一种微型有源涡旋光激光器设计

近日，上海理工大学光子芯片研究院董毅博以第一作者身份在国际知名纳米学期刊《纳米快报》（Nano Letters）上发表了题为“纳米打印集成衍射层的具有可扩展拓扑荷数的垂直腔面发射涡旋光激光器”（Nanoprinted Diffractive Layer Integrated Vertical-Cavity Surface-Emitting Vortex Lasers with Scalable Topological Charge）的研究成果。该成果由光子芯片研究院顾敏院士、方心远副教授团队和中国科学院微电子研究所合作完成，顾敏院士、方心远副教授、中国科学院微电子研究所潘冠中副研究员、荀孟副研究员为本文通讯作者，上海理工大学为第一单位。

随着人工智能、大数据的飞速发展，人类每日产生的数据量也在指数增加，实现高容量的信息复用是应对未来高数据吞吐量应用的有效途径。具有螺旋相位波前的涡旋光携带有轨道角动量，而轨道角动量（Orbital Angular Momentum， OAM）具有的无穷正交特性可被用于各种光学信息复用技术中，来大幅提高信息容量，包括光通信、全息术、光学人工智能、光学加密、光存储等。

涡旋光激光器作为轨道角动量光学信息的发射装置被广泛研究。其中，实现片上、微型的涡旋光激光器对于涡旋光复用技术的芯片化、集成化发展至关重要，能够真正推动这些技术的产业落地。但是，现有的有源微型涡旋光激光器难以产生高阶涡旋光（拓扑荷数普遍小于5），其关键原因是光源的出光面积有限，导致集成的轨道角动量相位结构的分辨率不足，制约了空间带宽积的提高。拓扑荷数越高代表了可能实现的轨道角动量信息复用的通道数越多，因此，这一问题严重制约了轨道角动量片上信息复用的容量提升。

本研究中，作者提出了一种基于激光纳米三维（3D）打印集成轨道角动量相位结构的垂直腔面发射涡旋光激光器，具有体积小、高速度、低阈值、圆形光场、垂直出光、可阵列化的优势。作者通过激光打印微型的轨道角动量相位结构集成在垂直腔面发射激光器表面，从而使激光器发出的高斯光束经过相位结构的调制后变为涡旋光束。激光打印的方法可以扩大轨道角动量相位结构有效光照面积，从而可增大空间带宽积。同时，激光3D打印比此前方法具有较高的制造效率，单个器件的打印仅约为20分钟，而此前方法约为数小时。文章中，作者实现了拓扑荷数从1到5的可寻址涡旋光激光器阵列，单个器件尺寸仅约为100微米×100微米。

本文中作者通过设计3D结构的、级联的螺旋相位板（SPP）进一步来提高空间带宽积，成功实现了最大拓扑荷数为15的涡旋光束。该研究解决了微型涡旋光激光器拓扑荷数提高的问题，有望推动轨道角动量信息复用技术的小型化、集成化发展。

审核编辑：汤梓红