在信息技術(shù)向超高容量、微型化方向持續(xù)演進(jìn)的當(dāng)下，光的角動(dòng)量復(fù)用技術(shù)憑借其物理正交特性，已成為破解數(shù)據(jù)傳輸與存儲(chǔ)領(lǐng)域性能瓶頸的關(guān)鍵技術(shù)路徑。然而，傳統(tǒng)基于干涉法的探測(cè)方案受限于器件體積與帶寬特性，難以滿足芯片級(jí)集成應(yīng)用的核心需求。近日，一項(xiàng)發(fā)表于《Science》的研究提出了無干涉角動(dòng)量復(fù)用創(chuàng)新方案，通過設(shè)計(jì)新型納米環(huán)孔徑結(jié)構(gòu)，成功實(shí)現(xiàn)150納米帶寬的片上并行復(fù)用，為微型化納米光子器件的研發(fā)與應(yīng)用開辟了全新路徑。

    角動(dòng)量復(fù)用技術(shù)的發(fā)展瓶頸與突破路徑
    光的角動(dòng)量（AM）包含自旋角動(dòng)量（SAM）與軌道角動(dòng)量（OAM），其獨(dú)特的物理正交性使其在高容量光通信、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、生物傳感等領(lǐng)域具備顯著應(yīng)用潛力。從自由空間光通信到緊湊型光纖系統(tǒng)，角動(dòng)量復(fù)用技術(shù)已逐步展現(xiàn)出規(guī)?；瘧?yīng)用前景，但傳統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式長(zhǎng)期面臨兩大核心技術(shù)瓶頸：其一，依賴全息編碼或移相技術(shù)的干涉型探測(cè)方案，器件體積龐大，無法適配芯片級(jí)集成的微型化需求；其二，現(xiàn)有芯片級(jí)角動(dòng)量復(fù)用技術(shù)多基于共振特性，帶寬通常僅為數(shù)納米，遠(yuǎn)不能滿足寬帶應(yīng)用場(chǎng)景的性能要求。
    表面等離子體極化激元（SPPs）的強(qiáng)光約束能力為解決器件尺寸問題提供了重要技術(shù)支撐，但其軌道角動(dòng)量的探測(cè)仍需依賴相敏干涉法，導(dǎo)致器件性能受限。因此，在芯片尺度下突破帶寬限制、擺脫對(duì)干涉機(jī)制的依賴，成為該領(lǐng)域的核心攻關(guān)方向。

    無干涉復(fù)用的核心架構(gòu)設(shè)計(jì)：納米環(huán)孔徑的技術(shù)創(chuàng)新
    研究團(tuán)隊(duì)提出的納米環(huán)孔徑（NRA）復(fù)用單元，以非共振模式分選機(jī)制打破了傳統(tǒng)技術(shù)的物理限制。該復(fù)用單元尺寸僅為4.2微米×4.2微米，由淺納米槽與空間位移的模式分選納米狹縫構(gòu)成，其核心工作機(jī)制可分為三個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)：
    首先，將攜帶四種特定角動(dòng)量模式（AM?至AM?，軌道角動(dòng)量模指數(shù)l?覆蓋-4至+4，自旋角動(dòng)量s分別為±1）的光束進(jìn)行同軸疊加，形成角動(dòng)量疊加光束；其次，納米槽作為金屬-電介質(zhì)界面，將光子攜帶的角動(dòng)量模式高效轉(zhuǎn)換為表面等離子體極化激元；最后，通過設(shè)計(jì)不同尺寸與橫向位移的納米環(huán)狹縫，實(shí)現(xiàn)對(duì)特定角動(dòng)量模式的選擇性耦合輸出，完成無干涉條件下的模式分選。
    該設(shè)計(jì)的核心創(chuàng)新在于非共振特性——納米環(huán)狹縫對(duì)緊密約束的等離子體模式表現(xiàn)出獨(dú)特的耦合輸出效率，無需依賴干涉機(jī)制即可實(shí)現(xiàn)角動(dòng)量模式的精準(zhǔn)區(qū)分。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明，內(nèi)半徑75nm與200nm的納米環(huán)狹縫，可分別高效分選總角動(dòng)量L=±1與L=±3的模式，為寬帶復(fù)用技術(shù)的實(shí)現(xiàn)奠定了核心基礎(chǔ)。

    關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)突破：150納米帶寬與低串?dāng)_性能
    基于上述核心設(shè)計(jì)，研究團(tuán)隊(duì)取得了多項(xiàng)關(guān)鍵性能突破：在可見光波長(zhǎng)范圍內(nèi)，復(fù)用帶寬達(dá)到150納米，較傳統(tǒng)共振型技術(shù)提升兩個(gè)數(shù)量級(jí)；通過動(dòng)態(tài)切換角動(dòng)量疊加光束，成功實(shí)現(xiàn)四態(tài)角動(dòng)量復(fù)用，模式串?dāng)_低至-17分貝，有效保障了信號(hào)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性；進(jìn)一步將8×8個(gè)納米環(huán)孔徑單元集成，構(gòu)建出納米環(huán)孔徑角動(dòng)量復(fù)用芯片（NAMMC），可并行實(shí)現(xiàn)角動(dòng)量-波分復(fù)用，并成功還原出100像素×100像素的角動(dòng)量-波分編碼圖像。
    實(shí)驗(yàn)表征結(jié)果顯示，該芯片不僅能夠高效分選不同角動(dòng)量模式，還可在580-700納米波長(zhǎng)范圍內(nèi)保持穩(wěn)定工作狀態(tài)。無論是單個(gè)復(fù)用單元的四態(tài)復(fù)用性能，還是大規(guī)模陣列的并行處理能力，均展現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性與可擴(kuò)展性。這種無干涉、寬帶化的技術(shù)特性，徹底擺脫了傳統(tǒng)干涉器件的體積限制與共振技術(shù)的帶寬束縛。

    技術(shù)應(yīng)用前景：從實(shí)驗(yàn)室研究到產(chǎn)業(yè)落地的拓展
    該技術(shù)突破具有廣泛的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用價(jià)值。在光通信領(lǐng)域，其寬帶特性與芯片級(jí)尺寸優(yōu)勢(shì)可大幅提升數(shù)據(jù)傳輸速率，同時(shí)縮小通信設(shè)備體積，為5G-A及6G技術(shù)的演進(jìn)提供核心支撐；在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)領(lǐng)域，多模式并行復(fù)用能力可顯著提高存儲(chǔ)密度，推動(dòng)大容量微型存儲(chǔ)器件的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化；在高清顯示與生物傳感領(lǐng)域，無干涉機(jī)制帶來的高靈敏度與穩(wěn)定性，有望進(jìn)一步提升顯示分辨率與傳感精度，拓展相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景。
    更為重要的是，該技術(shù)具備良好的通用性與可擴(kuò)展性。其模式分選原理可拓展至不同拓?fù)浜傻穆菪{米槽系統(tǒng)及多同心納米環(huán)狹縫結(jié)構(gòu)，未來有望進(jìn)一步縮小器件尺寸，實(shí)現(xiàn)更多角動(dòng)量模式的復(fù)用。通過與芯片級(jí)角動(dòng)量發(fā)生器的集成，該技術(shù)將構(gòu)建起緊湊的片上角動(dòng)量應(yīng)用平臺(tái)，為光電子學(xué)領(lǐng)域的微型化、寬帶化發(fā)展提供核心技術(shù)支撐。

    該研究以無干涉機(jī)制打破了角動(dòng)量復(fù)用的物理限制，通過創(chuàng)新納米結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了帶寬與尺寸的雙重突破。150納米寬帶特性與芯片級(jí)尺寸的有效融合，不僅解決了傳統(tǒng)技術(shù)的核心痛點(diǎn)，更為超高容量光信息技術(shù)的微型化演進(jìn)提供了全新技術(shù)范式，未來有望在通信、存儲(chǔ)、顯示等多個(gè)領(lǐng)域推動(dòng)技術(shù)革新與產(chǎn)業(yè)升級(jí)。