近日，宾夕法尼亚大学冯亮教授课题组和Ritesh Agarwal教授课题组合作并分别主导完成了可调控涡旋激光器和涡旋光探测器，首次在光子芯片上实现了可调控涡旋激光的产生和探测，两项研究成果同时在国际权威学术期刊《科学》上发表。

不同于自旋角动量（Spin Angular Momentum）只有两个状态，涡旋光的轨道角动量 （Orbital Angular Momentum）理论上具有无限的状态范围。特别是其可以作为载波进行多路复用。因此在光通信，数据中心链接等有着广泛的应用前景。然而，现有的可集成涡旋激光器缺乏可调控性；与此同时，对应的片上涡旋光电探测器尚属空白。因此，涡旋光尚未在实际集成光学器件（如多路复用器、光开关、光调制器等）中得到广泛应用。

图1：可调控涡旋激光器示意图。（图片来源：Science Tunable topological charge vortex microlaser）

在光源方面，不同于固定荷值的涡旋激光器，作者们通过设计和控制非厄米（non-Hermitian）对称性的方式动态调控结构材料的损耗和增益来达成对涡旋光荷值的控制（图一）。具体来说，通过设计微腔和波导间的可控非厄米耦合使得微腔中两个自旋-轨道锁定的涡旋态能进行单向耦合，从而选取激发一个特定的涡旋态。基于总角动量守恒的原理，他们将自旋角动量转换为轨道角动量从而进一步增加了荷值的可调控范围。

图2：可调控涡旋激光器实现了在相同波长下五个不同涡旋光的动态调制。（图片来源：Science Tunable topological charge vortex microlaser）

第一作者张智峰说，实验上，他们使用InGaAsP量子阱半导体材料制造微腔和波导结构。该材料在没有光学泵浦的情况下呈现高损耗状态，而在光学泵浦下呈现增益状态，满足非厄米控制所需的特性。因此通过改变光泵浦在非厄米波导上的位置就可以达到改变单向耦合方向的目的，从而选取激发特定手性的涡旋光。随后，作者们通过控制自旋角动量和轨道角动量的转换, 实现了五个不同涡旋光模式之间的动态调制（图二）。更进一步，通过构建非厄米诱导的纯虚部调制的规范场，作者们实现了可调控涡旋激光阵列，展示了高度集成的涡旋光芯片的前景。

图3：涡旋光致电流的测量机制示意图。（图片来源：Science Photocurrent detection of the orbital angular momentum of light）

图4：高阶庞加莱球上广义涡旋光产生的OPGE电流。（图片来源：Science Photocurrent detection of the orbital angular momentum of light）

在探测方面，目前涡旋光的探测手段包括传统的光束干涉法，或基于近场光学的表面等离子体法等。由于这些方法都很难用于集成光学器件中，探测环节大大阻碍了基于涡旋光的信息传输的发展。本研究中，作者们提出一种直接将涡旋光信号转化为电信号的方法。他们利用外尔半金属作为载体，发现光相位的空间变化可以引发受激发电子布居数的空间分布，进而产生以光心为原点‘涡旋’的光电流（图三）。区别于其他光致电流效应，这种非线性光学过程不存在于平面波中，且其产生的非局域电流大小和流向直接对应于涡旋光的阶数，或波前的相位分布。

第一作者季珠润将这一效应命名为“轨道光致电流效应”（orbital photogalvanic effect）。其中，非局域涡旋光电流的发现得益于电极的特殊设计---这种光电流总空间积分为零，必须通过巧妙的电极结构设计来破缺体系的对称性，进行局部的电流测量。此外他们还进一步测量了高阶庞加莱球上矢量涡旋光产生的电流，结果表明广义的涡旋光的轨道和自旋角动量可以同时被精确确定（图四）。作者们指出，若能将这种方法加以推广，有望通过单一电极阵列完成混合涡旋光的芯片上检测和信号分离。

这两项研究展示的光量子芯片集成可调涡旋激光和涡旋光探测器将大大推进涡旋光作为信息载体的集成化和实用化进程，进一步发展大容量光电通信科技。