用于多维庞加莱球映射的全可调片上超构发生器

光的角动量可优雅地映射到高阶庞加莱球上，为描述结构光光束提供了强大框架。此类光束在包括高容量光通信、精密计量和量子信息处理在内的多种应用中展现出非凡潜力。尽管存在多种生成结构光光束的方法，但在多样的多维庞加莱球上动态合成与灵活控制任意矢量态仍依赖笨重的自由空间光学元件，给可扩展性与集成带来重大挑战。迄今为止，在单一光子芯片上实现的全可调方案尚待实现。在此，我们提出首个全可调片上超构发生器，能够动态地将任意标量、矢量和混合模式映射到庞加莱球的完整层级，甚至扩展到四维希尔伯特空间中的高维庞加莱超球。我们的器件实现于八通道空分复用多模硅光子集成电路上，其中密集集成的模式复用器、幅相调制器和逆向设计多模超构波导共同实现对结构光的紧凑、精确且可编程控制。该多模超构波导直接将八个片上导模映射到轨道角动量（OAM），支持具有多样偏振态和拓扑荷的高纯度 OAM 模式的宽带生成。通过同时调控幅度、相位、偏振和拓扑荷，我们实现对 OAM 模式基的全场控制，从而可全可调地访问跨越八个以上不同庞加莱球的任意标量和矢量态。