硅基光電子集成線路用于OAM生成和復(fù)用

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

引言
% I3 Y2 k& m/ m軌道角動(dòng)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(tái)。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。

4 ^! ^' K, N/ l% \. F- z+ T5 @1 @5 mOAM模式簡介
OAM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。

" n: F6 k5 J' ]/ [: f' }2 T4 g
2 p7 \! K  s3 n0 B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）。

* w( i) ^8 P% l3 L7 {l的符號(hào)表示旋轉(zhuǎn)相位前沿的方向，而其絕對(duì)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。
1 l7 |+ ?, M; N& A0 k0 v2 d
硅基PIC中OAM生成的關(guān)鍵方法
1. 光柵輔助環(huán)形諧振器
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。
! @; c+ ^' A( y

9 p. g, _3 [! A" Z. K# `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(gè)OAM模式的加-降配置，（g）帶背面金屬鏡以提高效率的環(huán)。

( J+ u. X! A: u4 d# i主要特點(diǎn)：

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
' G+ f' G- E! H' O3 F
9 m+ h% f1 T% }& W) s: }2. 相控天線陣列
9 X/ Z0 M1 b$ M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。
9 {" ?/ E2 i- d& m0 N! W

+ x2 u- N% \1 c* E; j. o3 G* h圖3：說明了支持n個(gè)OAM模式的通用相控天線陣列的示意圖。
$ q! p$ ]% M5 B6 n) Y# Z
/ P5 p% @5 h/ e8 ?7 G1 q, R主要特點(diǎn)：
  ?' e5 q$ V/ i, Z; G1 l

OAM模式數(shù)量高度可擴(kuò)展

寬帶操作

發(fā)射器設(shè)計(jì)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
% V8 v2 K( h& n$ `3 g. _4 U/ |
" h$ B2 {% w4 {1 q8 S  j" y. [6 I5 t) }
8 ?' h7 x- R2 a
) K( b2 S, C  ^% N  r- G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(jì)的優(yōu)化熱圖。

3. 平面模式轉(zhuǎn)換器
依賴于在芯片平面內(nèi)將波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換為OAM模式。


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(jì)，而（c）說明了使用溝槽波導(dǎo)的平面生成器，（d）生成兩個(gè)OAM模式的WSHG，（e）用于4個(gè)OAM模式的疊加全息光柵，（f）帶背面鏡以提高效率的WSHG。

主要特點(diǎn)：
. }& I# x+ I( n5 S' S6 J: n

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
( G& B* x# n# p
3 G! j' g' g0 L' q: p& s* y0 t4. 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。

如圖5顯示了各種WSHG實(shí)現(xiàn)：
(b) 基本W(wǎng)SHG設(shè)計(jì)
4 R: ^: L% @8 ^(c) 生成兩個(gè)OAM模式的WSHG
(d) 用于4個(gè)OAM模式的疊加全息光柵
(e) 帶背面鏡以提高效率的WSHG。

2 x# y' f4 h' l0 c; m8 v9 t: U主要特點(diǎn)：
" {( v+ M  J; R6 r3 j, G- D+ g

寬帶操作

簡單設(shè)計(jì)

發(fā)射角隨波長變化

通過疊加有潛力生成多個(gè)OAM模式
: f8 j7 d, p8 @; Y9 d5 N
9 A+ E' N6 D) a8 ], y- S性能比較
表1總結(jié)了用于OAM生成和復(fù)用的各種硅基PIC設(shè)計(jì)的性能。關(guān)鍵性能指標(biāo)包括：

OAM階數(shù) / 每個(gè)波長的通道數(shù)

帶寬

偏振支持

線路復(fù)雜性
5 s6 ]2 h, j$ b' o! G- ][/ol]
6 [' m3 Z+ p; v1 [4 L7 X. A
! n/ S0 E. Y! _& y
表1
7 N& s* [" k$ I3 S
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(huì)集中在混合方法或多層設(shè)計(jì)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(jì)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(huì)帶來額外的改進(jìn)。

偏振處理：一些設(shè)計(jì)僅支持特定偏振，而其他設(shè)計(jì)可以生成和復(fù)用多種偏振狀態(tài)。未來的工作可能會(huì)集中在開發(fā)能夠有效處理任意偏振狀態(tài)的設(shè)計(jì)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(cè)器無縫集成在單個(gè)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(jì)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(duì)于實(shí)際實(shí)施非常重要。
[/ol]
結(jié)論
" C  {+ @1 B0 P. A, Y9 V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(gè)有前途的平臺(tái)。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(shì)和局限性。

* \" d- m+ |0 a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(shì)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(jì)。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。
7 M) ~+ e' a. Z, }& G

參考文獻(xiàn)
[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.
: ~, k3 g3 i& ?3 F6 ~; N6 S6 q: m
2 n* Z( K* C. Y" l& h, ?- END -

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