[发明专利]光子集成芯片内矢量涡旋光束辐射器及其应用

说明书

一种光子集成芯片内部矢量涡旋光束辐射器及其应用，通过飞秒激光直写技术，即将飞秒激光聚焦在玻璃表面以下，通过扫描能够传输矢量涡旋光的环形波导半径，使之与单模波导达到位相匹配条件，加工出的不对称耦合器用于产生多阶涡旋光模式。本发明制备得到的芯片，能够产生一阶以及二阶涡旋光，转换效率可高达74％。此外，涡旋光本身的高维度及传输、产生以及操控于一体将大幅增加量子态空间，从而潜在的可以通过片上操控超纠缠等方式大幅提升量子计算能力。

技术领域

本发明涉及的是一种光学领域的技术，具体涉及一种矢量涡旋光束辐射器及其在光子集成芯片的波导内部产生并传输矢量涡旋光的方法。

背景技术

光能够同时携带自旋和轨道角动量。近年来，自旋随空间变化并且中心存在奇异点的矢量涡旋光束引起了研究者们极大的兴趣。矢量涡旋光为经典信息和量子信息提供了额外的新自由度和新资源，它内在的无限维度以及场结构特性使得它被用于增加经典信息的信息容量、高维的量子态产生、精密测量以及高维希尔伯特空间的量子通信与量子计算。由于矢量涡旋光在经典信息以及量子信息领域的大规模应用，需要开发集成装置及设备，使得矢量涡旋光产生、传输、及操控处理一体化，以此可以避免其在宏观光路中的连接误差、接入损耗及接口噪声等问题，提高了系统的稳定性、可靠性、鲁棒性。目前，科研工作者利用微环谐振腔(Integrated compact optical vortex beam emitters)实现了将矢量涡旋光从集成装置表面辐射到自由空间，但是，矢量涡旋光在集成芯片内部的产生以及操控和处理还有待解决。此外，飞秒激光加工可以在不损伤材料表面的情况下对材料内部进行有选择性的修饰，制造任意形状的三维结构。

发明内容

本发明根据现有技术的缺陷和不足，并结合飞秒激光加工的高度灵活的特点，提出一种矢量涡旋光束辐射器及其应用，调制后的飞秒激光进行能够传输涡旋光的环形波导以及单模波导所组成的不对称耦合器结构的加工，通过调控环形波导尺寸来调控位相匹配条件，实现了高效产生一阶以及二阶涡旋光；同时实现集成芯片内部的涡旋光传输、产生与操控，增加了集成芯片上处理的自由度。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种不对称耦合器的制备方法，通过飞秒激光直写技术，即将飞秒激光聚焦在玻璃表面以下，通过扫描能够传输矢量涡旋光的环形波导半径，使之与单模波导达到位相匹配条件，加工出的不对称耦合器能够用于产生多阶涡旋光模式。

所述的飞秒激光直写是指：设置飞秒激光脉冲中心位于513nm，脉冲持续时间为290fs，重复频率为1MHz，使用数值孔径为0.7的透镜，直写速度为5mm/s。

所述的多次扫描，包括：一阶环形波导直写和二阶环形波导直写，其中：单模波导直写功率为154mw，一阶环形波导功率为136-144mw；二阶环形波导功率为142-150mw。

所述的玻璃表面下，优选为玻璃表面以下170μm处，该玻璃为硼硅酸盐。

所述的环形波导多次扫描，其次数为12次。

所述的一阶环形波导半径约为3.7μm，二阶环形波导半径约为5μm。

所述的与单模波导达到位相匹配条件是指：单模波导的传播常数和环形波导传播常数达到相等。

本发明涉及上述方法制备得到的耦合器，为不对称结构，其平均位于玻璃表面以下170μm，包括：环形波导及单模波导，其中单模波导为椭圆形。

本发明涉及上述不对称耦合器的应用，将其用于在光子集成芯片内部产生矢量涡旋光。

本发明涉及一种实现上述应用的芯片，包括上述方法制备得到的不对称耦合器。

技术效果