[发明专利]光子集成芯片上的手性轨道角动量发射器

说明书

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。

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；