微米尺度可调谐光频梳产生及其在角动量通信应用研究

With the development of modern optical communication, the demand for bandwidth is gradually increasing. The traditional wavelength division multiplexing (WDM) technology is difficult to improve the communication capacity. Therefore, there are more attention been paid on the optical wavelength division multiplexing system based on the optical frequency comb and the orbital angular momentum (OAM) system. Optical frequency comb can produce spectrum with frequency lager than 10GHz, which could greatly expand the communication bandwidth. Recently, the optical frequency comb system has several disadvantages such as: it cannot be integrated on a chip for the structure materials; the large size of microcavities; the precision of process should be even high; it cannot be tuned and so on. The project proposes use a nano-electromechanical system actuator to tune resonances and dispersion relation of the couple photonic crystal microcavities. In this way, the frequency and performance of the output optical frequency comb can also be tuned. By detailed analyzing the three-order nonlinear effect of high-Q microcavities, we can obtain the dramatic tunable and high-integrated optical frequency comb device with the ability of switching. On the other hand, optical vortices have the property of orbital angular momentum, which can be independent separated between different topological charges. This property results in that the bandwidth of communication could be increased unlimited in theory. In view of the limited channel bandwidth in optical communication system problems, the channel bandwidth can be scale up exponentially through the integration of optical frequency comb and OAM multiplexing/demultiplexing in the same chip, which greatly improve the capacity of the communication in the future.

现代光通信的发展对带宽的需求越来越大，短距离/芯片通信中，传统波分复用技术很难持续提升通信容量。而基于光频梳的波分复用系统和轨道角动量（OAM）的光通信逐渐广泛的关注。光频梳可以产生梳齿频率密度大于10GHz之间的谱线，可以大大的拓展通信带宽。本项目针对目前基于圆环腔光频梳通信系统不易集成于芯片，微腔尺寸较大，对工艺要求精确度非常高，而且不具有可调谐性等缺点，结合微纳光机电系统的技术，研究基于纳米尺寸的光子晶体微腔在微纳光机电系统驱动下，实现对高 Q 值微腔的色散效应和三阶非线性效应的调控，从而实现可集成于芯片上的，可开关和可调谐的克尔光频梳器件。同时光学涡旋具有轨道角动量特性，且不同拓扑荷之间具有独立可分离性，针对光通信系统的信道带宽受限的问题，通过集成光频梳与 OAM 复用/解复用于同一芯片上，可以使得信道带宽成几何级数变大，极大地提高未来通信的容量，为未来科技发展提供必要的基础。

本项目主要研究、加工、制造和测试了高品质因子Q值和模式体积V比的光学微腔及其非线性效应，并通过光频梳的波分复用和轨道角动量通信相结合的方法来实现高集成度、更高通信容量的光通信技术。经过三年的研究工作，项目已经顺利完成了预定目标，具体完成情况及取得成果包括：1）在高品质因子Q值和模式体积V比的光学微腔的设计、加工、制造和测试方面，我们通过微纳加工手段实现了光子晶体微腔的Q值大于10^5次方，而且Q/V>10^6的光子晶体微腔。由于大部分光学非线性效应与Q值成正比，和V^2成反比，所以这种光学微腔在研究光学非线性领域有着广泛的应用前景。2）在光子晶体微腔非线性研究方面，我们利用马赫-曾德尔干涉仪和光子晶体微腔结合，通过改变干涉仪双臂的光程差，实现了对光学电磁感应透明和Fano谐振的调控。进一步的，利用马赫-曾德尔干涉仪和耦合光子晶体微腔结合，可以实现多级电磁感应透明和Fano谐振，在慢光效应和增强光与物质相互作用利用有非常重要的意义。3）光学通信依赖高灵敏度的光学检测手段，是衡量这种光学通信技术的实用性的关键后端器件。在光学检测方面，我们设计了一种基于弱测量原理的超表面器件。该器件对光场的弱偏振分量有着非常强的响应，因此可以方便非常小的入射光的偏振变化。同时，该器件可以对轨道角动量有着线性的响应，因此可以方便入射光的轨道角动量性质。该器件可以同时响应光学线偏振，椭圆偏振度和轨道角动量，因此在光通信领域有着广泛的应用前景。4）在硅基集成器件方面，我们设计实现了一种多路复用的片上OAM发射器，它具有从1450到1650纳米的超宽带响应。模式产生的效率可高达35％，模式纯度超过 97％。进一步结合集成片上的光学频率梳，我们将这种OAM 发射器应用于数据速率为1.2 Tbit/s的OAM通信，并在30通道光频梳的辅助下进行。该提出的 OAM 复用发射器为片到片的大容量光互连的发展铺平了道路。我们所设计的片上 OAM 复用器件在带宽、复用和集成方面具有优越性能，因而可以在 OAM 通信领域发挥重要作用。5）在光学轨道角动量（OAM）研究上，我们研究了自旋轨道耦合，横向自旋，自旋动量绑定等光场性质，为未来的光通信已经进一步增加通信容量打下了坚实的基础。相关研究成果发表在《Nanophotonics》、《Nanoscale》等高水平期刊上。