一種集成軌道角動(dòng)量模式發(fā)射器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于集成光電子學(xué)和光通信領(lǐng)域，涉及一種集成軌道角動(dòng)量模式發(fā)射器。該集成軌道角動(dòng)量模式發(fā)射器是由襯底、反射鏡結(jié)構(gòu)、有源區(qū)、橫向光場(chǎng)和電場(chǎng)限制層和產(chǎn)生角向螺旋相位分布的相位板集成生長而成,形成一個(gè)獨(dú)立的集成器件。產(chǎn)生角向螺旋相位分布的相位板可以采用螺旋連續(xù)相位板結(jié)構(gòu)、螺旋階梯相位板結(jié)構(gòu)、叉形衍射光柵相位板結(jié)構(gòu)以及超表面相位板結(jié)構(gòu)等可以提供沿角向呈螺旋相位分布的結(jié)構(gòu)化相位板。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了軌道角動(dòng)量模式發(fā)射器的高度集成和小型化，器件工藝成熟且結(jié)構(gòu)簡單易實(shí)現(xiàn)，通過對(duì)反射鏡結(jié)構(gòu)參數(shù)以及有源層材料體系和結(jié)構(gòu)的選擇可以靈活改變發(fā)射軌道角動(dòng)量模式的波長，對(duì)于加快軌道角動(dòng)量光通信的發(fā)展具有重要推進(jìn)作用。
【專利說明】
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于集成光電子學(xué)和光通信領(lǐng)域，涉及一種集成軌道角動(dòng)量模式發(fā)射器。 一種集成軌道角動(dòng)量模式發(fā)射器

【背景技術(shù)】
[0002] 1935年，實(shí)驗(yàn)表明當(dāng)光束為圓偏振態(tài)時(shí)，其光子可以攜帶角動(dòng)量為±Λ的自旋角 動(dòng)量。相比之下，當(dāng)光束為線偏振態(tài)且具有空間螺旋相位分布時(shí)，其光子將攜帶角動(dòng)量為 的軌道角動(dòng)量，其中1為拓?fù)潆姾伞?992年，人們發(fā)現(xiàn)攜帶軌道角動(dòng)量的光束可以在實(shí) 驗(yàn)室獲取，從此軌道角動(dòng)量光束受到了越多越多的關(guān)注并在多個(gè)領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用，這 其中包括軌道角動(dòng)量光通信。由于利用軌道角動(dòng)量信息復(fù)用的光通信技術(shù)具有頻譜效率高 和安全性好等特點(diǎn)，近年來發(fā)展迅速。在軌道角動(dòng)量光通信中，軌道角動(dòng)量模式發(fā)射器是整 個(gè)通信系統(tǒng)中的核心器件。
[0003] 目前，已經(jīng)有很多技術(shù)方案和結(jié)構(gòu)各異的器件可以產(chǎn)生軌道角動(dòng)量模式，比如螺 旋相位板、柱形透鏡模式轉(zhuǎn)換器、角向光柵微環(huán)、同心圓環(huán)徑向光柵、空間光調(diào)制器等。不過 這些都是無源器件，本質(zhì)上都是將已產(chǎn)生的高斯模式轉(zhuǎn)化為軌道角動(dòng)量模式，是一種模式 轉(zhuǎn)換器，在工作時(shí)是和激光器分離的器件，這無法適應(yīng)未來光通信以及光互連系統(tǒng)中對(duì)于 核心器件規(guī)模高度集成的發(fā)展需求。因此，迫切需要將軌道角動(dòng)量模式的產(chǎn)生與激光器集 成在一起，形成一個(gè)高度集成的軌道角動(dòng)量模式發(fā)射器，這對(duì)于推動(dòng)軌道角動(dòng)量光通信的 快速發(fā)展具有重要戰(zhàn)略性意義。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了解決以上問題，本發(fā)明提供一種集成軌道角動(dòng)量模式發(fā)射器，目的在于為軌 道角動(dòng)量光束的高效發(fā)射提供整體集成解決方案，目標(biāo)軌道角動(dòng)量發(fā)射器高度集成且結(jié)構(gòu) 簡單易實(shí)現(xiàn)。
[0005] 本發(fā)明提供的一種集成軌道角動(dòng)量模式發(fā)射器，包括襯底、反射鏡結(jié)構(gòu)、有源區(qū)、 橫向光場(chǎng)和電場(chǎng)限制層和產(chǎn)生角向螺旋相位分布的相位板，上、下兩層反射鏡結(jié)構(gòu)與有源 區(qū)形成三明治結(jié)構(gòu)，構(gòu)成諧振腔，整個(gè)諧振腔生長在襯底上，相位板生長在諧振腔上方，所 述橫向光場(chǎng)和電場(chǎng)限制層生長在有源區(qū)和上層反射鏡之間，或者通過四周質(zhì)子注入部分上 層反射鏡而成。
[0006] 上述發(fā)射器工作時(shí)，載流子從上注入有源區(qū)，載流子在有源區(qū)內(nèi)形成粒子數(shù)反正， 再由諧振腔形成穩(wěn)定的單縱模輸出激光，其中，橫向光場(chǎng)和電場(chǎng)限制層用以限制橫向光場(chǎng) 和電場(chǎng)，由諧振腔輸出所需波長的激光直接進(jìn)入產(chǎn)生角向螺旋相位分布的相位板，從而發(fā) 射出軌道角動(dòng)量模式。
[0007] 作為上述技術(shù)方案的改進(jìn)，反射鏡結(jié)構(gòu)可以采用分布式布拉格反射鏡。
[0008] 作為上述技術(shù)方案的改進(jìn)，有源區(qū)可以選擇不同的材料體系（如850nm :GaAs/ AlGaAs、980nm ilnxGahAs'mOnm :AlInGaAs_InP、1550nm :GaAlInAs)和結(jié)構(gòu)并結(jié)合對(duì)應(yīng)的 反射鏡結(jié)構(gòu)參數(shù)（如布拉格反射鏡每層厚度）以實(shí)現(xiàn)不同波長軌道角動(dòng)量模式的發(fā)射。
[0009] 作為上述技術(shù)方案的改進(jìn)，橫向光場(chǎng)和電場(chǎng)限制層可以是有源區(qū)上生長的氧化層 并在中心開窗口用以限制橫向光場(chǎng)和電場(chǎng)，也可以是部分有源區(qū)上高低折射率交替結(jié)構(gòu)分 布式布拉格反射層在四周進(jìn)行質(zhì)子注入用以限制橫向光場(chǎng)和電場(chǎng)。
[0010] 作為上述技術(shù)方案的改進(jìn)，所述產(chǎn)生角向螺旋相位分布的相位板可以采用螺旋連 續(xù)相位板結(jié)構(gòu)、螺旋階梯相位板結(jié)構(gòu)、叉形衍射光柵相位板結(jié)構(gòu)以及超表面相位板結(jié)構(gòu)等 可以提供沿角向呈螺旋相位分布的結(jié)構(gòu)化相位板。
[0011] 作為上述技術(shù)方案的改進(jìn)，在襯底下方以及產(chǎn)生角向螺旋相位分布的相位板的 上方增加金屬電極以提供載流子注入。
[0012] 作為上述技術(shù)方案的改進(jìn)，所述產(chǎn)生角向螺旋相位分布的相位板可以通過改變結(jié) 構(gòu)參數(shù)以改變螺旋相位分布情況，對(duì)應(yīng)得到不同階數(shù)的軌道角動(dòng)量模式，甚至得到分?jǐn)?shù)階 軌道角動(dòng)量模式。
[0013] 作為上述技術(shù)方案的改進(jìn)，所述集成軌道角動(dòng)量模式發(fā)射器可拓展為一個(gè)集成發(fā) 射器陣列，可同時(shí)發(fā)射出不同階數(shù)的軌道角動(dòng)量模式。
[0014] 本發(fā)明具有如下有益效果：
[0015] 1、相比于傳統(tǒng)分離的激光器與軌道角動(dòng)量模式轉(zhuǎn)換器，本發(fā)明提供了集成軌道角 動(dòng)量模式發(fā)射器的整體集成解決方案，實(shí)現(xiàn)了軌道角動(dòng)量模式發(fā)射器的高度集成和小型 化，且結(jié)構(gòu)簡單易實(shí)現(xiàn)。
[0016] 2、本發(fā)明集成軌道角動(dòng)量模式發(fā)射器可以很容易拓展為陣列結(jié)構(gòu)，可以將不同階 數(shù)的軌道角動(dòng)量模式發(fā)射器集成在一起，同時(shí)發(fā)射不同階數(shù)的軌道角動(dòng)量模式，甚至分?jǐn)?shù) 階軌道角動(dòng)量模式，進(jìn)而可以應(yīng)用于軌道角動(dòng)量模式的編解碼以及復(fù)用通信。
[0017] 3、本發(fā)明集成軌道角動(dòng)量模式發(fā)射器可以通過對(duì)反射鏡結(jié)構(gòu)參數(shù)以及有源層材 料體系和結(jié)構(gòu)的選擇靈活改變發(fā)射軌道角動(dòng)量模式的波長。
[0018] 4、本發(fā)明集成軌道角動(dòng)量模式發(fā)射器的襯底、反射鏡結(jié)構(gòu)、有源區(qū)、橫向光場(chǎng)和電 場(chǎng)限制層和產(chǎn)生角向螺旋相位分布的相位板均基于成熟的半導(dǎo)體工藝，器件工藝成熟易于 實(shí)現(xiàn)

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019] 圖1是本發(fā)明提供的集成軌道角動(dòng)量模式發(fā)射器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020] 圖2a是橫向光場(chǎng)和電場(chǎng)限制層示意圖，其是有源區(qū)上生長的氧化層并在中心開 窗口，2b是氧化層中心開窗口示意圖。
[0021] 圖3是橫向光場(chǎng)和電場(chǎng)限制層示意圖，其是有源區(qū)上部分高低折射率交替結(jié)構(gòu)分 布式布拉格反射層在四周進(jìn)行質(zhì)子注入。
[0022] 圖4是本發(fā)明提供的集成軌道角動(dòng)量模式發(fā)射器的結(jié)構(gòu)示意圖，其中產(chǎn)生角向 螺旋相位分布的相位板采用螺旋連續(xù)相位板結(jié)構(gòu)。
[0023] 圖5是本發(fā)明提供的集成軌道角動(dòng)量模式發(fā)射器的結(jié)構(gòu)示意圖，其中產(chǎn)生角向螺 旋相位分布的相位板采用螺旋階梯相位板結(jié)構(gòu)。
[0024] 圖6是本發(fā)明提供的集成軌道角動(dòng)量模式發(fā)射器的結(jié)構(gòu)示意圖，其中產(chǎn)生角向螺 旋相位分布的相位板采用叉形衍射光柵相位板結(jié)構(gòu)。
[0025] 圖7是本發(fā)明提供的集成軌道角動(dòng)量模式發(fā)射器的結(jié)構(gòu)示意圖，其中產(chǎn)生角向螺 旋相位分布的相位板采用超表面相位板結(jié)構(gòu)。
[0026] 圖8是本發(fā)明提供的NxN集成軌道角動(dòng)量模式發(fā)射陣列（N = 2)。
[0027] 圖9是本發(fā)明實(shí)施例所發(fā)射的軌道角動(dòng)量模式的相位分布。（a) -階；(b)二階； (c)三階；（d)四階。
[0028] 圖10是本發(fā)明實(shí)施例所發(fā)射的軌道角動(dòng)量模式的光強(qiáng)分布。（a) -階；(b)二階； (c)三階；（d)四階。
[0029] 圖11是本發(fā)明實(shí)施例所發(fā)射的分?jǐn)?shù)階軌道角動(dòng)量模式的相位分布。（a)0. 5階； (b) 1. 5 階。

【具體實(shí)施方式】
[0030] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步說明。在此需要說明的是，對(duì)于 這些實(shí)施方式的說明用于幫助理解本發(fā)明，但并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限定。此外，下面所描述 的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0031] 如圖1所示，本發(fā)明提供的這種集成軌道角動(dòng)量模式發(fā)射器是由襯底1、反射鏡結(jié) 構(gòu)2、有源區(qū)3、橫向光場(chǎng)和電場(chǎng)限制層4和產(chǎn)生角向螺旋相位分布的相位板5集成生長而 成。
[0032] 其中上下兩層反射鏡結(jié)構(gòu)2與有源區(qū)3形成三明治結(jié)構(gòu)，構(gòu)成諧振腔。整個(gè)諧振 腔生長在襯底1上，相位板5生長在諧振腔上方。根據(jù)橫向光場(chǎng)和電場(chǎng)限制層4的不同結(jié) 構(gòu)，其可以生長在有源區(qū)和上層反射鏡之間（如選擇氧化限制層）或通過四周摻雜部分上 層反射鏡而成（如質(zhì)子注入）。
[0033] 反射鏡2采用分布式布拉格反射鏡結(jié)構(gòu)（即高低折射率交替結(jié)構(gòu)）。通過控制布 拉格反射鏡每層厚度與諧振腔諧振波長相對(duì)應(yīng)同時(shí)選擇相對(duì)應(yīng)的有源區(qū)3材料（如850nm : GaAs/AlGaAs、980nm :InxGahAs、1310nm :AlInGaAs_InP、1550nm :GaAlInAs)，可以控制并改 變輸出波長，如可以實(shí)現(xiàn)850nm、980nm、1310nm和1550nm等不同波長輸出的軌道角動(dòng)量模 式發(fā)射。
[0034] 橫向光場(chǎng)和電場(chǎng)限制層4可以是有源區(qū)3上生長的選擇性氧化層并在中心開窗口 用以限制橫向光場(chǎng)和電場(chǎng)，如圖2a、2b所示，也可以是有源區(qū)3上部分高低折射率交替結(jié)構(gòu) 分布式布拉格反射層在四周進(jìn)行質(zhì)子注入用以限制橫向光場(chǎng)和電場(chǎng)，如圖3所示。
[0035] 產(chǎn)生角向螺旋相位分布的相位板可以采用螺旋連續(xù)相位板結(jié)構(gòu)，如圖4所示，結(jié) 構(gòu)厚度按角向螺旋連續(xù)上升；可以采用螺旋階梯相位板結(jié)構(gòu)，如圖5所示，結(jié)構(gòu)厚度按角向 螺旋階梯上升；可以采用叉形衍射光柵相位板結(jié)構(gòu)，如圖6所示，高斯模式光通過此全息衍 射光柵在衍射級(jí)次可以形成螺旋相位分布；也可以采用超表面相位板結(jié)構(gòu)，如圖7所示，沿 角向排列的不同區(qū)域的陣列結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生不同的相位值。這些不同類型的相位板結(jié)構(gòu)其共同 的特點(diǎn)是均可以提供沿角向的螺旋相位分布。
[0036] 集成軌道角動(dòng)量模式發(fā)射器可以拓展為陣列式，如圖8所示為2X2集成軌道角動(dòng) 量模式發(fā)射陣列示意圖，圖中陣列由一階到四階四個(gè)不同的模式發(fā)射器集成而成。類似地， 同樣可以拓展得到4X4、8X8、16X16以及NXN集成軌道角動(dòng)量模式發(fā)射陣列，陣列單元中的 每個(gè)軌道角動(dòng)量模式發(fā)射器可以根據(jù)需要選擇發(fā)射的軌道角動(dòng)量階數(shù)，甚至可以是分?jǐn)?shù) 階。
[0037] 本實(shí)施例中，反射鏡2采用分布式布拉格反射鏡結(jié)構(gòu)，有源區(qū)3采用三對(duì)GaAs量 子阱結(jié)構(gòu)，橫向光場(chǎng)和電場(chǎng)限制層4是有源區(qū)3上生長的氧化層并在中心開窗口用以限制 橫向光場(chǎng)和電場(chǎng)，產(chǎn)生角向螺旋相位分布的相位板米用螺旋階梯相位板結(jié)構(gòu)。
[0038] 本實(shí)施例中器件尺寸選擇為10 μ mX 10 μ m，其中有源區(qū)3上方氧化限制層4中心 窗□尺寸為5ymX5ym。
[0039] 載流子從上注入有源區(qū)3,載流子在有源區(qū)3內(nèi)形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，再由上下層的布 拉格反射鏡2和有源區(qū)3組成的光學(xué)諧振腔，形成穩(wěn)定的單縱模輸出激光，其中橫向光場(chǎng)和 電場(chǎng)限制層4用以限制橫向光場(chǎng)和電場(chǎng)。由諧振腔輸出所需波長的激光直接進(jìn)入螺旋階梯 相位板，從而發(fā)射出軌道角動(dòng)量模式。通過改變螺旋階梯相位板結(jié)構(gòu)參數(shù)（如每層階梯的 厚度），可以改變螺旋相位分布情況，從而可以得到不同階數(shù)的軌道角動(dòng)量模式，甚至可以 得到分?jǐn)?shù)階軌道角動(dòng)量模式。
[0040] 本實(shí)施例集成軌道角動(dòng)量模式發(fā)射器的模擬仿真結(jié)果如圖9-11所示。仿真中，激 射光波長為850nm。圖9所示是實(shí)施例集成軌道角動(dòng)量模式發(fā)射器所發(fā)射軌道角動(dòng)量模式 的相位分布，其中圖9(a)-(d)分別對(duì)應(yīng)了一階、二階、三階和四階軌道角動(dòng)量模式的相位 分布。圖10所示是實(shí)施例集成軌道角動(dòng)量模式發(fā)射器所發(fā)射軌道角動(dòng)量模式的光強(qiáng)分布， 在光場(chǎng)中心有一個(gè)明顯黑洞（虛線已標(biāo)出），這是軌道角動(dòng)量模式光場(chǎng)中心相位奇點(diǎn)引起， 其中圖10(a)-(d)分別對(duì)應(yīng)了一階、二階、三階和四階軌道角動(dòng)量模式的光強(qiáng)分布。圖11 進(jìn)一步給出了實(shí)施例集成軌道角動(dòng)量模式發(fā)射器所發(fā)射的分?jǐn)?shù)階軌道角動(dòng)量模式的相位 分布，其中圖11(a)為0. 5階軌道角動(dòng)量模式的相位分布，圖11(b)為1. 5階軌道角動(dòng)量 模式的相位分布。
[0041] 本發(fā)明不僅局限于上述【具體實(shí)施方式】，本領(lǐng)域一般技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明公開的內(nèi) 容，可以采用其它多種【具體實(shí)施方式】實(shí)施本發(fā)明，因此，凡是采用本發(fā)明的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和思 路，做一些簡單的變化或更改的設(shè)計(jì)，都落入本發(fā)明保護(hù)的范圍。
【權(quán)利要求】
1. 一種集成軌道角動(dòng)量模式發(fā)射器，其特征在于，該發(fā)射器包括襯底、反射鏡結(jié)構(gòu)、有 源區(qū)、橫向光場(chǎng)和電場(chǎng)限制層和產(chǎn)生角向螺旋相位分布的相位板，上、下兩層反射鏡結(jié)構(gòu)與 有源區(qū)形成三明治結(jié)構(gòu)，構(gòu)成諧振腔，整個(gè)諧振腔生長在襯底上，相位板生長在諧振腔上 方，所述橫向光場(chǎng)和電場(chǎng)限制層生長在有源區(qū)和上層反射鏡之間，或者通過四周質(zhì)子注入 部分上層反射鏡而成； 所述發(fā)射器工作時(shí)，載流子從上注入有源區(qū)，載流子在有源區(qū)內(nèi)形成粒子數(shù)反正，再由 諧振腔形成穩(wěn)定的單縱模輸出激光，再由橫向光場(chǎng)和電場(chǎng)限制層限制橫向光場(chǎng)和電場(chǎng)，從 諧振腔輸出所需波長的激光直接進(jìn)入產(chǎn)生角向螺旋相位分布的相位板，從而發(fā)射出軌道角 動(dòng)量模式。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成軌道角動(dòng)量模式發(fā)射器，其特征在于，所述反射鏡結(jié)構(gòu) 采用分布式布拉格反射鏡。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成軌道角動(dòng)量模式發(fā)射器，其特征在于，所述有源區(qū)通過 選擇材料體系和結(jié)構(gòu)并結(jié)合對(duì)應(yīng)的反射鏡結(jié)構(gòu)參數(shù)以實(shí)現(xiàn)不同波長軌道角動(dòng)量模式的發(fā) 射。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的集成軌道角動(dòng)量模式發(fā)射器，其特征在于，所述材料體系為 850nm :GaAs/AlGaAs、980nm dnxGahAs'niOnm :AlInGaAs_InP 或者 1550nm :GaAlInAs。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成軌道角動(dòng)量模式發(fā)射器，其特征在于，所述橫向光場(chǎng)和 電場(chǎng)限制層為有源區(qū)上生長的氧化層并在中心開窗口用以限制橫向光場(chǎng)和電場(chǎng)，或者為有 源區(qū)上部分高低折射率交替結(jié)構(gòu)分布式布拉格反射層在四周進(jìn)行質(zhì)子注入用以限制橫向 光場(chǎng)和電場(chǎng)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成軌道角動(dòng)量模式發(fā)射器，其特征在于，所述產(chǎn)生角向螺 旋相位分布的相位板采用螺旋連續(xù)相位板結(jié)構(gòu)、螺旋階梯相位板結(jié)構(gòu)、叉形衍射光柵相位 板結(jié)構(gòu)或者超表面相位板結(jié)構(gòu)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成軌道角動(dòng)量模式發(fā)射器，其特征在于，在襯底下方以及 產(chǎn)生角向螺旋相位分布的相位板的上方增加金屬電極以提供載流子注入。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一所述的集成軌道角動(dòng)量模式發(fā)射器，其特征在于，所述產(chǎn) 生角向螺旋相位分布的相位板的結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變，或者螺旋相位分布情況的改變，對(duì)應(yīng)得 到不同階數(shù)的軌道角動(dòng)量模式，甚至得到分?jǐn)?shù)階軌道角動(dòng)量模式。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一所述的集成軌道角動(dòng)量模式發(fā)射器，其特征在于，由多個(gè) 軌道角動(dòng)量模式發(fā)射器集成在一起形成軌道角動(dòng)量模式發(fā)射陣列，以同時(shí)發(fā)射出不同階數(shù) 的軌道角動(dòng)量模式。
【文檔編號(hào)】H04B10/50GK104065418SQ201410246451
【公開日】2014年9月24日 申請(qǐng)日期:2014年6月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月5日
【發(fā)明者】王健, 趙一凡 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)