CN104065418B - 一种集成轨道角动量模式发射器 - Google Patents

Abstract

本发明属于集成光电子学和光通信领域，涉及一种集成轨道角动量模式发射器。该集成轨道角动量模式发射器是由衬底、反射镜结构、有源区、横向光场和电场限制层和产生角向螺旋相位分布的相位板集成生长而成,形成一个独立的集成器件。产生角向螺旋相位分布的相位板可以采用螺旋连续相位板结构、螺旋阶梯相位板结构、叉形衍射光栅相位板结构以及超表面相位板结构等可以提供沿角向呈螺旋相位分布的结构化相位板。本发明实现了轨道角动量模式发射器的高度集成和小型化，器件工艺成熟且结构简单易实现，通过对反射镜结构参数以及有源层材料体系和结构的选择可以灵活改变发射轨道角动量模式的波长，对于加快轨道角动量光通信的发展具有重要推进作用。

Description

一种集成轨道角动量模式发射器

技术领域

本发明属于集成光电子学和光通信领域，涉及一种集成轨道角动量模式发射器。

背景技术

1935年，实验表明当光束为圆偏振态时，其光子可以携带角动量为的自旋角动量。相比之下，当光束为线偏振态且具有空间螺旋相位分布时，其光子将携带角动量为的轨道角动量，其中为拓扑电荷。1992年，人们发现携带轨道角动量的光束可以在实验室获取，从此轨道角动量光束受到了越多越多的关注并在多个领域获得了广泛应用，这其中包括轨道角动量光通信。由于利用轨道角动量信息复用的光通信技术具有频谱效率高和安全性好等特点，近年来发展迅速。在轨道角动量光通信中，轨道角动量模式发射器是整个通信系统中的核心器件。

目前，已经有很多技术方案和结构各异的器件可以产生轨道角动量模式，比如螺旋相位板、柱形透镜模式转换器、角向光栅微环、同心圆环径向光栅、空间光调制器等。不过这些都是无源器件，本质上都是将已产生的高斯模式转化为轨道角动量模式，是一种模式转换器，在工作时是和激光器分离的器件，这无法适应未来光通信以及光互连系统中对于核心器件规模高度集成的发展需求。因此，迫切需要将轨道角动量模式的产生与激光器集成在一起，形成一个高度集成的轨道角动量模式发射器，这对于推动轨道角动量光通信的快速发展具有重要战略性意义。

发明内容

为了解决以上问题，本发明提供一种集成轨道角动量模式发射器，目的在于为轨道角动量光束的高效发射提供整体集成解决方案，目标轨道角动量发射器高度集成且结构简单易实现。

本发明提供的一种集成轨道角动量模式发射器，包括衬底、反射镜结构、有源区、横向光场和电场限制层和产生角向螺旋相位分布的相位板，上、下两层反射镜结构与有源区形成三明治结构，构成谐振腔，整个谐振腔生长在衬底上，相位板生长在谐振腔上方，所述横向光场和电场限制层生长在有源区和上层反射镜之间，或者通过四周质子注入部分上层反射镜而成。

上述发射器工作时，载流子从上注入有源区，载流子在有源区内形成粒子数反转，再由谐振腔形成稳定的单纵模输出激光，其中，横向光场和电场限制层用以限制横向光场和电场，由谐振腔输出所需波长的激光直接进入产生角向螺旋相位分布的相位板，从而发射出轨道角动量模式。

作为上述技术方案的改进，反射镜结构可以采用分布式布拉格反射镜。

作为上述技术方案的改进，有源区可以选择不同的材料体系(如850nm：GaAs/AlGaAs、980nm：In_xGa_1-xAs、1310nm：AlInGaAs-InP、1550nm：GaAlInAs)和结构并结合对应的反射镜结构参数(如布拉格反射镜每层厚度)以实现不同波长轨道角动量模式的发射。

作为上述技术方案的改进，横向光场和电场限制层可以是有源区上生长的氧化层并在中心开窗口用以限制横向光场和电场，也可以是部分有源区上高低折射率交替结构分布式布拉格反射层在四周进行质子注入用以限制横向光场和电场。

作为上述技术方案的改进，所述产生角向螺旋相位分布的相位板可以采用螺旋连续相位板结构、螺旋阶梯相位板结构、叉形衍射光栅相位板结构以及超表面相位板结构等可以提供沿角向呈螺旋相位分布的结构化相位板。

作为上述技术方案的改进，在衬底下方以及产生角向螺旋相位分布的相位板的上方增加金属电极以提供载流子注入。

作为上述技术方案的改进，所述产生角向螺旋相位分布的相位板可以通过改变结构参数以改变螺旋相位分布情况，对应得到不同阶数的轨道角动量模式，甚至得到分数阶轨道角动量模式。

作为上述技术方案的改进，所述集成轨道角动量模式发射器可拓展为一个集成发射器阵列，可同时发射出不同阶数的轨道角动量模式。

本发明具有如下有益效果：

1、相比于传统分离的激光器与轨道角动量模式转换器，本发明提供了集成轨道角动量模式发射器的整体集成解决方案，实现了轨道角动量模式发射器的高度集成和小型化，且结构简单易实现。

2、本发明集成轨道角动量模式发射器可以很容易拓展为阵列结构，可以将不同阶数的轨道角动量模式发射器集成在一起，同时发射不同阶数的轨道角动量模式，甚至分数阶轨道角动量模式，进而可以应用于轨道角动量模式的编解码以及复用通信。

3、本发明集成轨道角动量模式发射器可以通过对反射镜结构参数以及有源层材料体系和结构的选择灵活改变发射轨道角动量模式的波长。

4、本发明集成轨道角动量模式发射器的衬底、反射镜结构、有源区、横向光场和电场限制层和产生角向螺旋相位分布的相位板均基于成熟的半导体工艺，器件工艺成熟易于实现

附图说明

图1是本发明提供的集成轨道角动量模式发射器的结构示意图；

图2a是横向光场和电场限制层示意图，其是有源区上生长的氧化层并在中心开窗口，2b是氧化层中心开窗口示意图。

图3是横向光场和电场限制层示意图，其是有源区上部分高低折射率交替结构分布式布拉格反射层在四周进行质子注入。

图4是本发明提供的集成轨道角动量模式发射器的结构示意图，其中产生角向螺旋相位分布的相位板采用螺旋连续相位板结构。

图5是本发明提供的集成轨道角动量模式发射器的结构示意图，其中产生角向螺旋相位分布的相位板采用螺旋阶梯相位板结构。

图6是本发明提供的集成轨道角动量模式发射器的结构示意图，其中产生角向螺旋相位分布的相位板采用叉形衍射光栅相位板结构。

图7是本发明提供的集成轨道角动量模式发射器的结构示意图，其中产生角向螺旋相位分布的相位板采用超表面相位板结构。

图8是本发明提供的NxN集成轨道角动量模式发射阵列(N＝2)。

图9是本发明实施例所发射的轨道角动量模式的相位分布。(a)一阶；(b)二阶；(c)三阶；(d)四阶。

图10是本发明实施例所发射的轨道角动量模式的光强分布。(a)一阶；(b)二阶；(c)三阶；(d)四阶。

图11是本发明实施例所发射的分数阶轨道角动量模式的相位分布。(a)0.5阶；(b)1.5阶。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明提供的这种集成轨道角动量模式发射器是由衬底1、反射镜结构2、有源区3、横向光场和电场限制层4和产生角向螺旋相位分布的相位板5集成生长而成。

其中上下两层反射镜结构2与有源区3形成三明治结构，构成谐振腔。整个谐振腔生长在衬底1上，相位板5生长在谐振腔上方。根据横向光场和电场限制层4的不同结构，其可以生长在有源区和上层反射镜之间(如选择氧化限制层)或通过四周掺杂部分上层反射镜而成(如质子注入)。

反射镜2采用分布式布拉格反射镜结构(即高低折射率交替结构)。通过控制布拉格反射镜每层厚度与谐振腔谐振波长相对应同时选择相对应的有源区3材料(如850nm：GaAs/AlGaAs、980nm：In_xGa_1-xAs、1310nm：AlInGaAs-InP、1550nm：GaAlInAs)，可以控制并改变输出波长，如可以实现850nm、980nm、1310nm和1550nm等不同波长输出的轨道角动量模式发射。

横向光场和电场限制层4可以是有源区3上生长的选择性氧化层并在中心开窗口用以限制横向光场和电场，如图2a、2b所示，也可以是有源区3上部分高低折射率交替结构分布式布拉格反射层在四周进行质子注入用以限制横向光场和电场，如图3所示。

产生角向螺旋相位分布的相位板可以采用螺旋连续相位板结构，如图4所示，结构厚度按角向螺旋连续上升；可以采用螺旋阶梯相位板结构，如图5所示，结构厚度按角向螺旋阶梯上升；可以采用叉形衍射光栅相位板结构，如图6所示，高斯模式光通过此全息衍射光栅在衍射级次可以形成螺旋相位分布；也可以采用超表面相位板结构，如图7所示，沿角向排列的不同区域的阵列结构会产生不同的相位值。这些不同类型的相位板结构其共同的特点是均可以提供沿角向的螺旋相位分布。

集成轨道角动量模式发射器可以拓展为阵列式，如图8所示为2X2集成轨道角动量模式发射阵列示意图，图中阵列由一阶到四阶四个不同的模式发射器集成而成。类似地，同样可以拓展得到4X4、8X8、16X16以及NXN集成轨道角动量模式发射阵列，阵列单元中的每个轨道角动量模式发射器可以根据需要选择发射的轨道角动量阶数，甚至可以是分数阶。

本实施例中，反射镜2采用分布式布拉格反射镜结构，有源区3采用三对GaAs量子阱结构，横向光场和电场限制层4是有源区3上生长的氧化层并在中心开窗口用以限制横向光场和电场，产生角向螺旋相位分布的相位板采用螺旋阶梯相位板结构。

本实施例中器件尺寸选择为10μm×10μm，其中有源区3上方氧化限制层4中心窗口尺寸为5μm×5μm。

载流子从上注入有源区3，载流子在有源区3内形成粒子数反转，再由上下层的布拉格反射镜2和有源区3组成的光学谐振腔，形成稳定的单纵模输出激光，其中横向光场和电场限制层4用以限制横向光场和电场。由谐振腔输出所需波长的激光直接进入螺旋阶梯相位板，从而发射出轨道角动量模式。通过改变螺旋阶梯相位板结构参数(如每层阶梯的厚度)，可以改变螺旋相位分布情况，从而可以得到不同阶数的轨道角动量模式，甚至可以得到分数阶轨道角动量模式。

本实施例集成轨道角动量模式发射器的模拟仿真结果如图9-11所示。仿真中，激射光波长为850nm。图9所示是实施例集成轨道角动量模式发射器所发射轨道角动量模式的相位分布，其中图9(a)-(d)分别对应了一阶、二阶、三阶和四阶轨道角动量模式的相位分布。图10所示是实施例集成轨道角动量模式发射器所发射轨道角动量模式的光强分布，在光场中心有一个明显黑洞(虚线已标出)，这是轨道角动量模式光场中心相位奇点引起，其中图10(a)-(d)分别对应了一阶、二阶、三阶和四阶轨道角动量模式的光强分布。图11进一步给出了实施例集成轨道角动量模式发射器所发射的分数阶轨道角动量模式的相位分布,其中图11(a)为0.5阶轨道角动量模式的相位分布，图11(b)为1.5阶轨道角动量模式的相位分布。

本发明不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明，因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种集成轨道角动量模式发射器，其特征在于，该发射器包括衬底、反射镜结构、有源区、横向光场和电场限制层和产生角向螺旋相位分布的相位板，上、下两层反射镜结构与有源区形成三明治结构，构成谐振腔，整个谐振腔生长在衬底上，相位板生长在谐振腔上方，所述横向光场和电场限制层生长在有源区和上层反射镜之间，或者通过四周质子注入部分上层反射镜而成；

所述发射器工作时，载流子从上注入有源区，载流子在有源区内形成粒子数反转，再由谐振腔形成稳定的单纵模输出激光，再由横向光场和电场限制层限制横向光场和电场，从谐振腔输出所需波长的激光直接进入产生角向螺旋相位分布的相位板，从而发射出轨道角动量模式。

2.根据权利要求1所述的集成轨道角动量模式发射器，其特征在于，所述反射镜结构采用分布式布拉格反射镜。

3.根据权利要求1所述的集成轨道角动量模式发射器，其特征在于，所述有源区通过选择材料体系和结构并结合对应的反射镜结构参数以实现不同波长轨道角动量模式的发射。

4.根据权利要求3所述的集成轨道角动量模式发射器，其特征在于，所述材料体系为850nm：GaAs/AlGaAs、980nm：In_xGa_1-xAs、1310nm：AlInGaAs-InP或者1550nm：GaAlInAs。

5.根据权利要求1所述的集成轨道角动量模式发射器，其特征在于，所述横向光场和电场限制层为有源区上生长的氧化层并在中心开窗口用以限制横向光场和电场，或者为有源区上部分高低折射率交替结构分布式布拉格反射层在四周进行质子注入用以限制横向光场和电场。

6.根据权利要求1所述的集成轨道角动量模式发射器，其特征在于，所述产生角向螺旋相位分布的相位板采用螺旋连续相位板结构、螺旋阶梯相位板结构、叉形衍射光栅相位板结构或者超表面相位板结构。

7.根据权利要求1所述的集成轨道角动量模式发射器，其特征在于,在衬底下方以及产生角向螺旋相位分布的相位板的上方增加金属电极以提供载流子注入。

8.根据权利要求1至7中任一所述的集成轨道角动量模式发射器，其特征在于，所述产生角向螺旋相位分布的相位板的结构参数的改变，或者螺旋相位分布情况的改变，对应得到不同阶数的轨道角动量模式，甚至得到分数阶轨道角动量模式。

9.根据权利要求1至7中任一所述的集成轨道角动量模式发射器，其特征在于，由多个轨道角动量模式发射器集成在一起形成轨道角动量模式发射阵列，以同时发射出不同阶数的轨道角动量模式。

10.根据权利要求8所述的集成轨道角动量模式发射器，其特征在于，由多个轨道角动量模式发射器集成在一起形成轨道角动量模式发射阵列，以同时发射出不同阶数的轨道角动量模式。