紧凑型光学涡旋发射装置设计

硅基集成平台由于其较高的折射率差，适合用于大规模、小尺寸、高密度器件的集成。本文提出了一种基于硅基光子学的光学涡旋发射装置，工作波长在1600~1800 nm范围，通过改变输入光的波长可以输出不同拓扑荷的涡旋光束。同时，通过在环形波导外侧壁刻蚀二阶布拉格光栅的方法，克服了固有的高折射率对比度带来的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的叠加问题，得到了高纯度的单一圆偏振标量涡旋光束。

绝缘体上硅(Silicon-On-Insulator, SOI)是当前公认的具有很大潜力的光电子集成材料[1]，它允许将传感器、检测器、光源和读出电子器件集成在一个芯片中[2] [3] [4] [5] [6]，这为大规模生产提供了可扩展的平台[7] [8]， 并为电子和光子器件的单片集成提供了机会， 被称为电子光子集成电路(Electronic-Photonic Integrated Circuits, EPICs) [9]。SOI 主要由硅芯层、掩埋氧化物层(Buried Oxide, BOX)、硅衬底层构成， 不同的集成光电子器件被制备在硅芯层中，被称为器件层。SOI 由于硅芯层(n = 3.47)和包层(一般为氧化硅n = 1.45 或者空气n = 1)之间的高折射率对比， 它对1550 nm 波段的通信波长上具有很强的光约束能力。

目前， 将光限制在亚微米范围内的低损耗硅波导已在CMOS 兼容工艺中实现[10]。

其它硅基光电子器件， 如调制器和光电探测器也被证明具有高性能[11]，在高速通信方面有着广阔的应用前景。

光的轨道角动量(Orbital Angular Momentum, OAM)的发现改变了我们理解和使用光的方式。随着集成光子学的发展，基于绝缘体上硅(Silicon-on-Isolator, SOI)的片上可集成光学涡旋发射装置被不断报道出来。

局限于平面波导中圆柱形矢量模式的一个特例是沿圆形结构(例如微盘和微环)圆周传播的回音壁模式(Whispering Gallery Mode, WGM)。使用集成光子学方法操控光学涡旋的中心问题，是能量在平面波导密闭光学模式和自由空间光学涡旋模式之间如何耦合。这一耦合过程依赖于在光子结构中嵌入具有圆柱对称性的结构扰动。

基于硅光波导的集成涡旋场发射装置可以通过标准集成电路制造技术制造。这样的集成器件可以产生多种模态的涡旋光束，可以容易地彼此连接以在光子集成电路中形成大而复杂的阵列，并且可以用于通信、传感和粒子操纵等领域。这一突破使得大规模、低成本制造光学涡旋器件芯片成为可能，这将促进许多以前受到限制的新应用的发展。

本文提出一种基于环形谐振器的光学涡旋发射装置，该方法可以输出不同拓扑荷的涡旋光束。本文的工作是基于文献[12]的方案。器件的工作波长为1600~1800 nm，通过巧妙设计光栅结构来控制偏振状态， 克服了器件固有的高折射率对比度带来的左旋圆偏振(Left-Hand Circular Polarization, LHCP)和右旋圆偏振(Right-Hand Circular Polarization, RHCP)光的叠加问题，得到了高纯度的单一圆偏振标量涡旋光束。

2. 光学涡旋发射装置设计原理 在标量涡旋中，存在拓扑空间相位结构，但偏振不变。例如，圆偏振光学涡旋可以表示为呈现空间变化的涡旋相位态和圆偏振态[13]的乘积。

如果偏振态具有呈现空间变化的矢量分布， 则相应的光场被称为偏振涡旋或矢量涡旋，并且相应的奇异性被称为极化奇异性或矢量正弦[14] [15]。与携带OAM 的相位涡旋相反，矢量涡旋总是与复杂的自旋角动量(Spin Angular Momentum, SAM)与OAM 耦合有关。

光学涡旋发射装置发射的光可以描述为两个正交标量涡旋的叠加，它由拓扑荷为lTC − 1 的LHCP 和拓扑荷为lTC + 1 的RHCP 光组成，通过调整横向自旋态可以得到高纯度的单一圆偏振标量涡旋光束。