轨道角动量波导光子芯片

金贤敏团队通过飞秒激光直写技术，制备了首个波导横截面为“甜甜圈”型的三维集成OAM波导光子芯片。通过测量从芯片出来的扭曲光与参考光的干涉，以及对芯片前后的态进行投影测量，实验证实，此波导可高效高保真地传输低阶OAM模式，传输总效率达60%；且该波导会将高阶模式转化为低阶模式。此外，该波导也可高保真地传输三比特的“高维量子比特（qutrit）”态，超越传统两比特的“量子比特（qubit）”态，表明此波导有潜力用于高维量子态的传输与操控。

审稿人对该项成果给予了高度评价：

1. “the first demonstration of OAM transmission through a waveguide on chip”（首个在芯片的波导上演示了轨道角动量的传输实验）

2. “the first OAM carrying waveguide chip”（首个可携带轨道角动量的波导芯片）

3. “first promising steps towards integrated structures for OAM-carrying light and also might be considered an important step for the twisted light and optics community”（首个迈向轨道角动量集成结构的有前景的一步，同时对于整个光学领域和扭曲光来说是重要的一步）

由于扭曲光（twisted light）具有“甜甜圈”分布的强度结构、螺旋型波阵面的位相结构、携带OAM的动态特性，被广泛用于光操纵、光钳等领域。不同于光的自旋角动量，OAM拥有无限的拓扑荷和内在正交性，可用于解决通信系统信道容量紧缩的问题。

而在量子信息等领域，光子OAM可用于分发高维量子态以及构建高维量子计算机。

但大规模应用OAM需要将其传输、产生及操纵一体化，而此前的研究均无法让OAM存在于芯片内部。

金贤敏希望该芯片首先能用于高通量光通信领域；而英国圣安德鲁斯大学光操控专家基山·多拉基亚认为，新芯片有望为量子光学和成像等领域开辟新天地。金贤敏团队已为该波导芯片向国家知识产权局申请了发明专利。

规则波导1.1定义

波导（WAVEGUIDE），用来定向引导电磁波的结构。常见的波导结构主要有平行双导线、同轴线、平行平板波导、矩形波导、圆波导、微带线、平板介质光波导和光纤。从引导电磁波的角度看，它们都可分为内部区域和外部区域，电磁波被限制在内部区域传播（要求在波导横截面内满足横向谐振原理）。

通常，波导专指各种形状的空心金属波导管和表面波波导，前者将被传输的电磁波完全限制在金属管内，又称封闭波导；后者将引导的电磁波约束在波导结构的周围，又称开波导。当无线电波频率提高到3000兆赫至300吉赫的厘米波波段和毫米波波段时，同轴线的使用受到限制而采用金属波导管或其他导波装置。波导管的优点是导体损耗和介质损耗小；功率容量大；没有辐射损耗；结构简单，易于制造。波导管内的电磁场可由麦克斯韦方程组结合波导的边界条件求解，与普通传输线不同，波导管里不能传输TEM模，电磁波在传播中存在严重的色散现象，色散现象说明电磁波的传播速度与频率有关。表面波波导的特征是在边界外有电磁场存在。其传播模式为表面波。在毫米波与亚毫米波波段，因金属波导管的尺寸太小而使损耗加大和制造困难。这时使用表面波波导，除具有良好传输性外，主要优点是结构简单，制作容易，可具有集成电路需要的平面结构。表面波波导的主要形式有：介质线、介质镜像线、H-波导和镜像凹波导。

规则波导1.2基本特征

电磁波在波导中的传播受到波导内壁的限制和反射。波导管壁的导电率很高（一般用铜、铝等金属制成，有时内壁镀有银或金），通常可假定波导壁是理想导体，波导管内的电磁场分布可由麦克斯韦方程组结合波导的边界条件来求解。波导管内不能传输TEM波，电磁波在波导中的传播存在着严重的色散现象。波导中可能存在无限多种电磁场的结构或分布，每一种电磁场的分布称为一种波型（模式），每一种波型都有对应的截止波长和不同的相速。横截面均匀的空心波导称为均匀波导，均匀波导中电磁波的波型可分为电波（TE模）和磁波（TM模）两大类。

通常，波导专指各种形状的空心金属波导管和表面波波导，前者将被传输的电磁波完全限制在金属管内，又称封闭波导；后者将引导的电磁波约束在波导结构的周围，又称开波导。

介质波导采用固体介质杆而不是空心管。光导纤维是在光频率工作下的介质波导。微带、共面波导、带状线或同轴电缆等传输线也可以认为是波导。

当无线电波频率提高到3000兆赫至 300吉赫的厘米波波段和毫米波波段时，同轴线的使用受到限制而采用金属波导管或其他导波装置。波导管的优点是导体损耗和介质损耗小；功率容量大；没有辐射损耗；结构简单，易于制造。波导管内的电磁场可由麦克斯韦方程组结合波导的边界条件求解，与普通传输线不同，波导管里不能传输 TEM模，电磁波在传播中存在严重的色散现象，色散现象说明电磁波的传播速度与频率有关。表面波波导的特征是在边界外有电磁场存在 。其传播模式为表面波。在毫米波与亚毫米波波段，因金属波导管的尺寸太小而使损耗加大和制造困难。这时使用表面波波导，除具有良好传输性外，主要优点是结构简单，制作容易，可具有集成电路需要的平面结构。表面波波导的主要形式有：介质线、介质镜像线、H-波导和镜像凹波导。

金属管波导中的电磁波可以想象为沿Z字形路径在波导中行进，在波导的壁之间来回反射。对于矩形波导的特殊情况，可以立足于这种观点的精确分析。在介质波导中的传播也可以同样的方式看待，波被电介质表面的全内反射限制在电介质的内部。一些结构，如无辐射介质波导和高保线，使用金属壁和电介质表面来限制波。

本书是关于光子集成理论以及制备技术的专著。全书共10章，第1章主要介绍光波导基础理论；第2、3章主要介绍光波导器件数值模拟技术；第4章主要介绍各类光波导（包括最新发展的硅纳米光波导等）基本特性以及相关制作工艺；第5章重点介绍针对光纤到户系统需求的新型集成光子器件；第6、7章重点介绍光通信系统中最具代表性的集成光子器件，包括波分复用器、微环滤波器等，并在第7章对微环传感器的最新进展作了相关介绍；第8章详细介绍最新发展的表面等离子金属光波导的原理、结构以及发展前景；第9章主要介绍和总结另一种新型光波导——光子晶体波导；第10章着重介绍硅光子学的最新研究进展。

本书可作为大专院校相关专业本科生、研究生的课程教材，也可作为从事光通信器件专业的科学技术人员的参考用书。