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硅基轨道 角动量态转换器

阅读：541发布：2020-05-15

专利汇可以提供硅基轨道角动量态转换器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种硅基轨道角动量态转换器，涉及光通信集成器件领域，该硅基轨道角动量态转换器包括输入环形耦合光栅、取样波导阵列、相位调谐电极阵列和光输出器件，所述输入环形耦合光栅通过沿圆周均匀分布的取样波导阵列与光输出器件连接，取样波导阵列采用硅基材料制作，取样波导阵列的每个波导上设置有一个相位调谐电极，所有相位调谐电极共同形成相位调谐电极阵列。本发明能够实现信号轨道角动量态之间的转化，器件的制作工艺与CMOS工艺兼容，能够大规模的生产，降低成本。，下面是硅基轨道角动量态转换器专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种硅基轨道角动量态转换器，包括输入环形耦合光栅(1)和光输出器件，其特征在于：还包括取样波导阵列(3)和相位调谐电极阵列(4)，所述输入环形耦合光栅(1)通过沿圆周均匀分布的取样波导阵列(3)与光输出器件连接，取样波导阵列(3)采用硅基材料制作，取样波导阵列(3)的每个波导上设置有一个相位调谐电极，所有相位调谐电极共同形成相位调谐电极阵列(4)；
所述相位调谐电极阵列(4)对取样波导阵列(3)的相位调谐方式为：在取样波导阵列(3)的上方制作加热电阻阵列(8)，在电极阵列(7)上加载电压或电流，改变加热电阻阵列(8)的温度，从而改变取样波导阵列(3)的温度，实现对取样波导阵列(3)的相位调谐；
所述取样波导阵列(3)中的任意波导之间对于输入波长的相位差为2nπ，其中n为整数。
2.如权利要求1所述的硅基轨道角动量态转换器，其特征在于：所述光输出器件为输出环形耦合光栅(2)。
3.如权利要求2所述的硅基轨道角动量态转换器，其特征在于：所述输入环形耦合光栅(1)的光束的角动量态为l，l为整数，取样波导阵列(3)中有m根取样波导，与之相对应的相位调谐电极阵列(4)也有m个相位调谐电极，其中相邻的相位调谐电极沿顺时针方向依次增加2πk/m，其中k为整数，输出环形耦合光栅(2)中出射的光束的轨道角动量态为l+k。
4.如权利要求1所述的硅基轨道角动量态转换器，其特征在于：所述光输出器件由罗兰圆(5)与输出端口(6)组成。
5.如权利要求4所述的硅基轨道角动量态转换器，其特征在于：所述取样波导阵列(3)中有m′根取样波导，与之相对应的相位调谐电极阵列(4)也有m′个相位调谐电极，输出端口(6)上共有2p+1个端口，端口号沿顺时针依次为-p，-p+1，…，-1，0，1，…，p-1，p，输入环形耦合光栅(1)上光束的轨道角动量态为l′，m′、p、l′均为正整数，且m′＞p，l'∈[-p,p]，相位调谐电极阵列(4)上无电信号时，经由取样波导阵列(3)入射到罗兰圆(5)中的光衍射到输出端口(6)的l′端口；当相位调谐电极阵列(4)中相邻的相位调谐电极沿顺时针方向依次增加
2πk'/m'，其中k′为整数，且(l'+k')∈[-p,p]，则输入环形耦合光栅(1)上轨道角动量态为l′的光衍射到输出端口(6)的l'+k'端口。

说明书全文

硅基轨道 角动量态转换器

技术领域

[0001] 本发明涉及光通信集成器件领域，具体是涉及一种硅基轨道角动量态转换器。

背景技术

[0002] 随者通信容量需求的逐步提升，光通信系统向更高速率、高频谱效率、高光子密度不断发展，在单位路径中传输的光信号越来越多，多级调制、波分复用、空分复用、模分复用等技术相应得到应用，轨道角动量提供了一种新的光信号复用的维度，在最近几年开始得到重视。

[0003] 轨道角动量光束在传输方向的截面上，相位随角坐标变化：其中：exp为指数函数，i代表虚部，θ为角坐标，l为角坐标转一圈，相位变化2π的次数，称为轨道角动量态，不同的轨道角动量态间是正交的，可以复用传输。采用空间光调制器，对光束截面上的相位分布进行调制，实现轨道角动量光束。空间光调制器有LCoS(Liquid Crystal on Silicon，硅基液晶)方案和硅基集成方案两种，角动量态之间的转化目前是采用硅基液晶方案，硅基液晶方案需要液晶空间光调制器，尺寸大，无法与调制器、探测器等大规模集成；
目前，硅基集成方案无法实现信号轨道角动量态之间的转化。

发明内容

[0004] 本发明的目的是为了克服上述背景技术的不足，提供一种硅基轨道角动量态转换器，能够实现信号轨道角动量态之间的转化，器件的制作工艺与CMOS工艺兼容，能够大规模的生产，降低成本。

[0005] 本发明提供一种硅基轨道角动量态转换器，包括输入环形耦合光栅和光输出器件，还包括取样波导阵列和相位调谐电极阵列，所述输入环形耦合光栅通过沿圆周均匀分布的取样波导阵列与光输出器件连接，取样波导阵列采用硅基材料制作，取样波导阵列的每个波导上设置有一个相位调谐电极，所有相位调谐电极共同形成相位调谐电极阵列。

[0006] 在上述技术方案的基础上，所述相位调谐电极阵列对取样波导阵列的相位调谐方式为：在取样波导阵列的上方制作加热电阻阵列，在电极阵列上加载电压或电流，改变加热电阻阵列的温度，从而改变取样波导阵列的温度，实现对取样波导阵列的相位调谐。

[0007] 在上述技术方案的基础上，所述取样波导阵列中的任意波导之间对于输入波长的相位差为2nπ，其中n为整数。

[0008] 在上述技术方案的基础上，所述光输出器件为输出环形耦合光栅。

[0009] 在上述技术方案的基础上，所述输入环形耦合光栅的光束的角动量态为l，l为整数，取样波导阵列中有m根取样波导，与之相对应的相位调谐电极阵列也有m个相位调谐电极，其中相邻的相位调谐电极沿顺时针方向依次增加2πk/m，其中k为整数，输出环形耦合光栅中出射的光束的轨道角动量态为l+k。

[0010] 在上述技术方案的基础上，所述光输出器件由罗兰圆与输出端口组成。

[0011] 在上述技术方案的基础上，所述取样波导阵列中有m′根取样波导，与之相对应的相位调谐电极阵列也有m′个相位调谐电极，输出端口上共有2p+1个端口，端口号沿顺时针依次为-p，-p+1，…，-1，0，1，…，p-1，p，输入环形耦合光栅上光束的轨道角动量态为l′，m′、p、l′均为正整数，且m′＞p，l'∈[-p,p]，相位调谐电极阵列上无电信号时，经由取样波导阵列入射到罗兰圆中的光衍射到输出端口的l′端口；当相位调谐电极阵列中相邻的相位调谐电极沿顺时针方向依次增加2πk'/m'，其中k′为整数，且(l'+k')∈[-p,p]，则输入环形耦合光栅上轨道角动量态为l′的光衍射到输出端口的l'+k'端口。

[0012] 与现有技术相比，本发明的优点如下：

[0013] (1)本发明的硅基集成器件能够实现信号轨道角动量态之间的转化，如从l＝1的角动量态转化为l＝2，与硅基液晶方案相比，硅基集成方案具有尺寸小、制作工艺与CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体)工艺兼容、能够大规模生产、降低成本等优点，有很好的应用前景。

[0014] (2)本发明的器件制作在硅基光子平台上，能够更加方便地与光源、调制器、电路等集成。附图说明

[0015] 图1是实施例1中硅基轨道角动量态转换器的结构示意图。

[0016] 图2是实施例2中硅基轨道角动量态转换器的结构示意图。

[0017] 图3是利用相位调谐电极阵列对取样波导阵列进行相位调谐示意图。

[0018] 附图标记：1-输入环形耦合光栅，2-输出环形耦合光栅，3-取样波导阵列，4-相位调谐电极阵列，5-罗兰圆，6-输出端口，7-电极阵列，8-加热电阻阵列。

具体实施方式

[0019] 下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

[0020] 参见图1、图2所示，本发明实施例提供一种硅基轨道角动量态转换器，包括输入环形耦合光栅1、取样波导阵列3、相位调谐电极阵列4和光输出器件，输入环形耦合光栅1通过沿圆周均匀分布的取样波导阵列3与光输出器件连接，取样波导阵列3采用硅基材料制作，其折射率的温度系数高，取样波导阵列3的每个波导上设置有一个相位调谐电极，所有相位调谐电极共同形成相位调谐电极阵列4。参见图1、图2所示，光输出器件可以是输出环形耦合光栅2，也可以由罗兰圆5与输出端口6组成。

[0021] 参见图3所示，相位调谐电极阵列4对取样波导阵列3的相位调谐方式为：在取样波导阵列3的上方制作加热电阻阵列8，在电极阵列7上加载电压或电流，改变加热电阻阵列8的温度，从而改变取样波导阵列3的温度，实现对取样波导阵列3的相位调谐。取样波导阵列3中的任意波导之间对于输入波长的相位差为2nπ，其中n为整数。

[0022] 下面通过2个具体实施例进行详细说明。

[0023] 实施例1

[0024] 参见图1所示，实施例1中的硅基轨道角动量态转换器由输入环形耦合光栅1、取样波导阵列3、输出环形耦合光栅2、相位调谐电极阵列4组成，输入环形耦合光栅1通过沿圆周均匀分布的取样波导阵列3与输出环形耦合光栅2连接，取样波导阵列3的每个波导上设置有一个相位调谐电极，所有相位调谐电极共同形成相位调谐电极阵列4。取样波导阵列3中的任意波导之间对于输入波长的相位差为2nπ，其中n为整数。

[0025] 参见图1所示，假设输入环形耦合光栅1的光束的角动量态为l，l为整数，取样波导阵列3中有m根取样波导，与之相对应的相位调谐电极阵列4也有m个相位调谐电极，其中相邻的相位调谐电极沿顺时针方向依次增加2πk/m，其中k为整数，输出环形耦合光栅2中出射的光束的轨道角动量态为l+k。

[0026] 例如：假设光束的轨道角动量态为1，垂直入射到输入环形耦合光栅1上，16根取样波导的长度相等，组成取样波导阵列3，相位调谐电极阵列4中相邻的相位调谐电极沿顺时针方向依次增加π/4，则从输出环形耦合光栅2中出射的光束轨道角动量态为3。

[0027] 实施例2

[0028] 参见图2所示，实施例2中的硅基轨道角动量态转换器由输入环形耦合光栅1、取样波导阵列3、相位调谐电极阵列4、罗兰圆5、输出端口6组成，输入环形耦合光栅1通过沿圆周均匀分布的取样波导阵列3与罗兰圆5连接，取样波导阵列3入射到罗兰圆5中的光衍射到输出端口6，取样波导阵列3的每个波导上设置有一个相位调谐电极，所有相位调谐电极共同形成相位调谐电极阵列4。取样波导阵列3中的任意波导之间对于输入波长的相位差为2nπ，其中n为整数。

[0029] 参见图2所示，假设取样波导阵列3中有m′根取样波导，与之相对应的相位调谐电极阵列4也有m′个相位调谐电极，输出端口6上共有2p+1个端口，端口号沿顺时针依次为-p，-p+1，…，-1，0，1，…，p-1，p，输入环形耦合光栅1上光束的轨道角动量态为l′，m′、p、l′均为正整数，且m′＞p，l'∈[-p,p]，相位调谐电极阵列4上无电信号时，经由取样波导阵列3入射到罗兰圆5中的光衍射到输出端口6的l′端口。当相位调谐电极阵列4中相邻的相位调谐电极沿顺时针方向依次增加2πk'/m'，其中k′为整数，且(l'+k')∈[-p,p]，则输入环形耦合光栅1上轨道角动量态为l′的光衍射到输出端口6的l'+k'端口。

[0030] 例如：假设光束的轨道角动量态为1，垂直入射到输入环形耦合光栅1上，16根取样波导的长度相等，组成取样波导阵列3，当相位调谐电极阵列4上没有加载电信号时，光束经取样波导阵列3和罗兰圆5衍射至输出端口6的1号端口出射。当相位调谐电极阵列4中相邻的相位调谐电极沿顺时针方向依次增加π/4，则光束衍射至输出端口的3号端口出射。

[0031] 本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种修改和变型，倘若这些修改和变型在本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则这些修改和变型也在本发明的保护范围之内。

[0032] 说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知的现有技术。

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