基于三维集成技术的轨道角动量光子集成器件基础研究

Unlike spin angular momentum, which is associated with the polarization of light, the orbital angular momentum arises as a consequence of the spatial distribution of the intensity and phase of an optical field. Since the eigenstates of OAM are mutually orthogonal to each other, they can offer an additional degree of freedom in communication, which can be used as new set of communication channels without increasing the frequency bandwidth. The project will systematically develop fundamentally novel concepts, principles, components and technologies for 3D integrated photonic waveguides devices and circuits that operate in one of light’s fundamental parameter space dimensions – the photonic orbital angular momentum (OAM). It will develop micro-scale, waveguide-format integrated generators, multiplexers, de-multiplexers, and detectors for OAM modes. The novel concepts, knowledge, optical structures, devices, components, and technologies to be developed in this project are ground-breaking and amount to a major shift in thinking in the research and application of OAM optics, which has so far been dominated by bulk-optic components and free space propagation. This shift to integration will enable robust, scalable and complex OAM systems to be built in widespread future applications, as exemplified by the systems demonstrated in this project.

与自旋角动量不同，轨道角动量理论上可取值无穷且彼此正交。将轨道角动量引入到光通信中，与波长、时隙和偏振等自由度类似，轨道角动量可视为一个新自由度并作为数据信息载体，这些光束彼此间可分，当加载不同数据信息后可以进行轨道角动量信息复用以提高通信容量和光谱效率。轨道角动量在光通信网络中得到真正利用的关键因素在于稳定可靠的光子集成器件。本项目拟围绕“高质量多轨道角动量光束产生的机理和成形规律律”和“利用集成光学产生高质量多轨道角动量态光束的方法”这两个科学问题；深入探索三维集成轨道角动量光子集成器件的新机理，研制高性能、多功能轨道角动量集成发射/接收器件，利用三维集成技术构建一套完整的，能够在光通信系统中广泛应用的，涵盖轨道角动量光束的产生，复用/解复用和动态调控的功能器件群。

信息化是当今世界的发展趋势和潮流，信息技术作为所有行业效率的倍增器，已从根本上改变了人们的生产生活方式。信息化发展的根本性需求是信息容量的持续扩展。以光子技术为基础的光通信系统已经是、并将继续成为现代信息系统的动脉。在日益增长的容量需求驱动下，光波承载信息的方式，从早期的利用光场强度的二进制调制体制，进入到了利用多维度资源（振幅、频率、相位、偏振）的多维调制复用体制。在现代光通信系统中，多维调制复用体制发挥着、并将继续发挥重要作用。然而继续依靠现有维度资源来提高信息容量的方法慢慢趋于理论极限，“带宽耗尽”的到来，在不远的未来是可预见的。为了应对这个难题，人们提出了空分复用技术，如基于少模光纤和多芯光纤的空分复用技术。光学漩涡也可以做空分复用。光学漩涡的光子携带轨道角动量（OAM：Orbital Angular Momentum），因此光学漩涡也称为 OAM 光场。光场的 OAM 可取值无穷且彼此正交，因而有望极大地提高系统容量。OAM 光通信技术已经引起了广泛关注并取得了一系列进展，是一种被寄予厚望的未来技术。.目前 OAM 光场的调控技术以传统的大尺寸体光学元件为主，存在价格昂贵、调控速度慢等诸多问题。光子集成器件不但具备小型化、轻量化以及低功耗（SWaP）的优势，而且具有更好的稳定性和可扩展性。利用光子集成技术来产生和操控OAM 光场，有望极大地释放其应用潜能，使 OAM 光通信的实际可行性大为提高。申请人针对在芯片上调控OAM光场的一系列重要问题进行系统深入的研究。