导读

结构光因其独特的强度、相位或偏振分布特性，能够携带自旋角动量（SAM）或轨道角动量（OAM）。尽管结构光的生成有多种方案，但目前尚未实现结构光的片上多维度可重构调控。针对这一关键问题，浙江大学戴道锌研究团队报道了首个可生成矢量结构光的片上集成结构光发生器。该器件通过选择性激发 6 种线偏振（LP）模式，定制任意模式叠加组合，进而合成多样化光束形态。相关成果以"All - on - chip reconfigurable generation of scalar and vectorial orbital angular momentum beams"为题发表于国际顶级光学期刊《Light: Science & Applications》，副研究员赵伟科与博士生易晓琳为共同第一作者，戴道锌教授和 Andrew Forbes 教授为共同通讯作者。

背景介绍

结构光因其独特的强度、相位或偏振分布特性，展现出自旋角动量（SAM）与轨道角动量（OAM）的携带能力 —— 其中偏振态的旋转特性对应 SAM，而螺旋相位波前则对应 OAM。这类特殊光场结构在光通信、光镊技术、精密测量等前沿领域具有广泛应用前景。然而，传统结构光生成依赖于光纤、相位板、超表面、衍射光栅微环等无源结构，且往往仅能实现单一维度（如强度、相位或偏振）的调控，导致其仅产生单一光束类型。如何实现可重构矢量结构光，一直是该领域的核心挑战。

文章亮点

工作原理

针对以上挑战，我们提出图 1 (a) 所示的片上集成结构光合成器。该系统由硅光（SOI）芯片与SiO₂芯片级联构成，其中：SOI芯片用于产生三对 TE₀/TM₀偏振模式，并通过热光效应实现各模式功率比及相移的独立调控；SiO₂芯片则用于接收来自 SOI 芯片的三对模式，并复用到多模波导的六个准线偏振（LP）模（LP_01-x、LP_01-y、LP_11a-x、LP_11a-y、LP_11b-x、LP_11b-y），如图 1 (b) 所示。

基于此架构，通过调节SOI芯片热电极参数，精确控制六种 LP 模式的功率比与相移量，可选择性合成三类典型结构光束：

1.自旋角动量光束（SAM_±1）（图 1c）；

2.圆柱矢量光束（如径向偏振光束 RPB / 方位角偏振光束 APB）（图 1d）；

3.双偏振轨道角动量光束（OAM_±1-x、OAM_±1-y）（图 1e）。

图1. 集成矢量结构光合成器概念图。（a）三维结构，（b）六个LP模式基组，（c）SAM_±1光束合成，（d）圆柱矢量(CV)光合成，（e）OMA_±1-x和OMA_±1-y光束的合成。

结构光合成

图 2 (a)为所制备的结构光生成芯片，通过精确调控光衰减器及相移器实现的六个LP模式如图 2 (b) 所示，对应的传输谱线特性如图 2 (c) 所示。

图2. 六个LP模式的激发。（a）SOI光衰减器开关特性，（b）SOI光衰减器开关时间，（c）单独激发的六个LP模式的模场，（d）六个LP模式的传输光谱。

图 3 (a) 为利用 LP_01-x和LP_01-y模式合成的 SAM_±1光束，其偏振度超过 0.996。通过调控两模式的相位差与振幅比，可精确实现 SAM₊₁（右旋）或 SAM_-1（左旋）的偏振态调控。通过选择性激发不同偏振方向的 LP_11a和 LP_11b模式，可合成图 3 (b) 所示的圆柱矢量光束。其强度分布呈典型的甜甜圈形，偏振分布满足径向（RPB）或方位角向（APB）特性，经测量的光束纯度高于 0.9788。

而对于轨道角动量（OAM_±1）光束，则需激发相同偏振方向的 LP_11a和 LP_11b模式，如图 3 (c)-(d) 所示。该结构光强度分布与圆柱矢量光类似，呈现甜甜圈形，而相位分布沿光轴方向呈螺旋形展布。图 3 (e) 为合成涡旋光束的 OAM 谱分解结果，目标 OAM 阶数的纯度表现优异。

图3. 结构光束的实验合成。(a)采用LP_01-x和LP_01-y模式合成了SAM_±1光束，并采用四分之一波片旋转方法对其进行了表征；(b)采用不同偏振的LP_11a和LP_11b模式合成圆柱矢量光束；(c)利用LP_11a-x和LP_11b-x模式合成OAM_±1-x光束；(d) LP_11a-y和LP_11b-y模式组合合成的OAM_±1-y光束，(e) 合成的OAM_-1-x、OAM_+1-x、OAM_+1-y和OAM_-1-y光束的OAM基模态分解。

自旋轨道高阶庞加莱球拓展

理论上，本文所提出的全片上结构光发生器可合成同时携带OAM与SAM的总角动量（TAM）光束。TAM 光束的偏振-相位特性通常由自旋-轨道高阶庞加莱多球描述，如图4 (a) 所示。其中心的自旋-轨道庞加莱球（I）两极分别对应同偏振叠加态（LP_11a??与 LP_11b?x）、（LP_11a?y与 LP_11a?y），通过调控- x与- y分量的相位关系，可实现庞加莱球全表面覆盖。而同偏振叠加态内部的相位关系（如 LP_11a??与 LP_11b?x）则由相位面 II 和 III 表征，通过独立控制两分量的强度与相位，可实现相位面全表面调控。

高阶庞加莱多球上典型特征点的强度、偏振及相位仿真结果如图4 (b) 所示。通过精准操控四个基向量（LP_11a??、LP_11a?y、LP_11b?x、LP_11b?y）的光场维度参数，可合成同时携带复杂偏振与相位信息的任意结构光束。

图4. TAM光束合成。(a)激发LP_11a-x、LP_11a-y、LP_11b-x、LP_11b-y模式合成TAM光束示意图，自旋--轨道高阶庞加莱球(I)为TAM波束的偏振球，而图（II）和（III）为TAM波束O_x和O_y分量的相位球。(b)合成的典型TAM光束的强度/偏振分布、E_x分量的相结构以及E_y分量的相结构。

总结与展望

综上所述，本研究提出了一种全片上可重构矢量结构光合成器。该系统以六个线偏振（LP）模式为基础向量空间，通过精准调控各模式的功率配比与相位关系，实现了多种结构光束的按需合成。相比于以往片上结构光生成方案具有三大技术优势。

（1）通用性强：基于 LP 模式基组的矢量合成架构，可兼容标量/矢量结构光的统一生成；

（2）带宽特性优异：实验验证的宽谱工作范围突破传统器件的波长限制；

（3）转换效率高：模式复用设计实现≥97.8% 的能量转换效率（实验测量值）。

此外，该方案生成的结构光可直接在片上波导中传输或与 OAM 光纤高效耦合，为远程光通信与量子信息处理提供了集成化解决方案。基于此架构，未来可进一步拓展高维结构光束的生成能力，其多样化的光场调控特性在微粒多自由度操控、光镊阵列构建等领域具有显著应用潜力。（来源：LightScienceApplications微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-025-01899-7