( A ) Увеличенная двумерная субволновая структура поверхности (наложенные голографические вилочные решетки). ( B и C ) Иллюстрация голографического метода изготовления вилочных решеток. Связанная интерференция между вертикально падающим x-pol. (B) или y-pol. (C) Режим OAM и x-pol. (B) или y-pol. (C) TE ₀ направленный в плоскости режим формирует решетку вилки поверх кремниевого волновода с направлением раскрытия вилки вдоль x (B) или y (C).( D от до F ) Наложенные голографические вилочные решетки G ( x , y ) (D), образованные наложением двух вилочных решеток G ₁ ( x , y ) с направлением раскрытия вилки вдоль x (E) и G ₂ ( x , y ) с направлением раскрытия вилки вдоль y (F). (D) — (F) соответствуют (A) — (C) соответственно. ( G — J ) Совмещенные голографические вилочные решетки для генерации широкополосного поляризационного разнесения x-pol.OAM ₊₁ (G), x-pol. OAM ₋₁ (H), y-pol. OAM ₊₁ (I) и y-pol. OAM ₋₁ (J) при различных условиях инцидента −y-input x-pol. (G), y-вход x-pol. (H), −x-вход y-pol. (I) и x-input y-pol. (J) TE ₀ плоский волноводный режим. x-Pol., x-поляризация; y-Pol., y-поляризация.

Целевая мода OAM, имеющая трехмерную спиральную фазовую структуру (например, y-pol. OAM ₊₁ на фиг. 1C), падает вертикально на поверхность волновода.Между тем, существует также направленная в плоскости мода (например, y-pol. TE ₀ в направлении x ), распространяющаяся слева направо в волноводе (рис. 1C). Целевой режим OAM и управляемый в плоскости режим выражаются как EOAM = Aexp (iℓθ) (1) Ewaveguide = Bexp (ikx) (2), где A и B — амплитуды целевой моды OAM и входного сигнала. самолетный управляемый режим соответственно. — топологический заряд или порядок режима OAM (ℓ = +1 на рис. 1C), а θ — азимутальный угол. k — постоянная распространения моды кремниевого волновода. Азимутальный угол θ в полярных координатах связан с декартовыми координатами соотношением tanθ = y / x . Связанная интерференция между вертикально падающей модой OAM и направленной модой в плоскости формирует вилочную решетку (направление раскрытия вилки: y ) наверху кремниевого волновода ( z = 0) (рис. 1C). Распределение вилочной решетки записывается в виде Голограммы = ∣EOAM + Ewaveguide∣2 = ∣Aexp (iℓθ) + Bexp (ikx) ∣2 = A2 + B2 + ABexp (−iℓθ) ⋅exp (ikx) + ABexp (iℓθ) exp (−ikx) = A2 + B2 + 2ABcos (kx − ℓθ) (3) Вилочная решетка переносится на кремниевый волновод.Решетка амплитуды в уравнении. 3 преобразуется в двоичную фазовую голограмму на основе существующей технологии изготовления, выраженной как голограмма, двоичная фаза = T⋅exp {i [A2 + B2 + 2AB⋅binary (cos (kx − ℓθ))]} (4) где T обозначает передачу коэффициент бинарной фазовой голограммы. Двоичный (cos (kx − ℓθ)) = {1, −π / 2 + 2nπ≤kx − ℓθ <π / 2 + 2nπ − 1, π / 2 + 2nπ≤kx − ℓθ <3π / 2 + 2nπ, n = 0, ± 1, ± 2,….

Периодическая функция уравнения. 4 можно разложить в ряд Фурье, записанный как голограмма, бифаза = ∑m = −∞m = ∞Fmexp [im (kx − ℓθ)] (5) где F0 = T⋅exp [i (A2 + B2)] ⋅cos (2AB) (6 ) Fm = {2T⋅ (−1) m − 12 / (mπ) ⋅iexp [i (A2 + B2)] ⋅sin (2AB), m — нечетное число0, m — четное число (7) где A ² + B ² — задержка фазы смещения, а 2 AB — амплитуда фазовой модуляции.

Когда двоичная фазовая голограмма освещается той же самой направленной модой в плоскости (например, y-pol. TE ₀ вдоль направления x ), распространяющейся слева направо в волноводе [ E _слева = B exp ( ikx )], поле вывода ( E _out1 = E _left ⋅ Hologram _biphase ) содержит член вида EOAM1y-pol = −C exp (iℓθ) ( 8) где C = T ⋅ exp [ i ( A ² + B ² )] ⋅ (2 / π) ⋅ sin (2 AB ).EOAM1y-pol, независимый от kx , представляет луч OAM с вертикальным излучением. При наблюдении члена выходного поля EOAM1y-pol над кремниевым волноводом значение топологического заряда луча OAM меняется на противоположное [exp ( i θ) → exp (- i θ)] (например, y-pol. OAM _-1 ).

Когда двоичная фазовая голограмма освещается противоположной направленной модой в плоскости (например, y-pol. TE ₀ вдоль направления — x ), распространяющейся справа налево в волноводе [ E _справа = B exp (- ikx )], благодаря аналогичному принципу голографии, выходное поле ( E _out2 = E _right ⋅ Голограмма _{двухфазная} ) содержит член формы EOAM2y -pol = C exp (−iℓθ) (9)

EOAM2y-pol также представляет луч OAM.Обратите внимание, что при наблюдении члена выходного поля EOAM2y-pol над кремниевым волноводом значение топологического заряда луча OAM меняется на противоположное [exp (- i ℓθ) → exp ( i θ)] (например, y- pol. OAM ₊₁ ). Следовательно, выходной луч OAM имеет противоположное значение топологического заряда (-, ℓ) для падающего света слева направо и справа налево.

Аналогично, для другой решетки вилки (направление раскрытия вилки: x ), образованной сопряженной интерференцией между падающей вертикально модой OAM (например,г. , x-pol. OAM ₊₁ ) и направленная в плоскости мода (например, x-pol. TE ₀ вдоль направления y ), распространяющаяся снизу вверх в волноводе (рис. 1B), x-pol. OAM ₋₁ и x-pol. OAM ₊₁ с вертикальным излучением может быть достигнуто при освещении падающим светом снизу вверх и сверху вниз.

Наложенные голографические вилочные решетки [ G ( x , y )] поверх кремниевого волновода затем формируются наложением двух вилочных решеток [ G ₁ ( x , y ) и G ₂ ( x , y )] с направлением раскрытия вилки вдоль x и y соответственно (рис.1, D — F). Следовательно, реализуется генератор OAM с поляризационным разнесением (x-pol. OAM ₊₁ , x-pol. OAM ₋₁ , y-pol. OAM ₊₁ , y-pol. OAM ₋₁ ). при использовании наложенных голографических вилочных решеток поверх кремниевого волновода при различных условиях падения: -y-input x-pol. , y-input x-pol., −x-input y-pol. и x-input y-pol. . TE ₀ в режиме наведения в плоскости (рис. 1, G — J).

Проектирование и моделирование

При проектировании структуры область связанной интерференции разделена на множество пикселей (размер пикселя: 100 нм × 100 нм), причем каждый пиксель установлен на значение г ( x , y ).Простая двоичная функция g ( x , y ) рассматривается в соответствии с двоичной фазовой голограммой в уравнении. 4. Два значения фазы каждого пикселя в двоичной фазовой голограмме отображаются на Si и SiO ₂ соответственно. Следовательно, полученная бинарная фазовая голограмма переносится на субволновую поверхностную структуру поверх кремниевого волновода. Амплитуда фазовой модуляции в бинарной фазовой голограмме зависит от глубины травления кремниевого волновода.

Чтобы обеспечить теоретическую основу для изготовления устройства, мы проверяем разработанный генератор OAM с помощью численного моделирования на основе метода трехмерных конечных разностей во временной области (3D-FDTD). Поле в дальней зоне рассчитывается по скалярной теории дифракции. Геометрия наложенной области голографической вилочной решетки представляет собой квадрат длиной х (такая же, как ширина волновода). Кремний в области решетки протравлен на глубину h и покрыт верхней оболочкой SiO ₂ .Мы моделируем разработанный генератор OAM и оцениваем чистоту и эффективность рассеяния (см. Материалы и методы) генерируемых режимов OAM с поляризационным разнесением. Отметим, что чистота и эффективность рассеяния генерируемых мод OAM зависят от геометрических параметров (например, длины l области решетки и глубины травления h ). Правильная оптимизация геометрических параметров может позволить создать высококачественный генератор OAM в масштабе кристалла.

Для обеспечения точности расчета исследуем чистоту (y-pol.OAM ₊₁ в качестве одного примера) в зависимости от размера ячейки, используемой в моделировании 3D-FDTD. Как показано на фиг. 2A, можно видеть, что расчетная чистота становится почти постоянной, если размер ячейки меньше 70 нм. При моделировании мы используем еще меньший размер ячейки 40 нм. Следовательно, считается, что точность результатов моделирования может быть гарантирована.

( A ) Чистота (y-pol.OAM ₊₁ ) по сравнению с размером ячейки, используемым в моделировании 3D-FDTD (длина l : 3,6 мкм; глубина h : 60 нм). ( B ) Зависимость чистоты поляризационного разнесения OAM-мод от длины l области решетки (глубина h : 60 нм). ( C ) Чистота режимов OAM с поляризационным разнесением в зависимости от глубины h (длина l : 3,6 мкм). ( D ) Чистота мод OAM с поляризационным разнесением в зависимости от длины волны (длина l : 3.6 мкм; глубина ч : 60 нм). ( E ) Эффективность рассеяния (y-pol. OAM ₊₁ ) без отражателя и с отражателем в зависимости от глубины h (длина l : 3,6 мкм). ( F ) Эффективность рассеяния (y-pol. OAM ₊₁ ) без отражателя и с отражателем в зависимости от толщины подложки SiO ₂ (длина l : 3,6 мкм; глубина h : 120 нм). ( G ) Эффективность пропускания / отражения в зависимости от глубины h (длина l : 3.6 мкм). ( H ) Центральная длина волны в зависимости от глубины h (длина l : 3,6 мкм). ( I ) Эффективность рассеяния в зависимости от длины волны на двух глубинах: 100 и 120 нм (длина l : 3,6 мкм).

Мы изучаем чистоту сгенерированных мод OAM с поляризационным разнесением (x-pol. OAM ₊₁ , x-pol. OAM ₋₁ , y-pol. OAM ₊₁ , y-pol. OAM ₋₁ ) в зависимости от длины l области решетки (от 2 до 10 мкм).Глубина травления 60 нм. Как показано на фиг. 2B, средняя чистота показывает максимальное значение 0,91, когда -1 = 3,6 мкм, что выбирается в качестве оптимизированного геометрического параметра для изготовления устройства. Минимальная средняя чистота ~ 0,83 (длина l : 2 мкм). При длине l 10 мкм средняя чистота составляет ~ 0,84. Для l = 3,6 мкм чистота x-pol. OAM ₊₁ , x-pol. OAM ₋₁ , y-pol. OAM ₊₁ и y-pol. OAM _-1 равно 0.908, 0,901, 0,915 и 0,914 соответственно. Они также соответствуют максимальной чистоте каждой моды OAM при изменении длины l области решетки от 2 до 10 мкм. Кратко это явление можно объяснить следующим образом. Согласно теории голографического метода в формуле. 4, область голографической вилочной решетки зависит от постоянной k распространения кремниевой волноводной моды. Обратите внимание, что постоянная распространения k кремниевой волноводной моды связана с эффективным показателем преломления моды, который зависит от геометрического параметра (например,г., длина области решетки l ). Для данной конструкции вилочной решетки может существовать оптимальная длина -1 области решетки, хорошо подходящая к разработанной решетке и обеспечивающая максимальную чистоту генерируемых мод OAM.

Мы изучаем чистоту сгенерированных мод OAM с поляризационным разнесением (x-pol. OAM ₊₁ , x-pol. OAM ₋₁ , y-pol. OAM ₊₁ , y-pol. OAM ₋₁ ) как функция глубины h . Длина л, 3.6 мкм. Как показано на фиг. 2C, чистота незначительно изменяется, если глубина h меньше 120 нм. Когда глубина h больше 120 нм, чистота падает с увеличением глубины h .

Мы изучаем чистоту генерируемых мод OAM поляризационного разнесения (x-pol. OAM ₊₁ , x-pol. OAM ₋₁ , y-pol. OAM ₊₁ , y-pol. OAM ₋₁ ) в зависимости от длины волны. Длина l составляет 3,6 мкм, а глубина h составляет 60 нм.Разработанный генератор OAM с поляризационным разнесением в масштабе кристалла, основанный на субволновой структуре поверхности, демонстрирует широкополосные свойства. Как показано на фиг. 2D, максимальная чистота x-pol. OAM ₊₁ режим 0,91. При длине волны от 1507 до 1621 нм чистота x-pol. Режим OAM ₊₁ больше 0,9. Для x-pol. OAM ₋₁ , максимальная чистота 0,89. При изменении длины волны с 1525 на 1616 нм чистота x-pol. Режим OAM _-1 больше 0.88. Для y-pol. OAM _{+1 режим} , максимальная чистота 0,92. В диапазоне длин волн от 1500 до 1612 нм чистота y-pol. Режим OAM ₊₁ больше 0,9. Для y-pol. Режим OAM _-1 , максимальная чистота 0,92. В диапазоне длин волн от 1500 до 1610 нм чистота y-pol. Режим OAM _-1 больше 0,9. Следовательно, разработанный генератор OAM с поляризационным разнесением имеет полосу пропускания 114 нм (чистота:> 90%) для x-pol. OAM ₊₁ , 91 нм (чистота:> 88%) для x-pol.OAM _-1 , 112 нм (чистота:> 90%) для y-pol. OAM ₊₁ и 110 нм (чистота:> 90%) для y-pol. ОАМ _-1 .

Мы изучаем эффективность рассеяния генерируемой моды OAM (y-pol. OAM ₊₁ в качестве одного примера) как функцию глубины h . Длина l составляет 3,6 мкм. Как показано на фиг. 2E, можно видеть, что максимальная эффективность рассеяния составляет около 22,3%. При глубине травления 100 и 120 нм расчетная эффективность рассеяния составляет около 19.8 и 22,0% соответственно. Поскольку часть света излучается вниз, которая проникает в подложку и вызывает потери, одним из возможных способов повышения эффективности рассеяния является добавление отражающего слоя ( 39 ). Мы моделируем улучшенную конструкцию, добавляя тонкую пленку золота под подложку SiO ₂ . Толщина золотой пленки 100 нм. Как показано на фиг. 2E, за счет добавления отражателя из золотой пленки достигается максимальная эффективность рассеяния y-pol. OAM ₊₁ составляет около 43%, что почти вдвое превышает эффективность без отражающего слоя.Вставки на фиг. 2E также иллюстрируют трехмерную структуру и вид в разрезе устройства без отражающего слоя и с ним. Следовательно, добавление отражающего слоя могло бы быть эффективным способом повышения эффективности рассеяния генерируемых режимов OAM.

При добавлении отражателя из золотой пленки под подложку SiO ₂ для увеличения эффективности рассеяния выходная мода OAM состоит из двух частей, одна из которых напрямую связана с направленной модой в плоскости, а другая — с отраженной волной. отражатель.Эффективность решетки зависит от толщины подложки SiO ₂ из-за деструктивной и конструктивной интерференции между отраженной волной и непосредственно связанной волной. Собственно, отраженная волна существует и без отражателя из золотой пленки. Мы изучаем эффективность рассеяния генерируемой моды OAM (y-pol. OAM ₊₁ в качестве одного примера) в зависимости от толщины подложки SiO ₂ . Длина l составляет 3,6 мкм, а глубина h составляет 60 нм.Для сравнения рассматриваются конструкции без отражателя из золотой пленки и с ним. Как показано на фиг. 2F, независимо от того, добавлен отражатель или нет, эффективность рассеяния периодически зависит от толщины SiO ₂ и достигает максимума при толщине SiO ₂ около 2,05 мкм. Для пластины кремний-на-изоляторе, используемой при изготовлении устройства с SiO ₂ толщиной 2 мкм, отраженная волна и непосредственно связанная волна имеют почти одинаковую фазу (примерно кратную 2π), что приводит к почти конструктивной интерференции (in- фаза) и режим максимальной выходной мощности OAM.Из рис. 2F видно, что добавление отражателя из золотой пленки может эффективно увеличить эффективность рассеяния при генерации режима OAM.

Мы также моделируем проходящий свет через область решетки в зависимости от глубины h . Длина l составляет 3,6 мкм. Как показано на фиг. 2G, передаваемая мощность через область решетки уменьшается с увеличением глубины травления. Следовательно, относительно большая глубина способствует меньшему пропусканию света через область решетки.Кроме того, отраженный свет областью вилочной решетки также моделируется, как показано на рис. 2G.

Изучаем зависимость центральной длины волны от глубины h . Длина l составляет 3,6 мкм. Здесь центральная длина волны означает длину волны, на которой падающая в плоскости направленная мода имеет свою постоянную распространения k, связанный с член [например, exp ( ikx ) или exp (- ikx )], полностью нейтрализованный вилочной решеткой. (вертикальное излучение сгенерированного режима OAM).Для данной конструкции вилочной решетки (оптимизированной для определенной глубины h ) при изменении глубины h также изменяется эффективный показатель направленной моды в плоскости, а значит, изменяется и центральная длина волны. Как показано на фиг. 2H, центральная длина волны решетки составляет 1550 нм, когда глубина h составляет 120 нм. Из рис. 2H видно, что центральная длина волны уменьшается с увеличением глубины h . Хотя центральная длина волны зависит от глубины h , для изготовленного устройства с заданной глубиной h широкополосные свойства с точки зрения эффективности рассеяния и чистоты все еще достижимы.

Мы также изучаем эффективность рассеяния (y-pol. OAM ₊₁ в качестве одного примера) в зависимости от длины волны на двух глубинах: 100 и 120 нм. Длина l составляет 3,6 мкм. Как показано на рис. 2I, можно увидеть широкополосную генерацию режима OAM с хорошей эффективностью рассеяния. При изменении длины волны от 1500 до 1630 нм эффективность рассеяния незначительно изменяется от -6,7 до -9,9 дБ для глубины h = 100 нм и от -6 до -10 дБ для глубины h = 120 нм.На основе подробных результатов моделирования, показанных на рис.2, можно увидеть, что существуют оптимизированные геометрические параметры (длина l : 3,6 мкм; глубина h : от 100 до 130 нм) для достижения относительно высокой чистоты и эффективности рассеяния. .

На рисунке 3 (от A до D) показаны подробные результаты моделирования для генерации четырех режимов OAM с поляризационным разнесением (x-pol. OAM ₊₁ , x-pol. OAM ₋₁ , y-pol. OAM _{+ 1} , y-pol. OAM _-1 ) без отражателя в оптическом диапазоне связи (C-диапазоне) соответственно.Первый, второй и третий столбцы на рис. 3 (от A до D) соответствуют профилю интенсивности (квадрат амплитуды), фазовому распределению и интерферограмме, соответственно. Интерферограмма получается посредством интерференции между сгенерированной модой OAM и опорным гауссовым лучом с той же поляризацией. Видно пончиковый профиль интенсивности и спиральное фазовое распределение для сгенерированных мод OAM. Также можно подтвердить порядок (величину и знак) генерируемых мод OAM по количеству скручиваний и направлению закрутки на интерферограммах.Результаты моделирования профиля интенсивности, фазового распределения и интерферограммы с почти идентичными характеристиками в C-диапазоне согласуются с широкополосным свойством, как показано на рис. 2D.

( A – D ) Профиль интенсивности, фазовое распределение и интерферограмма сгенерированных мод OAM с поляризационным разнесением без отражателя в C-диапазоне (1530–1565 нм).( E — H ) Распределение электрического поля (амплитуда составляющих электрического поля) вдоль волновода (от области волновода к области решетки) и на разной высоте области решетки ( z = 0,1, 0,2, 0,3, 0,4 , 0,5 мкм, дальнее поле) без отражателя. (A и E) x-pol. ОАМ ₊₁ . (B и F) x-pol. ОАМ _-1 . (C и G) y-pol. ОАМ ₊₁ . (D и H) y-pol. ОАМ _-1 . ( I до L ) Профиль интенсивности, фазовое распределение и интерферограмма генерируемых мод OAM с поляризационным разнесением с отражателем на 1550 нм.(I) x-pol. ОАМ ₊₁ . (J) x-pol. ОАМ _-1 . (К) у-пол. ОАМ ₊₁ . (L) y-pol. ОАМ _-1 . (От A до L) Длина l : 3,6 мкм. (От A до D) Глубина h : 60 нм. (От E до H) Глубина h : 100 нм. (От I до L) Глубина h : 120 нм.

Чтобы отобразить процесс эволюции направленного режима в плоскости в режим OAM вне плоскости, мы используем метод 3D-FDTD для моделирования распределения электрического поля вдоль волновода и на разной высоте области вилочной решетки ( z = 0, дно кремниевого слоя) без отражателя.Смоделированные распределения амплитуд компонентов электрического поля показаны на рис. 3 (от E до H). Реальные распределения компонент электрического поля показаны на рис. S1. Как показано на рис. 3 (от E до H), можно увидеть, как падающая в плоскости направленная мода постепенно эволюционирует при распространении от области бегущего волновода к области наложенной голографической вилочной решетки и, в конечном итоге, излучается из области решетки и становится наружной. плоский режим OAM в свободном пространстве с кольцевидным распределением амплитуды в дальней зоне.Из рисунка 3 также видно, что генерация режима OAM с поляризационным разнесением (x-pol. OAM ₊₁ , x-pol. OAM ₋₁ , y-pol. OAM ₊₁ , y-pol. OAM ₋₁ ) реализуется при различных условиях инцидента.

Мы также используем метод 3D-FDTD для моделирования генерации режимов OAM с поляризационным разнесением при добавлении к конструкции отражателя из золотой пленки. Как показано на рис.3 (с I по L), можно увидеть успешную генерацию режимов OAM с поляризационным разнесением (x-pol.OAM ₊₁ , x-pol. OAM ₋₁ , y-pol. OAM ₊₁ , y-pol. OAM ₋₁ ) с отражателем. По сравнению с смоделированными профилем интенсивности, фазовым распределением и интерферограммой для генерации режимов OAM с поляризационным разнесением без отражателя (рис. 3, A – D), можно увидеть аналогичное качество режима сгенерированных режимов OAM с поляризационным разнесением с незначительным ухудшением производительности при добавлении отражатель с золотой пленкой к конструкции. Таким образом, волна, отраженная отражателем из золотой пленки, не нарушает целостность пространственной структуры выходного режима OAM, что выгодно благодаря параллельной структуре слоя кремния, подложки SiO ₂ и отражателя из золотой пленки.Выходной режим OAM состоит из двух частей: непосредственно связанной волны и отраженной волны. Отраженная волна имеет относительную задержку по сравнению с непосредственно связанной волной. Относительная задержка может быть выражена как Δ t = 2 n _SiO2 d / c , где n _SiO2 и d — показатель преломления и толщина (2 мкм) SiO ₂ субстрат соответственно, а c — скорость света в вакууме.Относительная задержка Δ t оценивается в ~ 19,2 фс. При модуляции сигнала данных на падающий в плоскости направляемый режим расчетная относительная задержка Δ t = ~ 19,2 фс между отраженной волной и непосредственно связанной волной пренебрежимо мала и намного меньше, чем период символа широко используемого сигнала скорости передачи данных, такого как 10 Гбит / с (100 пс), 40 Гбит / с (25 пс) и даже 100 Гбит / с (10 пс). В результате относительно задержанная отраженная волна оказывает незначительное влияние на качество сигнала даже для практических приложений оптической связи, несущих сигнал данных.

Изготовление устройства

На основе конструкции, теории и результатов моделирования мы изготавливаем генератор OAM с поляризационным разнесением в масштабе кристалла на кремниевой платформе с различными геометрическими параметрами устройства (длина l : 2,4, 3,6, 5 , и 10 мкм; глубина h : 60, 100 и 120 нм). Подробности процесса изготовления устройства показаны на рис. S2. На рис. 4 (от A до D) показаны изображения, полученные с помощью оптического микроскопа и сканирующей электронной микроскопии (SEM), изготовленного кремниевого генератора OAM (длина -1: 3.6 мкм; глубина ч : 60 нм). На фиг. 4A показана схема наложенных друг на друга голографических решеток вилочного типа, соединенных четырьмя адиабатическими конусами для генерации OAM с поляризационным разнесением. На рис. 4В показано СЭМ-изображение наложенной области голографической вилочной решетки, которая имеет сверхкомпактную площадь 3,6 × 3,6 мкм ² . Видна двумерная субволновая поверхностная структура, сформированная поверх кремниевого волновода. На рис. 4C показано изображение устройства, измеренное оптическим микроскопом.Никакой свет не испускается из устройства без попадания в режим управления в плоскости. Для сравнения, измеренный вид ближнего поля для генерации y-pol. OAM _-1 показан на фиг. 4D с частотой направленного режима в плоскости. Можно наблюдать яркое пятно в области решетки, которое представляет собой распределение ближнего поля излучаемой моды OAM из области центральной вилочной решетки. На рис. 4 (с E по H) показаны полученные в оптическом микроскопе изображения изготовленных кремниевых ОАМ-генераторов с различной длиной области решетки l (длина l : 2.4, 3,6, 5 и 10 мкм; глубина ч : 100 нм).

( A ) Измеренное с помощью оптического микроскопа изображение расположения наложенных друг на друга голографических решеток вилок, соединенных четырьмя адиабатическими конусами. ( B ) Измеренное СЭМ-изображение области наложенной голографической вилочной решетки. ( C ) Изображение устройства, полученное с помощью оптического микроскопа, без учета режима наведения в плоскости.( D ) Измеренный вид в ближнем поле (яркое пятно из центральной области решетки) для генерации y-pol. OAM ₋₁ с распространением режима направленного излучения в плоскости. ( E — H ) Измеренные в оптическом микроскопе изображения изготовленных устройств с различной длиной области решетки: 2,4 мкм (E), 3,6 мкм (F), 5 мкм (G) и 10 мкм (H). ( I ) Экспериментальная установка. ПК, контроллер поляризации; VOA, регулируемый оптический аттенюатор; Коллиматор, коллиматор; Pol., Поляризатор; HWP, полуволновая пластина; БС, светоделитель.( J ) Измеренные профили интенсивности и интерферограммы в дальней зоне для широкополосной генерации мод OAM с поляризационным разнесением (x-pol. OAM ₊₁ , x-pol. OAM ₋₁ , y-pol. OAM _{+ 1} , y-pol. OAM ₋₁ ) в C-диапазоне. ( K ) Измеренные профили интенсивности x-pol в дальней зоне. OAM ₊₁ (1550 нм) и y-pol. OAM ₊₁ (1500, 1550, 1600, 1630 нм) после вращающегося поляризатора (90 °, 45 °, 0 °).

Экспериментальная реализация

В эксперименте перестраиваемый лазерный источник непрерывного действия используется для сканирования изготовленного устройства, работающего на различных длинах волн.На рисунке 4I показана экспериментальная установка для определения характеристик изготовленного на кремниевой платформе генератора широкополосного поляризационного разнесения с разнесением поляризации. Выходной сигнал лазера делится на две ветви с помощью ответвителя на 3 дБ. Одна ветвь с ее поляризацией, управляемой контроллером поляризации (ПК), используется для возбуждения плоской моды TE ₀ , направляемой в изготовленном кремниевом генераторе OAM (микросхема OAM) в масштабе кристалла через линзовое волокно (концевое соединение). Направленная в плоскости мода TE ₀ в кремниевом волноводе выводится субволновой поверхностной структурой (наложенными голографическими вилочными решетками) в свободное пространство и преобразуется в режим OAM с поляризационным разнесением (x-pol.OAM ₊₁ , x-pol. OAM ₋₁ , y-pol. OAM ₊₁ , y-pol. OAM ₋₁ ), коллимированный линзой объектива. Другой объектив используется для регулировки размера луча. Другая ветвь служит опорным гауссовым пучком. Мощность и поляризация опорного гауссова пучка корректируются с использованием ПК, переменный оптический аттенюатор (VOA), коллиматор, поляризатор и полуволновая пластина (ВПТ). Сгенерированный режим OAM с поляризационным разнесением и опорный гауссов луч с той же поляризацией, надлежащей относительной мощностью и размером луча объединяются через делитель луча для создания интерферограммы.Диапазон перестройки длины волны лазера от 1500 до 1630 нм. Диапазон настройки затухания VOA составляет от 2 до 60 дБ. Мы используем камеру для отслеживания профилей интенсивности генерируемых мод OAM и соответствующих им интерферограмм.

Мы демонстрируем создание режимов OAM с широкополосным поляризационным разнесением с использованием изготовленного устройства. На рис. 4J показаны результаты измерений (профиль интенсивности и интерферограмма) для генерации x-pol. OAM ₊₁ , x-pol. OAM ₋₁ , y-pol.OAM ₊₁ и y-pol. OAM _-1 в C-диапазоне (от 1530 до 1565 нм). Порядок (величину и знак) генерируемых мод OAM можно подтвердить по количеству скручиваний и направлению закрутки интерферограмм. Чтобы проверить генерацию x-pol. и y-pol. В режимах OAM мы вставляем перед камерой поляризатор (на рис. 4J не показан). На рисунке 4K показаны профили измеренной интенсивности при повороте поляризатора на 90 ° (вертикальное), 45 ° и 0 ° (горизонтальное). Сгенерированный x-pol. OAM ₊₁ подтверждается наблюдаемым постепенным увеличением мощности от минимума до максимума.Точно так же можно проверить генерацию y-pol. OAM ₊₁ с его изменением мощности после поворота поляризатора от максимального к минимальному. Помимо диапазона C (от 1530 до 1565 нм), мы также демонстрируем сверхширокополосную генерацию режима OAM от 1500 до 1630 нм с широким диапазоном длин волн 130 нм (ограниченным доступным лазерным источником, используемым в эксперименте), как показано на рис. 4K.

Охарактеризуем качество режима и эффективность в эксперименте. Для сгенерированной моды OAM, имеющей отчетливую спиральную фазовую структуру, здесь мы уделяем больше внимания оценке чистоты фазы.Нам нужно получить фазовый профиль сгенерированной моды OAM, чтобы измерить фазовую чистоту. Обратите внимание, что фазовый профиль нельзя было непосредственно наблюдать. Вместо этого мы можем использовать метод преобразования Фурье ( 40 ) (см. Материалы и методы), чтобы восстановить фазовый профиль сгенерированной моды OAM путем измерения интерферограммы наклона с полосой интерференции вилки. Взяв широкополосное (от 1500 до 1630 нм) поколение y-pol. OAM ₊₁ в качестве одного примера, как показано на рис. 5A, в первом столбце показаны измеренные профили интенсивности на 1500, 1550, 1600 и 1630 нм, из которых можно увидеть форму пончика с нулевой интенсивностью в центре луча. из-за фазовой особенности.Во втором столбце показаны измеренные коллинеарные интерферограммы (коллинеарная интерференция между режимом OAM и опорным гауссовым лучом), по которым можно подтвердить успешное генерирование y-pol. OAM ₊₁ с хорошими характеристиками (четкое количество скручиваний и направление скручивания) в широком диапазоне длин волн от 1500 до 1630 нм. В третьем столбце показаны измеренные интерферограммы наклона (интерференция наклона между режимом OAM и опорным гауссовым лучом), которые имеют вилочную структуру в центре луча.Четвертый столбец показывает реконструкцию фазы по измеренным интерферограммам наклона с использованием метода преобразования Фурье. После сферической коррекции (см. Материалы и методы) можно увидеть спиральную фазовую структуру с азимутальным изменением фазы от 0 до 2π, что указывает на генерацию моды OAM ₊₁ . На Фигуре 5B показана измеренная чистота фазы образовавшегося y-pol. OAM ₊₁ в зависимости от длины волны от 1500 до 1630 нм. Измеренные максимальная и минимальная чистота фазы составляет около 0.90 при 1620 нм и 0,85 при 1500 нм соответственно. Широкополосная генерация режима OAM с высокой чистотой в широком диапазоне длин волн от 1500 до 1630 нм в эксперименте хорошо согласуется с теорией, как показано на рис. 2D. Устройство, показанное на рис. 5 (A и B), имеет длину области решетки 3,6 мкм и глубину 60 нм. В эксперименте мы также измеряем фазовую чистоту генерируемой моды OAM (y-pol. OAM ₊₁ в качестве одного примера) от изготовленных устройств с различной длиной области решетки 2.4, 3,6, 5 и 10 мкм и различной глубиной травления 100 и 200 нм. Как показано на фиг. 5C, можно увидеть небольшое изменение измеренной чистоты фазы при изменении длины области решетки с 2,4 до 10 мкм. Оптимальная чистота фазы наблюдается при длине области решетки 3,6 мкм. На рисунке 5D показана измеренная эффективность рассеяния (y-pol. OAM ₊₁ ) с использованием устройств с разной глубиной 100 и 120 нм. Для устройства с глубиной 100 нм измеренная эффективность составляет -8.27 дБ на 1550 нм. Для устройства с глубиной 120 нм измеренная эффективность составляет -8,21 дБ на длине волны 1550 нм. Экспериментальные результаты, показанные на рис. 5 (C и D), хорошо согласуются с результатами моделирования, показанными на рис. 2 (B и H). Мы получаем аналогичные тенденции в экспериментах для зависящей от длины чистоты и эффективности, зависящей от длины волны, по сравнению с моделями. Мы также демонстрируем широкополосную генерацию режима OAM. Относительно более низкая эффективность, измеренная в экспериментах, по сравнению с результатами моделирования, может быть связана с потерями при распространении в волноводе и дефектами устройства, вызванными в процессе изготовления.Дальнейшая оптимизация технологии изготовления может дополнительно повысить эффективность генератора OAM с поляризационным разнесением.

( A ) Измеренные профили интенсивности в дальней зоне, коллинеарные интерферограммы, интерферограммы наклона и реконструированные фазовые структуры сгенерированного y-pol. OAM ₊₁ на 1500, 1550, 1600 и 1630 нм.( B ) Измеренная фазовая чистота генерируемого y-pol. OAM ₊₁ в зависимости от длины волны (от 1500 до 1630 нм). ( C ) Измеренная фазовая чистота генерируемого y-pol. OAM ₊₁ в зависимости от длины l области решетки с двумя глубинами 100 и 120 нм. ( D ) Измеренная эффективность рассеяния генерируемого y-pol. OAM ₊₁ в зависимости от длины волны с двумя глубинами: 100 и 120 нм.

Чистота фазы показывает только качество сгенерированного режима OAM.Чтобы показать их влияние друг на друга, мы дополнительно охарактеризуем матрицу перекрестных помех и накопленные перекрестные помехи (см. Материалы и методы) для генерации режимов поляризационного разнесения OAM (x-pol. OAM ₊₁ , x-pol. OAM ₋₁ , y-pol. OAM ₊₁ , y-pol. OAM ₋₁ ). Мы обновляем экспериментальную конфигурацию при измерении матрицы перекрестных помех и накопленных перекрестных помех. Как показано на фиг. 6A, сгенерированная мода OAM с поляризационным разнесением излучается вертикально в свободное пространство и коллимируется линзой объектива.После этого мы используем комбинацию поляризатора и SLM для демодуляции режимов OAM с поляризационным разнесением (x-pol. OAM ₊₁ , x-pol. OAM ₋₁ , y-pol. OAM ₊₁ , y-pol. OAM ₋₁ ). Мы помещаем HWP между поляризатором и SLM, чтобы настроить состояние поляризации после того, как поляризатор выровнялся по рабочему направлению чувствительного к поляризации SLM. Мы используем линзу между HWP и SLM, чтобы соответствующим образом отрегулировать размер луча, проецируемого на SLM. Поляризатор определяет состояние поляризации сформированной моды OAM.Два вида фазовых комбинаций загружаются в SLM для обнаружения режима OAM ₊₁ или OAM _-1 . После SLM мы используем перевернутое зеркало для переключения оптического пути либо на камеру, либо на измеритель оптической мощности. Мы используем коллиматор, чтобы соединить демодулированный гауссовидный луч в отрезок волокна, подключенный к измерителю мощности. Камера отслеживает распределение интенсивности для демодуляции режимов OAM с поляризационным разнесением, а измеритель мощности записывает значения демодулированной мощности для измерения матрицы перекрестных помех.Как показано на рис. 6A, у нас есть четыре входных порта, каждый из которых соответствует генерации одного желаемого режима OAM. Для обнаружения поляризатор устанавливается в двух направлениях (x- или y-поляризация) для обнаружения x-pol. или y-pol., в то время как SLM загружается с двумя фазовыми комбинациями для обнаружения OAM ₊₁ или OAM _-1 . Следовательно, комбинированный поляризатор и SLM дают четыре выхода за счет настройки поляризатора и SLM. При падающем свете на каждый входной порт камера контролирует четыре изображения распределения выходной интенсивности, а измеритель мощности регистрирует четыре изображения выходной мощности; следовательно, мы получаем матрицу распределения интенсивности 4 × 4 и матрицу перекрестных помех 4 × 4.На рисунке 6B показана измеренная матрица распределения интенсивности 4 × 4. Смоделированная матрица распределения интенсивности 4 × 4 показана на рис. S3. Результаты экспериментов хорошо согласуются с теоретическими. Диагональные элементы (1,1), (2,2), (3,3) и (4,4) в матрице соответствуют правильному обнаружению как состояния поляризации, так и состояния OAM. Обратите внимание, что правильное обнаружение состояния OAM путем загрузки инверсной фазовой диаграммы в SLM преобразует спиральный фазовый фронт обратно в плоский фазовый фронт и дает яркое пятно в центре пучка (гауссовы пучки с центральным пятном, показанным на диагонали). матрицы 4 × 4).Напротив, когда режим OAM не обнаруживается с использованием правильной фазовой диаграммы (недиагональные элементы в матрице 4 × 4), после SLM это все еще режим OAM, но с обновленным значением заряда и распределением интенсивности в форме пончика. Например, недиагональные элементы (2,1) и (1,2) на самом деле являются профилями интенсивности обновленных режимов OAM для OAM ₋₂ (OAM ₋₁ обнаружено по фазовой диаграмме заряда −1) и OAM ₊₂ (OAM ₊₁ обнаружен по диаграмме фазы заряда +1).Обновленные режимы OAM показывают распределение интенсивности в форме пончика с нулевой интенсивностью в центре луча. Диагональные элементы имеют центральные пятна, а недиагональные элементы имеют нулевую интенсивность в центре. При использовании отрезка волокна (рис. 6A) для пространственной фильтрации (красные пунктирные кружки на рис. 6B) диагональные элементы с центральными пятнами могут быть соединены в волокно для измерения мощности, в то время как недиагональные элементы с нулевой интенсивностью в центре будет заблокирован волокном ( 12 ).На рис. 6 (C и D) показана записанная матрица перекрестных помех 4 × 4, которая может оценивать влияние друг на друга для генерации режимов OAM с поляризационным разнесением. Суммируя все шумы, т. Е. Все нежелательные каналы включены одновременно, можно в конечном итоге получить реальную накопленную перекрестную помеху из измеренной матрицы перекрестных помех 4 × 4. Как показано на рисунке 6E, для генерации режимов OAM с поляризационным разнесением измеренные реальные накопленные перекрестные помехи составляют приблизительно -9,46 дБ для x-pol.OAM ₊₁ , −9,41 дБ для x-pol. OAM ₋₁ , −8,84 дБ для y-pol. OAM ₊₁ и -9,01 дБ для y-pol. ОАМ _-1 . Из рисунка 6 видно, что в эксперименте по генерации режимов OAM с поляризационным разнесением достигаются благоприятные характеристики. Полученные теоретические и экспериментальные результаты, представленные на рис. 2–6 указывают на успешную реализацию сверхкомпактного (3,6 × 3,6 мкм ² занимаемой площади) широкополосного генератора OAM с поляризационным разнесением с хорошими рабочими характеристиками.

( A ) Экспериментальная конфигурация. Pol., Поляризация; HWP, полуволновая пластина; SLM, пространственный модулятор света; Коллиматор. ( B ) Измеренная матрица распределения интенсивности 4 × 4. ( C ) Измеренные гистограммы матрицы перекрестных помех 4 × 4.( D ) Измеренная матрица перекрестных помех 4 × 4. ( E ) Измеренные суммарные перекрестные помехи, суммирующие все шумы (все нежелательные каналы включены одновременно).

ОБСУЖДЕНИЕ

Таким образом, мы предлагаем, спроектируем, изготовим и продемонстрируем сверхкомпактный широкополосный генератор OAM с поляризационным разнесением, сформированный путем введения субволновой поверхностной структуры (наложенных голографических решеток) поверх кремниевого волновода. Принцип работы основан на связи мод из плоской волноводной моды с внеплоскостной модой OAM в свободном пространстве за счет субволновой поверхностной структуры.Эта конфигурация входа в плоскости и выхода вне плоскости с вертикальным излучением облегчает возможную интеграцию 2D-массива. Свойство широкополосной связи выигрывает от субволновой структуры поверхности. Наложение двух ортогональных голографических вилочных решеток улучшает свойство поляризационного разнообразия. Мы демонстрируем как теоретически, так и экспериментально генерацию OAM с широкополосным поляризационным разнесением в масштабе кристалла на кремниевой платформе с ультракомпактной площадью 3,6 × 3,6 мкм ² . Сгенерированное поляризационное разнесение x-pol.OAM ₊₁ , x-pol. OAM ₋₁ , y-pol. OAM ₊₁ и y-pol. OAM _-1 демонстрирует хорошие рабочие характеристики при относительно высокой чистоте и эффективности в широком диапазоне длин волн от 1500 до 1630 нм. Эти демонстрации генератора OAM с широкополосным поляризационным разнесением обеспечивают возможность одновременного доступа и полного использования нескольких физических измерений света, таких как длина волны, поляризация и пространственная структура. Несколько будущих перспектив в отношении более надежных устройств и приложений для ухода можно рассматривать следующим образом.

1) Устройства с более высокой чистотой и более высокой эффективностью

Несмотря на то, что в нынешней конструкции достигаются относительно высокая чистота и высокая эффективность, можно ожидать более высокой чистоты и более высокой эффективности за счет будущей оптимизации. Если взять в качестве примера эффективность рассеяния, то направленное вниз излучение на подложку, проходящий свет и отраженный свет решеткой являются основными факторами, ограничивающими эффективность генератора OAM. Для излучения вниз на подложку добавление отражающего слоя могло бы быть эффективным решением, что было подтверждено моделированием на рис.2 (E и F). В будущем ожидается изготовление этого генератора OAM с добавлением отражателя. Для проходящего и отраженного через решетку света можно поучиться у традиционной светящейся голографической решетки и соответствующим образом спроектировать сложную фазовую решетку (не бинарную фазу, а переменную фазу) поверх кремниевого волновода, чтобы значительно уменьшить нежелательные условия на выходе поле. Кроме того, можно рассмотреть обратный дизайн с целевой более высокой чистотой и более высокой эффективностью. Кроме того, дальнейшая оптимизация технологии изготовления может также принести пользу более высокой чистоте и более высокой эффективности генератора OAM в соответствии с его конструкцией.

2) Устройства, поддерживающие режимы OAM высокого порядка и несколько режимов OAM

На основе того же принципа голографического метода, можно также разработать генератор режима OAM высокого порядка с поляризационным разнесением. Более того, трехмерные фотонные интегрированные структуры с множеством слоев могут быть адаптированы для генерации множества режимов OAM с поляризационным разнесением OAM ± (то же самое | ℓ |), излучаемых каждым слоем.

3) Устройства с большим количеством входных портов

Большинство предыдущих работ по генераторам OAM в масштабе кристалла имеют два порта, и генерируется только OAM с одной поляризацией.Здесь мы вводим суперпозицию двух ортогональных голографических вилочных решеток на кремниевой платформе с четырьмя входными портами. В результате реализуется генератор OAM с поляризационным разнесением. Устройства с более чем четырьмя входными портами могут предлагать расширенные функции (например, создание нескольких режимов OAM). Могут быть рассмотрены сложные решетки и обратная конструкция.

4) Устройства, поддерживающие упаковку оптоволокна

Для облегчения потенциальных приложений OAM на основе оптоволокна большой интерес представляет упаковка кремниевого чипа OAM и волокон.Входные порты кремниевого кристалла OAM могут быть подключены к одномодовым волокнам. Излучаемые моды OAM могут быть связаны с определенным оптоволокном, поддерживающим их. Согласование режимов важно. Высокоэффективная и компактная упаковка волоконно-оптических устройств с входными и выходными волокнами полна проблем, но заслуживает изучения.

5) Приложения в N-мерной оптической связи или межсоединения с мультиплексированием OAM

Представленный генератор OAM с широкополосным поляризационным разнесением имеет явные преимущества полной совместимости с существующими методами мультиплексирования, такими как мультиплексирование с разделением по длине волны и мультиплексирование с разделением по поляризации.Продемонстрированный широкополосный режим (от 1500 до 1630 нм, ограниченный доступным лазерным источником) и режим поляризационного разнесения (x-pol. OAM ₊₁ , x-pol. OAM _-1 , y-pol. OAM ₊₁ , y-pol. OAM _-1 ) с благоприятными характеристиками, указывают на то, что можно использовать разработанный кремниевый чип OAM для полного использования сотен длин волн, покрывающих весь диапазон связи C + L (от 1530 до 1625 нм), с двумя поляризациями и двумя Режимы OAM для мультиплексирования. Аналогичным образом, можно также использовать устройство противоположным способом для демультиплексирования, то есть при использовании разработанных кремниевых чипов OAM в качестве (де) мультиплексоров, возможны N-мерные (длина волны, поляризация и OAM) оптические мультиплексные связи или межсоединения с огромное увеличение совокупной пропускной способности.

6) Применения в синтезе режимов OAM

Разработанный генератор OAM с поляризационным разнесением может также функционировать как надежный синтезатор OAM с когерентным запуском из нескольких входных портов. Синтезатор OAM в масштабе кристалла может позволить генерировать другие пространственные режимы, такие как линейно поляризованный режим (например, фиг. 1G + фиг. 1H или фиг. 1I + фиг. 1J), который широко используется в оптоволоконной связи SDM. Синтезатор OAM в масштабе кристалла также может обеспечивать генерацию лучей OAM с произвольными состояниями поляризации (например,g., Рис. 1G + Рис. 1I или рис. 1H + рис. 1J, с регулировкой относительной мощности и фазы). Например, сочетание x-pol. OAM ₊₁ (рис. 1G) и y-pol. OAM ₊₁ (рис. 1I) с относительным фазовым сдвигом π / 2 может создавать режим OAM с круговой поляризацией, несущий как SAM, так и OAM. Более того, синтезатор OAM в масштабе микросхемы также потенциально может использоваться в квантовых приложениях, таких как квантовое распределение ключей (QKD). По сравнению с большинством текущих схем QKD, основанных только на поляризационном кодировании, системы QKD на основе OAM демонстрируют обещание обеспечения повышенной устойчивости к ошибкам и, следовательно, потенциала квантового канала связи, который является более устойчивым к подслушиванию.Синтезатор OAM в масштабе микросхемы может предложить сверхкомпактное решение для генерации состояний суперпозиции OAM с доступом как к поляризации, так и к физическим измерениям OAM, что представляет большой интерес для систем квантовой связи с поддержкой OAM большой размерности.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Чистота режима

Для оценки качества самого сгенерированного режима OAM чистота режима вводится следующим образом sp = ∣∫A0 ∗ (x, y, z) At (x, y, z) dxdydz ∣2∫∣A0 (x, y, z) ∣2dxdydz∫∣At (x, y, z) ∣2dxdydz (10) где A ₀ ( x , y , z ) и A _t ( x , y , z ) — комплексные амплитуды полученной моды и целевой моды соответственно.Чистота фазы больше фокусируется на пространственной фазовой структуре.

Эффективность рассеяния

Для генерации режимов OAM с поляризационным разнесением на основе субволновой поверхностной структуры (наложенные голографические вилочные решетки) на поверхности кремниевого волновода эффективность рассеяния определяется как отношение мощностей излучаемой модой OAM устройством к падающему сопряженному режиму наведения в плоскости.

Матрица перекрестных помех и накопленные перекрестные помехи

Чтобы оценить влияние друг на друга для генерации режимов OAM с поляризационным разнесением, можно измерить матрицу перекрестных помех и накопленные перекрестные помехи.В общем, накопленные перекрестные помехи определяются как отношение объединенной мощности от всех нежелательных каналов (все нежелательные каналы включены, желаемый канал отключен) к мощности желаемого канала (все нежелательные каналы отключены, желаемый канал включен). Для генератора OAM с поляризационным разнесением (x-pol. OAM ₊₁ , x-pol. OAM ₋₁ , y-pol. OAM ₊₁ , y-pol. OAM ₋₁ ) с четырьмя входами порты, каждый из которых соответствует генерации одного режима OAM, комбинированное использование поляризатора (обнаружение x-pol.или y-pol.) и SLM (обнаружение OAM ₊₁ или OAM _-1 ) на приемнике дает четыре выхода, каждый из которых соответствует правильному обнаружению одного конкретного режима OAM. Для каждого входа мы записываем четыре выхода, и поэтому получается матрица перекрестных помех 4 × 4. Диагональные элементы в матрице соответствуют правильному обнаружению как состояния поляризации, так и состояния OAM, тогда как другие недиагональные элементы в матрице отражают перекрестные помехи между четырьмя режимами OAM с поляризационным разнесением.Накопленные перекрестные помехи, суммирующие все шумы (все нежелательные каналы включены), могут быть получены путем измерения матрицы перекрестных помех. Измерение матрицы перекрестных помех обеспечивает простой способ оценить влияние различных режимов OAM с поляризационным разнесением.

Восстановление фазы методом преобразования Фурье

На основе теории интерференции интенсивность интерференции наклона между модой OAM и эталонным гауссовым светом может быть выражена как II = a + bcos (ℓθ + 2πf0x) (11) где a = I _O + I _G и b = 2IO⋅IG; _{я я} , _{Я О} , и _{я G} являются напряженность поля помех, режим OAM, и эталонной гауссовой света, соответственно; и f ₀ = sin ϕ / λ — пространственная частота, вызванная интерференцией наклона с углом ϕ и длиной волны λ.Уравнение 11 можно записать в комплексном поле следующим образом на основе формулы Эйлера: II = a + c⋅exp (i2πf0x) + c * ⋅exp (−i2πf0x) (12), где c = b ⋅ exp ( i ℓθ) / 2. После преобразования Фурье для обеих сторон уравнение. 12 можно записать как F (II) = A (f) + C⋅ (f − f0) + C * ⋅ (f + f0), (13) где ℱ, A и C — преобразования Фурье I _I , a и c соответственно. Подбирая C на частоте f = f ₀ с фильтром верхних частот и выполняя обратное преобразование Фурье, можно получить c = b ⋅ exp ( i ℓθ) / 2.Наконец, извлекая мнимую часть C , можно восстановить фазовый профиль режима OAM.

Сферическая коррекция

В практических измерениях восстановленный фазовый профиль всегда состоит из двух частей. Один из них — собственное спиральное фазовое распределение моды OAM, а другой — сферическое фазовое распределение, вызванное распространением. Чтобы измерить чистоту фазы, нам нужно было вычесть соответствующее сферическое фазовое распределение, чтобы получить желаемое спиральное фазовое распределение.При возбуждении как OAM ₊₁ , так и OAM _-1 с одинаковой поляризацией, наложенные OAM ₊₁ и OAM _-1 отменяют спиральное фазовое распределение, но сохраняют сферическое фазовое распределение, которое аналогично таковому у одиночный режим OAM. Используя тот же метод преобразования Фурье для интерференции наклона между наложенными OAM ₊₁ и OAM _-1 и опорным гауссовым светом, можно восстановить сферическое фазовое распределение, вызванное распространением.Вычитая сферическое фазовое распределение из извлеченного фазового профиля режима OAM, можно реализовать сферическую коррекцию и, наконец, восстановить внутреннее спиральное фазовое распределение сгенерированной моды OAM. Для измерения чистоты фазы можно вычислить интеграл перекрытия между выделенным распределением спиральной фазы и идеальным.

Благодарности: Мы благодарим J. Liu за техническую поддержку и полезные обсуждения. Финансирование: Эта работа была поддержана Национальным фондом естественных наук Китая (NSFC) (11574001, 61761130082, 11774116, 11274131, 61222502, 116 и 61575224), Национальной программой фундаментальных исследований Китая (программа 973) (2014CB340004) стипендия Королевского общества-Ньютона, Национальная программа поддержки высококлассных молодых специалистов, Программа выдающихся молодых ученых реки Янцзы, Фонд естественных наук провинции Хубэй, Китай (2018CFA048), Программа ключевых исследований и разработок провинции Гуандун ( 2018B030325002), Проект местных инновационных и исследовательских групп Программы талантов Гуандун Жемчужной реки (2017BT01X121) и Программа молодежной команды HUST Academic Frontier (2016QYTD05). Вклад авторов: J.W. разработал концепцию. J.W. и Н.З. разработал фотонные интегрированные устройства и задумал эксперименты. Н.З., С.З. и Х. Цао проводили эксперименты. J.W. и Н.З. выполнил теоретический анализ, моделирование, получил экспериментальные данные и провел анализ данных. S.G., Y. Zhu, M.H. и X. Cai изготовили устройства. X. Cai и Y. Zhao обеспечивали техническую поддержку в экспериментах. J.W. и Н.З. способствовал написанию статьи.J.W. доработал работу. J.W. курировал проект. Конкурирующие интересы: Авторы заявляют об отсутствии конкурирующих интересов. Доступность данных и материалов: Все данные, необходимые для оценки выводов в статье, представлены в документе и / или дополнительных материалах. Дополнительные данные, относящиеся к этой статье, могут быть запрошены у авторов. Все данные, детали теории, детали моделирования и детали экспериментов, представленные в этой работе, доступны по запросу J.W.

Двухтопливный генератор мощностью 6250 Вт с CO Shield ™

Описание

Champion Power Equipment 100592 Двухтопливный портативный генератор мощностью 6250 Вт с технологией CO Shield ™ разработан, чтобы обеспечить спокойствие и универсальность.

Благодаря технологии CO Shield вы можете быть уверены, что вы и ваша семья защищены от опасностей угарного газа. Наш датчик CO Shield автоматически проверяет себя и работает минимум десять лет.При использовании в неподходящих местах датчик, внесенный в список UL, автоматически подаст сигнал и отключит генератор до того, как накопится опасный уровень окиси углерода. Это указывает на то, что агрегат следует переместить на открытом воздухе с хорошей циркуляцией.

Это устройство соответствует требованиям ANSI / PGMA G300-2018 для обеспечения высочайшего уровня безопасности и производительности. Как член-учредитель PGMA (Ассоциация производителей портативных генераторов), Champion помог разработать этот стандарт безопасности портативных генераторов, включая важное обновление, касающееся безопасности угарного газа.

Управляйте своим двухтопливным генератором на бензине или пропане и переключайтесь между видами топлива с помощью нашего запатентованного переключателя выбора топлива.

Используя бензин, двигатель Champion объемом 389 куб. См выдает 7850 пусковых ватт и 6250 рабочих ватт и проработает 10 часов при 50% нагрузке, когда 6-галлонный топливный бак полон. При использовании 20-фунтового пропанового баллона он производит 7050 пусковых ватт и 5600 погонных ватт и проработает 6,5 часов при 50% нагрузке.

При уровне шума 74 дБА на расстоянии 23 футов это устройство имеет уровень шума 1.Емкость масла составляет 2 литра и включает 3,3-футовый пропановый шланг, складную ручку и комплект колес.

Этот блок также оснащен устройством защиты от перенапряжения Volt Guard ™, Intelligauge и технологией холодного пуска.

Закрытые розетки включают одну розетку с замком на 120/240 В, 30 А (L14-30R) и четыре розетки, защищенные GFCI на 120 В, 20 А (5-20R).

Покупайте этот генератор, соответствующий требованиям EPA и CARB, с уверенностью — Champion Support и наша общенациональная сеть сервисных центров поддержат вашу покупку 3-летней ограниченной гарантией и БЕСПЛАТНОЙ пожизненной технической поддержкой.

Что включено

• Комплект колес
• Масляная воронка
• Шланг пропана (LPG)

QBMG: генератор квазибиогенных молекул с глубокой рекуррентной нейронной сетью | Journal of Cheminformatics

Биогенная библиотека ZINC, содержащая 153 733 соединения, была использована для обучения модели RNN.По мере увеличения количества эпох модель сходилась (кривые обучения см. В дополнительном файле 2). После обучения в течение 50 эпох модель может генерировать в среднем 97% действительных строк SMILES. 250 000 действительных и уникальных строк SMILES были сгенерированы как предсказанная библиотека. После удаления соединений, которые были обнаружены в обучающей выборке, из предсказанной библиотеки, мы получили 194 489 соединений. Среднее количество токенов для каждого соединения составляло 59,4 ± 23,1 (аналогично количеству для соединения в биогенной библиотеке).Из предсказанной библиотеки было выбрано 153 733 соединения (такое же количество соединений в обучающей библиотеке) для изучения их сходства с природным продуктом и физико-химических свойств / профилей дескрипторов.

Подобие естественному продукту предсказанной библиотеки

Сходство естественного продукта биогенной библиотеки ZINC (ZBL), биогенной библиотеки ZINC (ZLL) и нашей библиотеки предсказанных соединений (PCL) сравнивали, как показано на рис. • Средняя оценка сходства с натуральными продуктами по PCL и ZBL составила 1.09 ± 1,46 (среднее ± стандартное отклонение) и 1,22 ± 1,56, что указывает на то, что они оба были похожи на натуральный продукт и похожи друг на друга. Среднее сходство с природным продуктом соединения ZLL составило -1,25 ± 0,60, что указывает на то, что соединения ZLL отличаются от соединений ZBL, а соединения лишь частично перекрывают пространство биогенного химического разнообразия.