横向SAM与OAM可调的光子发射/接收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，涉及一种横向sam与oam可调的光子发射/接收芯片及其制备方法。

背景技术：

光携带本征自旋角动量和轨道角动量，它们分别由光的偏振和空间自由度决定。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。因此光子轨道角动量正在被广泛的用在光通信和量子信息处理等应用中。而光子自旋角动量也在量子纠缠、光的偏振复用中应用广泛。实际上，光子的自旋角动量和轨道角动量的相互作用（soi）在非均匀介质、光学折射/反射界面上被发现，并通过现代光学理论进行了解释。soi现象具有非常大的新型应用潜力，比如光学微操控，超高分辨成像，光束整形，分束等。

另一方面，光子自旋角动量sam按照其旋转轴与光束传播方向的关系（垂直或平行）分为横向自旋角动量和纵向自旋角动量。相比自然界中普遍存在的纵向自旋角动量，横向自旋角动量主要发生在非均匀光场中，比如表面等离子激元，波导/非波导模式的倏逝波区以及强聚焦光束中。携带横向自旋角动量的光场在纳米光子学、生物传感中具有非常多的新应用。特别地，倏逝波中横向自旋角动量在波导模式的边界引起强烈的soi现象，或被称为光的量子自旋霍尔效应。并在光的界面上引起横向自旋-方向性耦合，也即打破界面上由倏逝波参与的激发模式方向性。横向自旋角动量的这一特性在光学二极管、手性自旋光网络、量子信息处理等应用中发展出了非常多的功能器件。

因此，同时对光子的横向自旋角动量和轨道角动量进行操控将会在整个角动量域中展现更加多样性的应用前景。并将带来新型功能器件，比如用于sam-oam空间中的光子态编/解码。

技术实现要素：

本发明提供了一种横向sam与oam可调的光子发射/接收芯片，该芯片能够对光子的横向自旋角动量、轨道角动量进行调整，因此具备十分宽广的应用前景。

为实现以上发明目的，采用的技术方案是：

横向sam与oam可调的光子发射/接收芯片，包括片上集成的氮化硅微环波导，及片上集成的设置在氮化硅微环波导一侧的氮化硅锥形耦合波导结构，所述氮化硅微环波导内侧的倏逝波区设置有角向光栅阵列。

上述方案中，芯片作为发射器时，氮化硅微环波导的折射率特性使得光场在波导倏逝波区中的径向分量强度和角向分量强度可比拟，产生横向自旋角动量，因此通过改变氮化硅微环波导的尺寸可以调控波导倏逝波区的两个电场分量大小，进而达到调控横向自旋角动量的目的。而氮化硅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，进而达到调控轨道角动量的目的，然后通过倏逝波区的角向光栅阵列使氮化硅微环波导中的模式被垂直发射到自由空间中，同时携带横向自旋角动量和轨道角动量。

当芯片作为接收器时，只有波长满足氮化硅微环波导的谐振条件且携带相应oam阶数的入射光束能够被耦合进入氮化硅微环波导内，并通过横向自旋角动量的单向耦合特性，将分别携带左旋/右旋两种sam的光束输出到氮化硅锥形耦合波导结构的左/右两个相反的方向，实现oam-sam两个空间的选择性接收。

同时，本发明还提供了一种以上芯片的制备方法，其具体的内容如下：

一种以上发射/接收芯片的制备方法，包括以下步骤：

s1.在晶向硅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；

s2.在氮化硅层上进行旋涂光刻胶、曝光、热回流、等离子体刻蚀步骤，制备氮化硅微环波导、氮化硅锥形耦合波导结构和角向光栅阵列。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明结合了硅基集成光子轨道角动量发射器件的优点和对倏逝波区中横向自旋角动量的深入研究，给出一种横向自旋角动量与轨道角动量可调的光子发射/接收芯片。在这个方案中，氮化硅微环波导被设计成具有横向自旋角动量在较大范围内可调，而轨道角动量通过改变输入波长而改变拓扑荷数，再由输入光的激发方向决定发射到自由空间中的自旋角动量和轨道角动量方向。三种情况共同起作用，最终该器件产生的光束能够同时携带可调横向自旋和轨道角动量。而作为接收器件时，将入射到器件上的oam光束通过倏逝波的横向自旋进行选择性耦合到两个不同的方向，实现oam-sam的同时选择性耦合。该设计具有耦合选择比高，产生的sam-oam纯度高等优点，且采用本发明中的加工工艺，该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（a）、（b）、（c）为芯片的制备流程图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

以下结合附图和实施例对本发明做进一步的阐述。

实施例1

如图1所示，本发明提供的横向自旋角动量、轨道角动量可调的光子发射/接收芯片包括片上集成的氮化硅微环波导1，及片上集成的设置在氮化硅微环波导1一侧的氮化硅锥形耦合波导结构3，所述氮化硅微环波导1内侧的倏逝波区设置有角向光栅阵列2。

上述方案中，芯片作为发射器时，氮化硅微环波导1的折射率特性使得光场在波导倏逝波区中的径向分量强度和角向分量强度可比拟，产生横向自旋角动量，因此通过改变氮化硅微环波导1的尺寸可以调控波导倏逝波区的两个电场分量大小，进而达到调控横向自旋角动量的目的。而氮化硅微环波导1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，进而达到调控轨道角动量的目的，然后通过倏逝波区的角向光栅阵列2使氮化硅微环波导1中的模式被垂直发射到自由空间中，并携带横向自旋角动量和轨道角动量。

当芯片作为接收器时，只有波长满足氮化硅微环波导1的谐振条件且携带相应oam阶数的入射光束能够被耦合进入氮化硅微环波导1内，并通过横向自旋角动量的单向耦合特性，将分别携带左旋/右旋两种sam的光束输出到氮化硅锥形耦合波导结构3的左/右两个相反的方向，实现oam-sam两个空间的选择性接收。

在具体的实施过程中，所述氮化硅微环波导1、氮化硅锥形耦合波导结构3的折射率为2.0。所述氮化硅微环波导1、氮化硅锥形耦合波导结构3的设置高度为0.6微米，其氮化硅微环波导1的宽度范围为0.8-1.6微米。所述氮化硅微环波导1的半径为80微米，与氮化硅锥形耦合波导结构的耦合间隔为200纳米，外层su8波导的高度和宽度为3.5微米。

上述方案中，所述角向光栅阵列2包括有517个周期性布置的角向光栅。所述角向光栅的高度和宽度均为100纳米。

在具体的实施过程中，所述氮化硅锥形耦合波导结构3包括直波导31和设置在直波导31两端的与直波导连接的锥形波导32，锥形波导32细处的宽度为140纳米，锥形波导32的长度为350微米。所述锥形波导32的外层设置有su8直波导03，su8直波导03的高度为3.5微米，宽度为3.5微米。

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）所示，其具体的方案如下：

s1.在400微米厚的晶向硅衬底02上生长5微米厚的氧化硅层01，然后通过化学气相方法在氧化硅层01上沉积600纳米厚的氮化硅层00；

s2.在氮化硅层00上进行旋涂光刻胶、曝光、热回流、等离子体刻蚀步骤，制备氮化硅微环波导1、直波导31、锥形波导32和角向光栅阵列2。

s3.通过套刻和图形化转移得到锥形波导32外层的su8直波导结构03；

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。