基于硅基超表面的轨道角动量光束复用调控机理与应用研究

Orbital angular momentum as a new degree of freedom for multiplexing has the potential to dramatically increase the capacity of optical communications for high performance computing applications. In order to overcome the issues of limited channel number, bandwidth and efficiency of existing OAM devices, we need to investigate the physics of optical field manipulation and mode conversion. In the project, we will study the phase modulation scheme for silicon based subwavelength structures, build the theoretical model of OAM emitting through metasurafce devices, and design devices for 4 channel OAM beams multiplexing. We also will study the mode conversion in weakly coupled nanocavity in metasurface to achieve broadband property. To efficiently couple the OAM beam to fiber, the integrated diffraction element will be implemented. The goal of the project is to build the basis of silicon metasurface device design and application for high capacity and low time delay OAM multiplexing fiber communication.

轨道角动量（OAM）作为光子的一种新的复用维度，具有极大提高光通信容量的潜力，在面向高性能计算的超大容量光互联方面有重大需求。目前，硅基OAM光互联器件存在复用模式数目少、带宽有限、效率低等问题，需要在器件物理层面开展光场调控、模式共振与转换等研究，本项目的研究内容包括：(1)研究硅基亚波长结构共振对散射光场的相位调制机理，建立超表面调控OAM光束复用发射的理论模型，优化设计能同轴复用产生4路OAM光束的超表面器件；(2)研究超表面结构中弱振荡模式对光波导模式向OAM模式转化的超快时间响应特性，实现覆盖全通信波段的宽带OAM模式调控产生；(3) 研究硅基强限制结构发射OAM光束与弱波导光纤模式的高效转换，结合衍射光栅等微纳光学结构降低对准误差和模式转换的损耗。本项目的最终目标，是为基于硅基超表面亚波长结构器件的大容量密度、低时间延迟OAM复用光纤互联奠定器件物理基础。

空分复用技术(SDM: spatial division multiplexing)是能够带来通信容量大幅提升，缓解容量危机的新技术。空分复用光通信主要分为多芯光纤和模式复用两种技术，模式复用是指在支持高阶模式的单个纤芯中，并行传输多路正交的模式实现容量密度的提升。.“基于硅基超表面的轨道角动量光束复用调控机理与应用研究”项目研究了微纳光子结构与光场的强度、偏振、相位等多个物理维度和参量相互作用的机理，设计、加工和实验测试了微纳光子器件的模式复用器，包括硅基超表面器件、液晶器件、光纤器件和衍射器件等等，实现了大容量、高效率、集成化的矢量光束、涡旋光束、少模光束等正交模式的复用和解复用功能，并将其应用于自由空间、光纤和片上的光通信系统中。.重要研究成果包括：(1) 提出一种基于硅基超表面结构的轨道角动量光束复用器件，利用纳米尺度介质结构的耦合共振精确控制光束的相位分布，实现了光通信波段200nm超宽谱范围内的轨道角动量光束高效复用产生，解决了模式复用器件与波分复用系统不兼容的技术瓶颈，成果发表在光学顶级期刊light: Science & Applications；(2)，研究了基于液晶光子结构的各项异性几何变换器件，通过矢量调控涡旋光束，实现了10路柱矢量光束的模式解复用，并演示了自由空间和光纤通信系统，成果发表在ACS Photonics；(3)与华为公司合作开发了硅基多平面模式复用器件，利用多次套刻技术加工了4路模式复用器，器件插入损耗小于2dB，模式串扰小于-20dB,封装的样机已交付华为用于模式复用光纤通信系统，研究成果与华为公司合作发表在Optics Express上。.发表项目致谢论文26篇（一区论文4篇），研究成果获教育部高等学校科学研究优秀成果二等奖、中国专利奖优秀奖、中国科协优秀论文等奖励。