CN115267970B - 一种光子自旋定向耦合器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光子自旋定向耦合器，涉及集成光子器件设计技术领域，利用介质加载SPPs波导优越的导波性能，充分权衡了SPPs模式损耗与模式面积两者相互抑制的关系，设计出了对不同自旋态光子的定向耦合器件；本发明利用光子自旋‑轨道耦合效应，提出了一种三柱体天线结构，实现了入射光子自旋角动量与天线结构轨道角动量之间的有效耦合转换；本发明的光子自旋定向耦合器具备消光比高、结构简单、易于加工集成等优点，从而推动光子自旋定向耦合器的实际应用。

Description

一种光子自旋定向耦合器
技术领域
本发明属于集成光子器件设计技术领域，具体涉及一种光子自旋定向耦合器。
背景技术
近年随着信息产业的高速发展，对信息编码、存储速率需求急剧增加，微型化、集成化成为光学器件未来发展的趋势。其中，对光子自旋态的操控是实现片上光通信的关键技术之一，然而，以电介质为载体的传统硅光芯片受制于光的衍射极限，导致光器件的尺寸无法进一步缩小，因此，如何突破光的衍射限制，实现在亚波长尺度对光场的调控成为集成光芯片系统的主要技术瓶颈。
与此同时，近年基于表面等离激元(简称：SPPs)开始受到越来越多的人的关注。它是当光照射到金属结构的表面时，入射光中的光子与金属表面中自由电子的集体震荡而产生的一种存在于金属与介质表面的电磁波，SPPs模式具有两个显著特性，其一是可以突破衍射极限，其二SPPs具有很强的局域场增强。这两个特点非常符合光学集成芯片微型化小型化的要求。
目前的光子自旋定向耦合器件大都集中在硅光平台，然而，这些结构往往具有较大的尺寸。为此，本发明提出了一种光子自旋定向耦合器。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种光子自旋定向耦合器。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：一种光子自旋定向耦合器，包括衬底，位于衬底上层的金属膜层，金属膜层上设有波导结构，所述波导结构包括相互垂直的第一介质波导和第二介质波导，所述第一介质波导的和第二介质波导的相交处存在圆弧介质波导，圆弧介质波导使得波导结构的一部分形成圆弧凸起；
所述金属膜上附着有天线结构，所述天线结构包括三个圆柱体结构，其中两个小圆柱体结构分别相切于靠近圆弧凸起的第一介质波导侧和第二介质波导侧，天线结构中另一大圆柱体位于两个小圆柱体同侧并与两个小圆柱体相切。
进一步地，所述衬底的材料包括硅、氮化硅、氧化锌或铌酸锂中的任意一种。
进一步地，所述金属膜层的材料包括银、铜、铝或金中的至少一种。
进一步地，所述天线结构和波导结构的材料包括二氧化硅、聚甲基丙烯酸甲酯或氟化镁中的任意一种。
进一步地，所述第一介质波导和第二介质波导圆弧交界半径为150～250nm。
进一步地，所述圆柱体结构的端面均垂直于金属膜层，两个相切于圆弧凸起靠近第一介质波导侧和第二介质波导测的小圆柱体半径为80～180nm，与两个小圆柱体相切的另一个大圆柱体半径为180～280nm。
进一步地，所述天线结构中的圆柱体的圆心之间的连线构成等腰直角三角形，等腰直角三角形的直角所在位置为大圆柱体的圆心。
进一步地，所述波导结构的高度为150～250nm，所述第一介质波导和第二介质波导分别靠近各自相对应的圆柱体结构的一侧的长度为3～10mm，第一介质波导和第二介质波导的宽度为200～300nm。
进一步地，所述所述波导结构的顶面呈“L”形。
本发明的有益效果：
本发明利用介质加载SPPs波导优越的导波性能，充分权衡了SPPs模式损耗与模式面积两者相互抑制的关系，设计出了对不同自旋态光子的定向耦合器件；本发明利用光子自旋-轨道耦合效应，提出了一种三柱体天线结构，实现了入射光子自旋角动量与天线结构轨道角动量之间的有效耦合转换；本发明的光子自旋定向耦合器具备消光比高、结构简单、易于加工集成等优点，从而推动光子自旋定向耦合器的实际应用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的立体结构示意图；
图2是本发明沿z正方向正视图；
图3是本发明左旋圆偏振光沿z负方向入射时，器件中的能量传播示意图；
图4是本发明右旋圆偏振光沿z负方向入射时，器件中的能量传播示意图；
图5是本发明的八端口光子自旋分离器示意图；
图6是本发明左旋圆偏振光沿z负方向入射时，光波在八端口器件中的能量传播示意图；
图7是本发明右旋圆偏振光沿z负方向入射时，光波在八端口器件中的能量传播示意图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、衬底；2、金属膜层；3、天线结构；4、波导结构。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-4所示，一种光子自旋定向耦合器，包括衬底1，所述衬底1上设有金属膜层2，所述金属膜层2上设有波导结构4，所述波导结构4包括相互垂直的第一介质波导和第二介质波导，所述第一介质波导的和第二介质波导的相交处存在圆弧介质波导使得波导结构的一部分形成圆弧凸起；在一些场景下，俯视波导结构4，波导结构4的顶面呈“L”形；
所述金属膜层2上设有天线结构3，所述天线结构3包括三个圆柱体结构，所述大圆柱体的半径为180～280nm，与之相切的其余两个小圆柱体半径为80～180nm,所述圆柱体结构的高度为150～250nm，三个圆柱体的圆心之间的连线构成等腰直角三角形，直角所在位置为大圆柱体的圆心；
所述波导结构的高度为150～250nm，所述第一介质波导和第二介质波导分别靠近各自相对应的圆柱体结构的一侧的长度为3～8mm，此处，指的是第一介质波导靠近其相对应的一个圆柱体结构的一侧的第一长度为3～8mm，第二介质波导靠近其相对应的另一个圆柱体结构的一侧的第二长度为3～8mm，在一些场景下：一方面，第一长度和第二长度相同，例如，都为3mm或8mm；另一方面，第一长度和第二长度不相同，例如，第一长度为3mm，第二长度为8mm；两方面根据具体的使用环境可选择性调整。
第一介质波导和第二介质波导的宽度为200～300nm，此处，第一介质波导和第二介质波导的宽度可相同也可以不相同，根据具体的使用环境可选择性调整；
所述衬底1的材料包括硅、氮化硅、氧化锌或铌酸锂中的任意一种；
所述金属膜层2的材料包括银、铜、铝或金中的至少一种；
所述天线结构3和波导结构4的材料包括二氧化硅、聚甲基丙烯酸甲酯或氟化镁中的任意一种。
上述的一种光子自旋定向耦合器在光子调控、纳米光学芯片、量子计算领域的应用。
实施例一，选取波长为532nm的光波；衬底1的材料为硅，折射率为4.15；金属膜层2的材料为银，折射率为0.0369+i*5.4223；天线结构3和波导结构4的材料为聚甲基丙烯酸甲酯PMMA，折射率为1.49；天线结构3中大圆柱的半径为r1＝220nm，高度为h＝200nm，与大圆柱相切的其余两个小圆柱半径为r2＝130nm,高度为h＝200nm；波导结构4中垂直介质波导的宽度为w＝250nm,高度为h＝200nm,长度为L＝6um；两介质波导交界处圆弧波导内径R＝200nm，宽度为w＝250nm；该圆弧波导与天线结构中右侧两圆柱体相切。
图3是本发明左旋圆偏振光沿z负方向入射时，光波在器件中的能量传播示意图，从图中可以清晰看出，在左旋圆偏振光照射下，在天线结构3处谐振模式被激发。波导结构4只有一条介质波导会有较多的能量流入，而另一条介质波导几乎没有能量流入；
图4是本发明右旋圆偏振光沿z负方向入射时，光波在器件中的能量传播示意图，从图中可以清晰看出，本发明同样能够实现对右旋圆偏振入射光的定向耦合功能；
由图3和图4可知，改变入射激发光的偏振特性，可以选择性的将激发光激发的波导模式耦合至特定波导，从而实现选择性耦合的效果。对于左旋或右旋入射光而言，本发明光子自旋定向耦合器的定向分离消光比高达15倍。
实施例二，本发明的设计方案还可拓展到多端口器件应用，图5是在实施例一基础上设计的八端口光子自旋分离器，器件结构参数和实施例一中结构参数相同；
图6是本发明左旋圆偏振光沿z负方向入射时，光波在八端口器件中的能量传播示意图，从图中可以看出，八端口器件除了能够实现对左旋圆偏振入射光的定向分离，还可以实现对左旋圆偏振光的功率分配；
图7是本发明右旋圆偏振光沿z负方向入射时，光波在八端口器件中的能量传播示意图，从图中可以看出，八端口器件同样能够对右旋圆偏振光实现定向分离和功率分配功能；
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内容。

Claims (8)

1.一种光子自旋定向耦合器，其特征在于：包括衬底(1)，位于所述衬底(1)上层的金属膜层(2)，金属膜层(2)上设有波导结构(4)，所述波导结构(4)包括相互垂直的第一介质波导和第二介质波导，所述第一介质波导和第二介质波导的相交处设有圆弧介质波导，圆弧介质波导使得波导结构(4)的一部分形成圆弧凸起；
所述金属膜层(2)上附着有天线结构(3)，所述天线结构(3)包括三个圆柱体结构，其中两个小圆柱体结构分别相切于靠近圆弧凸起的第一介质波导侧和第二介质波导侧，天线结构(3)中另一大圆柱体位于两个小圆柱体同侧，并与两个小圆柱体相切，所述天线结构(3)中的圆柱体的圆心之间的连线构成等腰直角三角形，等腰直角三角形的直角所在位置为大圆柱体的圆心。
2.根据权利要求1所述的一种光子自旋定向耦合器，其特征在于，所述衬底(1)的材料包括硅、氮化硅、氧化锌或铌酸锂中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的一种光子自旋定向耦合器，其特征在于，所述金属膜层(2)的材料包括银、铜、铝或金中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的一种光子自旋定向耦合器，其特征在于，所述天线结构(3)和波导结构(4)的材料包括二氧化硅、聚甲基丙烯酸甲酯或氟化镁中的任意一种。
5.根据权利要求1所述的一种光子自旋定向耦合器，其特征在于，所述第一介质波导和第二介质波导圆弧交界半径为150～250nm。
6.根据权利要求1所述的一种光子自旋定向耦合器，其特征在于，所述圆柱体结构的端面均垂直于金属膜层(2)，两个相切于圆弧凸起靠近第一介质波导侧和第二介质波导测的小圆柱体半径为80～180nm，与两个小圆柱体相切的另一个大圆柱体半径为180～280nm。
7.根据权利要求4所述的一种光子自旋定向耦合器，其特征在于，所述波导结构(4)的高度为150～250nm，所述第一介质波导和第二介质波导分别靠近各自相对应的圆柱体结构的一侧的长度为3～10mm，第一介质波导和第二介质波导的宽度为200～300nm。
8.根据权利要求7所述的一种光子自旋定向耦合器，其特征在于，所述波导结构(4)的顶面呈“L”形。
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