片上集成十九芯五模扇入扇出器件

本发明涉及的是一种光学波导领域的技术，具体是一种片上集成十九芯五模扇入扇出器件。

背景技术：

1、轨道角动量是光学领域的新兴自由度，在经典光通信领域有着极高的应用价值；基于轨道角动量光的长距离通信结合多芯光纤系统实现可以将现有单根光纤的通信容量提高数十倍甚至数百倍，而要对各个纤芯内的信号光场进行分析与处理，则需借助光纤扇入扇出器件将各个芯在空间上分离开来。传统的光纤扇入扇出器件有多种类型，但大多局限于单模且是自由空间器件，在稳定型、微型化和潜在工业生产中均无法满足轨道角动量的扇入扇出需求。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术无法传输轨道角动量光束、无法使轨道角动量光束模式在传播过程中保持不变、无法在三维空间内实现多芯多圈层同时扇入扇出以及无法传输与维持轨道角动量自由度加载的信息等多个不足，提出一种片上集成十九芯五模扇入扇出器件，通过特殊构造的波导构型，使得多芯光纤各芯的结构光在该器件内传输后，可以做到在保持原有oam模式的基础上在空间上有效分离，方便后续光场对多模信号的处理与分析，为基于轨道角动量的高容量光通信提供硬件基础。

2、本发明是通过以下技术方案实现的：

3、本发明涉及一种片上集成十九芯五模扇入扇出器件，包括：十八根具有甜甜圈型截面的弯曲多模波导和一根位于中心的具备相同截面的直多模波导，其中：每根弯曲多模波导由24根弯曲单模波导组成，直多模波导由24根直单模波导组成。

4、所述的器件的扇入端口的十九根多模波导分别分布在边长为50μm、100μm的两圈六边形顶点与中心处，扇出端口的各波导则分别位于深度354μm、250μm、146μm，间距为120μm。

5、所述的直多模波导具体为24根直单模波导围成的具有甜甜圈型截面的多模波导，具体为：内圈半径为6.9μm，外圈半径为7.9μm，在内外圆上每间隔30度取一个点，内圈与外圈的点以15度等间隔交错排布；这24个点即为24根单模波导的中心点。

6、所述的弯曲多模波导包括：位于两端的直波导部分和位于中间的弯曲波导部分，其中：直波导部分为3mm长度的不弯曲直波导；弯曲波导部分为基于余弦函数形式在横向与纵向上同时变化的弯曲波导；

7、所述的弯曲多模波导组与直多模波导直波导，其采用但不限于飞秒激光直写技术加工得到，具体为：裁切出2cm×2cm的硼硅酸盐玻璃材料，用酒精擦拭表面保证其表面无灰；用单脉冲能量2.7uj的513nm飞秒脉冲激光聚焦在玻璃表面下146μm-354μm深度范围，以5mm/s的速度在该深度范围内对材料进行改性，并直写出围成甜甜圈型的24×18根弯曲单模波导与24根直单模波导。

8、本发明涉及基于上述十九芯五模扇入扇出器件的应用，通过将所述器件的十九芯扇入端口与十九芯五模光纤的端面耦合，在片上将十九芯五模光纤中不同芯的结构光场在空间上分离或将空间上分离的光场导入。

9、技术效果

10、本发明利用甜甜圈型结构保证了轨道角动量光束在器件内的低损耗与低串扰传输，在此之上结合特殊构造的弯曲波导构型，保证了轨道角动量光束在该器件中中有效的扇入扇出；通过飞秒激光直写，将甜甜圈构型波导嵌入在光子集成芯片中。与现有技术相比，增加了片上多种轨道角动量同时传输的能力，同时将这种操控能力与已有多芯扇入扇出技术结合，为多模态大容量光纤通信系统中复用解复用模块提供了新的思路，此外也可用于数据中心等近距离大容量通信的同时，能够在芯片上实现多芯多模通信系统中的复用解复用，其稳定性、微型化和大批量制备潜力远超传统方法，且通信信道数提升至19×3＝57个。

技术特征：

1.一种片上集成十九芯五模扇入扇出器件，其特征在于，包括：十八根具有甜甜圈型截面的弯曲多模波导和一根位于中心的具备相同截面的直多模波导，其中：每根弯曲多模波导由24根弯曲单模波导组成，直多模波导由24根直单模波导组成；

2.根据权利要求1所述的片上集成十九芯五模扇入扇出器件，其特征是，所述的直多模波导具体为24根直单模波导围成的具有甜甜圈型截面的多模波导，具体为：内圈半径为6.9μm，外圈半径为7.9μm，在内外圆上每间隔30度取一个点，内圈与外圈的点以15度等间隔交错排布；这24个点即为24根单模波导的中心点。

3.根据权利要求1所述的片上集成十九芯五模扇入扇出器件，其特征是，所述的弯曲多模波导包括：位于两端的直波导部分和位于中间的弯曲波导部分，其中：直波导部分为3mm长度的不弯曲直波导；弯曲波导部分为基于余弦函数形式在横向与纵向上同时变化的弯曲波导。

4.根据权利要求1所述的片上集成十九芯五模扇入扇出器件，其特征是，所述的弯曲多模波导组与直多模波导直波导，其采用飞秒激光直写技术加工得到，具体为：裁切出2cm×2cm的硼硅酸盐玻璃材料，用酒精擦拭表面保证其表面无灰；用单脉冲能量2.7uj的513nm飞秒脉冲激光聚焦在玻璃表面下146μm-354μm深度范围，以5mm/s的速度在该深度范围内对材料进行改性，并直写出围成甜甜圈型的24×18根弯曲单模波导与24根直单模波导。

5.一种制备权利要求1-4中任一所述片上集成十九芯五模扇入扇出器件的方法，其特征在于，包括：

6.根据权利要求5所述方法，其特征是，所述的弯曲多模波导的弯曲部分共分为100段逐步完成，每一段横向(y)和纵向(z)上的弯曲由两个含系数的cos函数相减得到，100段相加分别在横向(y)和纵向(z)上得到一个完整的半个cos函数周期，再根据整体结构上横向和纵向弯曲长度的不同设定不同的系数，乘在每一段变化之前。

7.一种基于权利要求1-4中任一所述十九芯五模扇入扇出器件的应用，其特征在于，通过将所述器件的十九芯扇入端口与十九芯五模光纤的端面耦合，在片上将十九芯五模光纤中不同芯的结构光场在空间上分离或将空间上分离的光场导入。

8.一种基于权利要求1-4中任一所述光子集成芯片上的十九芯五模扇入扇出器件的基于轨道角动量的检测系统，其特征在于，包括：依次设置的激光光源、轨道角动量产生模块、设置于四维平移台上的光子集成芯片、轨道角动量测试模块、耦合器以及功率计，其中：轨道角动量产生模块模拟多模光纤出射，轨道角动量测试模块检测芯片出射光束各种性质，激光光源将结构光场耦合进光子集成芯片并通过功率计测试波导输出光斑的功率和纯度分布。

9.一种基于权利要求8所述系统的检测方法，其特征在于，包括：

技术总结一种片上集成十九芯五模扇入扇出器件，包括：十八根具有甜甜圈型截面的弯曲多模波导和一根位于中心的具备相同截面的直多模波导，其中：每根弯曲多模波导由24根弯曲单模波导组成，直多模波导由24根直单模波导组成。通过特殊构造的波导构型，使得多芯光纤各芯的结构光在该器件内传输后，可以做到在保持原有OAM模式的基础上在空间上有效分离，方便后续光场对多模信号的处理与分析，为基于轨道角动量的高容量光通信提供硬件基础。技术研发人员：金贤敏,王慧明,陈媛,唐豪受保护的技术使用者：上海交通大学技术研发日：技术公布日：2024/9/12