基于微環(huán)諧振腔的圓偏振渦旋光束發(fā)射器

方青松　肖慶生

摘? 要：渦旋光束是一種具有橫向空間分布的光束，其在光纖通信系統(tǒng)中的應(yīng)用引起了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。在渦旋光束復(fù)用通信系統(tǒng)中，光束發(fā)射器與光纖耦合時存在光斑失配、偏振失配、相位失配等模場失配問題。針對偏振失配問題，文章設(shè)計(jì)了一種圓偏振渦旋光束發(fā)射器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該發(fā)射器可以產(chǎn)生純度高、能量集中的圓偏振渦旋光束。

關(guān)鍵詞：渦旋光束;軌道角動量;偏振調(diào)控;微環(huán)諧振腔

中圖分類號：TN256? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2021）17-0038-05

Abstract： The vortex beam is a beam with transverse spatial distribution， and its application in optical fiber communication systems has attracted widespread attention at home and abroad. In the vortex beam multiplexing communication system， there are mode field mismatch problems such as spot mismatch， polarization mismatch， and phase mismatch when beam emitter is coupled with the optical fiber. To solve the problem of polarization mismatch， a circularly polarized vortex beam emitter is designed. The experiment results show that the emitter can produce circularly polarized vortex beams with high purity and concentrated energy.

Keywords： vortex beam; OAM; polarization modulation; micro-ring resonator

0? 引? 言

渦旋光束是一種具有螺旋形相位波前（由相位因子exp（i??）描述，其中?為空間方位角，?為螺旋相位繞光軸變換的周期數(shù)，稱為角量子數(shù)或拓?fù)浜蓴?shù)）的特殊光束[1]，自1992年Allen等人揭示渦旋光束的螺旋相位與光子的軌道角動量（Orbital angular momentum， OAM）的關(guān)系[2]（即光束中每個光子都攜帶了??（?為約化普朗克常量）的軌道角動量）以來，人們對這種特殊結(jié)構(gòu)的光束產(chǎn)生了濃厚的研究興趣。由于OAM本征態(tài)構(gòu)成無窮維的Hibert空間[3]，因此渦旋光束在理論上可以承載無窮多比特信息，可以用來實(shí)現(xiàn)高維度的信息編碼或復(fù)用，有望為量子信息處理[4]、傳統(tǒng)光通信[5]和信息存儲[6]大大地提升信息容量和安全性。因此，渦旋光束的生成器件近年來成為一個熱點(diǎn)研究課題。

渦旋光束的生成器可以分成5類：環(huán)形光柵耦合器型[7]、微環(huán)諧振腔型[8]、直波導(dǎo)光柵耦合器型[9]、相控陣列型[10]和片內(nèi)圓波導(dǎo)型[11]。其中，微環(huán)方案由于具有結(jié)構(gòu)簡單、集成度高等優(yōu)點(diǎn)，受到了廣泛的關(guān)注和跟蹤研究。然而，當(dāng)渦旋光束生成器與光纖耦合時，渦旋光束復(fù)雜的幅度、相位和偏振分布，會使得生成器與光纖之間產(chǎn)生光斑失配、偏振失配、相位失配等模場失配問題，進(jìn)而造成巨大的功耗損失。偏振失配是因發(fā)射器出射光束的偏振與光纖中傳播光束偏振不匹配而產(chǎn)生的。發(fā)射器出射光束一般為矢量偏振光束（即徑向或角向偏振光束），而光纖內(nèi)傳播光束的偏振態(tài)為標(biāo)量偏振光束（即線偏振或圓偏振光束）。針對這一問題，本文提出了一種基于微環(huán)諧振腔的圓偏振渦旋光束發(fā)射器的方案。該器件主要是在微環(huán)諧振腔的波導(dǎo)頂部刻蝕淺光柵，并通過切換注入光的偏振和波長，產(chǎn)生徑向和角向偏振渦旋光束，兩者疊加產(chǎn)生圓偏振渦旋光束。

1? 器件的原理

2? 器件的設(shè)計(jì)

圓偏振渦旋光束發(fā)射器的設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在對微環(huán)諧振腔及波導(dǎo)頂部衍射光柵的設(shè)計(jì)。對微環(huán)諧振腔的設(shè)計(jì)是為了找出微環(huán)中的簡并模式，因?yàn)楫?dāng)兩個模式簡并的時候，它們在諧振腔內(nèi)的有效折射率是一樣的，此時它們的諧振波長也是一致的。對衍射光柵的設(shè)計(jì)是為了找出兩個簡并模式在諧振腔內(nèi)徑向和角向分量占主導(dǎo)地位的位置，在此處可以同時對出射渦旋光束的徑向和角向偏振進(jìn)行調(diào)控。

2.1? 微環(huán)諧振腔的設(shè)計(jì)

為了能夠找出合適的模式，采用的硅波導(dǎo)為300 nm波導(dǎo)，并通過仿真軟件計(jì)算出模式有效折射率隨波導(dǎo)寬度變化的曲線，如圖1所示。從圖中可知，隨著波導(dǎo)寬度的逐漸增大，波導(dǎo)中模式的有效折射率也在增大。同時，波導(dǎo)中的TE1和TM0模式在變化的過程中，變化曲線存在交點(diǎn)，這說明在該波導(dǎo)寬度下，兩個模式的有效折射率相同，兩者是簡并的。如此，可以確定微環(huán)諧振腔的波導(dǎo)參數(shù)，即波導(dǎo)高度為300 nm，波導(dǎo)寬度約為835 nm。

在微環(huán)波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)參數(shù)確定后，需要確定TE1和TM0模式在微環(huán)中的響應(yīng)光譜，以保證在該微環(huán)中兩種模式的響應(yīng)光譜重疊（即它們的諧振波長一樣），微環(huán)產(chǎn)生的徑向和角向渦旋光束的階數(shù)是一樣的，可以疊加出射向同一階數(shù)的圓偏振渦旋光束。圖2是TE1和TM0模式單獨(dú)和混合模都在半徑為15 μm的微環(huán)中傳播的響應(yīng)光譜。

從圖2中可以看出，TE1和TM0模諧振中心波長約為1.55 μm，0階渦旋光束也是在此處產(chǎn)生。兩者的諧振波長在低階時是一致的，這為疊加產(chǎn)生圓偏振渦旋光束提供了良好的條件。

2.2? 衍射光柵的設(shè)計(jì)

圖3、圖4顯示了波長為1 550 nm時，TE1和TM0模式在波導(dǎo)中的徑向和角向分量分布?？梢钥闯?，兩種模式電場分布的差別僅有π的相位差，說明這兩種模式此時是簡并的。為了產(chǎn)生高質(zhì)量的圓偏振渦旋光束，波導(dǎo)內(nèi)部的兩種模式需要分別控制徑向和角向光束的產(chǎn)生，所以TE1?？刂茝较?，TM0?？刂平窍颉榱舜_保兩種模式控制出射的光束純度，需要計(jì)算TE1的Er/iE?和TM0的iE?/Er的成分比例，如圖5所示。

從圖5TE1和TM0模式的徑向和角向分量的比例來看，TE1模式的徑向分量主要分布在波導(dǎo)的中上部分，TM0模式的角向分量主要分布在波導(dǎo)內(nèi)部下方左右兩處。因此只需找到兩者相交的區(qū)域，就可以大致確定衍射光柵的位置，如圖5中的小方框所示，這就是淺刻蝕光柵的大致位置。

需要注意的是，光柵和微環(huán)之間的耦合強(qiáng)度對光柵的大小和相對位置非常敏感。一般來說，淺刻蝕的孔徑固定在120 nm。因此，為了使所獲得的渦旋光束有良好的近場強(qiáng)度分布以及高純度的偏振，就要考慮孔徑中相對于波導(dǎo)中心的偏移量（d）對器件的影響。圖6顯示了偏移量（d）對波導(dǎo)中Er/iE?（iE?/Er）分布和有效折射率的影響。圖6（a）是偏移量（d）對波導(dǎo)中Er/iE?（iE?/Er）分布的變化曲線，當(dāng)d>60 nm時，TE1（TM0）模式的分布急劇下降，尤其是TM0模式，這種變化更為明顯。圖6（b）是偏移量（d）對TE1和TM0模式的有效折射率曲線，當(dāng)d≈60 nm時，兩種模式的有效折射率變化最小，盡可能地減小了對諧振波長的影響。當(dāng)在頂部放置這種尺寸的孔時，角向光柵導(dǎo)致高散射系數(shù)，會使得腔內(nèi)的光強(qiáng)快速衰減，這極大地破壞了腔的共振。這種強(qiáng)度的不均勻會降低模式的純度，因此選用d2=60 nm可以實(shí)現(xiàn)相對純度較高的極化。

3? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在得到器件的各項(xiàng)必要參數(shù)后，要對器件的性能進(jìn)行測試。圖7顯示了器件在中心諧振波長1 550 nm處的輻射場分布。因?yàn)樵O(shè)計(jì)該器件的目的是產(chǎn)生圓偏振渦旋光束，所以器件性能的一個重要指標(biāo)就是出射光束的質(zhì)量。通過FDTD仿真，得到了器件的近場和遠(yuǎn)場輻射場分布，將遠(yuǎn)場輻射場的數(shù)據(jù)通過腳本計(jì)算，就可以得到器件出射的圓偏振光束分布情況。

圖7表明波長1 550 nm的TE1和TM0模式在微環(huán)內(nèi)發(fā)生諧振，形成駐波;圖8、圖9則顯示微環(huán)出射的光束相位分布呈甜甜圈狀，中心存在奇點(diǎn)，所以此時微環(huán)產(chǎn)生0階OAM光束。在確定器件能夠產(chǎn)生OAM光束后，接下來就需要確定該出射光束是否為圓偏振光束，以及保證出射光束的質(zhì)量。

圖10顯示了諧振波長為1 550 nm時出射光束的圓偏振情況，通過腳本將光束分解為左旋和右旋圓偏光束，圖10（a）和10（b）分別是左旋圓偏和右旋圓偏光束。從圖中可知圓偏振光主要是左旋圓偏振光，而右旋圓偏振光則幾乎沒有。因此器件出射的渦旋光束為圓偏振光，且光束的純度較好。此外器件出射的圓偏振渦旋光束能量集中在中心，這說明該光束具有良好的聚束效果，這為器件與光纖之間的耦合提供了良好的條件。

圖11顯示了諧振波長為1 556 nm時器件出射渦旋光束的左旋圓偏和右旋圓偏的分布情況，可以看出右旋圓偏振光束的能量集中，且其數(shù)量級比左旋圓偏振光束大了一個數(shù)量級，所以此時器件出射的光束為右旋圓偏振渦旋光束。

4? 結(jié)? 論

本文提出了一種基于微環(huán)諧振腔的圓偏振渦旋光束發(fā)射器的方案，并對器件的參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該器件產(chǎn)生的圓偏振渦旋光束純度較高且能量集中，可以很好地完成發(fā)射器與光纖之間的耦合。

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作者簡介：方青松（1996—），男，漢族，江西上饒人，碩士研究生在讀，研究方向：集成光子器件;肖慶生（1980—），男，漢族，江西贛州人，副教授，碩士研究生導(dǎo)師，博士，研究方向：光通信技術(shù)、集成光子器件與技術(shù)、計(jì)算電磁學(xué)與光波技術(shù)。