近日，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期刊《納米快報》（Nano Letters）上發表了題為“納米打印集成衍射層的具有可擴展拓撲荷數的垂直腔面發射渦旋光激光器”（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，上海理工大學為第一單位。
隨著人工智能、大數據的飛速發展，人類每日產生的數據量也在指數增加，實現高容量的信息復用是應對未來高數據吞吐量應用的有效途徑。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信息復用技術中，來大幅提高信息容量，包括光通信、全息術、光學人工智能、光學加密、光存儲等。
渦旋光激光器作為軌道角動量光學信息的發射裝置被廣泛研究。其中，實現片上、微型的渦旋光激光器對于渦旋光復用技術的芯片化、集成化發展至關重要，能夠真正推動這些技術的產業落地。但是，現有的有源微型渦旋光激光器難以產生高階渦旋光（拓撲荷數普遍小于5），其關鍵原因是光源的出光面積有限，導致集成的軌道角動量相位結構的分辨率不足，制約了空間帶寬積的提高。拓撲荷數越高代表了可能實現的軌道角動量信息復用的通道數越多，因此，這一問題嚴重制約了軌道角動量片上信息復用的容量提升。
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構的垂直腔面發射渦旋光激光器，具有體積小、高速度、低閾值、圓形光場、垂直出光、可陣列化的優勢。作者通過激光打印微型的軌道角動量相位結構集成在垂直腔面發射激光器表面，從而使激光器發出的高斯光束經過相位結構的調制后變為渦旋光束。激光打印的方法可以擴大軌道角動量相位結構有效光照面積，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，而此前方法約為數小時。文章中，作者實現了拓撲荷數從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。
本文中作者通過設計3D結構的、級聯的螺旋相位板（SPP）進一步來提高空間帶寬積，成功實現了最大拓撲荷數為15的渦旋光束。該研究解決了微型渦旋光激光器拓撲荷數提高的問題，有望推動軌道角動量信息復用技術的小型化、集成化發展。
該工作得到了國家自然科學基金委員會和上海市科委等單位的支持。
論文鏈接：
https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.3c02938
供稿：光子芯片研究院
