[实用新型]一种集成轨道角动量模式发射器

说明书

技术领域

本实用新型属于集成光电子学和光通信领域，涉及一种集成轨道角动量模式发射器。 

背景技术

1935年，实验表明当光束为圆偏振态时，其光子可以携带角动量为的自旋角动量。相比之下，当光束为线偏振态且具有空间螺旋相位分布时，其光子将携带角动量为的轨道角动量，其中l为拓扑电荷。1992年，人们发现携带轨道角动量的光束可以在实验室获取，从此轨道角动量光束受到了越多越多的关注并在多个领域获得了广泛应用，这其中包括轨道角动量光通信。由于利用轨道角动量信息复用的光通信技术具有频谱效率高和安全性好等特点，近年来发展迅速。在轨道角动量光通信中，轨道角动量模式发射器是整个通信系统中的核心器件。 

目前，已经有很多技术方案和结构各异的器件可以产生轨道角动量模式，比如螺旋相位板、柱形透镜模式转换器、角向光栅微环、同心圆环径向光栅、空间光调制器等。不过这些都是无源器件，本质上都是将已产生的高斯模式转化为轨道角动量模式，是一种模式转换器，在工作时是和激光器分离的器件，这无法适应未来光通信以及光互连系统中对于核心器件规模高度集成的发展需求。因此，迫切需要将轨道角动量模式的产生与激光器集成在一起，形成一个高度集成的轨道角动量模式发射器，这对于推动轨道角动量光通信的快速发展具有重要战略性意义。 

实用新型内容

为了解决以上问题，本实用新型提供一种集成轨道角动量模式发射器， 目的在于为轨道角动量光束的高效发射提供整体集成解决方案，目标轨道角动量发射器高度集成且结构简单易实现。 

本实用新型提供的一种集成轨道角动量模式发射器，其特征在于，它由衬底、反射镜结构、有源区、横向光场和电场限制层和产生角向螺旋相位分布的相位板构成，上、下两层反射镜结构与有源区形成三明治结构，构成谐振腔，整个谐振腔生长在衬底上，相位板生长在谐振腔上方，所述横向光场和电场限制层生长在有源区和上层反射镜之间，或者通过四周质子注入部分上层反射镜而成。 

上述发射器工作时，载流子从上注入有源区，载流子在有源区内形成粒子数反正，再由谐振腔形成稳定的单纵模输出激光，其中，横向光场和电场限制层用以限制横向光场和电场，由谐振腔输出所需波长的激光直接进入产生角向螺旋相位分布的相位板，从而发射出轨道角动量模式。 

作为上述技术方案的改进，反射镜结构可以采用分布式布拉格反射镜。 

作为上述技术方案的改进，横向光场和电场限制层可以是有源区上生长的氧化层并在中心开窗口用以限制横向光场和电场，也可以是部分有源区上高低折射率交替结构分布式布拉格反射层在四周进行质子注入用以限制横向光场和电场。 

作为上述技术方案的改进，所述产生角向螺旋相位分布的相位板可以采用螺旋连续相位板结构、螺旋阶梯相位板结构、叉形衍射光栅相位板结构以及超表面相位板结构等可以提供沿角向呈螺旋相位分布的结构化相位板。 

作为上述技术方案的改进，在衬底下方以及产生角向螺旋相位分布的相位板的上方增加金属电极以提供载流子注入。 

作为上述技术方案的改进，所述集成轨道角动量模式发射器可拓展为一个集成发射器阵列，可同时发射出不同阶数的轨道角动量模式。 

本实用新型具有如下有益效果： 

1、相比于传统分离的激光器与轨道角动量模式转换器，本实用新型提供了集成轨道角动量模式发射器的整体集成解决方案，实现了轨道角动量模式发射器的高度集成和小型化，且结构简单易实现。 

2、本实用新型集成轨道角动量模式发射器可以很容易拓展为阵列结构，可以将不同阶数的轨道角动量模式发射器集成在一起，同时发射不同阶数的轨道角动量模式，甚至分数阶轨道角动量模式，进而可以应用于轨道角动量模式的编解码以及复用通信。 

3、本实用新型集成轨道角动量模式发射器可以通过对反射镜结构参数以及有源层材料体系和结构的选择灵活改变发射轨道角动量模式的波长。 

4、本实用新型集成轨道角动量模式发射器的衬底、反射镜结构、有源区、横向光场和电场限制层和产生角向螺旋相位分布的相位板均基于成熟的半导体工艺，器件工艺成熟易于实现 

附图说明

图1是本实用新型提供的集成轨道角动量模式发射器的结构示意图； 

图2a是横向光场和电场限制层示意图，其是有源区上生长的氧化层并在中心开窗口，2b是氧化层中心开窗口示意图。 

图3是横向光场和电场限制层示意图，其是有源区上部分高低折射率交替结构分布式布拉格反射层在四周进行质子注入。