一种基于微型环形谐振腔的涡旋可控光发射器的制造方法
【专利摘要】本发明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。
【专利说明】
一种基于微型环形谐振腔的涡旋可控光发射器
技术领域
[0001] 本发明涉及半导体光电器件技术领域，特别是一种基于微型环形谐振腔的涡旋可 控光发射器。
【背景技术】
[0002] 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。
[0003] 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。
【发明内容】
[0004] 本发明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。
[0005] 为实现上述目的，本发明的技术方案是：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 腔内的娃基全反射器。
[0006] 在本发明一实施例中，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LiNb03晶体电控衰减器，并且连接至所述弧形光波导耦合器。
[0007] 在本发明一实施例中，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：
[0008] An= Ane+Anh = -[8.8X10-22 ? ANe+8.5X10-18 ? ( ANh)0.8]
[0009] 其中，a Ne与A Nh分别代表注入的电子与空穴的浓度。
[0010] 在本发明一实施例中，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。
[0011] 在本发明一实施例中，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：
[001 2] V ra(j - VfGM-gQ
[0013]其中g的取值为1;环形谐振腔沿方位角方向的光波数vWGM=0PR = p，p代表方位角 模数，仏代表所述环形谐振腔的光波矢;q = 2JTR/A表示角光栅数目，所述环形谐振腔产生 的右祸旋光拓扑电荷1= |p I -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1 = _ I P I+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。
[0014] 在本发明一实施例中，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/r 2，1/r3)，当2Vq小于〇. 1时，通过第 一类贝塞尔函数取近似积分得到如下关系式： 4.
[0015] Yu ? j"qJn m=l
[0016]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：
[0018] 其中，Ji = Ji(_v tan ? )为贝塞尔函数，v = 2jtR/人微腔环的光波数，? =tan-Hp/ O为衍射角，△& = t 0第m个光栅的相位差，A为常数，R为环形光腔半径;其中1 = | 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V2或31相位，均各自独立携带exp(X個子，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。
[0019] 相较于现有技术，本发明具有以下有益效果:本发明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，米用带有娃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;本发明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】
[0020] 图1是本发明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。
[0021] 图2(a)是Si基半导体结型全内反射光开关的结构简图。
[0022] 图2(b)是Si基半导体结型全内反射光开关的俯视图。
[0023] 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。
[0024] 图3(a)是本发明中半导体结型全内反射光开关的全内反射原理简图。
[0025]图3(b)是本发明一实施例中通过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。
[0026] 图4是本发明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。
[0027] 图5是本发明实施例中耦合环形谐振腔的结构简图。
[0028] 图6(a)是本发明实施例中相同尺寸不带角光栅环形谐振腔的一仿真图。
[0029] 图6(b)是本发明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。
[0030] 图7是本发明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。
[0031] 图8是本发明实施例中环形谐振腔的偶极子模型。
[0032] 图9是本发明实施例中带有角光栅的环形谐振腔的立体结构示意图。
[0033] 图10是本发明实施例中涡旋光束仿真图。
[0034]【标号说明】：1一Y型光波导；2-Si基结型光开关；3-S型弯曲波导衰减器;4一环 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】
[0035]下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
[0036] 本发明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 6〇
[0037] 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光束耦合到微腔中，同时减少微腔的泄漏，提高了耦合效 率。Si基光开关，是一种Si基半导体结型全内反射光开关。S弯曲波导衰减器，采用Z切 LiNb03晶体电控衰减器，在光开关后面引入S弯曲波导衰减器，从而降低光开关的串扰。基 于微型环形谐振腔的涡旋可控光发射器，通过光开关改变入射光束的传播路径，控制环形 谐振腔内光束传播方向来改变产生涡旋光束的旋转方向。
[0038] 进一步，还提供制备涡旋方向可控的集成化微型环形谐振腔涡旋光发射器的方 法，该微型环形谐振腔的涡旋可控光发射器整体制作在Si02的衬底上，利用光刻腐蚀工艺 在衬底上制作环形谐振腔结构和一个与环形谐振腔相切的弧形光波耦合器，并且在环形谐 振腔与弧形光波导的切点处淀积一层硅薄膜，作为全反射界面。然后再Si02衬底环形谐振 腔前方淀积一层硅薄膜，并且光刻得到Y型波导，然后在Y型波导交叉处制备一个Si基半导 体结型全内反射光开关，最后在环形谐振腔和Y型波导间光刻一个S弯曲沟道嵌上Z切 LiNb03晶体，并且在LiNb03晶体两侧刻上电极。
[0039] 进一步，在本实施例中，微型环形谐振腔的内环分布着一定数量的等间距角光栅 结构，角光栅的衍射光与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，辐射的光束在自由空间中具有旁瓣结构，也就是涡旋光束。
[0040] 为了让本领域技术人员进一步了解本发明所提出的技术内容，下面结合实施例加 以说明。
[0041 ] 进一步，在本实施例中，环形谐振腔半径R = 7.5wii，波导宽度di = lym，并携带等间 距的角光栅，光栅个数q = 77,与环腔相切的弧形光波导耦合器的宽度为lwii，在弧形光波导 親合器上制备一个娃材质的全反射层。Y型波导宽度(12 = 3讓，高度h = lMi，分叉角度0 = 3°， 并且在分叉点制备Si半导体结型全内反射光开关，起到改变环形谐振腔光束输入方向的作 用。Si半导体结型全内反射光开关，利用电控半导体结型结构来改变光束的传播方向，并在 输出端接入S弯曲波导衰减器，S弯曲波导的材质为Z切LiNb0 3晶体，弯曲波导宽度由3wii渐 进过渡到lMi，在尺寸上起到Y型波导和弧形光波导的合理连接的作用，在功能上起到降低 光开关带来的串扰的作用。
[0042] 进一步，在本实施例中，如图2(a)、图2(b)和图2(c)所示的Si基半导体结型全内反 射光开关的结构简图，如图2(a)所示的Si基全内反射光开关置于Y型波导分叉点，其中波导 宽度为3WH，波导分叉角度为3°。图2(b)是光开关有缘部分的切面图和整个光开关的俯视示 意图，对图2(a)的结构进行了进一步直观的描述，图2(a)中虚线部分是由Si基PN结所形成 的全内反射层，具体的样子如图2(b)中有缘部分切面图所示PN结中P区和N区的参杂浓度为 10 2°/〇113，其中？区厚度为100腦，宽度为0.5圓』区厚度为50011111，宽度为0.5仰1，阴极和阳极 分别在波导和Si面上渡上相应长度的铝条，全反射层长度约为6WH，全反射层上端是多晶硅 材质的光波导，在它们中间有一层厚度约为2nm的Si0 2隔离层，限制载流子的扩散，提高载 流子的注入效应，提高全反射层的折射率，能够实时改变光路传播方向的作用，图2(c)所示 的Si基结型全内反射光开关是利用半导体材料形成一个折射率可变区域，来通过改变区域 的透射或全反射的方式来改变光束的方向的输入光与输出光示意图。其中S曲线衰减器是 一种Z切LiNb0 3晶体，晶体波导宽度由3mi向lwii过渡，在尺寸上起到更好的衔接弧形光波导 和Y型光波导的作用，并且利用其电光效应，通过施加一定的电压来衰减掉干扰光，起到有 效的降低光开关的串扰的作用。
[0043] 进一步，在本实施例中，如图3(a)以及图3(b)所示所示，针对半导体结型全内反射 光开关的原理结构简图，半导体结型全内反射光开关的主要原理是通过改变波导分叉部位 的折射率来形成一个全反射区域，从而实现光路的转换，起着光开关功能。这种光开关的基 本原理如图3(a)所示的反射模型，利用有效折射率n eff来代替m在相应的条件下，可以得到 公式(1)所示的全内反射的反射率公式。 (1) (2)
[0045]相应的折射率T = 1_R，式中kq如公式(2)所示。
[0047]由公式（1)和(2)可知当nef f = n2时，R=0，T = 1此时光直接通过直波导传播。在0 = 1 ? 5°，人=1550nm，d = 1_时，如图3(b)所示利用MATLAB仿真得到当neff-n2> = 0.01时R = 1， T = 0此时形成一个全反射区域，这时光路全反射通过另外一个波导传输。如公式(3)表示折 射率m的TE模本征方程。
是平板 波导的宽度。然后针对光开关的串扰及损耗的定义得到公式(4)。
(4)
[0051 ]其中，CT表示串扰，1^表示损耗。结合公式(4)，（3)和（1)确定最佳性能时波导宽度 和反射面宽度之间的关系
，由于9很小，则d3~2di。
[0052]进一步，在本实施例中，整个光开关的核心部分基于有源区全反射的Si基PN结光 开关。通过改变施加在PN结上的偏压来控制载流子注入量，进一步改变半导体有源区的折 射率，直至有源区形成全反射区域。有源区的折射率和载流子浓度的关系如公式(5)。
[0053] &n = &!!e + Mh - - 8. 8 X 1〇'22 ? Me + 8, 5 x 10H：8 ? (5)
[0054]其中，A Ne和A Nh分别代表注入的电子与空穴的浓度，在本实施例中，要求的折射 率下降值为0.01。如图4所示，全内反射光开关有源部分的横切图，其中，PN结用Si材料制 作，P区和N区的参杂浓度为10 2()/Cm3,其中P区的厚度为lOOnm，宽度为0.5mi，N区的厚度为 500nm，宽度为0.5mi，阴极和阳极分别在波导和Si面上渡上相应长度的铝条，多晶硅和PN结 中间的反射界面是一层Si0 2隔离层，通过对Si氧化处理得到。利用这个Si02隔离层来限制载 流子的扩散，从而提高载流子的注入效应，利用较小电流(30mA)实现光路开关的作用。当不 加偏置电压时光束通过直波导从E 2端输出，当加上1.2V的偏压时，全内反射区域折射率下 降，光束被反射界面全反射，从Ei端输出。在这种全内反射光开关的输出部分加上相应的S 弯曲波导衰减器，起到减小串扰和尺寸上更好的链接Y型光波导和弧形光波导的耦合器作 用，这种S弯曲波导衰减器利用Z切LiNb0 3晶体的电效应，当两边加入10V的电压时可以达到 30dB的衰减。
[0055] 进一步，如图5所示，为利用传输矩阵法对环形谐振腔数值分析简易图，图中，&代 表直波导与环形谐振腔的耦合区域，公式(6)是用2X2的矩阵来表示Cu r. ik
[0056] q = .； 7，/ = l (6) iki rt
[0057] 其中，ri表示光透过耦合区域的透光系数;ki表示光透过偶和区域的耦合系数。不 考虑偶和区域损耗的情况下=1。耦合区输出场的振幅包络E 4和￡5可以用输入场的 振幅包络E6和E3表示，具体地表示方法如公式(7)所示。
[0058] ，$ (7) -為」 L上
[0059] 其中
是环形谐振腔内传播光波，E8可以表示为公式(8)所示。
[0060] E6 = m
[00611 式中ai = exp (_aiL/2)表示谐振腔的衰减系数，这里^为损耗，L = 2jtR为环形谐振 腔周长，nrff为波导有效折射率，c为光速:奶=/ e表示环形光谐振腔的单通相移，当光 腔的单通相移約=2叩（p为整数时），谐振腔处于完全谐振状态。
[0062]进一步，环形谐振腔的性能指标包括:谐振波长Am，自由光谱范围(FSR)，谐振峰半 宽A v，精细度F，Q因子。分别用公式(9)表示。
C9)
[0064]其中，R为环的半径，ne为有效折射率，k2为环形腔与直波导间耦合器的分束比。由 公式(9)可知环形谐振腔的半径和分束比是影响环形谐振腔性能的基本参数。
[0065] 利用上述理论推导环形谐振腔的性能参数，结合光开关的波导材料，设置环形谐 振腔的参数:半径R=7 ? 5圓，波导宽度cU = 1圓，波导材料(Si 02)折射率ne = 1 ? 42。由于波导 材料为Si02的环形谐振腔在入射波波长A=1.55wii时耦合效果最好，利用这些参数结合 OptiFDTD软件仿真得到结果如图6所示，图6(a)是光路在谐振腔结构的传播图，图6(b)是微 腔的透射谱。
[0066] 进一步，如图7所示，利用全反射模型定性分析针对环形谐振腔与弧形光波导的切 点设置全反射层的结构。图中真空中的折射率m~1; Si02光波导的折射率n2~1.42;全反射 层为折射率n3~3.5的Si单晶。全反射的临界角约为25°。此时图中的a 2~65°，进一步根据真 空和光波导的折射率计算得到<^~40°，由于已知环腔半径R = 7.5wii，如图所示，环形谐振 腔与弧形光波导耦合器的距离为〇. lym选定光波导的宽度为lym，全反射层宽度为0.5WI1。环 形谐振腔在虚线区域的漏光会经过全反射层，反射进入环形谐振腔，这样减少微腔的泄漏， 减少图5中环形谐振腔的耦合光束E6的泄漏分量，确保绝大部分耦合光保留在谐振腔中，提 高了环形谐振腔的工作效率。
[0067]进一步，由以上关于环形谐振腔与产生涡旋光拓扑电荷的关联推导，针对环形谐 振腔，建立一个如图8所示的偶极子模型来进一步分析产生涡旋光光场的表达式。根据角光 栅在环形谐振腔起到的特殊的作用，把每个角光栅用偶极子来表示。得到在所有偶极子作 用下的光场表达式如公式(10)所示。
[0069] 其中，A=PQ/(43ie())，rm是第m个偶极子至ijQ点的距离。 rA是?』方向上单位失量。 m 第m个偶极子。
[0070] 在远场时近场项（1/r2，1/r3项)可以被忽略从而得到公式（11)。
Q1)
[0072]其中①（p，〇 =exp{ jv[G+(p2+l)/2G}是传播相位因子。? =tan-Hp/O是衍射 角。而= 0是Q点和第m个角光栅的方位角夹角。当2Vq远小于1时用第一类贝塞尔函 数取近似积分可到关系式(12)。
(12)
[0074]通过公式（18)和贝塞尔间的转换关系式推导可以得到一组公式（13)。
(13)
[0076]其中，JpJd-vtan?)。公式（13)是根据圆柱坐标建立的正交圆柱贝塞尔模型。可 以看出，公式（13)的三个函数之间相差V2或31相位，并且都携带exP(抑)因子，说明这种正 交圆柱贝塞尔光束携带轨道角动量。
[0077] 进一步，如图9所示，是本实施例中采用的携带等间距的角光栅的环形谐振腔结 构。为了满足环形谐振腔周期性共振的相位匹配，存在离散的方位角波数v TCM=ePR = P(3p代 表方位角模数或者表示为环形谐振腔上光周期数，仏代表所述环形谐振腔的光波矢。在本 实施例中，环形谐振腔主要考虑环腔的回音壁模和辐射模的耦合关系，并且通过耦合理论 来描述，也就是把周期性变化的介电常数等效为一个稳定环形谐振腔和存在角光栅的非稳 定环形谐振腔的耦合，如公式(14)所示。
[0078] e(r，z，Q) = ea(r，z)+Ae(r，z，Q) (14)
[0079] 其中ea(r，z)是稳定环形谐振腔的介电常数，Ae(r，z，0)是非稳定环形谐振腔的 介电常数。
[0080] 稳定环形谐振腔的本征模沿0方向的传播为= ￡," (r,z)e[1?， 其中仏是波数，《是角频率。由稳定结构模的线性组合公式（15)来表示非稳定环形谐振腔 的本征模。
[0081] E^^Ae)ElA^z￥ (i'>，"：/，，) (15) m
[0082] 非稳定的环形谐振腔的介电常数还可以表示为：
[0083] Hr^°) = Ijg (16)
[0084]其中，q = 2jtR/ A表示角光栅个数，g为整数。
[0085] 联立公式（14) 一 (16)可以得到公式（17)。
[0086] vrad = vWGM_gq，g= ± 1，±2...... (17)
[0087] 公式（17)是角相位匹配条件，g可以取很多值，当辐射模在自由空间时，光矢量
g要满足公式（18)的条件。
[0088] gm-00 < qg < 0wgm+0〇 (18)
[0089]其中，0WGM和00分别表不环腔内和真空中的光矢量，neff~2.5是波导的有效折射 率，并且右旋光矢量为正方向，
》综合（18)和本发明的需要，环形谐振腔的参数 g的取值在〇. 6~1.5之间，实际取g = 1。结合前面所提到的vWCM=p，得到公式(19)。
[0090] vrad = p-q (19)
[0091 ]本发实施例中环形谐振腔产生的涡旋光拓扑电荷1 = | p | -q。由于环形谐振腔结构 为微米级，也即环腔半径R = 7.5wn，相应的q = 77是固定的。为了产生不同拓扑电荷的涡旋 光，满足用涡旋光的拓扑电荷进行光通信编码的需求，只能通过改变P(P = 23iRneff/A)值来 实现，也就是改变谐振环的光程L与入射光波长A的整倍数关系。
[0092]进一步的，根据环形谐振腔的特性，当入射光反向时，环形谐振腔左旋光矢量
，.此时P取负值，公式（18)的g = _l，得到祸旋光拓扑电荷l=_|p |+q，和一 开始的正方向的入射光产生的涡旋光结构相比，可以直观的表示为一个反向的入射光产生 的一个左旋的涡旋光，而旁瓣数是相同的。而改变入射光的方向可以通过图2所示的全内反 射光开关来实现。图10是仿真结果得到的涡旋光图，从左到右依次是1 = _1，1 = 〇，1 = 1。
[0093] 本发明可以通过切换全内反射光开关来改变光束传播路径，选择性的产生1 = 1或 1 = _1的涡旋光，方法简便实用，可以为涡旋光通信编码带来极大便利。
[0094]以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作 用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。
【主权项】
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： Δη= Ane+Anh=-[8.8X10-22 · ANe+8.5X10-18 · ( ANh)0·8] 其中，Δ Ne与Δ Nh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 所述环形谐振腔发射左旋或右旋涡旋光。5. 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： Vrad - VWGM_gq 其中g的取值为1;环形谐振腔沿方位角方向的光波数Vtcm = PpR = P，P代表方位角模数， βΡ代表所述环形谐振腔的光波矢;q = 23iR/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1= Ip Ι-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I = _ I P I+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。6. 根据权利要求5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， 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（Ι/r 2，Ι/r3)，当2Vq小于〇. 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 tan? )为贝塞尔函数，v = 2jtR/A微腔环的光波数，Θ =tan-Ηρ/ζ)为衍 射角，Δι=Ρμ - r/^m个光栅的相位差，A为常数，R为环形光腔半径;其中I = I p I -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V2或π相位，均各自独立携带 exp(.//>)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。
【文档编号】G02B6/35GK105891950SQ201610474248
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年6月24日
【发明人】黄春晖, 王超
【申请人】福州大学