CN109683239B - 光子集成芯片内矢量涡旋光束辐射器及其应用 - Google Patents

光子集成芯片内矢量涡旋光束辐射器及其应用 Download PDF

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Abstract

一种光子集成芯片内部矢量涡旋光束辐射器及其应用，通过飞秒激光直写技术，即将飞秒激光聚焦在玻璃表面以下，通过扫描能够传输矢量涡旋光的环形波导半径，使之与单模波导达到位相匹配条件，加工出的不对称耦合器用于产生多阶涡旋光模式。本发明制备得到的芯片，能够产生一阶以及二阶涡旋光，转换效率可高达74％。此外，涡旋光本身的高维度及传输、产生以及操控于一体将大幅增加量子态空间，从而潜在的可以通过片上操控超纠缠等方式大幅提升量子计算能力。

Description

光子集成芯片内矢量涡旋光束辐射器及其应用
技术领域
本发明涉及的是一种光学领域的技术，具体涉及一种矢量涡旋光束辐射器及其在光子集成芯片的波导内部产生并传输矢量涡旋光的方法。
背景技术
光能够同时携带自旋和轨道角动量。近年来，自旋随空间变化并且中心存在奇异点的矢量涡旋光束引起了研究者们极大的兴趣。矢量涡旋光为经典信息和量子信息提供了额外的新自由度和新资源，它内在的无限维度以及场结构特性使得它被用于增加经典信息的信息容量、高维的量子态产生、精密测量以及高维希尔伯特空间的量子通信与量子计算。由于矢量涡旋光在经典信息以及量子信息领域的大规模应用，需要开发集成装置及设备，使得矢量涡旋光产生、传输、及操控处理一体化，以此可以避免其在宏观光路中的连接误差、接入损耗及接口噪声等问题，提高了***的稳定性、可靠性、鲁棒性。目前，科研工作者利用微环谐振腔(Integrated compact optical vortex beam emitters)实现了将矢量涡旋光从集成装置表面辐射到自由空间，但是，矢量涡旋光在集成芯片内部的产生以及操控和处理还有待解决。此外，飞秒激光加工可以在不损伤材料表面的情况下对材料内部进行有选择性的修饰，制造任意形状的三维结构。
发明内容
本发明根据现有技术的缺陷和不足，并结合飞秒激光加工的高度灵活的特点，提出一种矢量涡旋光束辐射器及其应用，调制后的飞秒激光进行能够传输涡旋光的环形波导以及单模波导所组成的不对称耦合器结构的加工，通过调控环形波导尺寸来调控位相匹配条件，实现了高效产生一阶以及二阶涡旋光；同时实现集成芯片内部的涡旋光传输、产生与操控，增加了集成芯片上处理的自由度。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种不对称耦合器的制备方法，通过飞秒激光直写技术，即将飞秒激光聚焦在玻璃表面以下，通过扫描能够传输矢量涡旋光的环形波导半径，使之与单模波导达到位相匹配条件，加工出的不对称耦合器能够用于产生多阶涡旋光模式。
所述的飞秒激光直写是指：设置飞秒激光脉冲中心位于513nm，脉冲持续时间为290fs，重复频率为1MHz，使用数值孔径为0.7的透镜，直写速度为5mm/s。
所述的多次扫描，包括：一阶环形波导直写和二阶环形波导直写，其中：单模波导直写功率为154mw，一阶环形波导功率为136-144mw；二阶环形波导功率为142-150mw。
所述的玻璃表面下，优选为玻璃表面以下170μm处，该玻璃为硼硅酸盐。
所述的环形波导多次扫描，其次数为12次。
所述的一阶环形波导半径约为3.7μm，二阶环形波导半径约为5μm。
所述的与单模波导达到位相匹配条件是指：单模波导的传播常数和环形波导传播常数达到相等。
本发明涉及上述方法制备得到的耦合器，为不对称结构，其平均位于玻璃表面以下170μm，包括：环形波导及单模波导，其中单模波导为椭圆形。
本发明涉及上述不对称耦合器的应用，将其用于在光子集成芯片内部产生矢量涡旋光。
本发明涉及一种实现上述应用的芯片，包括上述方法制备得到的不对称耦合器。
技术效果
与现有技术相比，本发明采用飞秒激光直写技术，在透明硬质材料中制造能够高效率地产生涡旋光，本发明芯片能够稳定产生一阶以及二阶涡旋光，当直写脉冲能量较低时，产生的是矢量涡旋光，当直写脉冲能量较高时，产生的是标量涡旋光，即高效地产生了纯态，产生效率高达74％。这不仅完善了量子光学芯片技术，使其有了与宏观光学中的涡旋光纤的功能，而且实现了涡旋光产生与传输以及操控的微型化、可集成化，避免了其在宏观光路中的连接误差、接入损耗及接口噪声等问题，提高了***的稳定性、可靠性、鲁棒性。
附图说明
图1为实施例中一阶及二阶涡旋光生成示意图；
图1中：1打入的高斯光的波阵面、2单模波导、3环形波导、4从波导出射的二阶矢量涡旋光的波阵面、5分束器、6用于干涉的参考高斯光的波阵面、7涡旋光与高斯光干涉的干涉图样；
图2为实施例中一阶矢量涡旋光生成示意图；
图3为实施例中一阶涡旋光随直写脉冲能量的变化示意图；
图3中：(a)为所产生的一阶涡旋光模式和转换效率随着直写脉冲能量的变化，(b)为对(a)中典型的B，D，F模式进行极化分析，(c)为所产生的二阶涡旋光模式和转换效率随着直写脉冲能量的变化，(d)为对(c)中典型的R，S，T模式进行极化分析；
图4为涡旋束阵列的结果示意图；
图4中：(a)为阵列型不对称定向耦合器示意图，(b)为一阶涡旋束阵列所产生的强度图案以及干涉图案，(c)为二阶涡旋束阵列所产生的强度图案以及干涉图案，(d)为从(b)中所提取输出的一阶矢量涡旋光沿着径向的强度分布，(e)为从(c)中所提取输出的二阶矢量涡旋光沿着径向的强度分布。
具体实施方式
如图1所示，为本实施例涉及的不对称耦合器及其芯片，包括：具有单模波导2与环形波导3所组成的耦合器，其中：打入的高斯光的波阵面1经过单模波导2与环形波导3由于倏逝波耦合，在一定的条件下达到位相匹配条件产生二阶矢量涡旋光的波阵面4并与用于干涉的参考高斯光的波阵面6一并进入分束器5得到涡旋光与高斯光干涉的干涉图样7。
如图2所示，为不同极化的高斯光入射在定向耦合器的单模波导上，经过倏逝波耦合到邻近的环形波导产生不同空间分布的矢量涡旋光。
图中第一行H为水平极化的高斯光束入射在不对称的耦合器的单模波导上，所得到涡旋光的强度分布以及对其做极化投影分析所得到的强度分布，最后一列指的是矢量涡旋光的空间极化分布为径向极化。
第二行V为竖直极化的高斯光束入射所得到的涡旋光的强度分布以及对其做极化投影分析所得到的强度分布，最后一列指的是此时矢量涡旋光的空间极化分布特性。
第三行D为对角极化的高斯光束入射耦合到邻近的环形波导所产生的涡旋光的强度分布以及对其做极化投影分析所得到的强度分布，最后一列指的是此时矢量涡旋光的空间极化分布特性。
第四行R为右手圆偏振的高斯光束入射耦合到邻近的环形波导所产生的涡旋光的强度分布以及对其做极化投影分析所得到的强度分布，最后一列指的是矢量涡旋光的空间极化分布特性；其中采用的耦合透镜为16倍，其数值孔径为0.25，焦距为11mm。
如图3所示，通过模拟位相匹配条件，产生一阶(二阶)涡旋光的环形波导半径预估为3.5μm(4.9μm)，考虑到飞秒激光加工的复杂性以及两种不同的波导结构，实施中我们在估计值附近扫描环形波导半径，以期得到较好的模式匹配，最终实施获得一阶(二阶)波导半径分别为3.7μm(5.0μm)。实施发现，当直写脉冲能量较小时，产生的是矢量涡旋光；图3(b)中清晰表明当直写脉冲能量较小时，产生的是矢量涡旋光；当直写脉冲能量较大时，产生的是标量涡旋光，即纯态，且转换效率高达74％；同时一阶和二阶涡旋光均存在一个较好的功率填区，在此填区内产生的一阶及二阶模式均较好(参见图3(a)和(c))。
如图4所示，本实施例涉及一种产生涡旋束阵列的方法，包括以下步骤：
步骤1)在功率填区内通过飞秒激光加工直写得到多个涡旋束阵列。
步骤2)通过对产生的涡旋光束与高斯光束干涉(参见图4(b)和(c))，产生顺时针与逆时针方向的螺旋干涉条纹，验证产生的矢量涡旋光的阶数，同时对产生的矢量涡旋光束沿径向强度分析发现，它们均具有较好的圆对称性(参见图4(d)和(e))。
图4中不对称的定向耦合器阵列能够产生涡旋光束阵列，对此涡旋光束强度分布沿径向方向分析，发现其光斑对称性较好，可将其用于量子信息处理。
与现有技术相比，本发明不仅完善了量子光学芯片技术，使其有了与宏观光学中的涡旋光纤的功能，而且实现了涡旋光产生、传输以及操控的微型化、可集成化，避免了其在宏观光路中的连接误差、接入损耗及接口噪声等问题，提高了***的稳定性、可靠性、鲁棒性。最重要的是，增加了光子集成芯片上处理的自由度，将大幅增加光子集成芯片上的高维度量子态空间，从而潜在的可以通过片上操控超纠缠等方式大幅提升量子计算能力。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (9)

1.一种不对称耦合器的制备方法，其特征在于，通过飞秒激光直写技术，即将飞秒激光聚焦在玻璃表面以下，通过扫描能够传输矢量涡旋光的环形波导半径，使之与单模波导达到位相匹配条件，加工出的不对称耦合器用于产生多阶涡旋光模式。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的飞秒激光直写是指：设置飞秒激光脉冲中心位于513nm，脉冲持续时间为290fs，重复频率为1MHz，使用数值孔径为0.7的透镜，直写速度为5mm/s。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的多次扫描，包括：一阶环形波导直写和二阶环形波导直写，其中：单模波导直写功率为154mw，一阶环形波导功率为136-144mw；二阶环形波导功率为142-150mw。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的与单模波导达到位相匹配条件是指：单模波导的传播常数和环形波导传播常数达到相等。
5.一种不对称耦合器，其特征在于，根据上述任一权利要求所述的方法制备得到，包括：环形波导及单模波导，其中单模波导为椭圆形。
6.根据权利要求5所述的不对称耦合器，其特征是，所述的波导平均位于玻璃表面以下170μm，该玻璃为硼硅酸盐。
7.根据权利要求5所述不对称耦合器的应用，其特征在于，将其用于在光子集成芯片内部产生矢量涡旋光。
8.根据权利要求7所述的应用，其特征是，所述的矢量涡旋光，包括涡旋光束阵列；通过飞秒激光加工直写得到多个波导阵列组合以产生多个独立的涡旋光束，当该涡旋光束与高斯光束干涉时，产生顺时针与逆时针方向的螺旋干涉条纹。
9.一种实现权利要求8所述应用的芯片，其特征在于，包括上述权利要求6所述的不对称耦合器。
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