CN113296188A - 光子集成芯片上的轨道角动量滤波器实现方法 - Google Patents

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Abstract

一种光子集成芯片上的轨道角动量滤波器实现方法，利用飞秒激光直写加工出剖面为单臂螺线型的直波导阵列，通过对直写功率和结构参数的调控使加工的特定波导具备只通过特定阶数的轨道角动量光束的能力，即轨道角动量滤波。本发明通过打破手性来实现时间反演对称性，通过单臂螺线结构引入手性，该滤波器能够过滤得到固定阶数的轨道角动量，实现片上轨道角动量解复用。

Description

光子集成芯片上的轨道角动量滤波器实现方法
技术领域
本发明涉及的是一种片上波导领域的技术，具体是一种光子集成芯片上的轨道角动量(OAM)滤波器实现方法。
背景技术
光子芯片是一种在玻璃等导光材料上加工光子器件，使光子器件小型化集成化在衬底材料上以实现在芯片上对信息进行传输和处理。与传统信息处理手段相比，其处理和传送速度更快，也更加安全。轨道角动量作为光子的基本属性具有高维自由度，在光通信和量子信息技术上有不可比拟的优势。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种光子集成芯片上的轨道角动量滤波器实现方法，通过打破手性来实现时间反演对称性，通过单臂螺线结构引入手性，该滤波器能够过滤得到固定阶数的轨道角动量，实现片上轨道角动量解复用。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种光子集成芯片上的轨道角动量滤波器实现方法，利用飞秒激光直写加工出剖面为单臂螺线型的直波导阵列，通过对直写功率和结构参数的调控使加工的特定波导具备只通过特定阶数的轨道角动量光束的能力，即轨道角动量滤波。
所述的直波导阵列，为12根平行单模波导，该阵列的剖面构成单臂螺线型，具体为极坐标系下参数方程为r＝a+b*θ的阿基米德螺线，其中：r为径向变量，θ为角向变量，a为圆心距离；b为螺旋半径。
所述的剖面，与飞秒激光直写方向呈90°夹角。
所述的飞秒激光直写，具体为脉冲能量2.7μJ，波长为513nm，直写功率为135mw，直写速度为5mm/s。
所述的加工，通过飞秒激光直写12次在光子集成芯片的表面深度为表面以下170μm处扫描得到直波导阵列。
所述的光子集成芯片，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制成，优选为2cm×2cm的硼硅酸盐玻璃，经酒精擦拭表面保证其表面无灰。
技术效果
本发明整体解决了现有技术中，轨道角动量波导没有区分正负手性轨道角动量光束的能力，现有轨道角动量波导的本征模式均为正负手性轨道角动量的叠加态。本发明利用螺旋结构打破了光波导的圆对称性，同时兼具传输轨道角动量光束的能力，从而实现了对特定手性轨道角动量的支持，不仅可以选择性滤掉除特定阶数外的高阶模式也具有滤掉除特定手性外的其他模式。
附图说明
图1为本发明制备得到的具有单臂螺线型截面的直波导；
图中：r＝2+0.28*θ；
图2为实施例制备得到的片上轨道角动量滤波器的截面图；
图中使用16倍目镜和40倍物镜观察，波导半径在2.2μm-3.7μm；
图3为实施例制备得到的单臂螺线型截面的直波导阵列纵截面示意图；
图4为实施例流程图；
图5为实施例测试环境示意图；
图6为输出光斑示意图及对应的纯度谱；
图中：输出的光斑为-1阶，且其余阶数皆无法传输(传输效率均小于5％)。
具体实施方式
如图4所示，为本实施例涉及一种光子集成芯片上的轨道角动量滤波器实现方法，具体步骤包括：
步骤1)设计不同的螺线形状的波导结构，如图1所示(图中1、2、3、4代表径向坐标轴)，其极坐标系下参数方程为：r＝4+0.38*θ，在该曲线从极坐标系下(4,0)为起点，每间隔30°取一个点，则360/30＝12(个)点即为12根单模波导的中心点；
本实施例中，波导结构的设计遵循尽可能匹配所需适配轨道角动量光束的原则，在此原则下可以加工出本征模式为+1、-1、+2及-2的波导且具备一定稳定性。
所述的适配轨道角动量，针对不同的轨道角动量需要使用不同的半径、螺旋方向和加工功率。例如传输+1和-1阶轨道角动量光束需要螺旋方向相反的阿基米德螺线，而传输+1和+2阶轨道角动量需要不同的a和b。
步骤2)通过飞秒激光直写系统在片上加工出波导，具体步骤包括：
2.1)设置飞秒激光系统以100倍物镜以及用于对光束进行整形的柱面镜，并确定输出光斑形状合适，定位准确；直写激光脉冲能量2.7μJ，波长513nm，偏振设置为70°；
2.2)以经擦拭裁切的尺寸为2cm×2cm的硼硅酸盐玻璃作为芯片，置于飞秒激光系统中，用照明光对准芯片，确定好芯片表面位置；
2.3)从硼硅酸盐玻璃的表面以下170μm处，以速度为5mm/s进行加工：按照相同方向加工12次，加工结束后对芯片两端进行抛光；
如图2和图3所示，为本实施例制备得到的光子集成芯片上的轨道角动量滤波器。
步骤3)采用连续激光做光源，将不同阶数的轨道角动量光束耦合进波导，以测试波导输出光斑的功率和纯度分布，具体步骤包括：
3.1)用780nm连续激光器做光源，通过起偏器和偏振分束器后打到空间光调制器上，使光束携带轨道角动量；
3.2)将带有轨道角动量的光束通过透镜和四维平移台耦合进芯片端面，在光束分析仪上观察输出光束的形状；
3.3)将光束形状较好的出射光斑打到空间光调制器上，加载不同阶数的相息图并用单模光纤收集通过空间光调制器的光束，测量单模光纤输出功率。
如图4所示，本实施例中的测试装置包括：用于固定轨道角动量滤波器1的四维平移台2、分别设置于其两侧的激光光源3和功率计4以及设置于激光光源3和四维平移台2之间的偏振控制器5、第一SLM6、第一反射镜7、入射透镜8和设置于四维平移台2和功率计4之间的出射透镜9、第二SLM10、第二反射镜11、第三透镜12和单模光纤耦合器13，其中：激光光源3生成不同模式情况下的输入、耦合进轨道角动量滤波器1以及在轨道角动量滤波器1中传输并发射出芯片。
所述的不同模式是指：使用不同阶数、不同正负拓扑核的轨道角动量光束，经过10倍的透镜后耦合进加工的片上轨道角动量滤波器件，得到图4所示的光斑，而对不同模式对应的纯度分析则得到右边的纯度谱，验证了加工出的波导结构对轨道角动量的单一选择性可以作为片上滤波器件。
步骤4)筛选出只对特定阶数支持的波导并记录其结构信息和加工参数，具体步骤包括：
4.1)确定输出光斑主要能量分布在某一特定阶数特定手性的波导，记录加载不同相息图单模光纤收集到的功率，即可得到纯度谱；
4.2)找到分别支持一阶和二阶特定手性的波导，记录直写参数和传输损耗。
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 (6)

1.一种光子集成芯片上的轨道角动量滤波器实现方法，其特征在于，利用飞秒激光直写加工出剖面为单臂螺线型的直波导阵列，通过对直写功率和结构参数的调控使加工的特定波导具备只通过特定阶数的轨道角动量光束的能力，即轨道角动量滤波；
所述的直波导阵列，为12根平行单模波导，该阵列的剖面构成单臂螺线型。
2.根据权利要求1所述的光子集成芯片上的轨道角动量滤波器实现方法，其特征是，所述的直波导阵列，具体为极坐标系下参数方程为r＝a+b*θ的阿基米德螺线，其中：r为径向变量，θ为角向变量，a为圆心距离；b为螺旋半径。
3.根据权利要求1所述的光子集成芯片上的轨道角动量滤波器实现方法，其特征是，所述的剖面，与飞秒激光直写方向呈90°夹角。
4.根据权利要求1所述的光子集成芯片上的轨道角动量滤波器实现方法，其特征是，所述的飞秒激光直写，具体为脉冲能量2.7μJ，波长为513nm，直写功率为135mw，直写速度为5mm/s。
5.根据权利要求1所述的光子集成芯片上的轨道角动量滤波器实现方法，其特征是，所述的加工，通过飞秒激光直写12次在光子集成芯片的表面深度为表面以下170μm处扫描得到直波导阵列。
6.根据权利要求1所述的光子集成芯片上的轨道角动量滤波器实现方法，其特征是，所述的光子集成芯片，采用硼硅酸盐玻璃、熔融石英玻璃制成。
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