无干涉机制赋能宽带片上角动量复用：150纳米带宽芯片技术实现

    在信息技术向超高容量、微型化方向持续演进的当下，光的角动量复用技术凭借其物理正交特性，已成为破解数据传输与存储领域性能瓶颈的关键技术路径。然而，传统基于干涉法的探测方案受限于器件体积与带宽特性，难以满足芯片级集成应用的核心需求。近日，一项发表于《Science》的研究提出了无干涉角动量复用创新方案，通过设计新型纳米环孔径结构，成功实现150纳米带宽的片上并行复用，为微型化纳米光子器件的研发与应用开辟了全新路径。

    角动量复用技术的发展瓶颈与突破路径
    光的角动量（AM）包含自旋角动量（SAM）与轨道角动量（OAM），其独特的物理正交性使其在高容量光通信、数据存储、生物传感等领域具备显著应用潜力。从自由空间光通信到紧凑型光纤系统，角动量复用技术已逐步展现出规模化应用前景，但传统实现方式长期面临两大核心技术瓶颈：其一，依赖全息编码或移相技术的干涉型探测方案，器件体积庞大，无法适配芯片级集成的微型化需求；其二，现有芯片级角动量复用技术多基于共振特性，带宽通常仅为数纳米，远不能满足宽带应用场景的性能要求。
    表面等离子体极化激元（SPPs）的强光约束能力为解决器件尺寸问题提供了重要技术支撑，但其轨道角动量的探测仍需依赖相敏干涉法，导致器件性能受限。因此，在芯片尺度下突破带宽限制、摆脱对干涉机制的依赖，成为该领域的核心攻关方向。

    无干涉复用的核心架构设计：纳米环孔径的技术创新
    研究团队提出的纳米环孔径（NRA）复用单元，以非共振模式分选机制打破了传统技术的物理限制。该复用单元尺寸仅为4.2微米×4.2微米，由浅纳米槽与空间位移的模式分选纳米狭缝构成，其核心工作机制可分为三个关键环节：
    首先，将携带四种特定角动量模式（AM₁至AM₄，轨道角动量模指数l₀覆盖-4至+4，自旋角动量s分别为±1）的光束进行同轴叠加，形成角动量叠加光束；其次，纳米槽作为金属-电介质界面，将光子携带的角动量模式高效转换为表面等离子体极化激元；最后，通过设计不同尺寸与横向位移的纳米环狭缝，实现对特定角动量模式的选择性耦合输出，完成无干涉条件下的模式分选。
    该设计的核心创新在于非共振特性——纳米环狭缝对紧密约束的等离子体模式表现出独特的耦合输出效率，无需依赖干涉机制即可实现角动量模式的精准区分。实验验证表明，内半径75nm与200nm的纳米环狭缝，可分别高效分选总角动量L=±1与L=±3的模式，为宽带复用技术的实现奠定了核心基础。

    关键技术指标突破：150纳米带宽与低串扰性能
    基于上述核心设计，研究团队取得了多项关键性能突破：在可见光波长范围内，复用带宽达到150纳米，较传统共振型技术提升两个数量级；通过动态切换角动量叠加光束，成功实现四态角动量复用，模式串扰低至-17分贝，有效保障了信号传输的准确性；进一步将8×8个纳米环孔径单元集成，构建出纳米环孔径角动量复用芯片（NAMMC），可并行实现角动量-波分复用，并成功还原出100像素×100像素的角动量-波分编码图像。
    实验表征结果显示，该芯片不仅能够高效分选不同角动量模式，还可在580-700纳米波长范围内保持稳定工作状态。无论是单个复用单元的四态复用性能，还是大规模阵列的并行处理能力，均展现出优异的稳定性与可扩展性。这种无干涉、宽带化的技术特性，彻底摆脱了传统干涉器件的体积限制与共振技术的带宽束缚。

    技术应用前景：从实验室研究到产业落地的拓展
    该技术突破具有广泛的产业应用价值。在光通信领域，其宽带特性与芯片级尺寸优势可大幅提升数据传输速率，同时缩小通信设备体积，为5G-A及6G技术的演进提供核心支撑；在数据存储领域，多模式并行复用能力可显著提高存储密度，推动大容量微型存储器件的研发与产业化；在高清显示与生物传感领域，无干涉机制带来的高灵敏度与稳定性，有望进一步提升显示分辨率与传感精度，拓展相关技术的应用场景。
    更为重要的是，该技术具备良好的通用性与可扩展性。其模式分选原理可拓展至不同拓扑荷的螺旋纳米槽系统及多同心纳米环狭缝结构，未来有望进一步缩小器件尺寸，实现更多角动量模式的复用。通过与芯片级角动量发生器的集成，该技术将构建起紧凑的片上角动量应用平台，为光电子学领域的微型化、宽带化发展提供核心技术支撑。

    该研究以无干涉机制打破了角动量复用的物理限制，通过创新纳米结构实现了带宽与尺寸的双重突破。150纳米宽带特性与芯片级尺寸的有效融合，不仅解决了传统技术的核心痛点，更为超高容量光信息技术的微型化演进提供了全新技术范式，未来有望在通信、存储、显示等多个领域推动技术革新与产业升级。