Nature Photonics，涡旋微梳的崭新探索！

光的轨道角动量（OAM）是指光波旋转的空间部分，可以用来编码信息并在光通信和量子光子学等领域发挥重要作用。而频率则是光波的另一个重要特性，对于光的调制和信息传输至关重要。在此背景下，研究人员开始关注微型谐振腔（例如微环或微盘）中光的OAM特性，并探索如何利用微型谐振腔产生和操控具有特定OAM的光子。然而，现有的技术在实现这一目标上存在一些挑战，包括如何在微腔中稳定地产生和控制特定OAM的光，以及如何与其他光学器件集成以实现更多应用。

为了解决这些问题，中山大学王雪华，刘进等，丹麦技术大学Yueguang Zhou, Yang Liu, Chaochao Ye，Minhao Pu等人联合展开了一项研究，旨在将微型谐振腔中的OAM特性与微梳（一种能够在不同频率产生光的器件）相结合。通过在微型谐振腔中引入特殊设计的角光栅，科学家成功地实现了在单个器件中同时产生光的多个OAM模式，并将其与微梳的频率相关联。这项研究通过精心设计的微腔结构和光学激发机制，解决了以往在微腔中实现光的OAM和频率耦合方面的挑战。

在图1中，显示了一个具有角光栅装饰的非线性微环，其发射了多个光学涡旋，每个涡旋模式（右侧）对应于不同的频率（左侧）。这个图示清晰地展示了涡旋微梳的工作原理，其中角光栅在发射的光学涡旋和微环模式之间建立了模态关系。通过传输到色散介质，这些光学涡旋可以生成具有时变OAM的自扭脉冲。此外，通过图1的示意图，读者可以直观地理解涡旋微梳的工作原理，从而加深对该新型纳米光子器件的理解。因此，这些图像为进一步研究和应用涡旋微梳提供了重要的基础。

图1. 从涡旋微梳产生自扭矩脉冲的示意图。

在图2中，显示了AlGaAsOI微环的SEM图像和相关的特性分析结果。图2a展示了微环与总线波导的耦合情况，图2b放大了耦合区域以显示角光栅的结构。通过图2c可以看到微环的截面SEM图像，并且叠加了TE00模式的场分布。图2d和图2e展示了不同谐振特性的透射谱，包括模式分裂和非零拓扑电荷的谐振。最后，图2f呈现了Qi分布的直方图，用以比较涡旋发射器和参考微环的性能。这些图像和结果对于理解涡旋微梳的工作原理以及AlGaAsOI微环的制备和特性至关重要。通过展示微环的结构和谐振特性，研究者们可以验证其设计和制备过程的有效性，并评估器件的性能。

图2. AlGaAsOI微环的表征。

为了表征涡旋梳的特性，研究者设计了实验装置，并在图3中展示了相关结果。图3a是实验装置的示意图，其中使用了可调连续波激光器和光纤偏振控制器等设备，以及透镜光纤和波导等光学元件。图3b展示了从1,480到1,680 nm的完整梳状光谱，覆盖了多个波长范围。研究者将所有产生的梳线通过嵌入的角光栅喷射到自由空间，并通过一个透射光栅进一步空间分离，以解析不同的OAM模式。图3c展示了直接成像的远场发射产生的顺时针和逆时针的干涉图案。他们还利用数值模拟，通过在微环中放置内部偶极源来忠实再现这些实验结果（图3d）。实验结果进一步证实，具有角光栅的微环中产生的涡旋可以转换为具有不同拓扑电荷的圆偏振光束。通过干涉实验，研究者确认了涡旋光束的OAM特性，并成功地量化了高达25的拓扑电荷。这些结果为理解和优化涡旋梳的性能提供了重要的实验数据和验证。

图3. 涡旋频率微梳的特征。

研究者在图4中展示了使用涡旋微梳合成自扭脉冲的过程。他们的研究旨在探索先进的光子技术，并为基础光学物理提供新的实验数据。在图4a中，展示了实验设置的示意图，其中包括使用连续波激光器和Mach-Zehnder干涉仪等设备。图4b和图4g展示了不同组合模式下的微梳的光谱特性。通过在图4c和图4h中模拟自扭脉冲的空间-时间强度分布，研究者展示了所需的目标自扭脉冲的形态。图4d和图4i展示了自扭脉冲的横截面强度和相位分布。接着，图4e和图4j展示了实验测得的自扭脉冲的等强度轮廓。最后，图4f和图4k展示了通过干涉分析测得的自扭脉冲的强度和相位特性。这些实验结果验证了涡旋微梳在生成自扭空间-时间脉冲方面的可行性，并为进一步研究提供了重要的实验基础。涡旋微梳的应用优势包括其对连续波激光器的低要求、灵活的OAM拓扑结构调控能力以及频率范围的扩展性，这将为光子学领域的发展带来新的机遇。

图4. 在孤子状态时，基于涡旋微梳合成自力矩脉冲。

本研究展示了将光旋涡与微梳两个独立领域融合的创新思路，开辟了新的纳米光子学器件设计路径。通过结合III-V族化合物半导体的特性，我们成功实现了在单个器件中发射多达50种OAM模式的光子，并展示了通过微梳的不同孤子态操作来生成和调控具有时变OAM的光脉冲。这一成果不仅推动了光子学和非线性光学的前沿，还为集成非线性光子学提供了新的思路和方法。此外，我们的研究还引发了对于基于量子的应用的启示，包括在量子通信和量子信息处理中利用高维OAM纠缠态的潜在应用。通过这一成果，我们为未来光子学和量子技术的发展提供了新的方向，并展示了将结构化光与微纳尺度器件相结合的潜力，从而推动了纳米光子学的进步。