[發明專利]徑向和角向偏振可調的柱矢量OAM發射芯片及其制備方法

在審

• 申請號: 201711423110.9
• 申請日: 2017-12-25
• 公開（公告）號: CN108051885A
• 公開（公告）日: 2018-05-18
• 發明（設計）人: 張彥峰;邵增凱;朱江波;陳鈺杰;余思遠
• 申請（專利權）人: 中山大學
• 主分類號: G02B6/00
• 分類號: G02B6/00;G02B5/18;G02B27/28;H04B10/50
• 代理公司: 廣州粵高專利商標代理有限公司 44102
• 代理人: 林麗明

本發明涉及一種徑向和角向偏振可調的柱矢量OAM發射芯片，包括片上集成的微環波導和耦合直波導，及開設在微環波導上的由淺刻蝕形成的角向光柵陣列。

技術領域

本發明涉及光通信或量子信息處理領域，更具體地，涉及一種徑向和角向偏振可調的柱矢量OAM發射芯片及其制備方法。

背景技術

具有螺旋相位波前的光束可以攜帶本征軌道角動量，其光子拓撲荷數由空間自由度決定。光子軌道角動量（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，提供了新的光子信息自由度。因此攜帶光子軌道角動量的OAM光束正在被廣泛的用在光通信和量子信息處理等應用中。另一方面，相比自然界中普遍存在的空間均勻偏振光束比如線偏振和橢圓偏振光束，具有柱對稱電場偏振分布的柱矢量光束，特別是徑向和角向偏振光束具有特殊的聚焦特性，在高分辨率成像、納米顆粒操控和太赫茲技術等領域已有巨大的發展并顯示了其應用潛力。

而柱矢量OAM光束由于攜帶上述光子軌道角動量又具有柱對稱的偏振特性，在光子自旋霍爾效應和高維度量子信息處理等方面展現更加多樣性的應用前景。目前產生該光束的技術主要是采用分立元器件，比如波片，螺旋相位板和q板等，其缺點是尺寸大以及集成度低。而近年來發展出的片上硅基集成OAM發射器件，在硅波導的內側放置周期分布的光柵作為散射體，將微環波導中的模式耦合到自由空間傳輸的OAM光束，其拓撲荷數可通過簡單的改變輸入諧振波長進行調節，具有高集成度、穩定性好和易調節等優勢，但其產生OAM光束會攜帶不純凈的角向偏振態，且偏振態不可調。因此能夠對產生的光束的OAM和柱矢量偏振進行獨立可調的單一片上解決方案仍不夠成熟。

發明內容

本發明為解決現有的片上方案無法對光子軌道角動量和徑向/角向偏振態進行獨立調整的缺陷，提供了一種徑向和角向偏振可調的柱矢量OAM發射芯片，該芯片能夠對器件產生的OAM光束的光子軌道角動量和徑向/角向偏振態進行獨立調整，具備十分寬廣的應用前景。

為實現上述目的，本發明采取的技術方案為：

徑向和角向偏振可調的柱矢量OAM發射芯片，包括片上集成的微環波導和耦合直波導，及開設在微環波導上的由淺刻蝕形成的角向光柵陣列。

上述方案中，在柱坐標系下微環波導中TE基模的徑向電場分量在微環波導上方界面處占主導，而角向電場強度可忽略不計。相反，TM基模的角向電場分量在微環波導上方界面占主導，而徑向電場強度非常微弱。當入射光為TE模式時，開設在微環波導上的角向光柵陣列將會主要耦合徑向電場分量到自由空間產生徑向OAM光束；類似地，當入射光為TM模式時該器件將產生角向OAM光束。同時，微環波導用于對發射光譜進行波長選擇和軌道角動量的拓撲荷調控，達到調控光子軌道角動量的目的。因此，該芯片能夠通過簡單的調整入射光偏振態和波長來實現光子軌道角動量和柱矢量偏振態的調節。

同時，本發明還提供了一種以上徑向和角向偏振可調的柱矢量OAM發射芯片的制備方法，其具體的方案如下：

S1.在襯底上生長氧化硅層，然后通過化學氣相方法在氧化硅層上沉積氮化硅層，并旋涂負性光刻膠；

S2.旋涂光刻膠后進行電子束曝光，對微環波導進行合適的過曝光即提高曝光劑量，微環波導上部角向光柵陣列所在的對應位置出現過曝光，而耦合直波導則正常曝光；顯影后，由于過曝光，角向光柵陣列處的殘留光刻膠形成光滑倒錐型結構；

S3.經過等離子體刻蝕工藝后完全刻蝕出微環波導和耦合直波導結構;由于角向光柵陣列處殘留光刻膠的阻擋作用，在微環波導上淺刻蝕形成角向光柵陣列。

S4.利用 O2等離子體去除器件上的光刻膠。

與現有技術相比，本發明的優點和有益效果是：