AlGaAs on-chip device emitting a light beam carrying spin and orbital angular momentum

We have developed an on-chip device based on aluminium gallium arsenide (AlGaAs) which spins and twists a linearly polarized (LP) beam at the telecom wavelength (λ = 1.55μm). At the device output, the beam carries both Spin Angular Momentum (SAM) and Orbital Angular Momentum (OAM). The conversion from LP to SAM/OAM occurs through an asymmetric waveguide. The modal dispersion adds a phase delay ∆φ = π/2 between the fundamental TE and TM modes, generating a circularly polarized beam carrying SAM. Since the light is tightly focused as it propagates along the waveguide, part of its SAM is converted into OAM of first order, carried by the longitudinal component of the electric field. Our device has proved to be monomode and has comfortable fabrication tolerances, thanks to its geometry and material composition. We observed that the induced TE- TM phase delay varies in a range of ∆φ ≈ 90◦ ± 30◦ by finely tuning the wavelength. This additional feature agrees with a simple model of birefringent and not loss-less Fabry-Perot. The emitted OAM is interesting for coding quantum states on a new basis, which could lead to faster and safer quantum communication protocols on chip. In addition, the integrated device could be monolithically integrated in more complex quantum photonics circuits. As instance, thanks to the direct band gap AlGaAs, it could be integrated in lasers, other than devices based on χ2 non linear optics, like entangled photons sources.

Abbiamo sviluppato un dispositivo integrato basato sulla piattaforma arseniuro di gallio e alluminio (AlGaAs) in grado di mettere in torsione e rotazione un fascio di luce linearmente polarizzato (LP) alla lunghezza d’onda telecom (λ = 1.55μm). All’uscita del dispositivo, il fascio trasporta sia Momento Angolare di Spin (Spin Angular Momentum, SAM) che Momento Angolare Orbitale (Orbital Angular Momentum, OAM). La conversione da LP a SAM/OAM avviene grazie ad una guida d’onda asimmetrica. La dispersione modale induce un ritardo di fase di ∆φ = π/2 tra i modi fondamentali quasi-trasverso elettrico (TE) e quasi-trasverso magnetico (TM), generando un fascio circolarmente polarizzato che trasporta SAM. Dato che la luce è fortemente confinata mentre si propaga lungo la guida d’onda, parte dal suo SAM è convertito in OAM del primo ordine, trasportato dalla componente longitudinale del campo elettrico. Il nostro dispositivo ha dimostrato di lavorare in condizioni di singolo-modo ed offrire comode tolleranze di fabbricazione, grazie alla sua geometria e composizione. Inoltre abbiamo osservato che il ritardo di fase indotto tra TE e TM può essere scelto in un intervallo ∆φ ≈ 90◦ ± 30◦ variando in modo fine la lunghezza d’onda della luce entrante. Questa caratteristica aggiuntiva è spiegabile con un semplice modello di Fabry-Perot con una cavità birefringente e con perdite. L’OAM emesso può rappresentare una base aggiuntiva per codificare stati quantistici, per protocolli di comunicazione su chip più veloci e sicuri. Inoltre, il dispositivo può essere integrato in più complessi circuiti fotonici per il calcolo quantistico. Per esempio, grazie all’intervallo diretto dell’AlGaAs tra le bande di valenza e conduzione, può essere integrato in ssorgenti laser o in dispositivi basati sull’ottica non lineare in χ2, come sorgenti di fotoni in entanglement.