一种携带多通道轨道角动量的光束生成芯片的制备方法

本发明涉及微纳结构及半导体激光器领域，特别是涉及一种携带多通道轨道角动量的光束生成芯片的制备方法。

背景技术：

1、网络流量的增加与带宽需求的多媒体应用的指数级增长有关，大数据技术对光通信系统的容量、速度提出了严格的要求。不同物理尺寸的光，包括偏振、振幅、脉冲形状和波长，被广泛地用作数据传输通道，这催化了各种各样的多路复用方案。然而，由于新用户的不断涌入，传统的多路复用方法可能会达到天花板。作为解决这一挑战的替代方案，轨道角动量(oam)模式，也被称为光学涡旋(ov)，作为一种新的光自由度，显著提高了光通信、数据存储、量子信息处理的能力。光学涡旋表现为具有方位角相位项的螺旋结构波前，其中为方位角，l为拓扑电荷。由于具有不同拓扑电荷数的oam模式在空间中具有正交性,且理论上其拓扑电荷数可取任意整数，，使得数据编码具有了新的无限维，从而解锁了一种新的多路复用方法，即模分多路复用，而无需额外消耗频率和时间资源。在这一特殊特性的推动下，使用oams作为数据传输介质的光通信在自由空间和光纤中都得到了广泛的利用。其次，oam光束因具有螺旋形波面使得其具有旋转多普勒效应，可应用于对旋转目标的探测；oam光束携带的轨道角动量还可传递给待操纵微粒，使微粒在没有其他任何悬挂设施的情况下围绕着光轴旋转而形成光学扳手。oam光束的环形结构使得微粒可以被束缚于光轴附近的零强度区域内，实现微粒的捕获。

2、但是，迄今为止，oam的产生通常依赖于使用体积庞大的光学设备，如空间光调制器(slms)，螺旋相位板(spps)和q板，将自由空间高斯光束转换为oam光束。然而，这些方法存在设备体积大、空间分辨率低、工作距离长、不易操作等缺点。因此，一个结构紧凑、尺寸小、功能强大的片上oam源已经成为oam技术广泛应用的关键因素。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种携带多通道轨道角动量的光束生成芯片及其制备方法，能够实现片上oam模式的定向生成和携带多通道oam模式的光束生成，解决传统的oam生成装置结构复杂，体积大、可靠性低、不易操作等问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、一种携带多通道轨道角动量的光束生成芯片的制备方法，包括：

4、获取双面抛光的倒装980nm垂直腔面发射激光器的外延结构；

5、基于垂直腔面发射激光器二维平面易于集成特性，通过电子束曝光和icp刻蚀工艺在所述外延结构的衬底端面集成偏振不敏感的圆形纳米柱结构，以控制所述垂直腔面发射激光器的相位。

6、优选地，在通过电子束曝光和icp刻蚀工艺在所述外延结构的衬底端面集成偏振不敏感的圆形纳米柱结构之前，还包括：

7、基于半导体工艺，对所述外延结构进行加工，得到垂直腔面发射激光器芯片；所述垂直腔面发射激光器芯片用于提供光束质量好的高斯光源；所述垂直腔面发射激光器芯片具有3μm的小氧化孔径。

8、优选地，所述获取双面抛光的倒装980nm垂直腔面发射激光器的外延结构，包括：

9、获取初始的外延生长的980nm底发射垂直腔面发射激光器；外延生长的980nm底发射垂直腔面发射激光器包含30.5对p型顶部dbr和28对n型底部dbr，所述dbr由交替的al0.9ga0.1as/al0.12ga0.88as层组成，在有源区上方的顶部dbr上包括30nmal0.98ga0.02as氧化层；

10、利用反转胶光刻和溅射剥离工艺在p面溅射厚度为的ti/au欧姆接触保护电极；

11、使用pecvd沉积400nm厚的sio2层作为硬掩模；

12、使用正胶光刻和电感耦合等离子体反应离子蚀刻定义直径为50μm、高度为5.5μm的圆形台面；

13、使用boe溶液通过化学腐蚀去除sio2掩模；

14、选择性氧化al0.98ga0.02as层以形成直径为3μm的氧化孔；

15、使用pecvd沉积400nm厚的sio2作为钝化层；

16、在sio2层旋涂苯并环丁烯，以2500r/min进行表面平坦化；

17、使用25至250℃的热板将bcb逐渐加热并固化；

18、冷却后，使用反应离子蚀刻去除台面顶部的固化bcb；

19、使用负胶光刻和boe化学腐蚀去除台面上的sio2，开电极孔；

20、使用反转胶光刻和溅射剥离工艺在p面溅射厚度为的ti/au欧姆接触电极，然后通过反转胶双面光刻和溅射剥离工艺在n面溅射厚度为的augeni/au底部欧姆接触电极，最后320℃快速热退火35s。

21、优选地，所述p面的电极中心与所述n面的电极中心对准。

22、优选地，基于垂直腔面发射激光器二维平面易于集成特性，通过电子束曝光和icp刻蚀工艺在所述外延结构的衬底端面集成偏振不敏感的圆形纳米柱结构，包括：

23、使用电子束光刻和icp-rie蚀刻技术，在衬底的背面集成超表面结构；所述超表面结构的亚波长晶格常数为260×260nm；所述圆形纳米柱结构包括四个半径分别为70、88、100和115nm的等间距相位延迟纳米柱；所述纳米柱用于构建四阶离散的超表面结构。

24、优选地，还包括：

25、在纯相位的超表面结构的设计中引入叠加相位分布，以同时产生和准直具有给定扑电荷数的oam光束，实现oam模式定向生成。

26、优选地，还包括：

27、应用全息原理，通过叠加每个oam分量的各个复振幅确定由超表面结构的干涉产生的期望的复电场；

28、根据所述复电场和预设的准直相位分量确定能够产生任意给定光束数和空间变化的拓扑值的涡旋阵列。

29、优选地，基于垂直腔面发射激光器二维平面易于集成特性，通过电子束曝光和icp刻蚀工艺在所述外延结构的衬底端面集成偏振不敏感的圆形纳米柱结构，还包括：

30、根据设计原理，通过matlab计算版图各个位置的相位分布，并用对应的不同尺寸的纳米柱替代，得到携带多通道轨道角动量的超构表面加工版图；

31、将180nm厚的氢硅三氧烷(hsq)旋涂到衬底上，并使用加速电压为100kv、剂量为5000μc/cm2的电子束光刻系统曝光形成超构表面图案；

32、通过反应离子刻蚀和电感耦合等离子刻蚀工艺，控制刻蚀时间及气体配比使gaas纳米柱刻蚀深度控制在650nm。

33、根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

34、本发明提供了一种携带多通道轨道角动量的光束生成芯片的制备方法，能够直接将vcsel固有的高斯光束转换为单个oam光束或具有按需特性的多通道oam阵列，包括任何给定的拓扑值和明确的方向性。与之前报道的oam发射器相比，本发明具有额外的自由度来控制生成的oam模式的光束轮廓，vcsels独特的二维平面结构也提供了一种有吸引力的单片集成解决方案，器件体积小，结构紧凑。另外，具有不同轨道角动量(oam)模式的光束之间的正交性为多路复用和解复用的独立数据承载通道提供了新的方案；特别是oam光束的近乎无限拓扑电荷，为通信系统提供了无限容量。因此，本发明可能会开启在超紧凑晶圆级vcsel平台上开发多功能oam源的潜力，这将使得其在光通信、探测、微粒操控方面具有广阔的应用前景。