引言$ j8 Z2 x6 e) o: G
轨道角动量（OAM）模式近年来作为空分复用（SDM）在光通信中而受到广泛关注。硅基光电子技术为紧凑和可扩展的OAM模式生成和复用提供了有吸引力的平台。本文概述了使用硅基光电子集成线路（PIC）实现OAM生成器和复用器的关键方法。
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OAM模式简介" P$ N- {8 a J' J5 v: C5 K
OAM模式的特征是螺旋相位前沿，描述为exp（ilφ），其中l是拓扑电荷，φ是方位角。图14.1展示了不同拓扑电荷的OAM模式的相位分布和干涉图案。! S# v- ?0 f, D5 b! p0 G% i. O
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图1：显示了拓扑电荷从-2到+2的OAM模式的相位分布（上排）和与参考高斯光束的干涉图案（下排）。
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l的符号表示旋转相位前沿的方向，而其绝对值表示光束轴周围2π相位旋转的次数。不同拓扑电荷的OAM模式是正交的，允许在SDM系统中用作独立的数据传输通道。, x/ S3 z7 P; L0 i6 j
6 s: H$ _' U3 ^. Q硅基PIC中OAM生成的关键方法
; B& M! k/ X3 E; o- B1. 光栅辅助环形谐振器
& }& Y; @ l1 x0 n( h) m利用带有光栅的环形谐振器将光从谐振器模式耦合到自由空间OAM模式。原理基于环中的回廊模（WGM）与所需OAM模式之间的相位匹配。2 E0 f# X0 C9 G
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图2：显示了用于OAM生成的光栅辅助环形谐振器的各种实现：（a）带纳米棒的环，（b）带内壁光栅的环，（c）带顶部光栅的脊型波导环，（d）带嵌入光栅和热调谐的环，（e）用于可切换偏振的多模环，（f）用于多个OAM模式的加-降配置，（g）带背面金属镜以提高效率的环。8 R& v* g) g9 C6 Z
0 J3 s; w; S# N A$ e主要特点：
5 s r) \) @3 U9 ~2 s$ J紧凑的占地面积由于谐振性质而具有波长选择性可使用热调谐进行精细控制OAM模式数量的可扩展性有限
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! r H) f0 e$ p. H3 B+ {2. 相控天线阵列& x) n8 f; @7 W) [8 l! f' g
使用星型耦合器创建所需的相位分布，然后将其馈送到天线阵列以发射OAM。( Z: c% D7 G8 H. {3 y' ^
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1 I/ ]$ ]0 |1 k$ D2 a1 Y图3：说明了支持n个OAM模式的通用相控天线阵列的示意图。
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主要特点：0 R O9 e J9 p1 P |
OAM模式数量高度可扩展宽带操作发射器设计灵活（例如，圆形光栅、3D波导、2D光栅耦合器）需要精确的相位控制，常常需要热调谐; M3 k6 l: u8 c/ A: {$ q) R+ z( U
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图4：显示了相控天线阵列的各种实现：（a）带圆形光栅发射器的星型耦合器，（b）带3D波导块发射器的星型耦合器，（c）带2D光栅耦合器用于圆偏振OAM的星型耦合器，（d）制造的2D光栅耦合器的扫描电子显微镜图像，（e）天线设计的优化热图。' y8 y1 }& f; r" e& x: u8 ]: b
" T1 D* U( j7 r8 A- y, Y5 w3. 平面模式转换器$ |( p' N: A, {. y9 x) ~
依赖于在芯片平面内将波导模式转换为OAM模式。+ o7 d& U5 c- a
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图5（a）显示了使用方向耦合器的平面OAM生成器，（b）基本WSHG设计，而（c）说明了使用沟槽波导的平面生成器，（d）生成两个OAM模式的WSHG，（e）用于4个OAM模式的叠加全息光栅，（f）带背面镜以提高效率的WSHG。% ?" [* o! H8 K! L" O, C( O
0 x% H( F6 Q5 K' Y4 W9 m$ C7 W0 S
主要特点：
' P- A/ i! |/ _7 w0 |$ r极其紧凑限于低阶OAM模式（通常为±1）难以扩展到更高阶模式
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4. 波导表面全息光栅（WSHG）8 V, b" X. M% Q5 g" |! t! E
该方法使用蚀刻在波导表面的全息图案将导波光衍射成自由空间OAM模式。& ]/ m2 @+ f9 B5 j8 a* O
$ X5 r9 ]* A# l& o+ ?- \# W7 D如图5显示了各种WSHG实现：
9 v* P; I) J* B1 f* ^(b) 基本WSHG设计
- H E4 a% p% x; m% f(c) 生成两个OAM模式的WSHG& [1 g2 l- l" A
(d) 用于4个OAM模式的叠加全息光栅
1 E8 Q9 k* ? a(e) 带背面镜以提高效率的WSHG。" M( l9 H2 |1 }" t
$ y3 B1 l0 j' L6 d. M0 X主要特点：2 W& ~1 e( ]5 g+ E ]6 b( O
宽带操作简单设计发射角随波长变化通过叠加有潜力生成多个OAM模式
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% t' V% W: W* @0 P性能比较- U. n1 @1 p( T3 x- a0 `) [
表1总结了用于OAM生成和复用的各种硅基PIC设计的性能。关键性能指标包括：OAM阶数 / 每个波长的通道数带宽偏振支持线路复杂性
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8 n" D1 {4 S, Y4 y表1
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挑战和未来方向扩展通道数：虽然相控天线阵列在高通道数方面显示出前景，但其他方法在可扩展性上受到限制。未来的工作可能会集中在混合方法或多层设计上，以增加通道密度。发射效率：背面镜在提高环形谐振器和WSHG设计的发射效率方面显示出前景。进一步优化发射器结构和材料可能会带来额外的改进。偏振处理：一些设计仅支持特定偏振，而其他设计可以生成和复用多种偏振状态。未来的工作可能会集中在开发能够有效处理任意偏振状态的设计上。带宽：虽然一些方法（例如WSHG）提供宽带操作，但其他方法（例如环形谐振器）本质上是窄带的。为所有方法开发宽带解决方案将增强适用性。与其他光电子组件的集成：将OAM生成器和复用器与激光器、调制器和探测器无缝集成在单个芯片上仍然是实现完整SDM收发器系统的重要目标。与OAM光纤的耦合：硅基PIC与支持OAM的光纤之间的直接和高效耦合是未来研究的重要领域。解决制造挑战：一些设计需要精确的相位控制或复杂的3D结构。开发能够可靠地大规模生产这些结构的制造技术对于实际实施非常重要。4 h+ S8 H9 L1 C( I
[/ol]
1 L2 m; ~) l7 U结论
6 w |3 D% F4 h+ [6 W3 ?+ ^& `硅基光电子集成线路为紧凑、可扩展和潜在低成本的OAM模式生成和复用提供了一个有前途的平台。各种方法，包括光栅辅助环形谐振器、相控天线阵列、平面模式转换器和波导表面全息光栅，已经展示出令人印象深刻的结果。每种方法在可扩展性、带宽、偏振处理和制造复杂性方面都有其优势和局限性。
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! h9 M% Y2 f9 D/ W" {随着该领域的不断发展，可以期待看到结合多种技术优势的混合方法，以及由先进制造能力（如多层集成）实现的新型设计。硅基光电子OAM器件的持续发展将在实现下一代高容量光通信系统的空分复用全部潜力方面发挥关键作用。/ V$ }; t. p% P
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参考文献
7 x3 w/ R* Z/ ]/ h[1] M. Nikdast, S. Pasricha, G. Nicolescu, and A. Seyedi, Eds., Silicon Photonics for High-Performance Computing and Beyond, 1st ed. Boca Raton, FL, USA: CRC Press, 2021./ H+ p0 Z* i+ G% m6 b
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6 l$ @8 y5 {4 z8 u! Z' d4 P关于我们：
& Y( d% t( b( y& H8 v$ g% ^3 U! Y深圳逍遥科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家专注于半导体芯片设计自动化（EDA）的高科技软件公司。我们自主开发特色工艺芯片设计和仿真软件，提供成熟的设计解决方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分别针对光电芯片、微机电系统、超透镜的设计与仿真。我们提供特色工艺的半导体芯片集成电路版图、IP和PDK工程服务，广泛服务于光通讯、光计算、光量子通信和微纳光子器件领域的头部客户。逍遥科技与国内外晶圆代工厂及硅光/MEMS中试线合作，推动特色工艺半导体产业链发展，致力于为客户提供前沿技术与服务。, N- J2 n. u$ x1 [
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