一種微型有源渦旋光激光器設(shè)計

近日，上海理工大學(xué)光子芯片研究院董毅博以第一作者身份在國際知名納米學(xué)期刊《納米快報》（Nano Letters）上發(fā)表了題為“納米打印集成衍射層的具有可擴展拓撲荷數(shù)的垂直腔面發(fā)射渦旋光激光器”（Nanoprinted Diffractive Layer Integrated Vertical-Cavity Surface-Emitting Vortex Lasers with Scalable Topological Charge）的研究成果。該成果由光子芯片研究院顧敏院士、方心遠副教授團隊和中國科學(xué)院微電子研究所合作完成，顧敏院士、方心遠副教授、中國科學(xué)院微電子研究所潘冠中副研究員、荀孟副研究員為本文通訊作者，上海理工大學(xué)為第一單位。

隨著人工智能、大數(shù)據(jù)的飛速發(fā)展，人類每日產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量也在指數(shù)增加，實現(xiàn)高容量的信息復(fù)用是應(yīng)對未來高數(shù)據(jù)吞吐量應(yīng)用的有效途徑。具有螺旋相位波前的渦旋光攜帶有軌道角動量，而軌道角動量（Orbital Angular Momentum， OAM）具有的無窮正交特性可被用于各種光學(xué)信息復(fù)用技術(shù)中，來大幅提高信息容量，包括光通信、全息術(shù)、光學(xué)人工智能、光學(xué)加密、光存儲等。

渦旋光激光器作為軌道角動量光學(xué)信息的發(fā)射裝置被廣泛研究。其中，實現(xiàn)片上、微型的渦旋光激光器對于渦旋光復(fù)用技術(shù)的芯片化、集成化發(fā)展至關(guān)重要，能夠真正推動這些技術(shù)的產(chǎn)業(yè)落地。但是，現(xiàn)有的有源微型渦旋光激光器難以產(chǎn)生高階渦旋光（拓撲荷數(shù)普遍小于5），其關(guān)鍵原因是光源的出光面積有限，導(dǎo)致集成的軌道角動量相位結(jié)構(gòu)的分辨率不足，制約了空間帶寬積的提高。拓撲荷數(shù)越高代表了可能實現(xiàn)的軌道角動量信息復(fù)用的通道數(shù)越多，因此，這一問題嚴重制約了軌道角動量片上信息復(fù)用的容量提升。

本研究中，作者提出了一種基于激光納米三維（3D）打印集成軌道角動量相位結(jié)構(gòu)的垂直腔面發(fā)射渦旋光激光器，具有體積小、高速度、低閾值、圓形光場、垂直出光、可陣列化的優(yōu)勢。作者通過激光打印微型的軌道角動量相位結(jié)構(gòu)集成在垂直腔面發(fā)射激光器表面，從而使激光器發(fā)出的高斯光束經(jīng)過相位結(jié)構(gòu)的調(diào)制后變?yōu)闇u旋光束。激光打印的方法可以擴大軌道角動量相位結(jié)構(gòu)有效光照面積，從而可增大空間帶寬積。同時，激光3D打印比此前方法具有較高的制造效率，單個器件的打印僅約為20分鐘，而此前方法約為數(shù)小時。文章中，作者實現(xiàn)了拓撲荷數(shù)從1到5的可尋址渦旋光激光器陣列，單個器件尺寸僅約為100微米×100微米。

本文中作者通過設(shè)計3D結(jié)構(gòu)的、級聯(lián)的螺旋相位板（SPP）進一步來提高空間帶寬積，成功實現(xiàn)了最大拓撲荷數(shù)為15的渦旋光束。該研究解決了微型渦旋光激光器拓撲荷數(shù)提高的問題，有望推動軌道角動量信息復(fù)用技術(shù)的小型化、集成化發(fā)展。

審核編輯：湯梓紅