光学奇点解调芯片

来源：两江科技评论

来自深圳大学的冯甫助理教授、闵长俊教授、袁小聪教授、Mike Somekh院士与澳大利亚纳米光学研究中心的司光远研究员开展合作，相关成果以“On-chip plasmonic spin-Hall nanograting for simultaneously detecting phase and polarization sigularities”为题，发表在国际顶级光学期刊《Light: Science & Applications》。

图片来源：Light: Science & Applications

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导读

奇点光学是现代光学的重要组成部分，在近些年来得到越来越多人的关注。常见的光学奇点包括相位奇点和偏振奇点，其中具有相位奇点的代表性光束主要是光学旋涡，具有偏振奇点的代表性光束主要有圆柱矢量光束。现代光学发现，单个光束不但可以拥有相位奇点或偏振奇点，也可以同时拥有上述两个奇点，从而提升所携带信息的自由度，能够有效的扩充光场信道带宽，在光通信、光互联等领域有巨大的应用潜力。

随着光通信市场的发展，光收发模块的种类越来越多，要求越来越高，器件复杂程度也以惊人的速度发展，需要不断发展相关技术满足应用需求。目前主要发展方向大致可以归类小型化、低成本、低功耗、高速率等。将光学奇点这样高维的自由度来引入光通信领域，则有望满足上述发展趋势。但是要满足这样的目标，如何在微尺度内调制、解调光学奇点是一个亟待解决的问题。

近年来，光学超表面器件由于能够实现紧凑、集成、灵活的光场调控而受到越来越多的关注。特别是利用表面等离激元（surface plasmon polariton，SPP）可以进一步的缩小片上器件的尺寸，实现亚波长范围内的纳米光子芯片。本文作者创新性的将带有自旋霍尔响应的λ形金属纳米狭缝单元集成到一组非对称的表面等离激元光栅结构上，实现了对携带不同的相位奇点和偏振奇点入射光的同时解调，以满足现代光通信系统对小体积、低成本、高速率的需求。

图1 （a） 普通光栅和携带相位奇点的涡旋光束的响应；（b）非对称光栅和携带相位奇点的涡旋光束的响应；（c）集成了Spin-Hall效应超表面的非对称光栅和同时携带相位、偏振奇点的入射光束的响应

研究背景

片上解调光学奇点对于现代光通信系统有极其重要的意义。传统的光学奇点解调器件包括全息相位板、超表面、变换光学器件、光子回路器件等。

2010年，Berkhout. G.C.G等人首次提出并证明了利用相位调控的方式，将光场相位奇点所携带的螺旋相位转换为倾斜相位来解调相位奇点的方式。2012年，Genevet. P.利用光学全息相位板完成了上述相位调整的操作，从而使利用固态器件来对光学奇点进行解调成为了可能。

自此之后，各种针对相位奇点、偏振奇点的解调方案被逐渐提出。例如2013年，Mirhosseini. M利用q-plat对偏振奇点进行分离，达到了92%的分离效率。2016年，Mei. S.T.利用片上光路对入射光进行光学调控，实现了相位奇点的探测。2018年，Wen. Y.H.利用片上光子回路来解调相位奇点，成功分离了拓扑荷l<10的相位奇点。

这些传统方法虽然都能够在一定程度上对光学奇点进行探测，但是他们存在一些共性的问题。例如，由于奇点光场的相位空间分布相对复杂，对于这样光场解调一般都需要精准的光学准直（入射光场与相位板之间的对准等）。

同时，一些片上探测器件由于缺乏远场探测的手段，不得不引入复杂的近场光学探针扫描等探测手段。利用相位板或者超表面等方法对光学奇点探测时由于需要使用到一些效率较低的衍射器件，使得探测的整体效率偏低。这样的探测手段显然不能够满足现代光学通信系统的需求。

创新研究

针对上述方法的不足。本文创新性的提出了将λ形金属纳米狭缝单元与非对称性的双光栅结构相耦合，通过控制表面等离激元-光子的耦合使携带不同光学奇点的入射光场耦合到出射方向和劈裂角不同的SPP波。

一个同时携带相位奇点（螺旋相位拓扑荷Ⅰ）和偏振奇点（矢量偏振阶数m）的光束理论上可以被分解成一个拓扑荷为Ⅰ + m的左旋圆偏振涡旋光束和另一个拓扑荷为Ⅰ - m的右旋圆偏振涡旋光束。理论上来讲，只要能够同时探测分解后两个涡旋光场的偏振态（左旋或右旋）以及所携带的螺旋相位拓扑荷，我们就能够通过计算确认该光束的相位奇点和偏振奇点。

本文首先采用了一种非对称的双光栅结构，通过调整光栅的周期和相对位置来调整与入射光波矢的匹配关系。这样的结构会让带有正/负拓扑荷的涡旋光束与激发出向右/左出射的SPP相耦合，从而达到定向发射SPP光束的效果。于此同时，由于涡旋光束的面内波矢量的大小与拓扑荷成负相关，不同拓扑荷的涡旋光所耦合产生SPP光束的劈裂角会不一样。如此以来，通过判定出射SPP光束的方向和劈裂角，我们就可以完整的判断入射光的拓扑荷正负与大小。

更进一步，我们将拥有手性响应的自旋-霍尔λ形金属纳米狭缝单元集成到了上述非对称光栅结构中，使得结构同时对入射光的手性（也就是左/右旋偏振态）有了响应。如此一来，出射SPP光束的方向和劈裂角将给我们提供入射光场完整的相位和偏振奇点的信息。最后，我们通过在结构两侧各放置一个散射光栅，将激发的SPP波散射到远场CCD相机，通过图像处理的方式来判断SPP的传播方向和劈裂角，最终判断入射光场所携带的光学奇点的情况。

图2 上部：样品SEM图；下部：本文所提出的结构对入射光场相位和偏振奇点的解析实验验证

应用与展望

本文所提出的片上SPP超表面结构将能够同时探测入射光场的相位奇点和偏振奇点，在高通量光通信、光学成像、光学测量、非线性光学等领域均有广阔的应用前景。此类器件是利用奇点光场进行光通信应用不可或缺的组成部分，将为基于奇点光场进行光通信的应用奠定坚实基础。

后续可以继续将复合相位集成到该超表面结构上，使得出射的SPP波具有无衍射波的特性，这样的SPP波能量将主要集中在主瓣上，能够进一步提高结构对相位奇点和偏振奇点的分辨率和分辨极限，提升该器件对入射光学奇点场的解调能力。