CN110045459B - 在光子集成芯片的波导内传输轨道角动量的方法 - Google Patents
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Abstract
一种在光子集成芯片的波导内传输轨道角动量的方法，通过飞秒激光直写技术，在透明硼硅酸盐玻璃中通过多次扫描，加工出用于传输多阶轨道角动量模式的环形波导。本发明制备得到的芯片，能够同时稳定传输+1阶，‑1阶及其叠加态，0阶，耦合效率高达60％，同时保真度达到80％以上。此外，轨道角动量本身的高维度及叠加态的操控将大幅增加量子态空间，从而潜在的可以通过片上操控超纠缠等方式大幅提升量子计算能力。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种轨道角动量在光子集成芯片内传输的技术，具体是一种在光子集成芯片的波导内传输轨道角动量的方法。
背景技术
轨道角动量为经典信息和量子信息提供了额外的新自由度，它内在的无限维度特性使得它被用于增加经典信息的信息容量、高维的量子态产生以及高维希尔伯特空间的量子计算。由于轨道角动量在经典信息以及量子信息领域的大规模应用，需要开发集成装置及设备，使得轨道角动量产生、传输、及操控处理一体化，以此可以避免其在宏观光路中的连接误差、接入损耗及接口噪声等问题，提高了系统的稳定性、可靠性、鲁棒性。目前，科研工作者利用微环谐振腔(Integrated compact optical vortex beam emitters)，可控的位相阵列(Integrated compact optical vortex beam emitters momentum withsilicon photonic circuits)等，实现了将轨道角动量从集成装置表面辐射到自由空间，但是，轨道角动量在集成芯片内部的传输以及操控和处理还有待解决。此外，飞秒激光加工可以在不损伤材料表面的情况下对材料内部进行有选择性的修饰，制造任意形状的三维结构。
发明内容
本发明基于上述技术空白并结合飞秒激光加工的高度灵活的特点，提出一种在光子集成芯片的波导内传输轨道角动量的方法，调制后的飞秒激光进行轨道角动量环形波导的加工，实现了高效率高保真地传输轨道角动量+1阶，-1阶，0阶及其叠加态，从而实现了片上传输与操控轨道角动量，增加了集成芯片上处理的自由度。与以往不同的是，实现的是轨道角动量在集成芯片内部的传输以及操控，而不是将轨道角动量从集成芯片表面辐射到自由空间。
本发明采用如下的技术方案实现：
本发明涉及一种用于轨道角动量在光子集成芯片内部传输的环形波导的制备方法：通过飞秒激光直写技术，即设置飞秒激光脉冲中心位于513nm，脉冲持续时间为290fs，重复频率为1MHz，使用数值孔径为0.7的透镜将飞秒激光聚焦在硼硅酸盐表面以下170μm处，在透明玻璃中通过多次扫描，加工出用于传输多阶轨道角动量模式的环形波导。
所述的飞秒激光直写，直写功率为70mw。
所述的飞秒激光直写，直写速度为5mm/s。
所述的飞秒激光直写，直写深度为表面以下170μm处。
所述的扫描，其次数优选为12次。
所述的透明玻璃，采用但不限于硼硅酸盐玻璃、熔融石英玻璃或其他材料的玻璃。
本发明涉及上述方法制备得到的波导，为环形对称结构，位于玻璃表面以下170μm。
本发明涉及一种芯片，包括上述方法制备得到的环形波导。
本发明涉及上述芯片的应用，将其用于波导内传输轨道角动量。
技术效果
与现有技术相比，本发明采用飞秒激光直写技术，在透明硬质材料中制造能够高保真高效率地传输带有轨道角动量的涡旋光，本发明芯片能够稳定传输+1阶，-1阶，0阶，耦合效率高达60％，同时保真度达到80％以上，另外也能够传输轨道角动量叠加态以及热态和触发的单光子态的轨道角动量。这不仅完善了量子光学芯片技术，使其有了与宏观光学中的涡旋光纤的功能，而且实现了涡旋光传输的微型化、可集成化，避免了其在宏观光路中的连接误差、接入损耗及接口噪声等问题，提高了系统的稳定性、可靠性、鲁棒性，并且使制造成本和周期大大降低，极大的方便了实验研究，节省了实验经费。
附图说明
图1为高效高保真地传输轨道角动量的环形波导截面图；
图1中：受显微镜精度制约，在显微镜下观察发现此环形波导半径约为4-5μm。
图2为传输一阶，零阶轨道角动量的芯片前后实验结果图；
图2中第一列为入射到芯片前的轨道角动量模式；第二列为芯片后经过环形波导传输的轨道角动量模式；第三列为芯片后的轨道角动量与高斯光干涉实验结果，验证了芯片前后轨道角动量的保持；
图3为叠加态轨道角动量传输的芯片前后实验结果图以及相应的相息图；
图4为热态以及触发的单光子态轨道角动量传输的实验结果图。
具体实施方式
如图2所示，本实施例包括：芯片前输入、耦合进芯片以及在芯片中传输耦合出来，其中：第一列为芯片前用空间光调制器制备的待传输的轨道角动量模式，环形波导是通过飞秒激光加工的方式获得，经过10倍的透镜聚焦将制备的输入模式与芯片的环形波导匹配，得到第二列为经过波导传输出来的相应的轨道角动量模式，将输出图像与输入图像均转换为二值图像，逐一像素点比较以及统计分析，最后发现输出图像与输入图像相比，相似度高达80％以上。第三列为芯片后的传输出来的带有轨道角动量的光与高斯光干涉实验结果，验证了芯片前后轨道角动量的保持。
如图3所示，通过空间光调制器，制备+1阶，-1阶等权重叠加的叠加态，改变二者之间的相位，将轨道角动量态传输的芯片前后实验结果展示在庞加莱球上，本发明的环形波导不仅能很好地保持纯的轨道角动量态的传输，还能够很好地保持叠加态的传输。操控叠加态的传输使得片上多维量子态的传输具有很大的潜能。
如图4所示，热态以及触发的单光子态轨道角动量传输的实验结果，本实施例包括以下步骤：
步骤1)热态以及单光子源的制备：本实施例采用1.2W的390nm的激光泵浦2mm厚的BBO晶体，II-型简并参量下转换。
步骤2)热态及单光子态实验过程：一路780nm下转换光子入射在空间光调制器上制备进芯片前的轨道角动量态。当没有触发时，此为热态的结果；当单光子探测器被另一路780nm的下转换光子触发时，TTL信号会触发增强型电荷耦合器件(ICCD)。单光子单路计数与两路符合计数分别为1875000，237500。保守估计所有的损耗，包括法兰的插入损耗(26％)，不完美耦合到芯片(40％)，产生总的收集效率约为44.4％。也就是说，大约有105000个光子进入到ICCD。几近完美地传输触发的单光子态，这是迈向轨道角动量片上高维量子信息处理的第一步。
与现有技术相比，本发明不仅完善了量子光学芯片技术，使其有了与宏观光学中的涡旋光纤的功能，而且实现了涡旋光传输的微型化、可集成化，避免了其在宏观光路中的连接误差、接入损耗及接口噪声等问题，提高了系统的稳定性、可靠性、鲁棒性，并且使制造成本和周期大大降低，极大的方便了实验研究，节省了实验经费。最重要的是，增加了光子集成芯片上处理的自由度，将大幅增加光子集成芯片上的高维度量子态空间，从而潜在的可以通过片上操控超纠缠等方式大幅提升量子计算能力。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。
Claims (1)
1.一种用于轨道角动量在光子集成芯片内部传输的环形波导的制备方法，其特征在于，通过飞秒激光直写技术，在硼硅酸盐玻璃中通过12次扫描，加工出用于传输多阶轨道角动量模式的环形波导；
所述的飞秒激光直写是指：设置飞秒激光脉冲中心位于513nm，脉冲持续时间为290fs，重复频率为1MHz；
所述的飞秒激光直写，其直写功率为70mw；
所述的飞秒激光直写，其直写速度为5mm/s。
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