基于微环谐振腔的圆偏振涡旋光束发射器

方青松　肖庆生

摘  要：涡旋光束是一种具有横向空间分布的光束，其在光纤通信系统中的应用引起了国内外的广泛关注。在涡旋光束复用通信系统中，光束发射器与光纤耦合时存在光斑失配、偏振失配、相位失配等模场失配问题。针对偏振失配问题，文章设计了一种圆偏振涡旋光束发射器。实验结果表明，该发射器可以产生纯度高、能量集中的圆偏振涡旋光束。

关键词：涡旋光束;轨道角动量;偏振调控;微环谐振腔

中图分类号：TN256    文献标识码：A 文章编号：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

渦旋光束是一种具有螺旋形相位波前（由相位因子exp（i??）描述，其中?为空间方位角，?为螺旋相位绕光轴变换的周期数，称为角量子数或拓扑荷数）的特殊光束[1]，自1992年Allen等人揭示涡旋光束的螺旋相位与光子的轨道角动量（Orbital angular momentum， OAM）的关系[2]（即光束中每个光子都携带了??（?为约化普朗克常量）的轨道角动量）以来，人们对这种特殊结构的光束产生了浓厚的研究兴趣。由于OAM本征态构成无穷维的Hibert空间[3]，因此涡旋光束在理论上可以承载无穷多比特信息，可以用来实现高维度的信息编码或复用，有望为量子信息处理[4]、传统光通信[5]和信息存储[6]大大地提升信息容量和安全性。因此，涡旋光束的生成器件近年来成为一个热点研究课题。

涡旋光束的生成器可以分成5类：环形光栅耦合器型[7]、微环谐振腔型[8]、直波导光栅耦合器型[9]、相控阵列型[10]和片内圆波导型[11]。其中，微环方案由于具有结构简单、集成度高等优点，受到了广泛的关注和跟踪研究。然而，当涡旋光束生成器与光纤耦合时，涡旋光束复杂的幅度、相位和偏振分布，会使得生成器与光纤之间产生光斑失配、偏振失配、相位失配等模场失配问题，进而造成巨大的功耗损失。偏振失配是因发射器出射光束的偏振与光纤中传播光束偏振不匹配而产生的。发射器出射光束一般为矢量偏振光束（即径向或角向偏振光束），而光纤内传播光束的偏振态为标量偏振光束（即线偏振或圆偏振光束）。针对这一问题，本文提出了一种基于微环谐振腔的圆偏振涡旋光束发射器的方案。该器件主要是在微环谐振腔的波导顶部刻蚀浅光栅，并通过切换注入光的偏振和波长，产生径向和角向偏振涡旋光束，两者叠加产生圆偏振涡旋光束。

1  器件的原理

2  器件的设计

圆偏振涡旋光束发射器的设计主要体现在对微环谐振腔及波导顶部衍射光栅的设计。对微环谐振腔的设计是为了找出微环中的简并模式，因为当两个模式简并的时候，它们在谐振腔内的有效折射率是一样的，此时它们的谐振波长也是一致的。对衍射光栅的设计是为了找出两个简并模式在谐振腔内径向和角向分量占主导地位的位置，在此处可以同时对出射涡旋光束的径向和角向偏振进行调控。

2.1  微环谐振腔的设计

为了能够找出合适的模式，采用的硅波导为300 nm波导，并通过仿真软件计算出模式有效折射率随波导宽度变化的曲线，如图1所示。从图中可知，随着波导宽度的逐渐增大，波导中模式的有效折射率也在增大。同时，波导中的TE1和TM0模式在变化的过程中，变化曲线存在交点，这说明在该波导宽度下，两个模式的有效折射率相同，两者是简并的。如此，可以确定微环谐振腔的波导参数，即波导高度为300 nm，波导宽度约为835 nm。

在微环波导的结构参数确定后，需要确定TE1和TM0模式在微环中的响应光谱，以保证在该微环中两种模式的响应光谱重叠（即它们的谐振波长一样），微环产生的径向和角向涡旋光束的阶数是一样的，可以叠加出射向同一阶数的圆偏振涡旋光束。图2是TE1和TM0模式单独和混合模都在半径为15 μm的微环中传播的响应光谱。

从图2中可以看出，TE1和TM0模谐振中心波长约为1.55 μm，0阶涡旋光束也是在此处产生。两者的谐振波长在低阶时是一致的，这为叠加产生圆偏振涡旋光束提供了良好的条件。

2.2  衍射光栅的设计

图3、图4显示了波长为1 550 nm时，TE1和TM0模式在波导中的径向和角向分量分布。可以看出，两种模式电场分布的差别仅有π的相位差，说明这两种模式此时是简并的。为了产生高质量的圆偏振涡旋光束，波导内部的两种模式需要分别控制径向和角向光束的产生，所以TE1模控制径向，TM0模控制角向。为了确保两种模式控制出射的光束纯度，需要计算TE1的Er/iE?和TM0的iE?/Er的成分比例，如图5所示。

从图5TE1和TM0模式的径向和角向分量的比例来看，TE1模式的径向分量主要分布在波导的中上部分，TM0模式的角向分量主要分布在波导内部下方左右两处。因此只需找到两者相交的区域，就可以大致确定衍射光栅的位置，如图5中的小方框所示，这就是浅刻蚀光栅的大致位置。

需要注意的是，光栅和微环之间的耦合强度对光栅的大小和相对位置非常敏感。一般来说，浅刻蚀的孔径固定在120 nm。因此，为了使所获得的涡旋光束有良好的近场强度分布以及高纯度的偏振，就要考虑孔径中相对于波导中心的偏移量（d）对器件的影响。图6显示了偏移量（d）对波导中Er/iE?（iE?/Er）分布和有效折射率的影响。图6（a）是偏移量（d）对波导中Er/iE?（iE?/Er）分布的变化曲线，当d>60 nm时，TE1（TM0）模式的分布急剧下降，尤其是TM0模式，这种变化更为明显。图6（b）是偏移量（d）对TE1和TM0模式的有效折射率曲线，当d≈60 nm时，两种模式的有效折射率变化最小，尽可能地减小了对谐振波长的影响。当在顶部放置这种尺寸的孔时，角向光栅导致高散射系数，会使得腔内的光强快速衰减，这极大地破坏了腔的共振。这种强度的不均匀会降低模式的纯度，因此选用d2=60 nm可以实现相对純度较高的极化。

3  实验结果分析

在得到器件的各项必要参数后，要对器件的性能进行测试。图7显示了器件在中心谐振波长1 550 nm处的辐射场分布。因为设计该器件的目的是产生圆偏振涡旋光束，所以器件性能的一个重要指标就是出射光束的质量。通过FDTD仿真，得到了器件的近场和远场辐射场分布，将远场辐射场的数据通过脚本计算，就可以得到器件出射的圆偏振光束分布情况。

图7表明波长1 550 nm的TE1和TM0模式在微环内发生谐振，形成驻波;图8、图9则显示微环出射的光束相位分布呈甜甜圈状，中心存在奇点，所以此时微环产生0阶OAM光束。在确定器件能够产生OAM光束后，接下来就需要确定该出射光束是否为圆偏振光束，以及保证出射光束的质量。

图10显示了谐振波长为1 550 nm时出射光束的圆偏振情况，通过脚本将光束分解为左旋和右旋圆偏光束，图10（a）和10（b）分别是左旋圆偏和右旋圆偏光束。从图中可知圆偏振光主要是左旋圆偏振光，而右旋圆偏振光则几乎没有。因此器件出射的涡旋光束为圆偏振光，且光束的纯度较好。此外器件出射的圆偏振涡旋光束能量集中在中心，这说明该光束具有良好的聚束效果，这为器件与光纤之间的耦合提供了良好的条件。

图11显示了谐振波长为1 556 nm时器件出射涡旋光束的左旋圆偏和右旋圆偏的分布情况，可以看出右旋圆偏振光束的能量集中，且其数量级比左旋圆偏振光束大了一个数量级，所以此时器件出射的光束为右旋圆偏振涡旋光束。

4  结  论

本文提出了一种基于微环谐振腔的圆偏振涡旋光束发射器的方案，并对器件的参数进行了设计。实验结果表明，该器件产生的圆偏振涡旋光束纯度较高且能量集中，可以很好地完成发射器与光纤之间的耦合。

参考文献：

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作者简介：方青松（1996—），男，汉族，江西上饶人，硕士研究生在读，研究方向：集成光子器件;肖庆生（1980—），男，汉族，江西赣州人，副教授，硕士研究生导师，博士，研究方向：光通信技术、集成光子器件与技术、计算电磁学与光波技术。