CN113541803A - 奇点光束收发系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种奇点光束收发系统，包括：发射模块和接收模块，发射模块包括：分束器、发射端相位控制单元、环状发射器、第一光波导阵列、第二光波导阵列；接收模块包括：环状接收器、接收端光相位控制单元、合束器、光电探测器、第三光波导阵列。本发明通过将奇点光束的发射模块和接收模块集成到同一系统上简化了整个收发过程，不仅解决了现有技术中元件尺寸过大的问题，还能够实现发射模块产生阶次可调谐的奇点光束。

Description

奇点光束收发系统

技术领域

本发明涉及半导体芯片技术领域，具体涉及一种奇点光束收发系统。

背景技术

奇点光学被认为是现代光学的一个新分支,研究的对象是具有奇异性的光场。该类光场在传输过程能维持光学奇点的存在,而光学奇点的存在会导致奇点零光强。光学奇点是指光场中物理参数无法被定义的点,因此该点的光强或者振幅必须要等于零,才能使其具有物理存在性。奇点光学包括携带有相位奇点(Phase Singularity)的相位涡旋光束，通常称为涡旋光束；携带有偏振奇点(Polarization Singularity)的偏振涡旋光束，通常称为矢量光束；以及同时携带二者的矢量涡旋光束。其中涡旋光束和矢量涡旋光束携带有光子轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM)，也被称为OAM光束，由于其独特的特性，OAM光束在光学微操控，光学捕获，超分辨率成像，大容量光通信等领域有着广泛的应用；矢量光束(Vector Beams,VB)在激光加工，单分子光谱，电子和粒子加速等方面也有着重要的应用。

传统的生成奇点光束的方式有，叉形光栅法，螺旋相位片法(Spiral PhasePlate,SPP)，组合透镜法，q波片法，液晶空间光调制器法(Spatial light modulators,SLM)等方法。它们存在着尺寸大，难集成，测试系统复杂等不足，严重限制了奇点光束在小尺寸领域的应用。此外，现存的奇点光束的发射和接收系统是分离的，因此在发射出奇点光束后，需要搭建复杂的测试系统才能确定该光束的特性，这进一步增加了探索奇点光束特性的难度。所以如何将发射系统与接收系统集成在一起，是研究奇点光束的重要方向。

发明内容

本发明克服现有技术的不足，本发明提供一种奇点光束收发系统。

奇点光束收发系统，包括：发射模块和接收模块；所述发射模块包括：分束器、用于调制相位的发射端相位控制单元、环状发射器、第一光波导阵列、第二光波导阵列；所述接收模块包括：环状接收器、用于解调相位的接收端相位控制单元、第三光波导阵列。

激光经所述分束器分束后进入所述第一光波导阵列，所述第一光波导阵列与所述发射端相位控制单元相连接，所述光束经相位调制后经所述第二光波导阵列传送进入所述环状发射器产生奇点光束，并将所述奇点光束传送至所述接收模块。

所述环状接收器接收到所述奇点光束后，将所述奇点光束传送至所述接收端相位控制单元，进行相位解调后经所述第三光波导阵列输出。

进一步地，所述发射端相位控制单元为发射端相位控制器时，所述第一光波导阵列与所述发射端相位控制器相连接。

所述发射端相位控制单元为发射端延时器时，所述第一光波导阵列与所述发射端延时器相连接。

所述发射端相位控制单元为所述发射端相位控制器和所述发射端延时器时，所述第一光波导阵列依次与所述发射端相位控制器、所述发射端延时器相连接。

所述接收端相位控制单元为接收端延时器时，所述环状接收器与所述接收端延时器相连接。

所述接收端相位控制单元为接收端光相位控制器时，所述环状接收器与所述接收端光相位控制器相连接。

所述接收端相位控制单元为所述接收端延时器和接收端光相位控制器时，所述环状接收器依次与所述接收端延时器、所述接收端光相位控制器相连接。

进一步地，所述发射端相位控制器、所述接收端光相位控制器为热光效应的相位调制器或载流子色散效应的相位调制器。

进一步地，所述接收模块还包括与所述第三光波导阵列依次连接的合束器和光电探测器，光束经所述合束器合束后进入所述光电探测器，进行光电探测。

进一步地，所述环状发射器包括N个呈环状分布的发射器，所述环状接收器包括N个呈环状分布的接收器；所述发射器的数量与所述接收器的数量匹配，且构成的环状同轴。

进一步地，所述发射器、所述接收器为光栅或光学相控阵，接收的光束经所述光栅或所述光学相控阵相互干涉形成奇点光束，发射器的发射端端面与所述接收器的接收端端面平行设置。

进一步地，所述发射器、所述接收器在端面保持相对的状态下水平旋转，用于产生角向的偏振分量。

进一步地，所述发射器与所对应的所述接收器所构成的光路的总相位和总延迟量相同。

进一步地，所述分束器、所述合束器为级联Y分叉光功分器、MMI分束器或定向耦合分束器。

进一步地，奇点光束收发系统集成在芯片上；在集成过程中分为发射层、接收层、掩埋氧化层分层集成，用于防止所述第一光波导阵列、所述第二光波导阵列、所述第三光波导阵列、金属层的布线发生冲突。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、发射模块产生阶次可调谐的奇点光束；

2、接收模块的尺寸较小，接收模块结构简单；

3、将奇点光束的发射模块和接收模块集成到同一系统上简化了整个收发过程；

4、奇点光束收发系统的结构简单易实现。

附图说明

图1是本发明实施例的奇点光束收发系统的结构示意图；

图2是本发明实施例环状发射器与环状接收器示意图；

图3a是本发明实施例中无相位调制和延迟的示意图；

图3b是本发明实施例中只有相位调制的示意图；

图4是本发明实施例中发射器与接收器为光栅有相同的光束角的示意图；

图5是本发明实施例中发射器与接收器为光栅相对旋转产生携带轨道角动量的涡旋光束的示意图；

图6是本发明实施例中发射层与接收层分层示意图。

其中的附图标记如下：

分束器100、发射端相位控制器200、发射端延时器300、环状发射器400、发射器401、环状接收器500、接收器501、接收端延时器600、接收端相位控制器700、合束器800、光电探测器900、第一光波导阵列101、第二光波导阵列201。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互结合。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1示出了本发明实施例的奇点光束收发系统的结构示意图。

本发明实施例提供了一种奇点光束收发系统，如图1所示，包括：发射模块和接收模块。

发射模块包括：分束器100、发射端相位控制器200、发射端延时器300、环状发射器400、第一光波导阵列101、第二光波导阵列201；接收模块包括：环状接收器500、接收端延时器600、接收端相位控制器700、合束器800、光电探测器900、第三光波导阵列。

如图3a、如图3b所示，激光器发出的光束经分束器100将激光器的光束分束为N路，再进入由N路光波导构成的第一光波导阵列101，N为大于1的正整数，即光束被分成了N路光束信号。第一光波导阵列101与发射端相位控制单元相连接，光束经相位调制后经第二光波导阵列201传送进入环状发射器400产生奇点光束，并将奇点光束传送至所述接收模块；环状接收器500接收到所述奇点光束后，将奇点光束传送至接收端相位控制单元，进行相位解调后经所述第三光波导阵列输出。

如图3a、如图3b所示，接收端相位控制单元可以是发射端相位控制器200、发射端延时器300，二者为可选择的连接，可以分别使用也可以组合使用。此处不做具体限定，可以视其具体应用环境而定。N路光束信号均通过发射端相位控制器200或发射端延时器300产生相应的相位或相位差。通过发射端相位控制器200或发射端延时器300的精确控制和设计，可以在发射模块产生具有不同阶次并且可以调谐的奇点光束。

当第一光波导阵列101仅与发射端相位控制器200相连接时，可以固定输入的光束波长，通过调谐每一路发射端相位控制器200的电压来改变每一路的相位，从而实现发射不同阶次的奇点光束；当第一光波导阵列101仅与发射端延时器300相连接时，通过改变输入不同波长的光束，从而实现发射不同阶次的奇点光束；当第一光波导阵列101依次与发射端相位控制器200和发射端延时器300相连接时，能够通过电压和波长的双调谐，实现发射不同阶次的奇点光束，此种实施方式不仅能够在发射模块产生具有不同阶次可调谐的奇点光束，而且可调谐发射的奇点光束的阶次的范围更广。

在本发明的一个具体示例中，发射端相位控制器200、接收端相位控制器700可以由热光效应或载流子色散效应的一种效应或两种效应联合起来实现的相位调制器，此处不做具体限定，可以视其具体应用环境而定。

环状发射器400包括N个发射器401，接收发射端相位控制器200或发射端延时器300输出的N路光束信号，并将N路光束信号发射至环状接收器500。环状接收器500包括N个接收器501，用于接收环状发射器400发射的N路光束信号，并将N路光束信号传送进入第三光波导阵列；第三光波导阵列出射的光束进入接收端延时器600或接收端相位控制器700进入合束器800，合成一束光。合束器800将光束传送至光电探测器900，将光信号转换为电信号，从而进行光电探测。其中可选择的设置接收端延时器600、接收端相位控制器700，需要与发射端相位控制器200、发射端延时器300的设置相匹配。当发射模块中设置有发射端相位控制器200时，则需要接收模块中设置有接收端相位控制器700；当发射模块中设置有发射端延时器300时，则需要接收模块中设置有接收端延时器600；当发射模块中设置有发射端相位控制器200和发射端延时器300时，则需要接收模块中设置有接收端相位控制器700和接收端延时器600。可以根据需要调谐奇点光束的阶次的范围和精度进行选择，此处不做具体限定，可以视其具体应用环境而定。通过上述可知，接收模块避免了复杂的探测系统的搭建，器件尺寸小，结构简单。

奇点光束包含有螺旋状的相位结构或螺旋状的偏振结构，其光强表现形式为中空的圆环状，发射模块中发射器设置为环状更有利于奇点光束的形成。接收模块中接收器设置为环状，其一：是为与环状发射器400中各路光路中的相位相匹配，其二：是为与环状发射器400所发射的环状光束相适配，使环状接收器500的接收面积最大，有利于取得更好的接收效果。

本发明将发射模块、接收模块进行集成在一个系统上，即将除激光器以外的整个奇点光束收发系统利用硅基光电子技术全部集成在一起，实现了奇点光束收发系统的小型化。

在本发明的一个具体示例中，如图2所示，环状发射器400与环状接收器500同轴，发射器401的数量与环接收器501的数量匹配，且沿环状发射器400、环状接收器500呈圆周分布，发射器401的出射端与接收器501的接收端一一对应，使所有发射的信号都能被对应的接收器501接收。

在本发明的一个具体示例中，如图4所示，发射器401、接收器501为光栅或光学相控阵的任意一种，发射器401的发射端端面与接收器501的接收端端面平行设置，以提高接收器501的接收效率。

在本发明的一个具体示例中，如图5所示，发射器401、接收器501可以在端面保持相对的状态下水平旋转，用于产生角向的偏振分量。当旋转角度大于90或小于-90的时，发射端在环内部，接收端在环外部。在奇点光束技术领域，携带轨道角动量的涡旋光束的应用十分广泛，在表面等离子体光学、微纳米尺寸的光学加工、微观粒子的量子力学效应、光学微操控等领域均得到应用。

在本发明的一个具体示例中，发射器401与所对应的接收器501所构成的光路的总相位和总延迟量相同。总相位和总延迟量相同，能够使发射模块产生的光束和接收模块接收的光束相位相同，不避免因发生干涉而相消，此种设置能够使光电探测器900所接收到的光束强度最大。

在本发明的一个具体示例中，分束器100、合束器800为级联Y分叉光功分器、MMI分束器、定向耦合分束器其中的任意一种，此处不做具体限定，可以视其具体应用环境而定。

在本发明的一个具体示例中，如图6所示，采用厚度为220nm、Box层的厚度为2μm的SOI晶圆为例，进行集成。集成制备的发射端的光栅为尺寸6μm，10个周期的光栅。奇点光束收发系统由集成光电子技术制成，在集成过程中分为发射层、接收层、掩埋氧化层分层集成，用于防止第一光波导阵列、第二光波导阵列、第三光波导阵列、金属层的布线冲突。本发明所涉及的芯片的制备方法能够与集成芯片CMOS技术兼容，可大批量生产，也可以与其他控制电路实现单片集成。

本发明通过将奇点光束的发射模块和接收模块集成到同一片芯片上简化了整个收发过程，不仅解决了现有技术元件尺寸过大的问题，还能够实现发射模块中产生的奇点光束阶次可调谐。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制。本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种奇点光束收发系统，其特征在于，包括：发射模块和接收模块；其中，

所述发射模块包括：分束器、用于调制相位的发射端相位控制单元、环状发射器、第一光波导阵列、第二光波导阵列；

所述接收模块包括：环状接收器、用于解调相位的接收端相位控制单元、第三光波导阵列；

激光经所述分束器分束后进入所述第一光波导阵列，所述第一光波导阵列与所述发射端相位控制单元相连接，所述光束经相位调制后经所述第二光波导阵列传送进入所述环状发射器产生奇点光束，并将所述奇点光束传送至所述接收模块；

所述环状接收器接收到所述奇点光束后，将所述奇点光束传送至所述接收端相位控制单元，进行相位解调后经所述第三光波导阵列输出。

2.根据权利要求1所述的奇点光束收发系统，其特征在于，

所述发射端相位控制单元为发射端相位控制器时，所述第一光波导阵列与所述发射端相位控制器相连接；

所述发射端相位控制单元为发射端延时器时，所述第一光波导阵列与所述发射端延时器相连接；

所述发射端相位控制单元为所述发射端相位控制器和所述发射端延时器时，所述第一光波导阵列依次与所述发射端相位控制器、所述发射端延时器相连接；

所述接收端相位控制单元为接收端延时器时，所述环状接收器与所述接收端延时器相连接；

所述接收端相位控制单元为接收端光相位控制器时，所述环状接收器与所述接收端光相位控制器相连接；

所述接收端相位控制单元为所述接收端延时器和接收端光相位控制器时，所述环状接收器依次与所述接收端延时器、所述接收端光相位控制器相连接。

3.根据权利要求2所述的奇点光束收发系统，其特征在于，所述发射端相位控制器、所述接收端光相位控制器为热光效应的相位调制器或载流子色散效应的相位调制器。

4.根据权利要求1所述的奇点光束收发系统，其特征在于，

所述接收模块还包括与所述第三光波导阵列依次连接的合束器和光电探测器，光束经所述合束器合束后进入所述光电探测器，进行光电探测。

5.根据权利要求2所述的奇点光束收发系统，其特征在于，其中，

所述环状发射器包括N个呈环状分布的发射器，所述环状接收器包括N个呈环状分布的接收器；所述发射器的数量与所述接收器的数量匹配，且构成的环状同轴。

6.根据权利要求5所述的奇点光束收发系统，其特征在于，所述发射器、所述接收器为光栅或光学相控阵，接收的光束经所述光栅或所述光学相控阵相互干涉形成奇点光束，发射器的发射端端面与所述接收器的接收端端面平行设置。

7.根据权利要求5所述的奇点光束收发系统，其特征在于，所述发射器、所述接收器在端面保持相对的状态下水平旋转，用于产生角向的偏振分量。

8.根据权利要求6所述的奇点光束收发系统，其特征在于，所述发射器与所对应的所述接收器所构成的光路的总相位和总延迟量相同。

9.根据权利要求4所述的奇点光束收发系统，其特征在于，

所述分束器、所述合束器为级联Y分叉光功分器、MMI分束器或定向耦合分束器。

10.根据权力要求1～9中任意一项所述的奇点光束收发系统，其特征在于，所述奇点光束收发系统集成在芯片上；在集成过程中分为发射层、接收层、掩埋氧化层分层集成，用于防止所述第一光波导阵列、所述第二光波导阵列、所述第三光波导阵列、金属层的布线发生冲突。

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