表面等離激元超表面光學奇點解調

2020-09-13 江蘇雷射產業創新聯盟

深圳大學納米光子學研究中心Mike Somekh院士、袁小聰教授科研團隊首次設計並實現了基於自旋-霍爾超表面的非對稱光柵表面等離激元（SPP）激源晶片，成功應用於入射光場的相位奇點和偏振奇點的同時測量。該方法為基於光學奇點的下一代光通訊與調控晶片技術發展提供了新方案。

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偏振奇點和相位奇點是光場的兩個重要的自由度。對偏振、相位奇點的調控可以產生光學旋渦、矢量光束等新穎的結構光場。如何在微小尺度上快速高效的解調偏振、相位奇點是利用這些新穎光場的重要一步。

圖1 具有相反圓偏振態和不同拓撲荷的兩個軌道角動量光束被片上超表面晶片解調。

如圖1所示，該晶片由非對稱金屬陣列組成，其中陣列的上部和下部具有不同的光柵周期。這樣的非對稱性光柵結構可用來區分拓撲荷（相位奇點）的符號和大小，攜帶正/負拓撲電荷的入射光將分別激發向右/左傳播的SPP波，而SPP波的傳播角度則與入射光所攜帶的拓撲荷相關。隨後具有自旋-霍爾效應的λ形狹縫被集成到非對稱金屬陣列上，由於自-旋霍爾狹縫可以引起檢測器的手性響應，晶片於是乎同時也對入射光束的自旋（偏振奇點）敏感，也就是說晶片在探測入射光的拓撲荷的同時可以探測入射光的自旋態。值得指出的是，結構的上/下兩部分分別耦合了取向相反的自旋霍爾狹縫，也就是說結構的上下兩部分的手性響應是相反的。

簡而言之，一束同時攜帶偏振、相位奇點的光束入射到晶片上時，檢測器上將激發SPP，該SPP會被定向的以一個劈裂角θ傳播到四個象限之一。SPP定向傳播的象限決定了光束的自旋態（RCP / LCP）和拓撲荷的符號，角度θ決定了拓撲荷的大小，如圖2（b）所示。

圖2（a）樣品SEM圖；（b）入射光與樣品耦合後激發SPP方向示意圖；（c）同時攜帶相位奇點ℓ=1和偏振奇點m=-2入射到該結構上產生SPP的情況。

圖2（a）是樣品的SEM圖，其加工過程利用了金屬蒸鍍和陽離子聚焦刻蝕技術。主要實驗結果如圖2（c）所示，研究人員將一束同時攜帶相位奇點（ℓ=1）和偏振奇點（m=-2）的矢量渦旋光束入射到該晶片上。根據光學奇點理論，這樣的入射光束可以被拆分為一束右旋圓偏振光RCP攜帶相位奇點ℓ=-1和一束左旋圓偏振光LCP攜帶相位奇點ℓ=3的相疊加。實驗結果顯示，該入射光束定向的激發了兩束分別向第一、二象限傳播的SPP光束，且其劈裂角分別對應ℓ=-1和ℓ=3。實驗結果與理論計算完全吻合，證實了該片上器件對光學奇點的解調能力。

這種器件的最大優勢在於其超緊湊的尺寸和極其簡單的操作，從而使其易於與其他片上組件（例如調製器和雷射器）集成在一起，以形成光子集成迴路，從而實現大規模集成光子應用。

相關研究成果以「On-chip plasmonic spin-Hall nanograting for simultaneously detecting phase and polarization singularities」 為題，發表於Light: Sciences & Applications。深圳大學閔長俊教授、袁小聰教授、Mike Somekh院士為共同通訊作者，深圳大學為第一完成單位，深圳大學馮甫助理教授為第一作者。

該項研究得到國家自然科學基金委，廣東省領軍人才項目，深圳市領軍人才項目支持。

論文連結：

https://www.nature.com/articles/s41377-020-0330-z

來自：顏佳琪編輯 愛光學

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