基于光自旋轨道耦合和法拉第效应的隔离器的制作方法

本发明属于光学微腔波导耦合领域，尤其是一种基于光自旋轨道耦合和法拉第效应的隔离器领域。

背景技术：

光学隔离器是一种非常重要的非互易器件，在经典和量子信息处理中具有重要意义。传统的光学隔离器主要利用磁光晶体中的法拉第旋光效应，但是对于一般的磁光材料其法拉第效应通常不强，这使得传统的光隔离器不易于器件集成化。

利用光学微腔高品质因子特性可以用来解决光隔离器器件小型化的问题。但是由于光学微腔的对称性，基于传统的法拉第效应的光隔离器无法在均匀磁场和材料下实现。因此，现有的在光学微腔上实现光学隔离器是利用非对称结构或者非均匀磁场。然而在此情形下要实现良好的光隔离器需要克服磁光材料与半导体材料间不匹配问题，加工成本较高，生产效率较低，可扩展性较差。

最近，在微纳光学结构中发现的现象--光的自旋轨道耦合，即光的偏振(自旋)会与光的轨道相互影响。这种自旋轨道耦合能打破光学微腔的对称性，从而为在均匀材料光学微腔实现光隔离提供新的方案基础，在滤波，光源保护，磁场测量等方面得到应用。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明提供了一种利用微腔中光的自旋轨道耦合，结合磁光材料中的法拉第旋光效应，实现可集成基于光自旋轨道耦合和法拉第效应的隔离器。

(二)技术方案

本发明提供了一种基于光自旋轨道耦合和法拉第效应的隔离器，包括：光纤偏振控制器、微纳光学波导、磁光材料微腔。所述基于光自旋轨道耦合和法拉第效应的隔离器为对称结构，其中两个端口作为输入端与两个光纤偏振控制器相连接，两个光纤偏振控制器与微纳光学波导相连接，微纳光学波导与磁光材料微腔紧密贴合。

其中，磁光材料微腔所使用的材料为高法拉第旋光系数和较低光学损耗的磁光材料，以钇铁石榴石y3fe5o12为例，磁光材料微腔所使用材料的法拉第系数需高于220°/厘米，光学吸收系数在1310nm波段需低于0.05/厘米。

磁光材料微腔的结构还可以是微球腔(microsphere)，微型环芯腔(microtoroid)等边界有曲率的微腔。所述基于光自旋轨道耦合和法拉第效应的隔离器外部需施加静磁场，垂直于磁光材料微腔的赤道面，且磁场强度需使得磁光材料达到饱和，以起到隔离作用。

优选的，为得到较好的隔离效果，可以将微纳光学波导紧密贴合在磁光材料微腔的高方位角处。

优选的，还可以对磁光材料微腔的表面进行处理以提高其品质因子，也可以达到提高光隔离的效果。

优选的，还可以选择更高法拉第旋光系数的磁光材料微腔也可以达到提高光隔离的效果。(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

(1)相比一般隔离器，该器件为全磁光材料结构，便于加工，且结构微小，可以减少加工成本。其光学微腔与波导耦合结构可以是片上，便于集成。

(2)基于光的自旋轨道耦合结合法拉第效应产生的非互异效果这类体系可以扩展到其他系统，包括金刚石nv色心，离子掺杂晶体等。

附图说明

图1为光学隔离器系统示意图；

图2为球腔与光学波导系统示意图；

图3为光学微球腔中光的自旋轨道耦合示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。

具体实施方式如图1所示，所述基于光自旋轨道耦合和法拉第效应的隔离器，包括：光纤偏振控制器1、光纤锥耦合波导2、磁光材料微球腔3。

所述基于光自旋轨道耦合和法拉第效应的隔离器为对称结构。

端口1和端口2作为两个输入端，分别与两个光纤偏振控制器1相连接，两个光纤偏振控制器1控制两个输入端口的光，使其偏振方向一致。两个光纤偏振控制器1与光纤锥耦合波导2相连接。

如图2所示，磁光材料微球腔3和光纤锥耦合波导2紧密贴合在一起，外界施加一垂直于磁光材料微球腔3赤道面的磁场，且磁场强度需使得磁光材料达到饱和，以起到隔离作用。

其中，磁光材料微球腔3所使用的材料需是高法拉第旋光系数和较低光学损耗的磁光材料，例如钇铁石榴石y3fe5o12。

其中，光纤锥耦合波导2可以为其他任意微纳光学波导。

其中，磁光材料微球腔3的微腔结构还可以是微球腔(microsphere)、微型环芯腔(microtoroid)等边界有曲率的微腔。

优选的，为得到较好的隔离效果，可以将光纤锥耦合波导2贴在磁光材料微球腔3的高方位角处。

优选的，还可以对磁光材料微球腔3的表面进行处理以提高其品质因子，也可以达到提高光隔离的效果。

优选的，还可以选择更高法拉第旋光系数的磁光材料微腔也可以达到提高光隔离的效果。光隔离原理如图3所示，由于磁光材料微球腔3中光的自旋轨道耦合，传播于磁光材料微球腔3内的线偏光将会在其传播方向上表现有圆偏特性，从而产生垂直于传播方向上的光自旋，对于不同传播方向的、相同偏振方向的光将会产生相反方向的光自旋，从而打破磁光材料微球腔3的对称性，在外部磁场作用下产生光隔离效果。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.一种基于光自旋轨道耦合和法拉第效应的隔离器，其特征在于，包括：光纤偏振控制器、微纳光学波导、磁光材料微腔；

其中，所述基于光自旋轨道耦合和法拉第效应的隔离器为对称结构。

2.根据权利要求1所述的基于光自旋轨道耦合和法拉第效应的隔离器，其特征在于，其中，两个端口作为输入端与两个光纤偏振控制器相连接，两个光纤偏振控制器与微纳光学波导相连接，微纳光学波导与磁光材料微腔紧密贴合。

3.根据权利要求1所述的基于光自旋轨道耦合和法拉第效应的隔离器，其特征在于，其中，磁光材料微腔所使用的材料为磁光材料。

4.根据权利要求1所述的基于光自旋轨道耦合和法拉第效应的隔离器，其特征在于，磁光材料微腔的结构是微球腔(microsphere)或微型环芯腔(microtoroid)结构。

5.根据权利要求1所述的基于光自旋轨道耦合和法拉第效应的隔离器，其特征在于，磁光材料微腔的结构需是边界有曲率的微腔结构。

6.根据权利要求1所述的基于光自旋轨道耦合和法拉第效应的隔离器，其特征在于，磁光材料微腔所使用的材料以钇铁石榴石y3fe5o12为例，法拉第系数需高于220°/厘米，光学吸收系数在1310nm波段需低于0.05/厘米。

7.根据权利要求1所述的基于光自旋轨道耦合和法拉第效应的隔离器，其特征在于，所述基于光自旋轨道耦合和法拉第效应的隔离器外部需施加静磁场，垂直于磁光材料微腔的赤道面，且磁场强度需使得磁光材料达到饱和，以起到隔离作用。

8.根据权利要求1所述的基于光自旋轨道耦合和法拉第效应的隔离器，其特征在于，微纳光学波导紧密贴合在磁光材料微腔的高方位角处。

9.根据权利要求1所述的基于光自旋轨道耦合和法拉第效应的隔离器，其特征在于，磁光材料微腔的表面经过处理。

技术总结
本发明提供了一种基于光自旋轨道耦合和法拉第效应的隔离器，包括：光纤偏振控制器、微纳光学波导、磁光材料微腔。该隔离器为对称结构，通过利用磁光材料微腔中光的自旋轨道耦合，结合磁光材料中的法拉第旋光效应，实现可集成的全磁光材料光隔离器。

技术研发人员：董春华;柴诚哲;赵浩琪;邹长铃;郭光灿
受保护的技术使用者：中国科学技术大学
技术研发日：2019.07.29
技术公布日：2019.11.19