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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。% d' ] y$ ?: i/ C' I
4 ^! ^' K, N/ l% \. F- z+ T5 @1 @5 mOAM模式簡介: r/ i H) S$ _" f6 k& B8 Y
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。 k- c3 t5 j. q4 v# t& f
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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)。7 O0 e! e: v' b c3 P, k) |* _: j" b
* 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。
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硅基PIC中OAM生成的關(guān)鍵方法3 \. T8 ~" V$ {/ o: m( P) D
1. 光柵輔助環(huán)形諧振器- N, m9 G4 l1 @0 J5 e$ N, f" y
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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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)。$ W$ o6 h @4 H* ]% O7 e% U- L8 O! ~# C
( J+ u. X! A: u4 d# i主要特點(diǎn):6 P, @, j9 w; K C
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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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。
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+ 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 lOAM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
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) 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。% E0 P# `1 J7 z4 N2 A3 q* B
: j, u; \ a: @9 X' N% t- K. b
3. 平面模式轉(zhuǎn)換器% u1 a' |. t' x# X+ Q
依賴于在芯片平面內(nèi)將波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換為OAM模式。9 G( \. k7 q. _$ W9 M; o% d! m7 _
0 V! i1 ~9 s% H8 b8 D% N/ h% N7 i: {
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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。1 }6 ~' e( | p$ l C% D" I# l
7 t2 W3 a, e! G- M
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)' D% N6 A: ~, J9 U# j* T
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。' n7 s. q; d" H9 _2 m
, j9 v4 I5 s* c5 m7 I
如圖5顯示了各種WSHG實(shí)現(xiàn):, g/ o4 G8 \' P- J" u/ y" m" z5 A. F
(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- t% ^/ \+ f r
(d) 用于4個(gè)OAM模式的疊加全息光柵$ e6 f8 @0 e! U+ N# b( s
(e) 帶背面鏡以提高效率的WSHG。; p% \" E/ I& Y0 u* ~* X' m9 q
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
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9 A+ E' N6 D) a8 ], y- S性能比較9 j3 L/ _( o% ~' W7 f* q$ u+ q
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
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表1
7 N& s* [" k$ I3 S ? E0 R( T' S% `# A
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。* ~- y2 G0 Z! S- m) t G
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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。( X1 U1 O) i! [+ [ F) u
* \" 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, `5 |6 y( {6 L6 L% o$ m
p4 D0 [0 k% ^ g
參考文獻(xiàn)% P) e5 |$ ^0 e
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