用于光场调控的三维非对称微腔器件及其集成器件

1.本发明属于光传输、光信号产生及处理技术、片上光子器件领域，尤其涉及一种用于光场调控的三维非对称微腔器件及其集成器件。


背景技术：

2.偏振是光的基本特性之一。传统的用于操控光偏振、光的自旋属性的元件为具有特定双折射特性的透明波片，如二分之一波片、四分之一波片等。近年来随着前沿科学的进展，一种新型的、在极坐标系内结构周期渐变的半波片，即q板(q-plate)得到研发，可产生并调控光的轨道角动量。同类型的调控光场偏振、自旋的新型器件包括液晶可变波片、达曼光栅等。以上所述元件均用于自由空间对光束的调控，在大带宽、全光交换的光通信领域应用中，尤其是偏振复用、模分复用的光信息系统中具有重要意义。然而，波片类分立器件体积大，难以实现集成，工作时需要借助精密的光学对准，且有明显的波长选择性和局限性。近年来，有关超构表面的学术研究推动了亚波长尺度平面结构在生成几何相位及光场调控方面的应用。该类器件尺寸较为紧凑、性能高效，适用于对于自由空间光路的调控，但与传统片上集成的亚微米级尺度的光波导器件相比仍然存在巨大的模场失配，需要特制的耦合策略，难以实现集成。
3.现有的片上集成偏振调控器件主要基于波导中不同偏振模式的传播差异特性，可形成偏振分束器和偏振转换器。然而，该类器件主要基于级联式波导，需要一定的传播距离来实现模式区分，所需占用尺寸较大，不利于高密度集成。此外，该设计实现功能单一，如两种偏振模式的分离，或两种特定偏振间的转化，其主要性能参数，如消光比、插损、应用带宽均因实际加工工艺而受到限制。
4.具备回音壁模式的光学微腔是一种集成光子回路中广泛应用的结构。由于其具备高品质因子和紧凑的体积，可用于实现光源、光放大、信号调制、光场传感等功能，特别是以腔场增强的效应大大提升其性能。以微环、微盘为代表的传统回音壁模式片上器件均为平面器件，并采用对称性设计，工作条件通常为单一的偏振模式，即横电、横磁两个正交模式其中之一。但是该类器件本身缺乏对于复杂、混合偏振的处理能力，需要额外集成磁极或基于磁光材料制备微腔，引入外加磁场才能实现调控。


技术实现要素：

5.针对以上技术问题，本发明公开了一种用于光场调控的三维非对称微腔器件及其集成器件，该器件可以对光场的偏振、自旋、波长等特性以及运动轨迹实现自由调控，可与片上光波导、光纤等常规光波导器件集成，可应用于实现多种集成光子芯片中所需的功能，如滤波器、偏振转换器、复用器、光源，放大器，偏振测量计等，也可应用于特种光学传感、光计算、量子通信等领域。其集成器件可以为包含用于光场调控的三维非对称微腔的无源片上器件、多路复用器件、有源三维微腔器件等。
6.对此，本发明采用的技术方案为：
7.一种用于光场调控的三维非对称微腔器件，其包括基底、位于基底上的光学微环腔，所述光学微环腔为回音壁结构，所述光学微环腔的截面随着微环的方位角φ变化按截面偏转角θ进行逐步偏转，并形成首尾相接的闭环；其中，所述光学微环腔的截面为沿光学微环腔腔体轴向方向穿过环心的截面，所述截面偏转角θ为截面的短边中点连线方向与基底的轴向方向之间的夹角，方位角φ满足：0
°
≤φ≤360
°
。
8.此技术方案提供了一种新型的三维非对称微腔器件结构，在传统截面为矩形的光波导形成的平面微环的基础上，引入随方位角逐渐变化的截面，首尾相接位置重合，形成闭环。利用结构梯度对导波条件的精确调控，改变共振光子运动轨迹及其相关的轨道角动量、自旋角动量特性，调控相互间耦合强度。对比常规片上环形回音壁模式微腔，该结构可额外实现以下新功能：1)对于输入光波偏振态的自由调控、转换；2)作为滤波器件对输入光波自旋态的鉴别；3)作为光源，实现多路输出的具有不同偏振态的光场调控。
9.作为本发明的进一步改进，所述截面为矩形。
10.作为本发明的进一步改进，所述截面偏转角θ满足：0
°
≤θ≤90
°
，所述截面偏转角θ从0
°
开始随方位角φ变化，在方位角φ改变180度后，达到最大值90
°
。也就是截面在φ改变180度后完全演变为水平方向，此时偏转角达到最大，为90
°
。
11.采用此技术方案，在传统平面微环的基础上打破对称性，引入自旋轨道耦合机制，通过在不同方位角，改变截面的朝向，等效的调制了自旋角动量，所以，尽管光场运动轨迹仍然在x-y面内，但是光的偏振可沿截面的偏转而偏转。
12.作为本发明的进一步改进，所述矩形的长边为2微米～20微米，短边为400纳米～2微米。
13.作为本发明的进一步改进，所述截面为四边形，所述光学微环腔各个位置的截面顶部距离基地的高度相等。
14.作为本发明的进一步改进，所述光学微环腔为上大下小，或上小下大的锥台形状。
15.作为本发明的进一步改进，所述截面偏转角θ满足：θ1≤θ≤θ2，其中，θ1、θ2的范围为1
°‑
20
°
。
16.采用上述技术方案，具有更高结构自由度，可用于实现偏振态的自由调控，包括线偏振、圆偏振、椭圆偏振及左旋、右旋两种自旋偏振态的自由变换、辨别、分离及产生。
17.作为本发明的进一步改进，所述截面顶部距离基地的高度w为2微米～20微米，所述截面的上底t1、下底t2的长度满足400纳米～2微米。
18.采用此技术方案，除了引入偏转角以外，该结构存在截面上下非等宽设计，模式沿基底的轴向z轴方向的等效折射率分布n
eff
(z)可得到调制，根据费马原理，光波传输轨迹可以由原先平庸的面内共振，实现为倾斜的面外共振轨迹。
19.作为本发明的进一步改进，所述光学微环腔的直径为3-1000微米。
20.本发明还公开如上任意一项所述的用于光场调控的三维非对称微腔器件的制备方法，所述光学微环腔在基底上采用双光子聚合或烧蚀的3d打印技术成型。进一步的，采用基于飞秒激光扫描实现的双光子聚合或烧蚀的3d打印技术。
21.本发明还公开了一种无源片上器件，为基于上述用于光场调控的三维非对称微腔的集成器件，其包括如上任意一项所述的用于光场调控的三维非对称微腔器件和平面波导或光纤，其中，平面波导或光纤位于所述的用于光场调控的三维非对称微腔器件的一侧进
行耦合。优选的，所述平面波导为截面为矩形的沟道波导。进一步优选的，所述平面波导为单模波导。所述平面波导的材料为硅、氮化硅、二氧化硅、磷化铟或聚合物。
22.作为本发明的进一步改进，所述无源片上器件为无源片上滤波器件，所述无源片上滤波器件包括低折射率的底部包层，所述底部包层上设有凹槽，所述用于光场调控的三维非对称微腔器件通过支柱与凹槽的底部连接，所述平面波导位于底部包层的表面上、且位于所述用于光场调控的三维非对称微腔器件的外侧。其中，所述平面波导与所述用于光场调控的三维非对称微腔器件之间留有间隙。
23.本发明还公开了一种多路复用器件，为基于上述用于光场调控的三维非对称微腔的集成器件，其包括如上任意一项所述的用于光场调控的三维非对称微腔器件和多个波导，多个波导组成波导阵列，所述波导与用于光场调控的三维非对称微腔器件的侧壁接触，所述多个波导的延伸方向平行于所述用于光场调控的三维非对称微腔器件的基底。
24.本发明还公开了一种有源三维微腔器件，为基于上述用于光场调控的三维非对称微腔的集成器件，其包括如上任意一项所述的用于光场调控的三维非对称微腔器件，所述用于光场调控的三维非对称微腔器件的光学微环腔含有有源材料。
25.作为本发明的进一步改进，所述有源材料包括荧光染料、上转换材料、聚集诱导发光分子、胶体量子点或具备强非线性特性的光学材料中的至少一种。采用此技术方案引入有源材料，可以通过外部光源泵浦、光致发光形成共振信号。输出光可以通过波导或光纤采集。该器件可作为多模激射光源，在不同的模式共振轨道实现特定的自旋轨道耦合，因而模式间携带迥异的偏振属性，可用于自由空间光通信、片上光通信光互联、光计算、光传感等应用，也可以作为量子光源，生成偏振纠缠的光子对单光子特性处理，用于量子通信和量子计算。
26.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
27.本发明的技术方案，针对已有技术普遍存在的体积大、集成难、适用带宽受限、功能单一等限制，进行了改进，有益效果主要包括以下三个方面：
28.(1)本发明的技术方案采用三维非对称结构，支持光场以回音壁模式形成共振，可作为无源或有源器件，可以利用光场中自旋轨道耦合现象，实现对偏振、自旋、波长的调控，无需依赖特种材料，且适用于极宽波段范围。相比较传统波片，其结构可通过单次飞秒激光加工便捷制成，作为微型光腔具有紧凑设计的天然优势，解决了体积大、集成难、适用带宽受限、功能单一的问题。
29.(2)本发明的技术方案可建立在常规片上四族、三五族半导体光波导回路的基础上进行制备，形成一套完善的异构集成流程。同时，其紧凑的微腔结构与已在产业中完全自动化、流程化的光波导、光纤耦合技术高度适配。
30.(3)由于采用了三维非对称结构，本发明的技术方案可以在轴向容纳理论上无上限的高阶共振模式，获取不同强度的自旋轨道耦合和几何相位，因此可以采用单个器件实现多路复用的偏振调控。调控后的光场既可以在片上传输，也可以通过透镜耦出到自由空间，具有广阔的实用性。
附图说明
31.图1为本发明实施例1的用于光场调控的三维非对称微腔器件的结构示意图。
32.图2为图1中三个位点a、x、b的截面图；其中，(a)为a点，(b)为x点，(c)为b点。
33.图3为本发明的实施例1的方位角和偏转角的对应关系。
34.图4为本发明实施例1的微腔结构在庞加莱球面的光场偏振态演化示意图。
35.图5为本发明实施例1的三维光场仿真结果图；其中(a)为共振光谱图；(b)为光场强度的顶视图，包括两个局部放大图。
36.图6本发明实施例2的用于光场调控的三维非对称微腔器件的结构示意图，其中(a)为透视图，(b)为倾斜的光波共振轨迹图。
37.图7为图6中三个位点a、x、b的截面图；其中，(a)为a点，(b)为x点，(c)为b点。
38.图8为本发明实施例2的方位角和倾斜角的关系图。
39.图9为本发明实施例1的微腔器件的光场偏振态在庞加莱球面演化示意图，其中(a)为左旋情况，(b)为右旋情况。
40.图10为本发明实施例2的不同椭偏度在庞加莱球中对应的方位角以及与共振波长的对应关系；其中(a)为不同椭偏度在庞加莱球中对应的方位角示意图，(b)为方位角以及与共振波长的对应关系图。
41.图11为本发明实施例2的三维光场仿真结果；其中(a)为共振光谱图，(b)为光场强度分布侧视图，(c)为在z轴不同位置采集得到的偏振分辨极坐标图。
42.图12为本发明实施例3中采用双光子聚合技术制备实施例1的器件的加工示意图。
43.图13为本发明实施例3中制备实施例1的器件的电子扫描显微镜图。
44.图14为本发明实施例4中采用实施例1的微腔器件应用于无源器件的结构示意图；其中(a)为采用锥形光纤进行耦合的侧视示意图，(b)为光学显微镜图。
45.图15为本发明实施例4中针对无源结构中输出光的表征系统的结构示意图。
46.图16本发明实施例4的无源器件的表征测量结果图；其中(a)为透射光谱图，(b)为在a、b两个测量位置得到的偏振分辨极坐标图。
47.图17为本发明实施例5的无源片上滤波器件的结构示意图；其中，(a)为侧视图，(b)为双波导分别在a、b点耦合时的顶视图，(c)为耦出波导在任意方位角进行耦合的相对于偏振态输出的顶视图。
48.图18为本发明实施例6的片上多路复用的波导耦合器件的结构示意图；其中，(a)为侧视图，(b)为顶视图。
49.图19为本发明实施例6的有源微腔器件进行不同轴向位置耦出信号的三维光场仿真结果图，其中，(a)为右旋椭圆偏振，(b)为左旋椭圆偏振。
50.图20为本发明实施例6针对有源微腔器件的泵浦光空间选择激发及信号收集装置示意图。
51.其中附图标记包括：101-高能量密度光束，102-有效焦点，103-立体微腔结构，104-基底，105-光刻胶；
52.201-锥形光纤，202-微腔腔体，203-支柱，204-沟道波导，205-底部包层，206-耦出波导；
53.301-波长可调谐激光器，302-偏振控制模块，303-耦合模块，304-光电探测器或光谱仪，305-检偏模块或偏振计，306-物镜，307-成像相机；
54.401-微腔，402-波导阵列；
55.501-泵浦光源，502-空间光调制器，503-物镜，504-有源微腔器件，505-电控位移平台，506-阵列耦合系统，507-滤波片。
具体实施方式
56.下面对本发明的较优的实施例作进一步的详细说明。
57.实施例1
58.如图1～图3所示，一种用于光场调控的三维非对称微腔器件，其包括基底以及位于基底上的光学微环腔，所述光学微环腔支持光学回音壁共振模式，所述光学微环腔的截面随着微环的方位角φ变化按截面偏转角θ进行逐步偏转，并形成首尾相接的闭环。其中，所述学微环腔的截面为矩形。图1为透视图，其中标识有光波共振轨迹。
59.将与芯片基底垂直的轴向方向定义为z轴。所述光学微环腔的截面为沿光学微环腔腔体轴向方向穿过环心的截面，截面偏转角θ定义为截面的短边中点连线方向与基底的轴向方向之间的夹角，也就是截面的矩形长边与z轴之间的夹角。图3中，a点偏转角为0度，此处截面的矩形长边(长度定义为w)与z轴平行，在方位角φ变大后，截面开始偏转(如x点所示)，截面在φ改变180度后(b点)完全演变为水平方向，偏转角达到最大，为90度。截面即随后通过方位角在180-360度的区间再次演化，最终实现首尾相接的闭环。图3展示了偏转角和方位角的关系。
60.光沿波导传播时携带一定自旋角动量、朝向及符号和光波的自旋分量有关，且与传播轨迹共面，因此光波沿微环闭合回路共振时，就会存在有效的轨道角动量。然而在常规平面微环中，自旋角动量和轨道角动量之间耦合十分微弱，可以忽略不计。采用本实施例的技术方案的结构，通过在不同方位角改变截面的朝向，等效的调制了自旋角动量。因此，尽管光场运动轨迹仍然在x-y面内，光的偏振可沿截面的偏转而偏转。
61.传输光的偏振态在庞加莱球上的运动轨迹如图4所示。若定义a点为两套正交的线偏振模式之一、沿竖直方向线偏振模式光(即传统片上波导中的横磁模tm)，则经过方位角180度后的传播，同一模式则在b点演变为沿水平方向线偏振模式光(即传统片上波导中的横电模te)，对应演化轨迹处于庞加莱球面中赤道位置。当a点为水平线偏振模式光，演化效果同理。因此，在不同方位角耦合输出，即可得到相对应的带有一定角度的线偏振态，偏振偏转和截面偏振具有清晰对应关系。
62.图5展示了采用有限元计算法工具comsol multiphysics中三维电磁场仿真模块，得到该结构一种特例的仿真结果。其中仿真波长为通信c波段(约1530-1565nm)附近。图5(a)展示了该结构中周期性共振光谱，相邻模式具有不同的方位角模式数，模式间距(即“自由光谱范围”)呈现等间隔效果。每一组模式包含两组正交偏振分量。图5(b)展示了选取特定的模式波长下光场强度分布的顶视图。从在a点、b点的局部放大图及由箭头标识的光场偏振方向可以清晰的看出结构对传播光偏振方向的90度偏转效果。
63.进一步的，本实施例的结构可广泛适用于如可见光、近红外、中红外等不同波段。针对该波段可以相对应的对所有设计参数作出统一调节。以下设计以通信c波段为例，截面为矩形，长边w优选为2微米至20微米范围，短边t优选为400纳米至2微米范围。
64.实施例2
65.本实施例提供了另一种具有更高结构自由度的非对称型三维微环回音壁模式腔，
可用于实现偏振态的自由调控，包括线偏振、圆偏振、椭圆偏振及左旋、右旋两种自旋偏振态的自由变换、辨别、分离及产生。
66.该非对称微腔的结构如图6所示，该图为透视图，其中标识有倾斜的光波共振轨迹。该微腔腔体的截面为四边形，截面沿z轴的长度定义为w。结构整体呈现为上大下小，或上小下大的锥台状，上下方直径定义为db、d
t
。四边形截面的中轴与z轴偏转角定义为θ。该角度并非如前述结构存在剧烈变化，一般为1-20度。偏转效果也可采用非对称形式，如在a点为θ1，b点为θ2，中间为逐步过渡，在方位角180-360度的演化中，回归原本截面结构，实现闭环。图7展示了本实施例在a点、b点以及过渡x点的截面结构示意图图，朝向为光波逆时针方向传播视角。图8展示了偏转角随方位角的变化关系。
67.除了引入偏转角以外，该结构存在截面的上、下非等宽设计，上底和下底两个底边长度分别为t1、t2。模式沿z轴的等效折射率分布n
eff
(z)可得到调制，根据费马原理，光波传输轨迹可以由原先平庸的面内共振，转变为倾斜的面外共振轨迹，如图6所示。共振形成闭合的圆环轨迹、与原先的共振面成倾斜角β。
68.下面对该结构中光子的自旋轨道耦合现象进行分析。光子运动轨迹从原先的面内脱离、倾斜，沿轴向出现足够强的波矢分量kz。因此，原本以回音壁模式共振中存在的轨道角动量可与波矢kz携带的自旋角动量相互耦合，耦合强度与倾斜角β大小相关。在倾斜传播中，光子由原线偏振逐步演变，变为椭圆偏振。图9展示了该结构中共振模式在庞加莱球面的演化，传播光可以任意椭圆偏振态完成闭合回路。光子在庞加莱球上体现的演化方向由微腔内光子的自旋决定。上下半球分辨对应左旋椭圆偏振光和右旋椭圆偏振光。光子在上下半球的演化由微腔内光子的传播方向(即顺时针、逆时针传播)决定。两种传播方向在微腔中也体现为两套不同的传播轨迹。
69.因此，该类结构的非对称属性，包括截面的偏转角、非对称度等设计将决定共振光场的椭偏度及几何相位的大小。根据pancharatnam-berry(pb)相位理论[journal of modern optics,1987,34,1401-1407]，光子完成闭合共振回路，从a点出发，再回到a点(这里称为a’点)产生的几何相位为
[0070]
《a|a'》＝exp(-iω/2)，
[0071]
其中ω为庞加莱球上演化轨迹形成的立体角。
[0072]
在满足共振条件下，在a点的光场可表述为原始a点和传播后回到a点的分量叠加干涉，即
[0073]
i＝||a》e
iφ
+|a'》e-iφ
|，
[0074]
其中φ为传播带来的动态相位。干涉现象须考虑两种相位叠加作用，
[0075]
i＝2+2|《a|a'》cos(arg《a|a'》-2φ|。
[0076]
因此，相比于传统平面微环腔，共振波长随着几何相位的增大而产生了偏移。
[0077]
图10(a)展示了不同椭偏度在庞加莱球中对应的方位角，因此导致的几何相位存在明显差异。左旋和右旋的输入光对应着相反的几何相位，引起的共振波长偏移符号相反。从图10(b)可以看出不同椭偏度影响下，共振波长在原先影响下的偏移。基于此特性，该结构可作为滤波器，区分携带不同自旋属性的输入光。
[0078]
图11为采用三维电磁场仿真工具计算得到该结构的仿真结果。在图11(a)中的光谱中体现了周期性共振峰。图11(b)展示了共振光场分布侧视图，可以明显看出共振轨迹存
在面外的倾斜。图11(c)为选取不同z轴位置的偏振态极坐标分布图，其中的共振模式体现出明显的椭圆偏振属性，且与所在位置相关。
[0079]
本实施例可广泛适用于如可见光、近红外、中红外等不同波段。针对该波段可以相对应的对所有设计参数作出统一调节。以下以通信c波段(约1530-1565nm)为例。截面为四边形，截面顶部高度也就是顶部距离基底的距离w优选为2微米至20微米范围，上底t1、下底t2优选为400纳米至2微米范围。
[0080]
实施例3
[0081]
一种用于光场调控的三维非对称微腔器件的制备方法，用于制备实施例1或实施例2的器件。
[0082]
针对这类特殊的三维微腔结构，制备工序难以沿用传统的自上而下的光刻技术，可选方案为基于激光扫描实现的3d打印成型技术。由于常规紫外曝光的3d打印技术可实现的结构精度不足，优选的制备方案为基于飞秒激光实现双光子聚合下的三维打印或烧蚀技术。
[0083]
如图12所示，为双光子聚合技术加工过程示意图，在基底104上点光刻胶105，利用脉冲激光器聚焦后的高能量密度光束101进行加工，优选的脉冲激光器具有超短飞秒级脉冲(脉宽约～10-1000fs)、高能量密度。激发波长为近红外波段，优选为700-1000nm，保证双光子同时吸收后能量可以使光刻胶105改性。光学聚焦下，双光子聚合的有效焦点102的体积比常规的单光子激发的体积有着极大的缩小。通过二维高速扫描转镜及精密陶瓷压电平台，可以以三维逐点扫描曝光加工形成立体微腔结构103加工，结构精度可小于100nm，满足要求。所加工的基底104可为常规玻璃片、石英片、硅片，也可为已加工有平面光波导回路的芯片，实现异构集成。
[0084]
优选的光刻胶材料105为su-8、orcocomp、以及nanoscribe ip-dip、ip-780、ip-g 780或ip-s。不同种类光刻胶的折射率有一定差异。微腔外为低折射率环境，可为空气、液体、低折射率填充聚合物等。如需要制造更高的折射率差，实现更小体积的微腔结构，可借助原子层沉积(ald)技术后期在内外表面均匀沉积高折射率、低吸收的氧化物材料，如tio2、hfo2。为了实现足够大的轴向折射率差，也可以实施二次打印，实现两种不同折射率材料的拼接。除微腔本体外，为支撑三维结构，需要额外制备支撑架，优选为锥台结构，减小与微腔接触面积以控制散射损耗。
[0085]
作为本发明的验证性试验，采用双光子聚合光刻商用仪器基于780nm波长的飞秒激光光束，以横向10nm扫描精度在石英衬底上成型实施例1的器件结构。随后采用显影仪处理13分钟，用异丙醇洗涤，最后采用超临界干燥仪去除剩余的附着液体。图13为制备得到的器件的电子扫描显微镜图像。
[0086]
实施例4
[0087]
本实施例为一种用于光场调控的三维非对称微腔器件的应用。下面主要针对实施例1的微腔结构，应用于无源器件中的情况进行介绍。
[0088]
一种无源器件，其采用如实施例1所述的用于光场调控的三维非对称微腔器件与光纤或平面光波导进行耦合，结构如图14(a)所示。优选由普通单模光纤通过局域加热与拉伸实现的锥形光纤201，作为输入光纤，优选直径为2μm或以下，保证存在足够强的倏逝场与微腔腔体202作用。其中微腔腔体202通过支柱203支撑，耦合通过微操控台靠近微腔腔体
202完成。可选的，在微腔的另一侧采用另一支锥形光纤201实现输出耦合。图14(b)为采用锥形光纤进行耦合的光学显微镜图。
[0089]
图15为微腔的表征系统示意图，其包括波长可调谐激光器301、偏振控制模块302、输入光纤对锥形光纤或片上光波导的耦合模块303、对于输出信号，可选用光电探测器或光谱仪304、检偏模块或偏振计305进行分析。此外，器件耦合对准需要借助光学显微成像部分，包括高倍数物镜306及成像相机307。
[0090]
图16(a)为采用上述的微腔的表征系统测量对实施例1的器件进行测量的结果图。采用通信c波段的波长可调谐激光器耦合进入光纤进行激发，光电探测器采集，可得到具有周期性回音壁模式的透射光谱。基于偏振计可以以旋转波片法测量准直入射光的偏振态，体现为在极坐标中的分布。如图16(b)所示，分析主轴朝向及椭偏度可以看出，在两个特征点a、b进行耦合时，对应的偏振存在约90度的偏振，线偏振属性得到了保持，因此证明了实施例1的微腔结构对偏振所具有的调控功能。
[0091]
实施例5
[0092]
在实施例4的基础上，作为另一种应用，当用作无源片上滤波器件时，优选方案为与常规平面波导集成。如图17所示，波导优选为截面为矩形的沟道波导204，优选为单模波导，材料可为在工作波长透明的常用导波材料，如硅、氮化硅、二氧化硅、磷化铟、聚合物等。相对排布的侧视图见图17(a)，该图以实施例1的微腔结构为例，当然也同样适用于实施例1的微腔结构。通过在微腔区对低折射率的底部包层205的材料进行刻蚀，形成凹槽，引入支柱203，使微腔202通过支柱203与底部包层205的凹槽底部连接，然后使沟道波导204位于微腔结202的外侧，并与底部包层205的表面接触。这样可保证波导和微腔器件在垂直方向的相对位置调控。耦入、耦出波导与微腔的边缘相隔有亚波长间隙。图17(b)和图17(c)展示了在不同方位角耦出的设计，通过对耦出波导206所处方位角的调节，可实现对输出偏振的自由调控。其中，耦出波导为在任意方位角进行耦合的弯曲光波导。
[0093]
以上所述的光纤或波导耦合方案中，光子共振闭合回路与基底平面平行或呈小角度倾斜。
[0094]
实施例6
[0095]
一种片上多路复用的波导耦合器件，其为多路复用方案，采用实施例2的微腔结构，结构示意图如图18所示，将微腔401整体旋转90度，共振光闭合回路与基底几乎垂直，采用波导阵列402与微腔401进行零间隔耦合。已知沿轴向结构长度w足够大的情况下，多套轴向模式在庞加莱球面体现为不同的演化轨迹，可用于多路复用下的光场调控。通过此改造，光的分量实现轴向分辨，可与多个波导同时耦合，耦合的后果即生成多组偏振特性不同的分量，实现多路复用。
[0096]
实施例7
[0097]
本发明的技术方案不局限于无源片上器件，还可作为有源发光器件，尤其是激光器和宽谱光源，实现输出光偏振调控。具体与上述不同在于：在制备过程的准备光刻胶步骤，将有源材料均匀掺入胶内。优选的有源材料为荧光染料、上转换材料、聚集诱导发光(aie)分子、胶体量子点或具有强非线性特性的光学材料等。这样可以通过外部光源泵浦，光致发光形成共振信号。输出光可以通过波导或光纤采集。该器件可作为多模激射光源，在不同的共振轨道实现特定的自旋轨道耦合，因而模式间携带迥异的偏振属性，可用于自由
空间光通信、片上光通信光互联、光计算、光传感等应用，也可以作为量子光源，生成偏振纠缠的光子对单光子特性处理，用于量子通信和量子计算。
[0098]
图19为采用三维电磁场仿真工具comsol multiphysics计算得到该方案的一种特例仿真结果。可见，可在选择不同的轴向位置z1、z2时，得到不同的线偏振或椭圆偏振光，其中沿传播方向可区分左旋和右旋椭圆偏振属性。
[0099]
基于有源三维微腔的表征系统的结构方案如图20所示。泵浦激光501优选为具有较高能量密度、较低重复频率的脉冲激光器。通过反射式空间光调制器502可调控对微腔的空间选择性激发，由物镜503聚焦至有源微腔器件504表面，实现光致发光，激发位置也可通过电控位移平台505调节。多路输出光信号可通过一个阵列耦合系统506，如微透镜阵列、光纤阵列、波导阵列等将信号转化到自由空间，最后通过滤波片507后输出。
[0100]
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种用于光场调控的三维非对称微腔器件，其特征在于：其包括基底以及位于基底上的光学微环腔，所述光学微环腔的截面随着微环的方位角φ变化按截面偏转角θ进行逐步偏转，并形成首尾相接的闭环；其中，所述光学微环腔的截面为沿光学微环腔腔体轴向方向穿过环心的截面，所述截面偏转角θ为截面的短边中点连线方向与基底的轴向方向之间的夹角。2.根据权利要求1所述的用于光场调控的三维非对称微腔器件，其特征在于：所述截面为矩形；所述截面偏转角θ满足：0
°
≤θ≤90
°
，所述截面偏转角θ从0
°
开始随方位角φ变化，在方位角φ改变180
°
后，达到最大值90
°
。3.根据权利要求2所述的用于光场调控的三维非对称微腔器件，其特征在于：所述光学微环腔的直径为3微米-1000微米，所述矩形的长边为2微米~20微米，短边为400纳米~2微米。4.根据权利要求1所述的用于光场调控的三维非对称微腔器件，其特征在于：所述截面为四边形。5.根据权利要求4所述的用于光场调控的三维非对称微腔器件，其特征在于：所述光学微环腔为锥台形状；所述截面偏转角θ满足：θ1≤θ≤θ2，其中，θ1、θ2的范围为1
°‑
20
°
。6.根据权利要求5所述的用于光场调控的三维非对称微腔器件，其特征在于：所述光学微环腔的直径为3微米-1000微米，所述截面顶部距离基地的高度w为2微米~20微米，所述截面的上底t1、下底t2的长度满足400纳米~2微米。7.如权利要求1~6任意一项所述的用于光场调控的三维非对称微腔器件的制备方法，其特征在于：所述光学微环腔在基底上采用基于激光扫描实现的双光子聚合或烧蚀的3d打印技术制备得到。8.一种无源片上器件，其特征在于：其包括如权利要求1~6任意一项所述的用于光场调控的三维非对称微腔器件和平面波导或光纤。9.一种多路复用器件，其特征在于：其包括如权利要求1~6任意一项所述的用于光场调控的三维非对称微腔器件和多个波导，所述多个波导组成波导阵列，所述波导与用于光场调控的三维非对称微腔器件的侧壁接触，所述多个波导的延伸方向平行于所述用于光场调控的三维非对称微腔器件的基底。10.一种有源三维微腔器件，其特征在于：其包括如权利要求1~6任意一项所述的用于光场调控的三维非对称微腔器件，所述的用于光场调控的三维非对称微腔器件的腔体含有有源材料，所述有源材料包括荧光染料、上转换材料、聚集诱导发光分子、胶体量子点或具备强非线性光学特性的材料中的至少一种。

技术总结
本发明提供了一种用于光场调控的三维非对称微腔器件及其集成器件，该三维非对称微腔器件包括基底以及位于基底上的光学微环腔，所述光学微环腔的截面随着微环的方位角Φ变化按截面偏转角θ进行逐步偏转，并形成首尾相接的闭环；所述光学微环腔的截面为沿微环腔腔体轴向方向穿过环心的截面，所述截面偏转角θ为截面短边中点连线方向与垂直基底的轴向方向之间的夹角。本发明技术方案采用三维非对称结构，支持光场以回音壁模式形成共振，可作为无源或有源集成器件，利用光场中自旋轨道耦合现象，实现对偏振、自旋、波长的调控，无需依赖特种材料，且适用于极宽波段范围；可通过单次飞秒激光加工便捷制成，具有紧凑设计、便于集成、多路复用的优势。多路复用的优势。多路复用的优势。


技术研发人员：王嘉威 马星 马利波 徐海峰
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学（深圳）
技术研发日：2021.12.22
技术公布日：2022/3/8