[发明专利]一种光子自旋定向分离器

说明书

本发明涉及集成光子技术领域，尤其是一种光子自旋定向分离器，为解决金属超表面结构在实现定向分离的稳定性低的问题，现提出如下方案，其包括衬底，衬底上设有金属膜层，金属膜层上设有导波结构，导波结构包括相互垂直的第一介质波导和第二介质波导，金属膜层上设有天线结构，天线结构包括两个扇环体结构，两个扇环体结构分别等距分布于第一介质波导和第二介质波导的两侧。当入射光子的自旋角动量与天线结构的轨道角动量匹配时，入射光转化为天线谐振波导模式；同时，通过控制入射光子的自旋态，选择性地将天线谐振波导模式耦合至光子自旋导波结构中的某一个波导分支。本发明消光比高和集成度高，适用于量子通信领域。

技术领域

本发明涉及集成光子设计领域，尤其是一种光子自旋定向分离器。

背景技术

近年随着微加工技术、纳米材料、光场调控等研究领域的进步与发展，对信息编码、存储速率以及器件集成度的需求急剧增加，其中，对光子自旋态的操控是实现片上通信的关键技术之一，然而，以电介质为载体的传统光波导受衍射极限的制约，难以实现对光子的亚波长操控，因此，如何突破光的衍射限制，一直是传统光波导集成的主要技术瓶颈；

与此同时，近年基于表面等离子体（简称：SPPs）的共振技术引起人们广泛关注，所谓SPPs，即在外界电磁场激励下，当满足波矢匹配条件时，金属表面自由电子密度发生集体振荡，从而激发出的一种电荷密度振荡本征模式，由于SPPs模式具备高度的电磁局域和近场增强特性，因此，利用SPPs技术除了能突破衍射极限外，还可以显著提高光与物质的相互作用，如荧光辐射、拉曼散射、非线性效应和光自旋-轨道作用等；

目前的光子自旋定向分离器大都采用金属超表面（metasurface）结构，然而，金属超表面结构在实现定向分离的稳定性低，为此，本发明提出了一种光子自旋定向分离器。

发明内容

为解决金属超表面结构在实现定向分离的稳定性低的问题，本发明提出了一种光子自旋定向分离器。

本发明以光子自旋-轨道耦合为基础，结合SPPs亚波长调控优势，提供了一种分离稳定和性能突出的光子自旋分离结构，可实现局域涡旋光子的方向性传输，以解决目前光子自旋定向分离器定向分离性能低的问题，对于新型光子调控、量子通信、量子计算等技术的发展有极其重要的意义。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种光子自旋定向分离器，包括衬底，所述衬底上设有金属膜层，所述金属膜层上设有导波结构，所述导波结构包括相互垂直的第一介质波导和第二介质波导，所述第一介质波导的第一侧面和第二介质波导的第二侧面相交使得导波结构的一部分形成直角凸起；

所述金属膜层上设有天线结构，所述天线结构包括两个扇环体结构，两个所述扇环体结构分别等距分布于第一侧面和第二侧面的一侧，所述直角凸起指向两个扇环体结构的扇宽端面之间。

优选的，所述衬底的材料包括硅、氮化硅、氧化锌或铌酸锂中的任意一种。

优选的，所述金属膜层的材料包括银、铜、铝或金中的至少一种。

优选的，所述天线结构和导波结构的材料包括二氧化硅、聚甲基丙烯酸甲酯或氟化镁中的任意一种。

优选的，所述扇环体结构的外弧线半径均为160~230nm，所述扇环体结构的扇宽均为120~180nm，所述扇环体结构的高度均为160~240nm。

优选的，所述扇环体结构的扇宽端面均垂直于金属膜层，两个所述扇环体结构相互靠近的两个扇宽端面与金属膜层的两个交线所在的两个直线之间的夹角为80~100^o。

优选的，所述扇环体结构的外弧线或内弧线所在平面的法线到第一侧面与第二侧面的交线之间的距离为40~80nm，所述法线位于扇环体结构的外弧线或内弧线的圆心处。