DOI: https://doi.org/10.1038/s41377-025-01899-7
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40588498
تاريخ النشر: 2025-06-30
المؤلف: Weike Zhao وآخرون
الموضوع الرئيسي: الزخم الزاوي المداري في البصريات
نظرة عامة
تقدم البحث تطورًا رائدًا في مجال توليد الضوء المنظم، مع التركيز بشكل خاص على حالات الزخم الزاوي، بما في ذلك الزخم الزاوي الدوراني (SAM) والزخم الزاوي المداري (OAM). يقدم المؤلفون أول مولد ضوء منظم قابل لإعادة التكوين بالكامل على الشريحة، باستخدام شريحة السيليكون على العازل (SOI) بالتزامن مع مضاعف وضع السيليكا. تتيح هذه البنية المبتكرة توليد كل من حزم الزخم الزاوي القياسية والاتجاهية من خلال تحفيز ستة أوضاع مستقطبة خطيًا (LP) داخل دليل الموجات متعدد الأوضاع من السيليكا.
من خلال التحكم بدقة في قوى الأوضاع والمراحل عبر شريحة SOI، يمكن للنظام تركيب تراكبات عشوائية من مجموعة الأوضاع، مما يسهل إنشاء حزم دوامية من الزخم الاتجاهي وحزم OAM مع شحنات دوران وتوبولوجية محددة. لا يوضح التصميم المدمج لمولد الضوء المنظم هذا سرعات تبديل عالية فحسب، بل يعمل أيضًا بشكل فعال ضمن نطاق الاتصالات، مما يشير إلى إمكانيات كبيرة للتطبيقات في الاتصالات الضوئية والتقنيات الكمومية المتكاملة.
مقدمة
في العقود الأخيرة، حظي الضوء المنظم باهتمام بحثي كبير نظرًا لتطبيقاته المتنوعة، بما في ذلك حزم الزخم الزاوي الدوراني (SAM)، وحزم الزخم الاتجاهي الأسطواني (CV)، وحزم الزخم الزاوي المداري (OAM)، وحزم الزخم الزاوي الكلي (TAM). تتميز حزم SAM بالاستقطاب الدائري، وتحمل زخمًا زاويًا دورانيًا قدره \( S = \sigma \hbar \) لكل فوتون، بينما تظهر حزم CV توزيع استقطاب دائري متماثل مع تفرد في المركز. تُعرف حزم OAM بواجهة طور حلزونية \( \exp(il\theta) \)، وتمتلك تفردًا في الطور وتحمل OAM قدره \( l\hbar \) لكل فوتون، مما يجعلها قيمة لتطبيقات مثل تقسيم الوضع المتعدد والتلاعب الضوئي. تطور توليد الضوء المنظم من خلال أدوات بصرية متنوعة، بما في ذلك معدلات تعديل الضوء المكاني وهياكل الفوتونيات على السيليكون (SOI)، التي تتيح تنفيذات مدمجة وقوية على الشريحة.
يقدم هذا البحث تقدمًا في الدوائر المتكاملة الفوتونية (PICs) كمولدات للضوء المنظم من خلال عرض جهاز قابل لإعادة التكوين بالكامل على الشريحة قادر على إنتاج حزم الزخم الزاوي عند الطلب. باستخدام الأوضاع الطبيعية لدليل الموجات السيليكا، يتم التحكم في الجهاز من خلال ستة مخرجات مستقلة من شريحة SOI، مما يسمح بالتلاعب بقوة الأوضاع والطور. تدمج البنية شريحة SOI مع مضاعف وضع السيليكا، مما يسهل التحفيز الفعال على الشريحة لأوضاع OAM القياسية والاتجاهية، بما في ذلك حزم الزخم الاتجاهي الأسطواني. لا تعزز هذه الطريقة كفاءة التحويل فحسب، بل تبسط أيضًا ربط الألياف، كما أنها تحمل وعدًا بالتوسع المستقبلي إلى قيم OAM أعلى وتكوينات الزخم الزاوي الكلي العشوائية، مما يعزز مجال توليد الضوء المنظم.
طرق
توضح قسم “الطرق” في ورقة البحث التصميم التجريبي والتقنيات التحليلية المستخدمة للتحقيق في أسئلة البحث. استخدمت الدراسة نهجًا كميًا، مع دمج التحليلات الإحصائية لتقييم البيانات التي تم جمعها من تجارب متنوعة. تضمنت المنهجيات المحددة تجارب محكومة، حيث تم التلاعب بالمتغيرات بشكل منهجي لمراقبة تأثيراتها على النتائج المعنية.
شملت جمع البيانات استخدام أدوات وبروتوكولات موحدة لضمان الموثوقية والصلاحية. تم إجراء التحليل باستخدام برامج إحصائية متقدمة، مع تطبيق تقنيات مثل تحليل الانحدار واختبار الفرضيات لاستخلاص استنتاجات ذات مغزى من البيانات. يبرز القسم أهمية القابلية للتكرار والشفافية في عملية البحث، موضحًا الخطوات المتخذة لتقليل التحيز وتعزيز قوة النتائج. بشكل عام، تم تصميم الطرق المستخدمة لتوفير إطار صارم لفهم الظواهر قيد التحقيق.
نتائج
توضح قسم النتائج نتائج تصنيع وقياس رقائق السيليكون على العازل (SOI) والسيليكا، التي تم إنتاجها باستخدام عمليات قياسية. أظهرت كتل البناء الفوتونية (PBSs) وموجهات الإشارة الفوتونية (PSRs) على شريحة SOI خصائص فقدان منخفض، حيث حققت خسائر تقل عن 1 ديسيبل ومستويات تداخل أقل من -15 ديسيبل لكل من الأوضاع الكهربائية المستعرضة (TE) والمغناطيسية المستعرضة (TM). تضمنت إعداد الربط ألياف أحادية الوضع ذات فتحة عددية عالية جدًا (NA) (HSMF) مع فتحة عددية قدرها 0.41 وقطر نواة يبلغ حوالي 2.4 ميكرومتر، مما أدى إلى فقدان ربط قدره حوالي 2 ديسيبل لوضع TE عبر نطاق الطول الموجي من 1520-1600 نانومتر.
بالإضافة إلى ذلك، تم قياس فقدان الربط بين دليل الموجات السيليكوني ودليل الموجات السيليكا أحادي الوضع عند 0.4 ديسيبل لوضع TE و1.5 ديسيبل لوضع TM. أظهر مضاعف وضع السيليكا فقدانًا على الشريحة أقل من 0.8 ديسيبل وتداخل بين الأوضاع أقل من -14.2 ديسيبل عبر نطاق طولي واسع من 1530-1620 نانومتر. تم بعد ذلك ربط شريحة SOI بأسلاك إلى لوحة دائرة مطبوعة (PCB) للتحكم الكهربائي، وتم توفير صور مجهر إلكتروني مسح (SEM) لمكونات مختلفة، بما في ذلك PBS وموصل التداخل متعدد الأوضاع (MMI) وPSR ودليل الموجات السيليكا، لتوضيح جودة التصنيع.
مناقشة
في هذا القسم، يقدم المؤلفون مولد ضوء منظم جديد بالكامل على الشريحة يدمج شريحة السيليكون على العازل (SOI) مع شريحة السيليكا، مما يتيح التحكم الدقيق في سعة الضوء وطورها عبر عدة مخرجات. يستخدم النظام الربط الحدي للتلاعب بتراكب الأوضاع في أدلة الموجات السيليكا أو الألياف، مما يسمح بالتوليف المباشر لمجموعة متنوعة من أوضاع الزخم الزاوي المداري (OAM). يوضح المؤلفون أنه من خلال دمج ستة أوضاع مستقطبة خطيًا (LP) بشكل انتقائي، يمكنهم توليد أوضاع OAM القياسية والاتجاهية، بالإضافة إلى حزم الضوء المنظم مثل الزخم الزاوي القياسي (SAM) وحزم الاستقطاب الدائري (CV). يحقق الجهاز المقترح كفاءة عالية وفقدان منخفض، مع إمكانية تطبيقات في تقسيم الوضع المتعدد، واستشعار الألياف، والتقنيات الكمومية على الشريحة.
تسلط المناقشة الضوء على مزايا النظام المقترح مقارنة بالطرق الحالية، لا سيما قدرته على الحفاظ على توليد الضوء والتحكم بالكامل على الشريحة، مما يلغي الحاجة إلى إعدادات خارجية معقدة. يشير المؤلفون إلى أنه بينما يدعم التنفيذ الحالي ستة أوضاع LP، فإن التحسينات المستقبلية يمكن أن تسمح بتوليد حالات OAM من الدرجة الأعلى من خلال توسيع مضاعف وضع السيليكا لاستيعاب أوضاع LP إضافية. كما يتناولون التحديات المتعلقة بالتداخل الحراري ويقترحون تحسينات تصميم، مثل الخنادق الهوائية، لتحسين الكفاءة الحرارية وتقليل الأخطاء في التحكم في القوة والطور. بشكل عام، يقدم البحث تقدمًا كبيرًا في الدوائر المتكاملة الفوتونية (PICs) لتوليد الضوء المنظم، مع التركيز على المرونة، وعرض النطاق الترددي، والكفاءة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41377-025-01899-7
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40588498
Publication Date: 2025-06-30
Author(s): Weike Zhao et al.
Primary Topic: Orbital Angular Momentum in Optics
Overview
The research presents a groundbreaking development in the field of structured light generation, specifically focusing on angular momentum states, including spin angular momentum (SAM) and orbital angular momentum (OAM). The authors introduce the first fully reconfigurable all-on-chip structured light generator, utilizing a silicon-on-insulator (SOI) chip in conjunction with a silica mode multiplexer. This innovative architecture enables the generation of both scalar and vectorial angular momentum beams by selectively stimulating six linearly-polarized (LP) modes within the silica multimode bus waveguide.
By precisely controlling the modal powers and phases through the SOI chip, the system can synthesize arbitrary superpositions of the mode set, facilitating the creation of cylindrical vector vortex beams and OAM beams with specific spin and topological charges. The compact design of this structured light generator not only demonstrates high switching speeds but also operates effectively within the telecom band, indicating significant potential for applications in optical communication and integrated quantum technologies.
Introduction
In recent decades, structured light has garnered significant research interest due to its diverse applications, including spin angular momentum (SAM) beams, cylindrical vector (CV) beams, orbital angular momentum (OAM) beams, and total angular momentum (TAM) beams. SAM beams, characterized by circular polarization, carry a spin angular momentum of \( S = \sigma \hbar \) per photon, while CV beams exhibit a circularly symmetric polarization distribution with a singularity at the center. OAM beams, defined by a helical phase front \( \exp(il\theta) \), possess a phase singularity and carry an OAM of \( l\hbar \) per photon, making them valuable for applications such as mode-division multiplexing and optical manipulation. The generation of structured light has evolved through various optical tools, including spatial light modulators and silicon-on-insulator (SOI) photonic structures, which enable compact and robust on-chip implementations.
This paper presents an advancement in photonic integrated circuits (PICs) as structured light generators by demonstrating an all-on-chip reconfigurable device capable of producing angular momentum beams on demand. Utilizing the natural modes of a silica waveguide, the device is controlled through six independent outputs from an SOI chip, allowing for manipulation of modal power and phase. The architecture merges an SOI chip with a silica mode multiplexer, facilitating efficient on-chip excitation of scalar and vectorial OAM modes, including cylindrical vector vortex beams. This approach not only enhances conversion efficiency and simplifies fiber coupling but also holds promise for future scalability to higher OAM values and arbitrary total angular momentum configurations, thereby advancing the field of structured light generation.
Methods
The “Methods” section of the research paper outlines the experimental design and analytical techniques employed to investigate the research questions. The study utilized a quantitative approach, incorporating statistical analyses to evaluate the data collected from various experiments. Specific methodologies included controlled experiments, where variables were systematically manipulated to observe their effects on the outcomes of interest.
Data collection involved the use of standardized instruments and protocols to ensure reliability and validity. The analysis was conducted using advanced statistical software, applying techniques such as regression analysis and hypothesis testing to draw meaningful conclusions from the data. The section emphasizes the importance of replicability and transparency in the research process, detailing the steps taken to minimize bias and enhance the robustness of the findings. Overall, the methods employed are designed to provide a rigorous framework for understanding the phenomena under investigation.
Results
The results section details the fabrication and measurement outcomes of silicon-on-insulator (SOI) and silica chips, which were produced using standard processes. The photonic building blocks (PBSs) and photonic signal routers (PSRs) on the SOI chip demonstrated low loss characteristics, achieving losses of less than 1 dB and crosstalk levels below -15 dB for both transverse electric (TE) and transverse magnetic (TM) modes. The coupling setup involved an ultra-high numerical aperture (NA) single mode fiber (HSMF) with a numerical aperture of 0.41 and a core diameter of approximately 2.4 μm, resulting in a coupling loss of about 2 dB for the TE mode across the wavelength range of 1520-1600 nm.
Additionally, the coupling loss between the silicon waveguide and the single mode silica waveguide was measured at 0.4 dB for the TE mode and 1.5 dB for the TM mode. The silica mode multiplexer exhibited an on-chip loss of less than 0.8 dB and inter-mode crosstalk of less than -14.2 dB across a broad wavelength range of 1530-1620 nm. The SOI chip was subsequently wirebonded to a printed circuit board (PCB) for electrical control, and scanning electron microscope (SEM) images of the various components, including the PBS, multimode interference (MMI) coupler, PSR, and silica waveguide, were provided to illustrate the fabrication quality.
Discussion
In this section, the authors present a novel all-on-chip structured light generator that integrates a silicon-on-insulator (SOI) chip with a silica chip, enabling precise control over light’s amplitude and phase across multiple output ports. The system utilizes edge coupling to manipulate the superposition of modes in silica waveguides or fibers, allowing for the direct synthesis of various orbital angular momentum (OAM) modes. The authors demonstrate that by selectively combining six linearly polarized (LP) modes, they can generate scalar and vectorial OAM modes, as well as structured light beams such as scalar angular momentum (SAM) and circularly polarized (CV) beams. The proposed device achieves high efficiency and low loss, with the potential for applications in mode division multiplexing, fiber sensing, and on-chip quantum technologies.
The discussion highlights the advantages of the proposed system over existing methods, particularly its ability to maintain light generation and control entirely on-chip, thus eliminating the need for cumbersome external setups. The authors note that while the current implementation supports six LP modes, future enhancements could allow for the generation of higher-order OAM states by expanding the silica mode multiplexer to accommodate additional LP modes. They also address challenges related to thermal crosstalk and propose design optimizations, such as air trenches, to improve thermal efficiency and reduce inaccuracies in power and phase control. Overall, the research presents a significant advancement in photonic integrated circuits (PICs) for structured light generation, emphasizing versatility, bandwidth, and efficiency.