一种光子自旋定向分离器制造技术

本发明专利技术涉及集成光子技术领域，尤其是一种光子自旋定向分离器，为解决金属超表面结构在实现定向分离的稳定性低的问题，现提出如下方案，其包括衬底，衬底上设有金属膜层，金属膜层上设有导波结构，导波结构包括相互垂直的第一介质波导和第二介质波导，金属膜层上设有天线结构，天线结构包括两个扇环体结构，两个扇环体结构分别等距分布于第一介质波导和第二介质波导的两侧。当入射光子的自旋角动量与天线结构的轨道角动量匹配时，入射光转化为天线谐振波导模式；同时，通过控制入射光子的自旋态，选择性地将天线谐振波导模式耦合至光子自旋导波结构中的某一个波导分支。本发明专利技术消光比高和集成度高，适用于量子通信领域。适用于量子通信领域。适用于量子通信领域。

【技术实现步骤摘要】
一种光子自旋定向分离器


[0001]本专利技术涉及集成光子设计领域，尤其是一种光子自旋定向分离器。

技术介绍

[0002]近年随着微加工技术、纳米材料、光场调控等研究领域的进步与发展，对信息编码、存储速率以及器件集成度的需求急剧增加，其中，对光子自旋态的操控是实现片上通信的关键技术之一，然而，以电介质为载体的传统光波导受衍射极限的制约，难以实现对光子的亚波长操控，因此，如何突破光的衍射限制，一直是传统光波导集成的主要技术瓶颈；与此同时，近年基于表面等离子体（简称：SPPs）的共振技术引起人们广泛关注，所谓SPPs，即在外界电磁场激励下，当满足波矢匹配条件时，金属表面自由电子密度发生集体振荡，从而激发出的一种电荷密度振荡本征模式，由于SPPs模式具备高度的电磁局域和近场增强特性，因此，利用SPPs技术除了能突破衍射极限外，还可以显著提高光与物质的相互作用，如荧光辐射、拉曼散射、非线性效应和光自旋
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轨道作用等；目前的光子自旋定向分离器大都采用金属超表面（metasurface）结构，然而，金属超表面结构在实现定向分离的稳定性低，为此，本专利技术提出了一种光子自旋定向分离器。

技术实现思路

[0003]为解决金属超表面结构在实现定向分离的稳定性低的问题，本专利技术提出了一种光子自旋定向分离器。
[0004]本专利技术以光子自旋
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轨道耦合为基础，结合SPPs亚波长调控优势，提供了一种分离稳定和性能突出的光子自旋分离结构，可实现局域涡旋光子的方向性传输，以解决目前光子自旋定向分离器定向分离性能低的问题，对于新型光子调控、量子通信、量子计算等技术的发展有极其重要的意义。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术采用了如下技术方案：一种光子自旋定向分离器，包括衬底，所述衬底上设有金属膜层，所述金属膜层上设有导波结构，所述导波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第一侧面和第二介质波导的第二侧面相交使得导波结构的一部分形成直角凸起；所述金属膜层上设有天线结构，所述天线结构包括两个扇环体结构，两个所述扇环体结构分别等距分布于第一侧面和第二侧面的一侧，所述直角凸起指向两个扇环体结构的扇宽端面之间。
[0006]优选的，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。
[0007]优选的，所述金属膜层的材料包括银、铜、铝或金中的至少一种。
[0008]优选的，所述天线结构和导波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。
[0009]优选的，所述扇环体结构的外弧线半径均为160~230nm，所述扇环体结构的扇宽均为120~180nm，所述扇环体结构的高度均为160~240nm。
[0010]优选的，所述扇环体结构的扇宽端面均垂直于金属膜层，两个所述扇环体结构相互靠近的两个扇宽端面与金属膜层的两个交线所在的两个直线之间的夹角为80~100
o
。
[0011]优选的，所述扇环体结构的外弧线或内弧线所在平面的法线到第一侧面与第二侧面的交线之间的距离为40~80nm，所述法线位于扇环体结构的外弧线或内弧线的圆心处。
[0012]优选的，所述导波结构的高度为160~240nm，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扇环体结构的一侧的长度为1~8微米，第一介质波导和第二介质波导的宽度为150~210nm。
[0013]优选的，所述导波结构的顶面呈“L”形。
[0014]上述的一种光子自旋定向分离器在光子调控、量子通信或量子计算领域的应用。
[0015]本专利技术的有益效果：1、本专利技术利用光自旋
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轨道耦合的调谐特性，提出了一种双劈裂天线结构，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；2、本专利技术利用介质加载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分离器件；3、本专利技术的光子自旋定向分离器具备消光比高、易于加工集成、CMOS工艺兼容等优点，这些优点能推动本专利技术光子自旋定向分离器的实际应用。
附图说明
[0016]图1是本专利技术的三维结构示意图；图2是本专利技术沿z正方向正视图；图3是本专利技术左旋圆偏振光沿z负方向入射时，光波在器件中的能量传播示意图，图中黑色箭头方向表示入射光的自旋态；图4是本专利技术右旋圆偏振光沿z负方向入射时，光波在器件中的能量传播示意图，图中黑色箭头方向表示入射光的自旋态。
[0017]图5是本专利技术的四端口分离器结构示意图；图6是本专利技术左旋圆偏振光沿z负方向入射时，光波在四端口器件中的能量传播示意图，图中黑色箭头方向表示入射光的自旋态；图7是本专利技术右旋圆偏振光沿z负方向入射时，光波在四端口器件中的能量传播示意图，图中黑色箭头方向表示入射光的自旋态。
[0018]图中标号：1衬底、2金属膜层、3天线结构、4导波结构。
具体实施方式
[0019]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术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专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。
[0020]参照图1
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7，一种光子自旋定向分离器，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上设有导波结构4，所述导波结构4包括相互垂直的第一介质波导和第二介质波导，第一介质波导和第二介质波导连接在一起，可以但不仅局限于一体成形，也可是拼接在一起，在一些场景下，俯视导波结构4，导波结构4的顶面呈“L”形；所述第一介质波导的第一侧面和第二介质波导的第二侧面相交使得导波结构4的
一部分形成直角凸起，第一侧面和第二侧面均垂直于金属膜层2；所述金属膜层2上设有天线结构3，所述天线结构3包括两个扇环体结构，俯视扇环体结构，其端面呈扇环形，所述扇环体结构的外弧线半径均为160~230nm，所述扇环体结构的扇宽均为120~180nm，所述扇环体结构的高度或厚度均为160~240nm；两个所述扇环体结构分别等距分布于第一侧面和第二侧面的一侧，所述直角凸起指向两个扇环体结构的扇宽端面之间；所述扇环体结构的扇宽端面均垂直于金属膜层2，两个所述扇环体结构相互靠近的两个扇宽端面与金属膜层2的两个交线所在的两个直线之间的夹角为80~100
o
；所述扇环体结构的外弧线或内弧线所在平面的法线到第一侧面与第二侧面的交线之间的距离为40~80nm，所述法线位于扇环体结构的外弧线或内弧线的圆心处；所述导波结构4的高度或厚度为160~240nm，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扇环体结构的一侧的长度为1~8微米，此处，指的是第一介质波导靠近其相对应的一个扇环体结构的一侧的第一长度为1~8微米，第二介质波导靠近其相对应的另一个扇环体结构的一侧的第二长度为1~8微米，在一些场景下：一方面，第一长度和第二长度相同，例如，都为1微米或8微米；另一方面，第一长度和第二长度不相同，例如，第一长度本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种光子自旋定向分离器，其特征在于：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）上设有导波结构（4），所述导波结构（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第一侧面和第二介质波导的第二侧面相交使得导波结构（4）的一部分形成直角凸起；所述金属膜层（2）上设有天线结构（3），所述天线结构（3）包括两个扇环体结构，两个所述扇环体结构分别等距分布于第一侧面和第二侧面的一侧，所述直角凸起指向两个扇环体结构的扇宽端面之间。2.根据权利要求1所述的一种光子自旋定向分离器，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分离器，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分离器，其特征在于，所述天线结构（3）和导波结构（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分离器，其特征在于，所述扇环体结构的外弧线半径均为160~230nm，所述扇环体结构的扇宽均为12...

【专利技术属性】
技术研发人员：马佑桥，李金花，任海东，
申请(专利权)人：南京信息工程大学，
类型：发明
国别省市：