本發(fā)明涉及光通信領(lǐng)域，更具體地講，涉及一種光波導(dǎo)。

背景技術(shù)：

光是信息傳遞的重要載體，可通過(guò)對(duì)光子的能量、線動(dòng)量和偏振態(tài)進(jìn)行分析解碼得到它所攜帶的信息。近年來(lái)，光子的另一物理量“軌道角動(dòng)量”引起人們的廣泛關(guān)注。光的軌道角動(dòng)量與螺旋形相位波前聯(lián)系在一起，是與光的波長(zhǎng)、偏振態(tài)等類(lèi)似的獨(dú)立的光學(xué)屬性。因此，可采用將光的軌道角動(dòng)量與波長(zhǎng)、偏振態(tài)等復(fù)用的方式來(lái)編碼信息，從而大大提高光通信的帶寬。此外，具有軌道角動(dòng)量的光在粒子操控等方面也具有很多的應(yīng)用。

通常采用螺旋相位盤(pán)進(jìn)行空間的光束相位調(diào)控來(lái)使光產(chǎn)生軌道角動(dòng)量，然而，實(shí)現(xiàn)該方法的器件體積較大，不利于集成。為了減小器件的體積，也可采用特殊拉制的光纖來(lái)產(chǎn)生軌道角動(dòng)量，但是，這樣的光纖結(jié)構(gòu)復(fù)雜且不易制作。近來(lái)，可采用基于光波導(dǎo)定向耦合器的方法來(lái)在光波導(dǎo)中產(chǎn)生軌道角動(dòng)量，然而，實(shí)現(xiàn)這樣的方法的器件結(jié)構(gòu)也很復(fù)雜，并且器件體積大、插損大。

因此，現(xiàn)有的能夠使光產(chǎn)生軌道角動(dòng)量的器件結(jié)構(gòu)不簡(jiǎn)單且不易集成。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的示例性實(shí)施例在于提供一種光波導(dǎo)。所述光波導(dǎo)能夠克服現(xiàn)有技術(shù)中的能夠使光產(chǎn)生軌道角動(dòng)量的器件結(jié)構(gòu)復(fù)雜且不易集成的缺陷。

根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例，提供一種光波導(dǎo)，包括：輸入光波導(dǎo)、非對(duì)稱光波導(dǎo)和輸出光波導(dǎo)，輸入光波導(dǎo)，將輸入光輸入到非對(duì)稱光波導(dǎo)，其中，所述輸入光具有橫磁波(TM)模式或橫電波(TE)模式；非對(duì)稱光波導(dǎo)，從輸入 光波導(dǎo)接收輸入光并將接收到的輸入光的光軸旋轉(zhuǎn)預(yù)定角度，以產(chǎn)生具有軌道角動(dòng)量的輸出光；輸出光波導(dǎo)，從非對(duì)稱光波導(dǎo)接收輸出光并將接收到的輸出光輸出。

可選地，輸入光波導(dǎo)、非對(duì)稱光波導(dǎo)和輸出光波導(dǎo)均為條形光波導(dǎo)或均為脊形光波導(dǎo)。

可選地，在沿光在光波導(dǎo)中的傳輸方向上的輸入光波導(dǎo)和輸出光波導(dǎo)的對(duì)稱軸重合，并且，非對(duì)稱光波導(dǎo)關(guān)于所述對(duì)稱軸非對(duì)稱。

可選地，輸入光波導(dǎo)、非對(duì)稱光波導(dǎo)和輸出光波導(dǎo)各自包括沿光在光波導(dǎo)中的傳輸方向上一體設(shè)置的芯層、二氧化硅層和襯底層。

可選地，輸入光波導(dǎo)、非對(duì)稱光波導(dǎo)和輸出光波導(dǎo)的所述一體設(shè)置的芯層具有預(yù)定高度范圍和預(yù)定寬度范圍。

可選地，所述預(yù)定高度范圍和所述預(yù)定寬度范圍均為[200納米，600納米]。

可選地，非對(duì)稱光波導(dǎo)還包括：介質(zhì)包層和金屬包層，其中，非對(duì)稱光波導(dǎo)的介質(zhì)包層覆蓋于非對(duì)稱光波導(dǎo)的芯層的上表面和一個(gè)側(cè)表面，非對(duì)稱光波導(dǎo)的金屬包層覆蓋于非對(duì)稱光波導(dǎo)的介質(zhì)包層上，并且，非對(duì)稱光波導(dǎo)的金屬包層覆蓋于非對(duì)稱光波導(dǎo)的介質(zhì)包層的上表面，或者非對(duì)稱光波導(dǎo)的金屬包層覆蓋于非對(duì)稱光波導(dǎo)的介質(zhì)包層的側(cè)表面，或者非對(duì)稱光波導(dǎo)的金屬包層覆蓋于非對(duì)稱光波導(dǎo)的介質(zhì)包層的整個(gè)表面。

可選地，非對(duì)稱光波導(dǎo)的介質(zhì)包層具有預(yù)定折射率范圍和預(yù)定介質(zhì)厚度范圍，非對(duì)稱光波導(dǎo)的金屬包層具有預(yù)定金屬厚度范圍。

可選地，所述預(yù)定折射率范圍為[1.35，2.2]，所述預(yù)定介質(zhì)厚度范圍為[5納米，150納米]，所述預(yù)定金屬厚度范圍為[30納米，200納米]。

可選地，輸入光波導(dǎo)還包括介質(zhì)包層，其中，輸入光波導(dǎo)的介質(zhì)包層覆蓋 于輸入光波導(dǎo)的芯層的整個(gè)表面。

可選地，輸出光波導(dǎo)還包括介質(zhì)包層，其中，輸出光波導(dǎo)的介質(zhì)包層覆蓋于輸出光波導(dǎo)的芯層的整個(gè)表面。

可選地，輸入光波導(dǎo)、非對(duì)稱光波導(dǎo)和輸出光波導(dǎo)的一體設(shè)置的芯層表面覆蓋有二氧化硅。

可選地，非對(duì)稱光波導(dǎo)的芯層的橫截面呈臺(tái)階狀，其中，所述臺(tái)階狀通過(guò)在非對(duì)稱光波導(dǎo)的芯層的一個(gè)頂角切去一個(gè)長(zhǎng)方體而形成。

可選地，輸出光波導(dǎo)對(duì)橫磁波模式的光的有效折射率與輸出光波導(dǎo)對(duì)橫電波模式的光的有效折射率之差小于預(yù)定值。

可選地，所述預(yù)定值為0.01。

可選地，所述輸入光的波長(zhǎng)范圍為[1300納米，1600納米]。

可選地，所述預(yù)定角度為45度，且所述預(yù)定角度的允許誤差范圍為[-6％，6％]。

可選地，非對(duì)稱光波導(dǎo)的長(zhǎng)度為：其中，L表示所述非對(duì)稱光波導(dǎo)的長(zhǎng)度，Δβ表示所述非對(duì)稱光波導(dǎo)的橫磁波模式傳播常數(shù)和橫電波模式的傳播常數(shù)之差，并且，所述非對(duì)稱光波導(dǎo)的長(zhǎng)度的允許誤差范圍為[-10％，10％]。

可選地，所述金屬包層的材料為以下項(xiàng)中的至少一個(gè)：金、鉑、銀、銅、鋁和鈦。

在根據(jù)本發(fā)明的光波導(dǎo)中，能夠使不攜帶軌道角動(dòng)量的輸入光產(chǎn)生軌道角動(dòng)量，不需要使用額外的設(shè)備來(lái)使輸入光的光軸發(fā)生偏轉(zhuǎn)，并且所述光波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小，便于與其它光電器件集成。

附圖說(shuō)明

通過(guò)下面結(jié)合示例性地示出實(shí)施例的附圖進(jìn)行的描述，本發(fā)明示例性實(shí)施例的上述和其他目的和特點(diǎn)將會(huì)變得更加清楚，其中：

圖1示出根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例的輸入光波導(dǎo)中的輸入光的電場(chǎng)在輸入光波導(dǎo)的橫截面上的幅值分布和相位分布的示圖；

圖2示出根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例的光波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)圖；

圖3示出根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例的光波導(dǎo)的非對(duì)稱光波導(dǎo)的截面圖；

圖4示出根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例的當(dāng)圖2或圖3的光波導(dǎo)的非對(duì)稱光波導(dǎo)的長(zhǎng)度為4.7微米時(shí)輸出光波導(dǎo)中的輸出光的電場(chǎng)在輸出光波導(dǎo)的橫截面上的幅值分布和相位分布的示圖；

圖5示出根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例的當(dāng)圖2或圖3的光波導(dǎo)的非對(duì)稱光波導(dǎo)的長(zhǎng)度為1.55微米時(shí)輸出光波導(dǎo)中的輸出光的電場(chǎng)在輸出光波導(dǎo)的橫截面上的幅值分布和相位分布的示圖；

圖6示出根據(jù)本發(fā)明另一示例性實(shí)施例的光波導(dǎo)的非對(duì)稱光波導(dǎo)的截面圖；

圖7示出根據(jù)本發(fā)明另一示例性實(shí)施例的光波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)圖；

圖8示出根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例的圖7的光波導(dǎo)的輸出光波導(dǎo)中的輸出光的電場(chǎng)在輸出光波導(dǎo)的橫截面上的幅值分布和相位分布的示圖。

具體實(shí)施方式

以下，將參照附圖更充分地描述本發(fā)明的示例性實(shí)施例，示例性實(shí)施例在附圖中示出。然而，可以以許多不同的形式實(shí)施示例性實(shí)施例，并且不應(yīng)被解釋為局限于在此闡述的示例性實(shí)施例。相反，提供這些實(shí)施例從而本公開(kāi)將會(huì)徹底和完整，并將完全地將示例性實(shí)施例的范圍傳達(dá)給本領(lǐng)域的技術(shù)人員。

根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例的光波導(dǎo)包括輸入光波導(dǎo)、非對(duì)稱光波導(dǎo)和輸出光波導(dǎo)。具體說(shuō)來(lái)，輸入光波導(dǎo)將輸入光輸入到非對(duì)稱光波導(dǎo)，其中，所述輸入光具有橫磁波(TM)模式或橫電波(TE)模式；非對(duì)稱光波導(dǎo)從輸入光波導(dǎo)接收輸入光并將接收到的輸入光的光軸旋轉(zhuǎn)預(yù)定角度，以產(chǎn)生具有軌道角動(dòng)量 的輸出光；輸出光波導(dǎo)從非對(duì)稱光波導(dǎo)接收輸出光并將接收到的輸出光輸出。

這里，輸入光波導(dǎo)、非對(duì)稱光波導(dǎo)和輸出光波導(dǎo)可均為條形光波導(dǎo)或均為脊形光波導(dǎo)。為了減小光波導(dǎo)的插損，作為示例，光波導(dǎo)的輸入光波導(dǎo)、非對(duì)稱光波導(dǎo)和輸出光波導(dǎo)可各自包括沿光在光波導(dǎo)中的傳輸方向上一體設(shè)置的芯層、二氧化硅層和襯底層。例如，可將一體設(shè)置的芯層制備于一體設(shè)置的SOI晶片(基于絕緣體的硅晶片)的頂層硅材料上。作為示例，一體設(shè)置的芯層的材料可以是硅。并且，一體設(shè)置的芯層可具有預(yù)定高度范圍和預(yù)定寬度范圍。優(yōu)選地，根據(jù)實(shí)際需要，所述預(yù)定高度范圍和所述預(yù)定寬度范圍可均為[200納米，600納米]。

作為示例，所述輸入光的波長(zhǎng)范圍可為[1300納米，1600納米]。這里，當(dāng)將三維坐標(biāo)系的z軸的正方向定義為光在光波導(dǎo)中的傳輸方向，將y軸的方向定義為垂直于光波導(dǎo)的襯底的方向，并將x軸的方向定義為垂直于zy平面的方向時(shí)，輸入光的電場(chǎng)的偏振方向可為沿x軸方向或沿y軸方向。

圖1示出根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例的輸入光波導(dǎo)中的輸入光的電場(chǎng)在輸入光波導(dǎo)的橫截面上的幅值分布和相位分布的示圖。

圖1中的(a)為根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例的輸入光波導(dǎo)中的輸入光的電場(chǎng)在輸入光波導(dǎo)的橫截面上的幅值分布的示圖，圖1中的(b)為根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例的輸入光波導(dǎo)中的輸入光的電場(chǎng)在輸入光波導(dǎo)的橫截面上的相位分布的示圖。由圖1中的(a)可以看出輸入光的電場(chǎng)在輸入光波導(dǎo)的橫截面上均勻分布，并且由圖1中的(b)可以看出輸入光在輸入光波導(dǎo)的橫截面上不存在螺旋相位分布，即，輸入光不存在軌道角動(dòng)量。

為了使不攜帶軌道角動(dòng)量的輸入光產(chǎn)生軌道角動(dòng)量，需要將輸入光的電磁場(chǎng)分布形成的光軸偏轉(zhuǎn)預(yù)定角度。作為示例，為了得到具有軌道角動(dòng)量的輸出 光，所述預(yù)定角度為45度，并且，在實(shí)踐中，所述預(yù)定角度的允許誤差范圍為[-6％，6％]。這里，可利用非對(duì)稱光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)上的非對(duì)稱性或形狀上的非對(duì)稱性使光軸發(fā)生偏轉(zhuǎn)。作為示例，根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例的光波導(dǎo)，在沿光在光波導(dǎo)中的傳輸方向上的輸入光波導(dǎo)和輸出光波導(dǎo)的對(duì)稱軸重合，并且，非對(duì)稱光波導(dǎo)可關(guān)于所述對(duì)稱軸非對(duì)稱。這里，可通過(guò)改變非對(duì)稱光波導(dǎo)的形貌和尺寸來(lái)調(diào)控光軸的偏轉(zhuǎn)角度。以輸入光的磁場(chǎng)分布為例，光軸偏轉(zhuǎn)角的定義式為：

$\tan \mathrm{\θ}=\frac{\∫\∫H_x^2(x,y)\mathrm{dxdy}}{\∫\∫H_y^2(x,y)\mathrm{dxxy}}$

其中，θ為光軸偏轉(zhuǎn)角，H_x(x,y)為輸入光的磁場(chǎng)在x軸方向的偏振分量，H_y(x,y)為輸入光的磁場(chǎng)在y軸方向的偏振分量。這里的x軸方向和y軸方向?yàn)樯鲜鋈S坐標(biāo)系中的x軸方向和y軸方向。

綜上，非對(duì)稱光波導(dǎo)的傳播模式的電磁場(chǎng)分布形成的光軸可相對(duì)于輸入光波導(dǎo)的傳播模式的光軸偏轉(zhuǎn)45度，輸入光進(jìn)入非對(duì)稱光波導(dǎo)后會(huì)發(fā)生模式耦合，輸入光的能量轉(zhuǎn)換到非對(duì)稱光波導(dǎo)的兩個(gè)本征模式(橫磁波(TM)模式和橫電波(TE)模式)中，由于輸入光在這兩個(gè)本征模式間存在雙折射，因此輸入光在非對(duì)稱光波導(dǎo)中傳輸?shù)倪^(guò)程中在兩個(gè)本征模式間會(huì)由于雙折射而產(chǎn)生相位差，從而產(chǎn)生具有軌道角動(dòng)量的輸出光。

為了使輸入光在非對(duì)稱光波導(dǎo)中產(chǎn)生具有螺旋形分布的相位的軌道角動(dòng)量，需要使輸入光在非對(duì)稱光波中傳輸?shù)倪^(guò)程中在兩個(gè)本征模式間產(chǎn)生的相位差。因此，非對(duì)稱光波導(dǎo)的長(zhǎng)度為：

$L=\frac{\mathrm{\π}}{2\mathrm{\Δ\β}}$

其中，L表示所述非對(duì)稱光波導(dǎo)的長(zhǎng)度，Δβ表示所述非對(duì)稱光波導(dǎo)的橫磁 波模式傳播常數(shù)和橫電波模式的傳播常數(shù)之差，并且，在實(shí)踐中，所述非對(duì)稱光波導(dǎo)的長(zhǎng)度的允許誤差范圍為[-10％，10％]。

根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例的光波導(dǎo)，可通過(guò)非對(duì)稱光波導(dǎo)來(lái)使輸入光的光軸偏轉(zhuǎn)預(yù)定的角度，而不需要額外的設(shè)備來(lái)使輸入光的光軸發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而能夠使不攜帶軌道角動(dòng)量的輸入光產(chǎn)生軌道角動(dòng)量。

圖2示出根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例的光波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)圖。

如圖2所示，圖2中的光波導(dǎo)為條形光波導(dǎo)。輸入光波導(dǎo)110、非對(duì)稱光波導(dǎo)120和輸出光波導(dǎo)130可各自具有一體設(shè)置的芯層12、二氧化硅層11和襯底層10。芯層12設(shè)置于襯底層10和二氧化硅層11上。

圖2中輸入光波導(dǎo)110的芯層沒(méi)有被介質(zhì)包層覆蓋。

圖2中的非對(duì)稱光波導(dǎo)120還可包括：介質(zhì)包層13和金屬包層14，其中，非對(duì)稱光波導(dǎo)120的介質(zhì)包層13覆蓋于非對(duì)稱光波導(dǎo)120的芯層的上表面右側(cè)表面，非對(duì)稱光波導(dǎo)120的金屬包層14覆蓋于非對(duì)稱光波導(dǎo)120的介質(zhì)包層13上，并且，非對(duì)稱光波導(dǎo)120的金屬包層14覆蓋于非對(duì)稱光波導(dǎo)120的介質(zhì)包層13的整個(gè)表面。

這里，為了縮短非對(duì)稱光波導(dǎo)的長(zhǎng)度L(即，使光波導(dǎo)的尺寸盡量小，以利于集成)，可盡量增大Δβ。例如，可通過(guò)改變非對(duì)稱光波導(dǎo)120的形貌和尺寸來(lái)調(diào)整非對(duì)稱光波導(dǎo)的傳播模式的傳播常數(shù)β。由于對(duì)于特定波長(zhǎng)的輸入光，傳播模式的傳播常數(shù)β正比于該傳播模式的有效折射率(n_eff)，因此，可通過(guò)控制介質(zhì)包層的折射率和厚度以及金屬包層的厚度來(lái)控制非對(duì)稱光波導(dǎo)的傳播模式間的有效折射率(n_eff)之差，從而控制Δβ。作為示例，可使非對(duì)稱光波導(dǎo)的介質(zhì)包層具有預(yù)定折射率范圍和預(yù)定介質(zhì)厚度范圍，使非對(duì)稱光波導(dǎo)的金屬包層具有預(yù)定金屬厚度范圍。優(yōu)選地，所述預(yù)定折射率范圍為[1.35，2.2]，所述預(yù)定介質(zhì) 厚度范圍為[5納米，150納米]，所述預(yù)定金屬厚度范圍為[30納米，200納米]。

這里，介質(zhì)包層的材料可以是折射率滿足上述折射率范圍的各種材料，例如，介質(zhì)包層的材料可以是：二氧化硅、氮化硅、氟化鎂、氧化鋁和氧化鋅等。另外，介質(zhì)包層的材料還可以是滿足上述折射率范圍的有機(jī)聚合物。這里，金屬包層的材料可為以下項(xiàng)中的至少一個(gè)：金、鉑、銀、銅、鋁和鈦。例如，金屬包層可以是由上述任一金屬構(gòu)成的單層結(jié)構(gòu)，或者金屬包層可以是由上述至少兩種金屬構(gòu)成的多層結(jié)構(gòu)，或者金屬包層還可以是由上述至少兩種金屬的合金構(gòu)成的單層結(jié)構(gòu)。應(yīng)該理解，實(shí)際應(yīng)用中優(yōu)選傳播損耗低的介質(zhì)包層材料和金屬包層材料。

圖2中的輸出光波導(dǎo)130的還可包括介質(zhì)包層15。輸出光波導(dǎo)130的介質(zhì)包層15覆蓋于輸出光波導(dǎo)130的芯層的整個(gè)表面。

這里，由于耦合到輸出光波導(dǎo)130中的輸出光具有軌道角動(dòng)量，因此，為了盡量避免輸出光的進(jìn)一步旋轉(zhuǎn)，需盡量減小輸出光波導(dǎo)對(duì)橫磁波模式的光的有效折射率與輸出光波導(dǎo)對(duì)橫電波模式的光的有效折射率的差。因此，輸出光波導(dǎo)還可包括覆蓋于輸出光波導(dǎo)130的芯層的整個(gè)表面的介質(zhì)包層15。為了使輸出光在輸出光波導(dǎo)中的旋轉(zhuǎn)較小，可使輸出光波導(dǎo)對(duì)橫磁波模式的光的有效折射率與輸出光波導(dǎo)對(duì)橫電波模式的光的有效折射率之差小于預(yù)定值。優(yōu)選地，在實(shí)踐中，所述預(yù)定值可為0.01。

應(yīng)該理解，圖2中的光波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)僅為示例性結(jié)構(gòu)，根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例的光波導(dǎo)還可具有其他結(jié)構(gòu)。例如，輸入光波導(dǎo)110可還包括介質(zhì)包層。當(dāng)輸入光波導(dǎo)110包括介質(zhì)包層時(shí)，輸入光波導(dǎo)110的介質(zhì)包層可覆蓋于輸入光波導(dǎo)110的芯層的整個(gè)表面?；蛘撸菍?duì)稱光波導(dǎo)120的介質(zhì)包層13還可覆蓋于非對(duì)稱光波導(dǎo)120的芯層的上表面左側(cè)表面。并且，非對(duì)稱光波導(dǎo)120的 金屬包層14可僅覆蓋介質(zhì)包層13的一部分，例如，非對(duì)稱光波導(dǎo)的金屬包層14可僅覆蓋于非對(duì)稱光波導(dǎo)120的介質(zhì)包層13的上表面，或者非對(duì)稱光波導(dǎo)120的金屬包層14可僅覆蓋于非對(duì)稱光波導(dǎo)120的介質(zhì)包層13的側(cè)表面。

此外，在實(shí)際生產(chǎn)中，由于工藝限制或?yàn)榱吮阌谏a(chǎn)，可將圖2中的介質(zhì)包層13和金屬包層14生產(chǎn)為其它形狀。

圖3示出根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例的光波導(dǎo)的非對(duì)稱光波導(dǎo)的截面圖。

如圖3所示，為了生產(chǎn)方便，可按照?qǐng)D3所示的形狀來(lái)在芯層12上覆蓋介質(zhì)包層13和金屬包層14。可以看出，對(duì)比于圖2所示的“倒L”形的介質(zhì)包層和金屬包層，圖3中的介質(zhì)包層還可具有平行于襯底層10和二氧化硅層11的部分。

參照?qǐng)D2或圖3，在一實(shí)施例中，輸入光的波長(zhǎng)為1550納米，光波導(dǎo)的一體設(shè)置的芯層12的材料為硅，介質(zhì)包層13和介質(zhì)包層15的材料為二氧化硅，金屬包層14的材料為銀。一體設(shè)置的芯層12的高度和寬度均為310納米，介質(zhì)包層13的厚度為50納米，金屬包層14的厚度為80納米，非對(duì)稱光波導(dǎo)120對(duì)橫磁波模式的光的有效折射率與輸出光波導(dǎo)對(duì)橫電波模式的光的有效折射率之差為0.08，覆蓋于輸出光波導(dǎo)130的芯層的上表面的介質(zhì)包層15的厚度為100納米，覆蓋于輸出光波導(dǎo)130的芯層的側(cè)面的介質(zhì)包層15的厚度為130納米。

通過(guò)上述非對(duì)稱光波導(dǎo)長(zhǎng)度的等式可以得到：針對(duì)所述一實(shí)施例的非對(duì)稱光波導(dǎo)的理論長(zhǎng)度為4.48微米。

由于在實(shí)踐中，實(shí)際生產(chǎn)出來(lái)的非對(duì)稱光波導(dǎo)的長(zhǎng)度可能不會(huì)嚴(yán)格等于理論長(zhǎng)度，因此，在實(shí)踐中，存在上述提到的非對(duì)稱光波導(dǎo)的長(zhǎng)度的允許誤差范圍。

下面結(jié)合圖4和圖5來(lái)說(shuō)明：當(dāng)所述一實(shí)施例中的光波導(dǎo)的非對(duì)稱光波導(dǎo) 120的長(zhǎng)度在允許誤差范圍內(nèi)(例如，非對(duì)稱光波導(dǎo)120的長(zhǎng)度為4.7微米)和超出允許誤差范圍(例如，非對(duì)稱光波導(dǎo)120的長(zhǎng)度為1.55微米)時(shí)，輸出光的電場(chǎng)在輸出光波導(dǎo)130的橫截面上的幅值分布和相位分布情況。

圖4示出根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例的當(dāng)圖2或圖3的光波導(dǎo)的非對(duì)稱光波導(dǎo)120的長(zhǎng)度為4.7微米時(shí)輸出光波導(dǎo)130中的輸出光的電場(chǎng)在輸出光波導(dǎo)的橫截面上的幅值分布和相位分布的示圖。

圖4中的(a)為輸出光的電場(chǎng)在輸出光波導(dǎo)的橫截面上的幅值分布的示圖，圖4中的(b)為輸出光的電場(chǎng)在輸出光波導(dǎo)的橫截面上的相位分布的示圖。由圖4中的(a)可看出輸出光的電場(chǎng)幅值在輸出光波導(dǎo)的橫截面內(nèi)均勻分布，且電場(chǎng)方向相對(duì)于圖1中的(a)所示的電場(chǎng)方向偏轉(zhuǎn)了45度；由圖4中的(b)可以看出相位呈螺旋形的一階軌道角動(dòng)量分布。因此，可通過(guò)長(zhǎng)度在允許誤差范圍內(nèi)的非對(duì)稱光波導(dǎo)產(chǎn)生具有理想的螺旋形相位分布的軌道角動(dòng)量的輸出光。

圖5示出根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例的當(dāng)圖2或圖3的光波導(dǎo)的非對(duì)稱光波導(dǎo)的長(zhǎng)度為1.55微米時(shí)輸出光波導(dǎo)中的輸出光的電場(chǎng)在輸出光波導(dǎo)的橫截面上的幅值分布和相位分布的示圖。

圖5中的(a)為輸出光的電場(chǎng)在輸出光波導(dǎo)的橫截面上的幅值分布的示圖，圖5中的(b)為輸出光的電場(chǎng)在輸出光波導(dǎo)的橫截面上的相位分布的示圖。由圖5中的(a)可以看出電場(chǎng)方向相對(duì)于圖1中的(a)的偏轉(zhuǎn)角度不在預(yù)定偏轉(zhuǎn)角度45度的誤差范圍內(nèi)；由圖5中(b)可以看出相位分布非常不均勻，相位在很大的范圍內(nèi)幾乎沒(méi)有變化，只有小部分區(qū)域存在相位的漸變。因此，該超出允許誤差范圍的非對(duì)稱光波導(dǎo)不能產(chǎn)生具有理想螺旋形相位分布的軌道角動(dòng)量的輸出光。

圖6示出根據(jù)本發(fā)明另一示例性實(shí)施例的光波導(dǎo)的非對(duì)稱光波導(dǎo)的截面圖。

如圖6所示，所述光波導(dǎo)為脊形光波導(dǎo)。雖然未示出，但應(yīng)理解，圖6的光波導(dǎo)的輸入光波導(dǎo)、非對(duì)稱光波導(dǎo)和輸出光波導(dǎo)可各自具有一體設(shè)置的芯層12、二氧化硅層11和襯底層10，芯層12設(shè)置于襯底層10和二氧化硅層11上。

圖6中的非對(duì)稱光波導(dǎo)的還包括：介質(zhì)包層13和金屬包層14，其中，非對(duì)稱光波導(dǎo)的介質(zhì)包層13覆蓋于非對(duì)稱光波導(dǎo)的芯層的上表面右側(cè)表面，非對(duì)稱光波導(dǎo)的金屬包層14覆蓋于非對(duì)稱光波導(dǎo)的介質(zhì)包層13上，并且，非對(duì)稱光波導(dǎo)的金屬包層14覆蓋于非對(duì)稱光波導(dǎo)的介質(zhì)包層13的整個(gè)表面。

這里，可將芯層12的脊高定義為上面描述的芯層12的高度，或者可將芯層12的脊高與芯層12的平板層的厚度之和定義為芯層12的高度，并且芯層12的寬度為脊寬。

應(yīng)該理解，圖6所示的非對(duì)稱光波導(dǎo)的截面圖僅為示例，根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例的光波導(dǎo)還可具有其他結(jié)構(gòu)。例如，非對(duì)稱光波導(dǎo)的金屬包層14可僅覆蓋介質(zhì)包層13的一部分，例如，非對(duì)稱光波導(dǎo)的金屬包層14可僅覆蓋于非對(duì)稱光波導(dǎo)的介質(zhì)包層13的上表面，或者非對(duì)稱光波導(dǎo)的金屬包層14可僅覆蓋于非對(duì)稱光波導(dǎo)的介質(zhì)包層13的側(cè)表面。

此外，可按照類(lèi)似于圖2所示的條形光波導(dǎo)的輸入光波導(dǎo)和輸出光波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)，來(lái)設(shè)置圖6所示的脊形光波導(dǎo)的輸入光波導(dǎo)和輸出光波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)。例如，可使脊形光波導(dǎo)的輸入光波導(dǎo)的芯層不被介質(zhì)包層覆蓋，使輸出光波導(dǎo)的介質(zhì)包層覆蓋于輸出光波導(dǎo)的芯層的整個(gè)表面。并且，脊形光波導(dǎo)的介質(zhì)包層的特性(例如，材料、折射率、厚度)和金屬包層的特性(例如，材料和厚度)可參照?qǐng)D2中對(duì)介質(zhì)包層13、介質(zhì)包層15和金屬包層14的描述，這里將不再贅述。

圖7示出根據(jù)本發(fā)明另一示例性實(shí)施例的光波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)圖。

圖7中的光波導(dǎo)為條形光波導(dǎo)，輸入光波導(dǎo)110、非對(duì)稱光波導(dǎo)120和輸出光波導(dǎo)130可各自具有一體設(shè)置的芯層12、二氧化硅層11和襯底層10，芯層12設(shè)置于襯底層10和二氧化硅層11上。并且，一體設(shè)置的芯層12表面可覆蓋有二氧化硅(未示出)。

由圖7可以看出，非對(duì)稱光波導(dǎo)120的芯層的橫截面呈臺(tái)階狀，其中，所述臺(tái)階狀可通過(guò)在非對(duì)稱光波導(dǎo)的芯層的一個(gè)頂角切去一個(gè)長(zhǎng)方體121而形成。這里，可通過(guò)控制切去的長(zhǎng)方體121的寬度和高度來(lái)在輸入光的光軸偏轉(zhuǎn)角度和非對(duì)稱光波導(dǎo)的兩個(gè)傳播模式的有效折射率之差之間取得最優(yōu)平衡。

這里，作為另一實(shí)施例，圖7的輸入光的波長(zhǎng)為1550納米，芯層12的材料為硅，且芯層12的高度和寬度(指未切去長(zhǎng)方體121時(shí)的芯層12的高度和寬度)均為500納米。所切去的長(zhǎng)方體的寬度和高度均為240納米。非對(duì)稱光波導(dǎo)120對(duì)橫磁波模式的光的有效折射率與輸出光波導(dǎo)對(duì)橫電波模式的光的有效折射率之差為0.108。通過(guò)上述非對(duì)稱光波導(dǎo)長(zhǎng)度的等式可以得到：針對(duì)所述另一實(shí)施例的非對(duì)稱光波導(dǎo)的理論長(zhǎng)度為3.6微米。

下面結(jié)合圖8來(lái)說(shuō)明：當(dāng)所述另一實(shí)施例中的光波導(dǎo)的非對(duì)稱光波導(dǎo)120的長(zhǎng)度為理論長(zhǎng)度(3.6微米)時(shí)，輸出光的電場(chǎng)在輸出光波導(dǎo)130的橫截面上的幅值分布和相位分布情況。

圖8示出根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例的圖7的光波導(dǎo)的輸出光波導(dǎo)中的輸出光的電場(chǎng)在輸出光波導(dǎo)的橫截面上的幅值分布和相位分布的示圖。

圖8中的(a)為輸出光的電場(chǎng)在輸出光波導(dǎo)的橫截面上的幅值分布的示圖，圖8中的(b)為輸出光的電場(chǎng)在輸出光波導(dǎo)的橫截面上的相位分布的示圖。由圖8中的(a)可看出輸出光的電場(chǎng)幅值在輸出光波導(dǎo)的橫截面內(nèi)非均勻分布， 這是由于圖7的非對(duì)稱光波導(dǎo)120的芯層切去了長(zhǎng)方體121從而造成了輸入光的能量損耗，因而導(dǎo)致了輸入光的能量分布不均勻；由圖8中的(b)可看出相位呈螺旋形的一階軌道角動(dòng)量分布。因此，可通過(guò)圖7所示的非對(duì)稱光波導(dǎo)產(chǎn)生具有理想的螺旋形相位分布的軌道角動(dòng)量的輸出光。

在根據(jù)本發(fā)明的光波導(dǎo)中，能夠使不攜帶軌道角動(dòng)量的輸入光產(chǎn)生軌道角動(dòng)量，不需要使用額外的設(shè)備來(lái)使輸入光的光軸發(fā)生偏轉(zhuǎn)，并且所述光波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小(例如，針對(duì)波長(zhǎng)為1550納米的輸入光，非對(duì)稱光波導(dǎo)的長(zhǎng)度可小于5微米)，便于與其它光電器件集成。

盡管已經(jīng)參照其示例性實(shí)施例具體顯示和描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該理解，在不脫離權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以對(duì)其進(jìn)行形式和細(xì)節(jié)上的各種改變。