径向和角向偏振可调的柱矢量OAM发射芯片及其制备方法与流程

本发明涉及光通信或量子信息处理领域，更具体地，涉及一种径向和角向偏振可调的柱矢量oam发射芯片及其制备方法。

背景技术：

具有螺旋相位波前的光束可以携带本征轨道角动量，其光子拓扑荷数由空间自由度决定。光子轨道角动量（oam）由于其无限多的本征模式，理论上可以无限拓展信息容量，提供了新的光子信息自由度。因此携带光子轨道角动量的oam光束正在被广泛的用在光通信和量子信息处理等应用中。另一方面，相比自然界中普遍存在的空间均匀偏振光束比如线偏振和椭圆偏振光束，具有柱对称电场偏振分布的柱矢量光束，特别是径向和角向偏振光束具有特殊的聚焦特性，在高分辨率成像、纳米颗粒操控和太赫兹技术等领域已有巨大的发展并显示了其应用潜力。

而柱矢量oam光束由于携带上述光子轨道角动量又具有柱对称的偏振特性，在光子自旋霍尔效应和高维度量子信息处理等方面展现更加多样性的应用前景。目前产生该光束的技术主要是采用分立元器件，比如波片，螺旋相位板和q板等，其缺点是尺寸大以及集成度低。而近年来发展出的片上硅基集成oam发射器件，在硅波导的内侧放置周期分布的光栅作为散射体，将微环波导中的模式耦合到自由空间传输的oam光束，其拓扑荷数可通过简单的改变输入谐振波长进行调节，具有高集成度、稳定性好和易调节等优势，但其产生oam光束会携带不纯净的角向偏振态，且偏振态不可调。因此能够对产生的光束的oam和柱矢量偏振进行独立可调的单一片上解决方案仍不够成熟。

技术实现要素：

本发明为解决现有的片上方案无法对光子轨道角动量和径向/角向偏振态进行独立调整的缺陷，提供了一种径向和角向偏振可调的柱矢量oam发射芯片，该芯片能够对器件产生的oam光束的光子轨道角动量和径向/角向偏振态进行独立调整，具备十分宽广的应用前景。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

径向和角向偏振可调的柱矢量oam发射芯片，包括片上集成的微环波导和耦合直波导，及开设在微环波导上的由浅刻蚀形成的角向光栅阵列。

上述方案中，在柱坐标系下微环波导中te基模的径向电场分量在微环波导上方界面处占主导，而角向电场强度可忽略不计。相反，tm基模的角向电场分量在微环波导上方界面占主导，而径向电场强度非常微弱。当入射光为te模式时，开设在微环波导上的角向光栅阵列将会主要耦合径向电场分量到自由空间产生径向oam光束；类似地，当入射光为tm模式时该器件将产生角向oam光束。同时，微环波导用于对发射光谱进行波长选择和轨道角动量的拓扑荷调控，达到调控光子轨道角动量的目的。因此，该芯片能够通过简单的调整入射光偏振态和波长来实现光子轨道角动量和柱矢量偏振态的调节。

同时，本发明还提供了一种以上径向和角向偏振可调的柱矢量oam发射芯片的制备方法，其具体的方案如下：

s1.在衬底上生长氧化硅层，然后通过化学气相方法在氧化硅层上沉积氮化硅层，并旋涂负性光刻胶；

s2.旋涂光刻胶后进行电子束曝光，对微环波导进行合适的过曝光即提高曝光剂量，微环波导上部角向光栅阵列所在的对应位置出现过曝光，而耦合直波导则正常曝光；显影后，由于过曝光，角向光栅阵列处的残留光刻胶形成光滑倒锥型结构；

s3.经过等离子体刻蚀工艺后完全刻蚀出微环波导和耦合直波导结构;由于角向光栅阵列处残留光刻胶的阻挡作用，在微环波导上浅刻蚀形成角向光栅阵列。

s4.利用o2等离子体去除器件上的光刻胶。

与现有技术相比，本发明的优点和有益效果是：

本发明提供的方案中，微环波导被设计成同时支持te模式和tm模式，而轨道角动量通过改变输入波长而改变拓扑荷数，再由输入光的偏振态来决定发射到自由空间的oam光束的柱矢量偏振态，最终该器件发射的oam光束的轨道角动量和偏振态可以被单独调节。通过采用本发明提供的制备方法可以通过单次刻蚀即可制备得到芯片，芯片可以在通用的半导体微加工平台上大规模流片生产，具有较大的应用前景。

附图说明

图1为芯片的结构示意图。

图2为芯片的制备流程图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合附图和具体实施例，进一步阐述本发明是如何实施的。

实施例1

如图1所示，本发明提供的径向和角向偏振可调的柱矢量oam发射芯片，包括片上集成的微环波导2和耦合直波导3，及开设在微环波导2上的由浅刻蚀形成的角向光栅阵列1。

上述方案中，微环波导2的折射率特性使得波导中的te和tm两种模式的光场的径向分量和角向分量强度在波导上方的分布情况正好相反。因此通过在微环波导2上开设蚀角向光栅阵列1，可以分别将te基模的径向分量和tm基模的角向分量耦合到自由空间，通过改变输入光的偏振态改变产生的oam光束的偏振态。而微环波导2对发射光谱进行波长选择和轨道角动量的拓扑荷调控，进而达到调控轨道角动量的目的。因此，通过改变输入光的谐振波长和偏振态可以独立的调节发射的oam光束的轨道角动量和柱矢量偏振态（径向偏振或角向偏振）。

本实施例中，所述微环波导2和耦合直波导3均为氮化硅材料制成，所述微环波导2和耦合直波导3的折射率为2.0。

本实施例中，所述微环波导2、耦合直波导3的设置高度为0.58微米，微环波导2的环宽为1.2微米，耦合直波导3的宽度为1.2微米。所述微环波导2的半径为60微米，与耦合直波导3结构的耦合间隔为200纳米。

本实施例中，角向光栅阵列1包含的角向光栅的数量为420个，420个角向光栅在圆周方向上均匀分布的。其中，角向光栅的刻蚀深度为100纳米，整体形状呈倒锥状，其顶部的开设直径为160纳米，角向光栅的中心位置位于微环波导2环宽的中线向微环波导2内侧偏离60纳米。

实施例2

本实施例提供了一种实施例1的芯片的制备方法，如图2（a）、（b）、（c）、（d）所示，其具体的方案如下：

s1.在晶向硅衬底上生长400微米厚的氧化硅层03，然后通过化学气相方法在氧化硅层上沉积580纳米厚的氮化硅层02，并旋涂负性光刻胶01；

s2.旋涂光刻胶后进行电子束曝光，对微环波导进行合适的过曝光即提高曝光剂量，微环波导上部角向光栅阵列所在的对应位置出现过曝光，而耦合直波导则正常曝光；显影后，由于过曝光，角向光栅阵列处的残留光刻胶形成光滑倒锥型结构；

s3.经过等离子体刻蚀工艺后完全刻蚀出微环波导和耦合直波导结构;由于角向光栅阵列处残留光刻胶的阻挡作用，在微环波导上浅刻蚀形成角向光栅阵列。

s4.利用o2等离子体去除器件上的光刻胶。

最后说明，以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。