不同于自旋角動量（Spin Angular Momentum）只有兩個狀態，渦旋光的軌道角動量 （Orbital Angular Momentum）理論上具有無限的狀態范圍。特別是其可以作為載波進行多路復用。因此在光通信，數據中心鏈接等有著廣泛的應用前景。然而，現有的可集成渦旋激光器缺乏可調控性；與此同時，對應的片上渦旋光電探測器尚屬空白。因此，渦旋光尚未在實際集成光學器件（如多路復用器、光開關、光調制器等）中得到廣泛應用。近日，賓夕法尼亞大學馮亮教授課題組和Ritesh Agarwal教授課題組合作，分別主導完成了可調控渦旋激光器和渦旋光探測器，首次在光子芯片上實現了可調控渦旋激光的產生和探測。值得一提的是，兩個課題組親密合作，在兩項工作中都互相做出貢獻。
在光源方面，不同于固定荷值的渦旋激光器，作者們通過設計和控制非厄米（non-Hermitian）對稱性的方式動態調控結構材料的損耗和增益來達成對渦旋光荷值的控制（圖一）。具體來說，通過設計微腔和波導間的可控非厄米耦合使得微腔中兩個自旋-軌道鎖定的渦旋態能進行單向耦合，從而選取激發一個特定的渦旋態。基于總角動量守恒的原理，他們將自旋角動量轉換為軌道角動量從而進一步增加了荷值的可調控范圍。第一作者張智峰說，實驗上，他們使用InGaAsP量子阱半導體材料制造微腔和波導結構。該材料在沒有光學泵浦的情況下呈現高損耗狀態，而在光學泵浦下呈現增益狀態，滿足非厄米控制所需的特性。因此通過改變光泵浦在非厄米波導上的位置就可以達到改變單向耦合方向的目的，從而選取激發特定手性的渦旋光。隨后，作者們通過控制自旋角動量和軌道角動量的轉換, 實現了五個不同渦旋光模式之間的動態調制（圖二）。更進一步，通過構建非厄米誘導的純虛部調制的規范場，作者們實現了可調控渦旋激光陣列，展示了高度集成的渦旋光芯片的前景。在探測方面，目前渦旋光的探測手段包括傳統的光束干涉法，或基于近場光學的表面等離子體法等。由于這些方法都很難用于集成光學器件中，探測環節大大阻礙了基于渦旋光的信息傳輸的發展。本研究中，作者們提出一種直接將渦旋光信號轉化為電信號的方法。他們利用外爾半金屬作為載體，發現光相位的空間變化可以引發受激發電子布居數的空間分布，進而產生以光心為原點‘渦旋’的光電流（圖三）。區別于其他光致電流效應，這種非線性光學過程不存在于平面波中，且其產生的非局域電流大小和流向直接對應于渦旋光的階數，或波前的相位分布。第一作者季珠潤將這一效應命名為“軌道光致電流效應”（orbital photogalvanic effect）。其中，非局域渦旋光電流的發現得益于電極的特殊設計---這種光電流總空間積分為零，必須通過巧妙的電極結構設計來破缺體系的對稱性，進行局部的電流測量。此外他們還進一步測量了高階龐加萊球上矢量渦旋光產生的電流，結果表明廣義的渦旋光的軌道和自旋角動量可以同時被精確確定（圖四）。作者們指出，若能將這種方法加以推廣，有望通過單一電極陣列完成混合渦旋光的芯片上檢測和信號分離。這兩項研究展示的光量子芯片集成可調渦旋激光和渦旋光探測器將大大推進渦旋光作為信息載體的集成化和實用化進程，進一步發展大容量光電通信科技。
圖1：可調控渦旋激光器示意圖。（圖片來源：Science Tunable topological chargevortex microlaser）圖2：可調控渦旋激光器實現了在相同波長下五個不同渦旋光的動態調制。（圖片來源：Science Tunable topological charge vortex microlaser）圖3：渦旋光致電流的測量機制示意圖。（圖片來源：Science Photocurrent detection of the orbital angular momentum of light）圖4：高階龐加萊球上廣義渦旋光產生的OPGE電流。（圖片來源：Science Photocurrent detection of the orbital angular momentum of light）1. https://science.sciencemag.org/content/368/6492/7602. https://science.sciencemag.org/content/368/6492/763
