一种基于微型环形谐振腔的涡旋可控光发射器制造技术

本发明专利技术涉及一种基于微型环形谐振腔的涡旋可控光发射器，包括：Y型光波导、弧形光波导耦合器以及一环形谐振腔；Y型光波导的分叉点上设置有一用于控制入射光反射与透射的Si基结型光开关；Y型光波导分别经用于降低Si基结型光开关受串扰的第一S型弯曲波导衰减器以及第二S型弯曲波导衰减器连接至弧形光波导耦合器；弧形光波导耦合器与环形谐振腔内切设置，且在切点处设置有用于将弧形光波导耦合器中的入射光束耦合到所述环形谐振腔的微腔内的硅基全反射器。本发明专利技术所提出的一种基于微型环形谐振腔的涡旋可控光发射器，可以利用成熟的半导体Si工艺制作实现，可作为涡旋光通信系统的编码和解码器，有着重要的经济价值。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及半导体光电器件
，特别是一种基于微型环形谐振腔的涡旋可控光发射器。
技术介绍
自发现涡旋光以来，探索制备涡旋光的各种实验一直是该领域的研究热点，已经相继发展了多种产生涡旋光的技术，譬如螺旋相位板，计算机全息图和圆柱形转换器等，然而这些产生涡旋光的技术都基于复杂庞大的光学系统，难以和当代的集成光通信技术兼容。近几年来利用新兴的微纳米半导体工艺，制备微型的集成化涡旋光器件，以适应当今光通信技术的需求，得到业界的重视。产生涡旋光的微型结构可大致分为以下几种。第一种是通过直接缩小传统产生涡旋光的结构，实现尺寸微型化，其中缩小螺旋相位板就是典型例子，这类方法理论上很简单，但时常受到工艺的限制难以达到预期效果。第二种是基于等离子体涡旋镜来产生涡旋光的结构，等离子体涡旋镜在微型偏振仪、自旋轨道相互作用、显微操作和有效聚焦方面得到广泛应用。第三种是利用融合表面存在的超纳米界面来产生涡旋光，超纳米界面能够在两种不同的介质上产生相位突变，从而形成不规则的光反射或光折射，这是产生涡旋光的颖方法，但融合表面的光传输效率很低，在实际应用中面临许多挑战。还有一种利用亚波长口径和纳米夹缝的微型结构，它主要是利用自旋光到涡旋光的转换，来获得涡旋光。目前，仍然缺少能够灵活控制涡旋方向的集成化小型涡旋光发射器。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于微型环形谐振腔的涡旋可控光发射器，以克服现有技术中存在的缺陷。为实现上述目的，本专利技术的技术方案是：一种基于微型环形谐振腔的涡旋可控光发射器，包括：一Y型光波导、一弧形光波导耦合器以及一环形谐振腔；所述Y型光波导的分叉点上设置有一用于控制入射光反射与透射的Si基结型光开关；所述Y型光波导分别经用于降低所述Si基结型光开关串扰的第一S型弯曲波导衰减器以及第二S型弯曲波导衰减器连接至所述弧形光波导耦合器；所述弧形光波导耦合器与所述环形谐振腔内切设置，且在切点处设置有一用于将所述弧形光波导耦合器中的入射光束耦合到所述环形谐振腔的微腔内的硅基全反射器。在本专利技术一实施例中，所述第一S型弯曲波导衰减器以及所述第二S型弯曲波导衰减器均为Z切LiNbO3晶体电控衰减器，并且连接至所述弧形光波导耦合器。在本专利技术一实施例中，所述Si基结型光开关为一可电控Si基半导体结型全内反射光开关。所述Si基结型光开关的全反射有源区域为一Si基PN结；通过改变施加在所述Si基PN结上的偏压控制载流子注入量，并通过调整载流子注入量来改变半导体有源区的折射率，直至有源区成为全反射区域，且折射率与载流子浓度的关系如下所示：Δn＝Δne+Δnh＝-[8.8×10-22·ΔNe+8.5×10-18·(ΔNh)0.8]其中，ΔNe与ΔNh分别代表注入的电子与空穴的浓度。在本专利技术一实施例中，Y型光波导的分叉点上设置有一用于控制入射光反射与透射的Si基结型光开关，通过所述Si基结型光开关选择入射光束的传播路径，选择所述环形谐振腔内光束的传播方向，控制所述环形谐振腔发射左旋或右旋涡旋光。在本专利技术一实施例中，所述环形谐振腔的内壁上设置有若干等间距角光栅；所述环形谐振腔的角相位匹配条件为：νrad＝νWGM-gq其中g的取值为1；环形谐振腔沿方位角方向的光波数νWGM＝βρR＝p，p代表方位角模数，βp代表所述环形谐振腔的光波矢；q＝2πR/Λ表示角光栅数目，所述环形谐振腔产生的右涡旋光拓扑电荷l＝|p|-q；通过所述Si基结型光开关改变入射光方向时，所述环形谐振腔产生左涡旋光拓扑电荷l＝-|p|+q。所述角光栅的衍射光与所述环形谐振腔的谐振光束沿着方位角方向耦合，使原本受限的腔内光束辐射到自由空间，且辐射后的光束在自由空间中具有旁瓣结构，也即形成涡旋光束。在本专利技术一实施例中，根据所述角光栅在所述环形谐振腔的作用，建立一个偶极子模型来代表角光栅，且在远场近似下，忽略近场项(1/r2,1/r3)，当2π/q小于0.1时，通过第一类贝塞尔函数取近似积分得到如下关系式：由上述关系式可以建立正交圆柱贝塞尔模型，也即涡旋光发射器的远场表达式，如下所示：其中，Ji＝Ji(-v tanΘ)为贝塞尔函数，ν＝2πR/λ微腔环的光波数，Θ＝tan-1(ρ/ζ)为衍射角，第m个光栅的相位差，A为常数，R为环形光腔半径；其中l＝|p|-q是涡旋光的拓扑电荷值，p是环形谐振腔的方位角模数，q是角光栅个数；该正交圆柱贝塞尔模型的三个函数之间相差π/2或π相位，均各自独立携带因子，且该正交圆柱贝塞尔模型对应的正交圆柱贝塞尔光束携带轨道角动量。相较于现有技术，本专利技术具有以下有益效果：本专利技术提出一种基于微型环形谐振腔的涡旋可控光发射器，在环形谐振腔基础上引入Y型波导、带全反射弧形光波耦合器、S型弯曲波导衰减器和一个全内反射光开关，采用带有硅基全反射的弧形光波导，把入射光束耦合到微腔中，同时减少微腔的泄漏，提高了耦合效率；采用Y型波导和一个全内反射光开关，可以改变光束进入谐振腔的方向；采用S型弯曲波导衰减器，可以有效的降低光开关带来的串扰；本专利技术可以利用成熟的半导体Si工艺制作实现，可作为涡旋光通信系统的编码和解码器，有着重要的经济价值。附图说明图1是本专利技术中基于微型环形谐振腔的涡旋可控光发射器的整体结构简图。图2(a)是Si基半导体结型全内反射光开关的结构简图。图2(b)是Si基半导体结型全内反射光开关的俯视图。图2(c)是Si基半导体结型全内反射光开关输入输出示意图。图3(a)是本专利技术中半导体结型全内反射光开关的全内反射原理简图。图3(b)是本专利技术一实施例中通过Matlab仿真后的半导体结型全内反射光开关反射率与折射率示意图。图4是本专利技术实施例中半导体结型全内反射光开关有缘部分切面图，也即图2(b)的A-A视图。图5是本专利技术实施例中耦合环形谐振腔的结构简图。图6(a)是本专利技术实施例中相同尺寸不带角光栅环形谐振腔的一仿真图。图6(b)是本专利技术实施例中相同尺寸不带角光栅环形谐振腔的微腔透射谱示意图。图7是本专利技术实施例中耦合部位放置全反射层时减少漏光作用的原理图。图8是本专利技术实施例中环形谐振腔的偶极子模型。图9是本专利技术实施例中带有角光栅的环形谐振腔的立体结构示意图。图10是本专利技术实施例中涡旋光束仿真图。【标号说明】：1—Y型光波导；2—Si基结型光开关；3—S型弯曲波导衰减器；4—环形谐振腔；5—弧形光波导耦合器；6—硅基全反射器。具体实施方式下面结合附图，对本专利技术的技术方案进行具体说明。本专利技术提供一种基于微型环形谐振腔的涡旋可控光发射器，如图1所示，包括一Y型光波导1、一弧形光波导耦合器5以及一环形谐振腔4；Y型光波导1的分叉点上设置有一用于控制入射光反射与透射的Si基结型光开关2；Y型光波导经用于降低Si基结型光开关串扰的S型弯曲波导衰减器3，也即分别经第一S型弯曲波导衰减器以及第二S型弯曲波导衰减器，连接至弧形光波导耦合器；弧形光波导耦合器与环形谐振腔内切设置，且在切点处设置有一用于将弧形光波导耦合器中的入射光束耦合到环形谐振腔的微腔内的硅基全反射器6。进一步，在本实施例中，利用Y型波导选择环形谐振腔的入射方向，并在Y型波导交叉点处制备Si基光开关。环形谐振腔是一种携带角光栅的特殊圆形微谐振腔。弧形光波导耦合器携带硅基全反射器把入射本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于微型环形谐振腔的涡旋可控光发射器，其特征在于，包括：一Y型光波导、一弧形光波导耦合器以及一环形谐振腔；所述Y型光波导的分叉点上设置有一用于控制入射光反射与透射的Si基结型光开关；所述Y型光波导分别经用于降低所述Si基结型光开关串扰的第一S型弯曲波导衰减器以及第二S型弯曲波导衰减器连接至所述弧形光波导耦合器；所述弧形光波导耦合器与所述环形谐振腔内切设置，且在切点处设置有一用于将所述弧形光波导耦合器中的入射光束耦合到所述环形谐振腔的微腔内的硅基全反射器。

【技术特征摘要】
1.一种基于微型环形谐振腔的涡旋可控光发射器，其特征在于，包括：一Y型光波导、一弧形光波导耦合器以及一环形谐振腔；所述Y型光波导的分叉点上设置有一用于控制入射光反射与透射的Si基结型光开关；所述Y型光波导分别经用于降低所述Si基结型光开关串扰的第一S型弯曲波导衰减器以及第二S型弯曲波导衰减器连接至所述弧形光波导耦合器；所述弧形光波导耦合器与所述环形谐振腔内切设置，且在切点处设置有一用于将所述弧形光波导耦合器中的入射光束耦合到所述环形谐振腔的微腔内的硅基全反射器。2.根据权利要求1所述的一种基于微型环形谐振腔的涡旋可控光发射器，其特征在于，所述第一S型弯曲波导衰减器以及所述第二S型弯曲波导衰减器均为Z切LiNbO3晶体电控衰减器，并且连接至所述弧形光波导耦合器。3.根据权利要求1所述的一种基于微型环形谐振腔的涡旋可控光发射器，其特征在于，所述Si基结型光开关为一可电控Si基半导体结型全内反射光开关；所述Si基结型光开关的全反射有源区域为一Si基PN结；通过改变施加在所述Si基PN结上的偏压控制载流子注入量，并通过调整载流子注入量来改变半导体有源区的折射率，直至有源区成为全反射区域，且折射率与载流子浓度的关系如下所示：Δn＝Δne+Δnh＝-[8.8×10-22·ΔNe+8.5×10-18·(ΔNh)0.8]其中，ΔNe与ΔNh分别代表注入的电子与空穴的浓度。4.根据权利要求1所述的一种基于微型环形谐振腔的涡旋可控光发射器，其特征在于，Y型光波导的分叉点上设置有一用于控制入射光反射与透射的Si基结型光开关，通过所述Si基结型光开关选择入射光束的传播路径，选择所述环形谐振腔内光束的传播方向，控制...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄春晖，王超，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：福建;35