（材料科学与工程学院/文、图）近日，在国家自然科学基金、深圳市基础研究等项目支持下，哈工大（深圳）微纳光电团队肖淑敏教授指导的硕士研究生程佳平在国际著名期刊《Nano Letters》上发表了题为“Ultracompact Orbital Angular Momentum Sorter on a CMOS Chip”的论文。哈工大（深圳）为通讯单位，程佳平同学本科毕业于哈工大（深圳），是校区培养的首届本科生。

涡旋光束因其具有光学轨道角动量（轨道角动量，OAM）这一独特物理特征而倍受科研人员关注，它是一类含有exp(ilφ)的螺旋相位因子的特殊光场，光场内每个光子的OAM为lℏ，其中φ为空间方位角，l为拓扑荷数。轨道角动量作为独立于光强、频率、偏振、自旋角动量以外的新自由度，其在理论上模式数量是无限的并且不同OAM模式的光束相互正交，这对于包括大容量通信、高维量子纠缠和量子密钥分布在内的下一代电信技术尤为重要，而OAM分光器是实现上述应用关键的组件之一。

研究团队展示了一种基于对数极坐标变换(log-polar)原理的超紧凑型OAM分光器。log-polar变换可以将涡旋光束的螺旋相位梯度转换为横向相位梯度，不同拓扑荷数的涡旋光束将具有不同的横向相位梯度，通过透镜的聚焦来实现OAM光束在空间位置上的分离。团队通过利用传播相位将本需要庞大光学系统才能实现的酉变换理论转移到两层TiO2超表面上，第一层超表面实现对数极坐标变换、扇出光束复制和傅里叶变换，第二层超表面实现对变换过程中产生的相位畸变的校正以及透镜聚焦功能。超表面的尺寸约为400微米，两层之间的间隔距离约为2毫米，通过将超表面集成到互补金属氧化物半导体 (CMOS) 相机上构建了一个整体大小约为3cm*3cm*1cm的OAM分光器。该分光器可实现拓扑电荷为m=-3至3的涡旋光束分离，平均串扰为-6.43dB。这种超紧凑型 OAM 分光器与光纤系统兼容，因此能够加快推进大容量光通信和量子通信领域的发展。（审核：徐成彦）

图1. (a)OAM分选机图片。(b)超表面的显微镜照片以及SEM照片。(c)实验测量结果。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acs.nanolett.2c00572