可重构空间模态生成与复用的可扩展光子芯片

将光的图样作为信息高速公路

光束内部不可见的图样正成为新的数据通道和强大的传感与计算工具。工程师不再只用亮度或颜色来编码信息，而是可以将信息嵌入光的形状和偏振中。本文介绍了一种微小的可编程硅芯片，能够按需塑造这些复杂的光图样，可能重塑未来通信网络、显微镜和量子器件处理信息的方式。

为何塑造光很重要

光束各不相同：其能量可以排列成不同的空间图样，称为模态。有的看起来像简单的光斑，有的像中心暗的环（“甜甜圈”），还有的呈多瓣亮区的图案。这些空间模态可以作为光纤中的额外车道，允许多个数据通道并行传输而互不干扰。它们也是高精度传感和单光子携带量子信息实验中的关键工具。问题在于，目前生成和切换这些模态的装置通常体积庞大、结构精密且只限于固定图样。

将复杂光学带到芯片上

作者通过将空间模态生成转移到紧凑的硅光子芯片上来应对这一挑战，这种芯片类似于电子芯片，但操控的是光而不是电子。他们的设计结合了两个主要构件。首先，一个可编程的线性光学电路将入射光束分成若干路径，并精确调整它们的相对强度与相位——即光波在时间上的对齐方式。其次，一个轨道角动量发生器使用微小天线阵列将这些精心排列的路径变换为旋转的环形光束。通过把这些旋转光束视为灵活的“基组”，芯片即可对它们进行混合与重组，形成多种不同的输出模态。

从旋涡到条纹及更多形态

关键思想是使用轨道角动量（OAM）模态——其波前像螺旋一样扭曲的光束——作为通用构件。在芯片上，生成了具有左旋或右旋圆偏振的不同OAM模态，然后以受控方式将它们组合。通过在同一阶次的四个此类输入模态之间选择合适的混合与时序，器件可以重构出更常见的线偏振（LP）模态，这些模态表现为条纹或多瓣图案，或更奇特的圆柱矢量（CV）模态，其偏振方向在光束横截面上发生变化。仿真显示，这一策略原则上可以生成大量模态，随着支持更高阶OAM模态，可访问的图样数量呈线性增长。

实验结果

在一块概念验证芯片上，研究团队实验生成了十个不同的OAM模态和八个LP模态。他们通过将每个OAM光束与一个简单的参考光束干涉并观察螺旋条纹来验证其螺旋性，并确认了LP模态中预期的多瓣图样与偏振方向。由于真实器件不可避免存在不完美，作者对片上相位调节器与衰减器进行了精细校准以减少“串扰”，即一种模态泄漏到另一种模态中。调试后，对关键模态的最差非期望泄漏被降低到信号功率的大约十分之一，并对生成模态的总体“纯度”进行了量化。他们还分析了微小天线和波导中的缺陷如何限制性能，并提出了直接的设计改进——例如更紧密布置天线和增加控制元件——以进一步净化模态并实现高质量的CV光束。

迈向灵活的光学系统

简而言之，这项工作表明，单一可编程芯片可以作为通用的光图样塑形器，在不重新设计硬件的情况下在不同模态家族之间切换。尽管当前设备只展示了理论上可能实现的子集，其架构具有良好的可扩展性，经过适度扩展即可支持更高阶的图样。这类可重构的空间模态发生器与接收器有望成为未来可动态适应变化流量的光学网络的关键组件，也可作为量子信息处理、高级成像以及在片上直接以结构化光进行计算的机器学习系统的平台。

引用: Xiao, X., Chen, Y., Bhandari, B. et al. Reconfigurable spatial-mode generation and multiplexing on a scalable photonic chip. npj Nanophoton. 3, 19 (2026). https://doi.org/10.1038/s44310-026-00115-7

关键词: 结构化光, 硅光子学, 空间模态, 轨道角动量, 模态复用