[论文解读] Chip-Scale Continuously Tunable Optical Orbital Angular Momentum Generator

Jie Sun, Ami Yaacobi+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 14, 2014

Orbital Angular Momentum in Optics参考文献 26被引用 5

一句话总结

本论文提出了一种芯片级硅基光子集成电路，仅通过单一电输入即可生成自由可调的光学轨道角动量（OAM）态——包括整数和非整数OAM态。通过在非共振、环形波导环路中采用连续可调的热光相位移器并结合光栅发射器，该器件实现了从-4到+4的连续、波长无关的OAM调谐，相位分辨率优于π，从而实现了对涡旋光束拓扑结构的动态控制，适用于通信、量子光学和光操纵等应用。

ABSTRACT

Light carrying orbital angular momentum (OAM) has potential to impact a wide variety of applications ranging from optical communications to quantum information and optical forces for the excitation and manipulation of atoms, molecules, and micro-particles. The unique advantage of utilizing OAM in these applications relies, to a large extent, on the use of multiple different OAM states. Therefore, it is desirable to have a device that is able to gen- erate light with freely adjustable OAM states in an integrated form for large- scale integration. We propose and demonstrate a compact silicon photonic integrated circuit to generate a free-space optical beam with OAM state con- tinuously tuned from a single electrical input signal, realizing both integer and non-integer OAM states. The compactness and flexibility of the device and its compatibility with complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) pro- cessing hold promise for integration with other silicon photonic components for wide-ranging applications.

研究动机与目标

• 开发一种紧凑的集成光子器件，能够生成自由可调的OAM态，以支持可扩展的光子系统。
• 克服先前器件仅能产生离散或共振OAM态的局限，实现对整数和非整数l值的连续调谐。
• 通过非共振、主动控制的相位移器实现波长无关的OAM调谐，以支持宽带操作。
• 实现OAM生成与其他硅基光子元件的大规模集成，以应用于光通信、量子信息和光操纵。
• 通过单一电控信号实现OAM态的动态、实时重构，具备高相位精度和快速响应。

提出的方法

• 该器件采用包含N个单元的环形硅主波导，每个单元包含定向耦合器、热光可调相位移器以及基于光栅的光发射器。
• 通过可变间隙定向耦合器将光功率耦合至每个单元，以确保环路中功率分布均匀。
• 在波导中嵌入电阻加热器，利用热光效应实现局部、可调的相位偏移，从而连续调节相邻单元之间的相对相位。
• 相位偏移Δφ由加热器功率控制，通过关系式 l = Δφ / (2π) × N 实现OAM态l的动态调谐，其中N为单元数。
• 光栅发射器（3.0 μm × 2.8 μm）实现了高效率、宽带（＞200 nm）的OAM光束自由空间出射。
• 非共振设计避免了模式锁定限制，通过连续相位控制实现了非整数OAM态的生成。

实验结果

研究问题

• RQ1 紧凑的集成光子电路能否在整数和非整数l值范围内实现连续可调的OAM态？
• RQ2 此类器件能否通过单一电控信号实现波长无关的OAM调谐？
• RQ3 该器件能否在多个C波段波长下保持相位精度和OAM态控制的同时实现宽带操作？
• RQ4 能否以优于π的相位分辨率和快速响应实现OAM态的动态实时重构？
• RQ5 该器件能否与其他硅基光子元件集成，以实现用于通信和量子技术的芯片级OAM系统？

主要发现

• 通过将加热器功率从3.5 mW调节至10 mW，器件实现了OAM态从l = -4到l = +4的连续调谐，实测热光效率为12.2 mW每π相位偏移。
• 实测OAM态与仿真结果高度吻合，证实了硅基光子制造工艺的高相位控制精度和鲁棒性。
• 成功生成了非整数OAM态（如l = +1.5），近场成像与视频记录（影片S1和S2）证实了涡旋结构从一个整数态到下一个整数态的动态演化过程。
• 器件在四个C波段波长（1466 nm、1490 nm、1515 nm、1541 nm）下稳定工作，当加热器关闭或设置为2.8 mW时，OAM态控制保持一致，证明了波长无关的调谐能力。
• OAM态的重构时间估计在微秒量级，显著快于液晶空间光调制器（毫秒量级）。
• 非共振、宽带设计使得单个电控信号可同时支持多波长并行操作，为未来在空间分复用（SDM）光通信中与波分复用（WDM）技术的集成提供了支持。