[發(fā)明專利]橫向SAM與OAM可調(diào)的光子發(fā)射/接收芯片及其制備方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710614113.4
• 申請(qǐng)日: 2017-07-25
• 公開（公告）號(hào): CN107634801A
• 公開（公告）日: 2018-01-26
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張彥峰;邵增凱;朱江波;陳鈺杰;余思遠(yuǎn)
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中山大學(xué)
• 主分類號(hào): H04B10/40
• 分類號(hào): H04B10/40;H04B10/70
• 代理公司: 廣州粵高專利商標(biāo)代理有限公司44102
• 代理人: 林麗明

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及光通信或量子信息處理領(lǐng)域，更具體地，涉及一種橫向SAM與OAM可調(diào)的光子發(fā)射/接收芯片及其制備方法。

背景技術(shù)

光攜帶本征自旋角動(dòng)量和軌道角動(dòng)量，它們分別由光的偏振和空間自由度決定。光子軌道角動(dòng)量（OAM）由于其無限多的本征模式，理論上可以無限拓展信息容量。因此光子軌道角動(dòng)量正在被廣泛的用在光通信和量子信息處理等應(yīng)用中。而光子自旋角動(dòng)量也在量子糾纏、光的偏振復(fù)用中應(yīng)用廣泛。實(shí)際上，光子的自旋角動(dòng)量和軌道角動(dòng)量的相互作用（SOI）在非均勻介質(zhì)、光學(xué)折射/反射界面上被發(fā)現(xiàn)，并通過現(xiàn)代光學(xué)理論進(jìn)行了解釋。SOI現(xiàn)象具有非常大的新型應(yīng)用潛力，比如光學(xué)微操控，超高分辨成像，光束整形，分束等。

另一方面，光子自旋角動(dòng)量SAM按照其旋轉(zhuǎn)軸與光束傳播方向的關(guān)系（垂直或平行）分為橫向自旋角動(dòng)量和縱向自旋角動(dòng)量。相比自然界中普遍存在的縱向自旋角動(dòng)量，橫向自旋角動(dòng)量主要發(fā)生在非均勻光場(chǎng)中，比如表面等離子激元，波導(dǎo)/非波導(dǎo)模式的倏逝波區(qū)以及強(qiáng)聚焦光束中。攜帶橫向自旋角動(dòng)量的光場(chǎng)在納米光子學(xué)、生物傳感中具有非常多的新應(yīng)用。特別地，倏逝波中橫向自旋角動(dòng)量在波導(dǎo)模式的邊界引起強(qiáng)烈的SOI現(xiàn)象，或被稱為光的量子自旋霍爾效應(yīng)。并在光的界面上引起橫向自旋-方向性耦合，也即打破界面上由倏逝波參與的激發(fā)模式方向性。橫向自旋角動(dòng)量的這一特性在光學(xué)二極管、手性自旋光網(wǎng)絡(luò)、量子信息處理等應(yīng)用中發(fā)展出了非常多的功能器件。

因此，同時(shí)對(duì)光子的橫向自旋角動(dòng)量和軌道角動(dòng)量進(jìn)行操控將會(huì)在整個(gè)角動(dòng)量域中展現(xiàn)更加多樣性的應(yīng)用前景。并將帶來新型功能器件，比如用于SAM-OAM空間中的光子態(tài)編/解碼。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供了一種橫向SAM與OAM可調(diào)的光子發(fā)射/接收芯片，該芯片能夠?qū)庾拥臋M向自旋角動(dòng)量、軌道角動(dòng)量進(jìn)行調(diào)整，因此具備十分寬廣的應(yīng)用前景。

為實(shí)現(xiàn)以上發(fā)明目的，采用的技術(shù)方案是：

橫向SAM與OAM可調(diào)的光子發(fā)射/接收芯片，包括片上集成的氮化硅微環(huán)波導(dǎo)，及片上集成的設(shè)置在氮化硅微環(huán)波導(dǎo)一側(cè)的氮化硅錐形耦合波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，所述氮化硅微環(huán)波導(dǎo)內(nèi)側(cè)的倏逝波區(qū)設(shè)置有角向光柵陣列。

上述方案中，芯片作為發(fā)射器時(shí)，氮化硅微環(huán)波導(dǎo)的折射率特性使得光場(chǎng)在波導(dǎo)倏逝波區(qū)中的徑向分量強(qiáng)度和角向分量強(qiáng)度可比擬，產(chǎn)生橫向自旋角動(dòng)量，因此通過改變氮化硅微環(huán)波導(dǎo)的尺寸可以調(diào)控波導(dǎo)倏逝波區(qū)的兩個(gè)電場(chǎng)分量大小，進(jìn)而達(dá)到調(diào)控橫向自旋角動(dòng)量的目的。而氮化硅微環(huán)波導(dǎo)用于對(duì)發(fā)射光譜進(jìn)行波長(zhǎng)選擇和軌道角動(dòng)量的拓?fù)浜烧{(diào)控，進(jìn)而達(dá)到調(diào)控軌道角動(dòng)量的目的，然后通過倏逝波區(qū)的角向光柵陣列使氮化硅微環(huán)波導(dǎo)中的模式被垂直發(fā)射到自由空間中，同時(shí)攜帶橫向自旋角動(dòng)量和軌道角動(dòng)量。

當(dāng)芯片作為接收器時(shí)，只有波長(zhǎng)滿足氮化硅微環(huán)波導(dǎo)的諧振條件且攜帶相應(yīng)OAM階數(shù)的入射光束能夠被耦合進(jìn)入氮化硅微環(huán)波導(dǎo)內(nèi)，并通過橫向自旋角動(dòng)量的單向耦合特性，將分別攜帶左旋/右旋兩種SAM的光束輸出到氮化硅錐形耦合波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的左/右兩個(gè)相反的方向，實(shí)現(xiàn)OAM-SAM兩個(gè)空間的選擇性接收。

同時(shí)，本發(fā)明還提供了一種以上芯片的制備方法，其具體的內(nèi)容如下：

一種以上發(fā)射/接收芯片的制備方法，包括以下步驟：

S1.在晶向硅襯底上生長(zhǎng)氧化硅層，然后通過化學(xué)氣相方法在氧化硅層上沉積氮化硅層；

S2.在氮化硅層上進(jìn)行旋涂光刻膠、曝光、熱回流、等離子體刻蝕步驟，制備氮化硅微環(huán)波導(dǎo)、氮化硅錐形耦合波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和角向光柵陣列。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明結(jié)合了硅基集成光子軌道角動(dòng)量發(fā)射器件的優(yōu)點(diǎn)和對(duì)倏逝波區(qū)中橫向自旋角動(dòng)量的深入研究，給出一種橫向自旋角動(dòng)量與軌道角動(dòng)量可調(diào)的光子發(fā)射/接收芯片。在這個(gè)方案中，氮化硅微環(huán)波導(dǎo)被設(shè)計(jì)成具有橫向自旋角動(dòng)量在較大范圍內(nèi)可調(diào)，而軌道角動(dòng)量通過改變輸入波長(zhǎng)而改變拓?fù)浜蓴?shù)，再由輸入光的激發(fā)方向決定發(fā)射到自由空間中的自旋角動(dòng)量和軌道角動(dòng)量方向。三種情況共同起作用，最終該器件產(chǎn)生的光束能夠同時(shí)攜帶可調(diào)橫向自旋和軌道角動(dòng)量。而作為接收器件時(shí)，將入射到器件上的OAM光束通過倏逝波的橫向自旋進(jìn)行選擇性耦合到兩個(gè)不同的方向，實(shí)現(xiàn)OAM-SAM的同時(shí)選擇性耦合。該設(shè)計(jì)具有耦合選擇比高，產(chǎn)生的SAM-OAM純度高等優(yōu)點(diǎn)，且采用本發(fā)明中的加工工藝，該芯片可以在通用的半導(dǎo)體微加工平臺(tái)上大規(guī)模流片生產(chǎn)，具有較大的應(yīng)用前景。

附圖說明

圖1為芯片的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2（a）、（b）、（c）為芯片的制備流程圖。

具體實(shí)施方式