硅基光電子集成線路用于OAM生成和復(fù)用

逍遙設(shè)計自動化

引言
' Z8 q- I* C4 q" D9 |- C5 J8 H! V軌道角動量（OAM）模式近年來作為空分復(fù)用（SDM）在光通信中而受到廣泛關(guān)注。硅基光電子技術(shù)為緊湊和可擴(kuò)展的OAM模式生成和復(fù)用提供了有吸引力的平臺。本文概述了使用硅基光電子集成線路（PIC）實(shí)現(xiàn)OAM生成器和復(fù)用器的關(guān)鍵方法。
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  B% A3 K/ v$ V  f: c( uOAM模式簡介
2 w5 C% \; B  A/ r: u% s8 x- OOAM模式的特征是螺旋相位前沿，描述為exp（ilφ），其中l(wèi)是拓?fù)潆姾�，φ是方位角。圖14.1展示了不同拓?fù)潆姾傻腛AM模式的相位分布和干涉圖案。
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圖1：顯示了拓?fù)潆姾蓮?2到+2的OAM模式的相位分布（上排）和與參考高斯光束的干涉圖案（下排）。

) p' h6 M, P5 V! Jl的符號表示旋轉(zhuǎn)相位前沿的方向，而其絕對值表示光束軸周圍2π相位旋轉(zhuǎn)的次數(shù)。不同拓?fù)潆姾傻腛AM模式是正交的，允許在SDM系統(tǒng)中用作獨(dú)立的數(shù)據(jù)傳輸通道。
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硅基PIC中OAM生成的關(guān)鍵方法
1. 光柵輔助環(huán)形諧振器
/ c3 q4 ^/ E/ g利用帶有光柵的環(huán)形諧振器將光從諧振器模式耦合到自由空間OAM模式。原理基于環(huán)中的回廊模（WGM）與所需OAM模式之間的相位匹配。
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圖2：顯示了用于OAM生成的光柵輔助環(huán)形諧振器的各種實(shí)現(xiàn)：（a）帶納米棒的環(huán)，（b）帶內(nèi)壁光柵的環(huán)，（c）帶頂部光柵的脊型波導(dǎo)環(huán)，（d）帶嵌入光柵和熱調(diào)諧的環(huán)，（e）用于可切換偏振的多模環(huán)，（f）用于多個OAM模式的加-降配置，（g）帶背面金屬鏡以提高效率的環(huán)。
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6 c+ S) |% x/ d6 F# \6 S主要特點(diǎn)：
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緊湊的占地面積

由于諧振性質(zhì)而具有波長選擇性

可使用熱調(diào)諧進(jìn)行精細(xì)控制

OAM模式數(shù)量的可擴(kuò)展性有限
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8 O' X$ b6 S0 m# _& n6 S2. 相控天線陣列
使用星型耦合器創(chuàng)建所需的相位分布，然后將其饋送到天線陣列以發(fā)射OAM。
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圖3：說明了支持n個OAM模式的通用相控天線陣列的示意圖。
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" E) N( G' d: J% X9 H主要特點(diǎn)：

OAM模式數(shù)量高度可擴(kuò)展

寬帶操作

發(fā)射器設(shè)計靈活（例如，圓形光柵、3D波導(dǎo)、2D光柵耦合器）

需要精確的相位控制，常常需要熱調(diào)諧



圖4：顯示了相控天線陣列的各種實(shí)現(xiàn)：（a）帶圓形光柵發(fā)射器的星型耦合器，（b）帶3D波導(dǎo)塊發(fā)射器的星型耦合器，（c）帶2D光柵耦合器用于圓偏振OAM的星型耦合器，（d）制造的2D光柵耦合器的掃描電子顯微鏡圖像，（e）天線設(shè)計的優(yōu)化熱圖。
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4 ~7 J3 v5 ?/ _3. 平面模式轉(zhuǎn)換器
  ^4 l5 H# q' S3 \& C3 D% ]依賴于在芯片平面內(nèi)將波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換為OAM模式。

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5 G/ v$ m; K% H6 G$ E圖5（a）顯示了使用方向耦合器的平面OAM生成器，（b）基本W(wǎng)SHG設(shè)計，而（c）說明了使用溝槽波導(dǎo)的平面生成器，（d）生成兩個OAM模式的WSHG，（e）用于4個OAM模式的疊加全息光柵，（f）帶背面鏡以提高效率的WSHG。
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; M; E0 O8 C7 M  ^  O0 ^主要特點(diǎn)：
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極其緊湊

限于低階OAM模式（通常為±1）

難以擴(kuò)展到更高階模式
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' A+ z9 }6 J' p  F8 ^: ^8 K4. 波導(dǎo)表面全息光柵（WSHG）
該方法使用蝕刻在波導(dǎo)表面的全息圖案將導(dǎo)波光衍射成自由空間OAM模式。
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4 b) R. {4 |* x/ ^! l3 ~如圖5顯示了各種WSHG實(shí)現(xiàn)：
5 Q* d2 `; H' ?4 p! Y% O) f(b) 基本W(wǎng)SHG設(shè)計
(c) 生成兩個OAM模式的WSHG
7 d  M- V' N0 x, _# A(d) 用于4個OAM模式的疊加全息光柵
* x) F7 s4 Z' r) {: K(e) 帶背面鏡以提高效率的WSHG。
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主要特點(diǎn)：
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寬帶操作

簡單設(shè)計

發(fā)射角隨波長變化

通過疊加有潛力生成多個OAM模式

性能比較
0 j3 V& L, F' d" [: m. z表1總結(jié)了用于OAM生成和復(fù)用的各種硅基PIC設(shè)計的性能。關(guān)鍵性能指標(biāo)包括：

OAM階數(shù) / 每個波長的通道數(shù)

帶寬

偏振支持

線路復(fù)雜性
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表1

( @) `7 F' o; K挑戰(zhàn)和未來方向

擴(kuò)展通道數(shù)：雖然相控天線陣列在高通道數(shù)方面顯示出前景，但其他方法在可擴(kuò)展性上受到限制。未來的工作可能會集中在混合方法或多層設(shè)計上，以增加通道密度。

發(fā)射效率：背面鏡在提高環(huán)形諧振器和WSHG設(shè)計的發(fā)射效率方面顯示出前景。進(jìn)一步優(yōu)化發(fā)射器結(jié)構(gòu)和材料可能會帶來額外的改進(jìn)。

偏振處理：一些設(shè)計僅支持特定偏振，而其他設(shè)計可以生成和復(fù)用多種偏振狀態(tài)。未來的工作可能會集中在開發(fā)能夠有效處理任意偏振狀態(tài)的設(shè)計上。

帶寬：雖然一些方法（例如WSHG）提供寬帶操作，但其他方法（例如環(huán)形諧振器）本質(zhì)上是窄帶的。為所有方法開發(fā)寬帶解決方案將增強(qiáng)適用性。

與其他光電子組件的集成：將OAM生成器和復(fù)用器與激光器、調(diào)制器和探測器無縫集成在單個芯片上仍然是實(shí)現(xiàn)完整SDM收發(fā)器系統(tǒng)的重要目標(biāo)。

與OAM光纖的耦合：硅基PIC與支持OAM的光纖之間的直接和高效耦合是未來研究的重要領(lǐng)域。

解決制造挑戰(zhàn)：一些設(shè)計需要精確的相位控制或復(fù)雜的3D結(jié)構(gòu)。開發(fā)能夠可靠地大規(guī)模生產(chǎn)這些結(jié)構(gòu)的制造技術(shù)對于實(shí)際實(shí)施非常重要。
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( U; x3 h& x+ A8 u結(jié)論
硅基光電子集成線路為緊湊、可擴(kuò)展和潛在低成本的OAM模式生成和復(fù)用提供了一個有前途的平臺。各種方法，包括光柵輔助環(huán)形諧振器、相控天線陣列、平面模式轉(zhuǎn)換器和波導(dǎo)表面全息光柵，已經(jīng)展示出令人印象深刻的結(jié)果。每種方法在可擴(kuò)展性、帶寬、偏振處理和制造復(fù)雜性方面都有其優(yōu)勢和局限性。
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隨著該領(lǐng)域的不斷發(fā)展，可以期待看到結(jié)合多種技術(shù)優(yōu)勢的混合方法，以及由先進(jìn)制造能力（如多層集成）實(shí)現(xiàn)的新型設(shè)計。硅基光電子OAM器件的持續(xù)發(fā)展將在實(shí)現(xiàn)下一代高容量光通信系統(tǒng)的空分復(fù)用全部潛力方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。
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參考文獻(xiàn)
3 E" [3 z- w# l$ U# Y# E9 O3 l[1] M. Nikdast, S. Pasricha, G. Nicolescu, and A. Seyedi, Eds., Silicon Photonics for High-Performance Computing and Beyond, 1st ed. Boca Raton, FL, USA: CRC Press, 2021.

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