音壁模式腔体可产生可调OAM光束，但需要复杂的热调谐或电调控。

最新进展显示，光子集成电路（PICs）可生成标量结构化光场。现有方案通常需借助自由空间干涉或超表面进行后处理，难以实现全集成化。特别是，如何在芯片上直接生成并调控任意矢量角动量光束（无需自由空间耦合），仍是亟待突破的挑战。

理论方法

1. 模式叠加原理

研究基于线性偏振（LP）模式的线性组合原理，通过数学上精确控制LP₀₁和LP₁₁模式组的幅度和相位关系，构建出不同角动量态的完整表达。其中，特定模式的复数加权叠加可产生所需的螺旋相位和偏振分布，这是生成各类结构化光场的理论基础。

图1：全集成可重构结构光生成器工作原理

2. 光电调控机制

采用硅基光子芯片实现电光调控功能，芯片集成了可变光衰减器阵列和热光相位调制器网络，通过电信号精确控制各个模式通道的光功率和相对相位差。

图2：SOI芯片设计细节

3. 模式转换架构

研究创新性地采用双芯片协同设计方案，SOI芯片负责电光调控，二氧化硅芯片实现模式转换。通过绝热定向耦合器和模式旋转器等无源器件，将调控后的基模高效转换为高阶模式，最终在多模总线波导中完成模式合成，实现低损耗的模式转换链路。

图3：二氧化硅模式复用器设计

4. 角动量合成方案

针对不同类型的角动量光束，设计了特定的模式组合方案：SAM光束通过正交偏振的LP₀₁模式合成，OAM光束由同偏振的LP₁₁模式产生，CV光束则需要交叉偏振的LP₁₁模式组合。更通过四模式调控实现了任意TAM态，完整覆盖了角动量空间。

5. 集成化实现

采用全光纤输入输出接口和芯片间边缘耦合技术，构建了完整的片上系统解决方案。该架构避免了自由空间光学元件，实现了从电调控到光场输出的全集成化，具有体积小、稳定性高、可扩展性强等特点，为实际应用奠定了基础。

实验方案

采用标准CMOS工艺分别制备SOI芯片和二氧化硅芯片。SOI芯片包含220nm厚的硅波导层，通过电子束光刻和反应离子刻蚀形成光子器件；二氧化硅芯片采用火焰水解沉积和光刻工艺制作，通过精确控制波导尺寸实现模式匹配。两芯片通过高精度倒装焊工艺实现光学对准和机械固定。

图4： 器件制备与表征

建立光纤-芯片-光纤测试平台，使用可调谐激光器（1520-1620nm）作为光源，通过高数值孔径单模光纤（NA=0.41）耦合输入。输出端采用少模光纤收集信号，配合红外相机、偏振分析仪和干涉仪等设备进行光束表征。电控系统集成多通道电压源，实现各调制器的独立控制。

通过逐个激活VOA阵列，分别激发六种LP模式并测量其传输特性。使用红外相机记录模式场分布，通过传输矩阵法计算模式纯度和串扰。实验测得各模式插入损耗<3.2dB，模式串扰<-14.3dB，验证了模式复用器的性能。

图5：LP模式激发特性

按照理论方案配置各通道的幅度和相位。SAM光束通过LP_01-x/y模式π/2相位差合成；OAM光束由同偏振LP_11a和LP_11b模式叠加产生；CV光束通过交叉偏振LP₁₁模式组合实现。采用四分之一波片法和干涉法分别表征偏振和相位特性。

通过方波信号驱动调制器，测量系统的响应速度（上升时间11.6μs，下降时间7.1μs）。在1530-1595nm波长范围内测试各功能的波长依赖性，验证宽带工作特性。最后测试不同角动量态间的切换能力，展示系统的可重构性。

研究成果

研究团队成功研制出首个完全集成在芯片上的结构化光场发生器，将SOI调控芯片与二氧化硅模式转换芯片通过边缘耦合器实现单片集成。器件尺寸仅毫米量级，实现了从单模光纤输入到少模光纤输出的全光纤化系统，整体插入损耗控制在4-8dB范围内。

实验验证了该器件可动态生成多种结构化光场，包括：纯度>98.9%的自旋角动量(SAM)光束、模式纯度达99.86%的柱矢量(CV)光束、以及拓扑荷数l=±1的轨道角动量(OAM)光束。通过四模式调控，还实现了复杂的总角动量(TAM)态合成。

图6：结构光场合成结果

器件展现出优异的性能参数：工作带宽覆盖1530-1595nm（C+L波段），模式串扰<-14.2dB，切换速度达微秒量级（上升时间11.6μs）。特别值得一提的是，该方案突破了传统衍射方法25%的效率限制，实现了更高的能量转换效率。

研究首次在集成光子平台上实现了从标量到矢量角动量态的全参数调控，解决了传统方案需要自由空间元件的关键难题。提出的双芯片协同架构和模式复用方法，为集成光学系统设计提供了新思路。

图7：总角动量光束调控

该器件在光通信、光学传感和粒子操控等领域展现出广阔的应用潜力。器件的可扩展性设计表明，通过增加模式数即可支持更高阶角动量态的生成，为后续研究指明了方向。

参考链接

https://www.nature.com/articles/s41377-025-01899-7