CN113534340B - 光子集成芯片上的手性轨道角动量发射器 - Google Patents
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Abstract
一种光子集成芯片上的手性轨道角动量发射器，包括：具有单臂螺线型截面的螺线波导组和单模弯曲波导，其中：由12根单模波导组成的螺线波导组位于深度170μm，单模弯曲波导位于螺线波导组同一深度的侧面。本发明通过打破手性来实现时间反演对称性，将OAM波导的本征模式更加局域和非简并，从而激发出特定轨道角动量光束，能够在芯片上产生特定手性、特定阶数的轨道角动量光束，使矢量涡旋光束在光子芯片中实现高容量通信和高维量子信息处理。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种光学波导领域的技术，具体是一种光子集成芯片上的手性轨道角动量发射器。
背景技术
轨道角动量是光学领域的新兴自由度，在经典光通信和量子信息技术上都有着不可替代的巨大优势；在光子芯片上集成轨道角动量器件使这种优势很好的与现有技术衔接从而面向不同的使用场景。目前矢量涡旋光束从芯片表面发射到自由空间的研究已经取得了很大的进展，但是在光子芯片内部产生矢量涡旋光束的研究还没有实现。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种光子集成芯片上的手性轨道角动量发射器，通过打破手性来实现时间反演对称性，将OAM波导的本征模式更加局域和非简并，从而激发出特定轨道角动量光束，能够在芯片上产生特定手性、特定阶数的轨道角动量光束，使矢量涡旋光束在光子芯片中实现高容量通信和高维量子信息处理。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种光子集成芯片上的手性轨道角动量发射器，包括：具有单臂螺线型截面的螺线波导组和单模弯曲波导，其中：由12根单模波导组成的螺线波导组位于深度170μm，单模弯曲波导位于螺线波导组同一深度的侧面。
所述的螺线波导组具体为12根单模直波导围成阿基米德螺线结构，其单臂螺线型截面是指：以极坐标参数方程r＝3.5+0.35*θ，其中：r、θ分别为径向和角向变量，在该曲线上每间隔30度取一个点，这12个点即为12根单模波导的中心点；单模波导和手性轨道角动量波导中心间距为12μm，耦合长度4mm。
所述的单模弯曲波导包括：位于两端的直波导部分、位于其间的耦合波导部分，其中：耦合波导部分与直波导部分之间设有弯曲波导部分。
所述的直波导部分长度为3mm直波导部分。
所述的弯曲波导部分为由余弦函数形式在横向5mm的距离上纵向变化50μm的弯曲波导，以趋近手性直波导。
所述的耦合波导部分的长度为4mm。
所述的单模弯曲波导为实心渐变折射率波导。
所述的螺线波导组和单模弯曲波导，利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170μm深度处，以5mm/s的速度在该深度对材料进行改性，并直写出围成单臂阿基米德螺线的12根单模波导和在其一侧的一根单模波导。
本发明涉及上述手性轨道角动量发射器的应用，通过高斯光束的耦合注入激发出手性轨道角动量波导对应本征模式，具体为：对直写功率和结构参数的调控使注入的高斯光束可以通过分束器激发出手性轨道角动量光束。
技术效果
本发明整体解决了现有技术无法在片上激发出具体某一个阶数某一手性的轨道角动量光束的情况。本发明利用螺旋结构打破了光波导的圆对称性，同时兼具传输轨道角动量光束的能力，从而实现了对特定手性轨道角动量的支持，在此之上用单模光束的倏逝波耦合在芯片内部激发该轨道角动量光束；
与现有技术相比，本发明使用矢量涡旋光束发射器嵌入在光子芯片中使用飞秒激光直写。基于相位匹配耦合模理论，实现了矢量涡旋光束和标量涡旋光束的转换，矢量涡旋光束的转换效率可达30％，标量涡旋光束的转换效率可达74％。嵌入式产生方式使得矢量涡旋光束可以直接进行进一步的传输、操作和发射，而无需任何额外的互连。
附图说明
图1(a)为分束器横向截面的显微镜拍摄图；图1(b)为分束器侧面的结构示意图；
图中：1单模弯曲波导、101直波导部分、102弯曲波导部分、103耦合波导部分、2螺线波导组；
图2为正面剖视图；
图3为实施例测试平台示意图；
图4和图5为实施例效果示意图。
具体实施方式
如图1所示，为本实施例涉及一种光子集成芯片上的手性轨道角动量发射器实现方法，具体步骤包括：
步骤1)设计如图1(a)所示不同的螺线形状的波导结构，具体如极坐标系下：r＝3.5+0.35*θ，其中：r、θ分别为径向和角向变量，在该曲线上每间隔30度取一个点，这12个点即为12根单模波导的中心点；单模波导和手性轨道角动量波导中心间距为12μm，耦合长度4mm。
步骤2)通过飞秒激光直写***在片上加工出波导，具体包括：
2.1)飞秒激光***使用100倍物镜且需要用柱面镜对光束进行整形，并确定输出光斑形状合适，定位准确；直写激光脉冲能量2.7μJ，波长513nm，偏振设置为70度；
2.2)擦拭裁切至2cm×2cm的硼硅酸盐玻璃，在直写***中用照明光对准芯片，确定芯片表面位置后，从表面下170μm处开始加工；
2.3)加工速度为5mm/s，加工结束后对芯片两端进行抛光。
本实施例通过上述方法制备得到的光子集成芯片上的手性轨道角动量发射器，采用图3所示测试平台中的连续激光做光源，将高斯光束耦合进芯片并测试手性OAM波导输出光斑的功率和纯度分布，具体包括：
步骤a)用780nm连续激光器做光源，将单模光纤输出的高斯光束耦合进芯片端面；
步骤b)筛选出手性轨道角动量波导输出的光斑，用光阑滤掉单模波导输出光斑，调节耦合条件观测输出光斑的形状；
步骤c)将光束形状较好的出射光斑打到空间光调制器上，加载不同阶数的相息图并用单模光纤收集通过空间光调制器的光束，测量单模光纤输出功率；
步骤d)筛选出输出光束主振模纯度较高的分束器组合，包括：确定输出光斑主要能量分布在某一特定阶数特定手性的波导，记录加载不同相息图单模光纤收集到的功率，即可得到纯度谱；找到分别支持一阶和二阶特定手性的波导，记录直写参数和传输损耗。
如图4和图5所示，经过具体实际实验，在单模高斯光束注入的情况下，将光束较好的耦合进芯片，可以在出射端激发出某一具体模式和特定手性的轨道角动量光束。
与现有技术相比，本实施例通过加工过程中在激发端引入手性，将输出波导的本征模式限定在特定手性，通过使用阿基米德螺线在片上激发出有特定手性的轨道角动量光束。
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 (8)
1.一种光子集成芯片上的手性轨道角动量发射器，其特征在于，包括：具有单臂螺线型截面的螺线波导组和单模弯曲波导，其中：由12根单模波导组成的螺线波导组位于飞秒激光焦点玻璃表面下深度170μm，单模弯曲波导位于螺线波导组同一深度的侧面；
所述的螺线波导组具体为12根单模直波导围成阿基米德螺线结构。
2.根据权利要求1所述的光子集成芯片上的手性轨道角动量发射器，其特征是，所述的单臂螺线型截面是指：以极坐标参数方程r＝3.5+0.35*θ，其中：r、θ分别为径向和角向变量，在阿基米德螺线结构上每间隔30度取一个点，这12个点即为12根单模波导的中心点；单模波导和手性轨道角动量波导中心间距为12μm，耦合长度4mm。
3.根据权利要求1所述的光子集成芯片上的手性轨道角动量发射器，其特征是，所述的单模弯曲波导包括：位于两端的直波导部分、位于其间的耦合波导部分，其中：耦合波导部分与直波导部分之间设有弯曲波导部分。
4.根据权利要求3所述的光子集成芯片上的手性轨道角动量发射器，其特征是，所述的直波导部分长度为3mm直波导部分；弯曲波导部分为由余弦函数形式在横向5mm的距离上纵向变化50μm的弯曲波导，以趋近手性直波导；耦合波导部分的长度为4mm。
5.根据权利要求1～3中任一所述的光子集成芯片上的手性轨道角动量发射器，其特征是，所述的单模弯曲波导为实心渐变折射率波导。
6.根据权利要求1～3中任一所述的光子集成芯片上的手性轨道角动量发射器，其特征是，所述的螺线波导组和单模弯曲波导，利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170μm深度处，以5mm/s的速度在该深度对材料进行改性，并直写出围成单臂阿基米德螺线的12根单模波导和在其一侧的一根单模波导。
7.根据权利要求6所述的光子集成芯片上的手性轨道角动量发射器，其特征是，所述的飞秒激光直写技术具体包括：
步骤1)设计不同的螺线形状的波导结构，其极坐标系下的参数方程为：r＝3.5+0.35*θ，其中：r、θ分别为径向和角向变量，在阿基米德螺线结构上每间隔30度取一个点，这12个点即为12根单模波导的中心点；单模波导和手性轨道角动量波导中心间距为12μm，耦合长度4mm；
步骤2)通过飞秒激光直写***在片上加工出波导，具体包括：
2.1)飞秒激光***使用100倍物镜且需要用柱面镜对光束进行整形，并确定输出光斑形状合适，定位准确；直写激光脉冲能量2.7μJ，波长513nm，偏振设置为70度；
2.2)擦拭裁切至2cm×2cm的硼硅酸盐玻璃，在直写***中用照明光对准芯片，确定芯片表面位置后，从表面下170μm处开始加工；
2.3)加工速度为5mm/s，加工结束后对芯片两端进行抛光。
8.一种基于权利要求1～7中任一所述手性轨道角动量发射器的应用，其特征在于，通过高斯光束的耦合注入激发出手性轨道角动量波导对应本征模式，具体为：对直写功率和结构参数的调控使注入的高斯光束可以通过分束器激发出手性轨道角动量光束。
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