王雪华、刘进教授团队在涡旋光频梳及其光脉冲研究方面取得重要进展

       光的频率和轨道角动量是（OAM）两个独立具有无限维度的物理量自由度，分别在频率和空间模式上形成无限维正交完备基，理论上均可实现携带无限维信息。在前期的研究与应用中，产生光学频率梳和轨道角动量两个自由度相关的光电子器件均是分离的，这极大地限制了光子在频率和轨道角动量自由度上的开发和利用。

       历经近三年的攻关研究，王雪华、刘进教授团队与合作者基于III-V族AlGaAsOI平台，首先制备出光学轨道角动量频率梳，并对产生的飞秒孤子脉冲进行色散调制，在时空域产生了具有自扭矩特性的超快光脉冲。实验的难点在于平衡片上出射轨道角动量引起的散射和产生克尔光学频率梳所需的强局域光场。基于III-V族材料平台，课题组前期在内壁嵌入角向光栅的微环谐振腔中实现了单光子轨道角动量量子叠加态的产生[Nat. Nanotechnol.,16(3), 302, (2021)]，为本项目打下了良好的基础。利用AlGaAs材料高三阶非线性系数和较高的折射率，有效补偿了因光栅散射造成的损耗并把光局域在微环腔内，在单波长激发下实现了超过200nm的宽带光学频率梳，并携带高达50阶OAM模式出射。

图1 （a）轨道角动量光学频率梳产生自扭矩脉冲示意图；（b）轨道角动量光学频率梳孤子态的光谱分布；（c，d）轨道角动量光学频率梳合成自扭矩脉冲的仿真结果；（e，f）轨道角动量光学频率梳合成自扭矩脉冲的实验结果。

       在轨道角动量频率梳的基础上进一步精确调控，产生了脉冲时间约为34fs的轨道角动量频率梳孤子脉冲。在相位锁定条件下，引入二阶群速度色散，在时空域首次产生了具有自扭矩特性的单螺旋和双螺旋且随时间变化的轨道角动量超快脉冲光，是国际上首次在集成化平台上实现了空间轨道角动量模式、光学频率梳、时间孤子脉冲的多维度复杂时空光场联合调控。

       该成果于2024年03月29日以“Integrated optical vortex microcomb”为题在线发表在《Nature Photonics》期刊上，beat365中国唯一官方网站为该成果的第一署名单位，beat365中国唯一官方网站陈波副研究员为论文第一作者，丹麦科技大学Yueguang Zhou、Yang Liu、Chaochao Ye博士和上海理工大学曹前副研究员为论文共同第一作者，beat365中国唯一官方网站王雪华教授、刘进教授，丹麦科技大学Minhao Pu教授和上海理工大学詹其文教授为通讯作者。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、广东省自然科学基金、广东省特支计划等项目的大力支持，特别感谢beat365中国唯一官方网站光电材料与技术国家重点实验室钁耳论坛对本研究工作中国际合作交流的大力支持。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41566-024-01415-0 (Bo Chen, et al. Integrated optical vortex microcomb. Nat. Photon. (2024). https://doi.org/10.1038/s41566-024-01415-0）