[发明专利]横向SAM与OAM可调的光子发射/接收芯片及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及光通信或量子信息处理领域，更具体地，涉及一种横向SAM与OAM可调的光子发射/接收芯片及其制备方法。

背景技术

光携带本征自旋角动量和轨道角动量，它们分别由光的偏振和空间自由度决定。光子轨道角动量（OAM）由于其无限多的本征模式，理论上可以无限拓展信息容量。因此光子轨道角动量正在被广泛的用在光通信和量子信息处理等应用中。而光子自旋角动量也在量子纠缠、光的偏振复用中应用广泛。实际上，光子的自旋角动量和轨道角动量的相互作用（SOI）在非均匀介质、光学折射/反射界面上被发现，并通过现代光学理论进行了解释。SOI现象具有非常大的新型应用潜力，比如光学微操控，超高分辨成像，光束整形，分束等。

另一方面，光子自旋角动量SAM按照其旋转轴与光束传播方向的关系（垂直或平行）分为横向自旋角动量和纵向自旋角动量。相比自然界中普遍存在的纵向自旋角动量，横向自旋角动量主要发生在非均匀光场中，比如表面等离子激元，波导/非波导模式的倏逝波区以及强聚焦光束中。携带横向自旋角动量的光场在纳米光子学、生物传感中具有非常多的新应用。特别地，倏逝波中横向自旋角动量在波导模式的边界引起强烈的SOI现象，或被称为光的量子自旋霍尔效应。并在光的界面上引起横向自旋-方向性耦合，也即打破界面上由倏逝波参与的激发模式方向性。横向自旋角动量的这一特性在光学二极管、手性自旋光网络、量子信息处理等应用中发展出了非常多的功能器件。

因此，同时对光子的横向自旋角动量和轨道角动量进行操控将会在整个角动量域中展现更加多样性的应用前景。并将带来新型功能器件，比如用于SAM-OAM空间中的光子态编/解码。

发明内容

本发明提供了一种横向SAM与OAM可调的光子发射/接收芯片，该芯片能够对光子的横向自旋角动量、轨道角动量进行调整，因此具备十分宽广的应用前景。

为实现以上发明目的，采用的技术方案是：

横向SAM与OAM可调的光子发射/接收芯片，包括片上集成的氮化硅微环波导，及片上集成的设置在氮化硅微环波导一侧的氮化硅锥形耦合波导结构，所述氮化硅微环波导内侧的倏逝波区设置有角向光栅阵列。

上述方案中，芯片作为发射器时，氮化硅微环波导的折射率特性使得光场在波导倏逝波区中的径向分量强度和角向分量强度可比拟，产生横向自旋角动量，因此通过改变氮化硅微环波导的尺寸可以调控波导倏逝波区的两个电场分量大小，进而达到调控横向自旋角动量的目的。而氮化硅微环波导用于对发射光谱进行波长选择和轨道角动量的拓扑荷调控，进而达到调控轨道角动量的目的，然后通过倏逝波区的角向光栅阵列使氮化硅微环波导中的模式被垂直发射到自由空间中，同时携带横向自旋角动量和轨道角动量。

当芯片作为接收器时，只有波长满足氮化硅微环波导的谐振条件且携带相应OAM阶数的入射光束能够被耦合进入氮化硅微环波导内，并通过横向自旋角动量的单向耦合特性，将分别携带左旋/右旋两种SAM的光束输出到氮化硅锥形耦合波导结构的左/右两个相反的方向，实现OAM-SAM两个空间的选择性接收。

同时，本发明还提供了一种以上芯片的制备方法，其具体的内容如下：

一种以上发射/接收芯片的制备方法，包括以下步骤：

S1.在晶向硅衬底上生长氧化硅层，然后通过化学气相方法在氧化硅层上沉积氮化硅层；

S2.在氮化硅层上进行旋涂光刻胶、曝光、热回流、等离子体刻蚀步骤，制备氮化硅微环波导、氮化硅锥形耦合波导结构和角向光栅阵列。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明结合了硅基集成光子轨道角动量发射器件的优点和对倏逝波区中横向自旋角动量的深入研究，给出一种横向自旋角动量与轨道角动量可调的光子发射/接收芯片。在这个方案中，氮化硅微环波导被设计成具有横向自旋角动量在较大范围内可调，而轨道角动量通过改变输入波长而改变拓扑荷数，再由输入光的激发方向决定发射到自由空间中的自旋角动量和轨道角动量方向。三种情况共同起作用，最终该器件产生的光束能够同时携带可调横向自旋和轨道角动量。而作为接收器件时，将入射到器件上的OAM光束通过倏逝波的横向自旋进行选择性耦合到两个不同的方向，实现OAM-SAM的同时选择性耦合。该设计具有耦合选择比高，产生的SAM-OAM纯度高等优点，且采用本发明中的加工工艺，该芯片可以在通用的半导体微加工平台上大规模流片生产，具有较大的应用前景。

附图说明

图1为芯片的结构示意图。

图2（a）、（b）、（c）为芯片的制备流程图。

具体实施方式