基于新型光子自旋-轨道耦合实现二维光子晶体波导模式的高效定向激发

Photonic spin-orbit interactions are inherent in all basic optical and photonic processes, and novel concepts and nanophotonic devices that exploit the spin-orbit interaction find wide applications ranging from extremely high-speed optical communications, optical confinement and manipulations, to quantum optics and super-resolution imaging. The recent discovery of transverse spin-orbit interaction even opens a region of designing photonic devices. Therefore, taking advantage of vectorial diffraction theory and time reversal theory we produce novel spatially arbitrary-orientation photonic spin within the diffraction scale by utilizing our recently established techniques of optical field modulation. Then, the interaction of novel photonic spin and photonic crystals is experimentally studied from a novel angle of photonic spin matching to realize new functionality and phenomena, such as vertically directional excitation, coupling and propagation of surface wave and guided wave. This project offers a completely new way of designing functional nanophotonic materials, which will enable us to develop novel nanophotonic devices and systems.

相比于传统介质波导，光子晶体平板波导因其易弯曲、损耗低、设计灵活等特点在集成光路、光子通讯、量子信息处理等领域具有广泛的应用。然而，光子晶体平板波导本征模式的高效定向激发一直阻碍着它的实际应用。鉴于此，我们运用最新的光场调控手段优化定制衍射极限尺度范围内具有空间任意指向的新型光子自旋态，根据亚波长尺度内光子自旋-轨道耦合改变光束传播方向的特性，从光子自旋匹配的新角度研究空间任意指向光子自旋态对光子晶体波导模式的激发特性的影响规律，实现光子晶体波导导模的高效定向激发，为基于光子晶体平板波导设计集成光路元件和其他新型功能型光子学器件提供理论基础和技术基础。

在纳米光子学领域，如何高效实现并控制光子的激发、传输是一个非常重要的课题，因为光与物质相互作用的本质就是光子吸收、发射和传输。在光波长或亚波长范围内，光子往往表现为携带横向自旋角动量；而光子横向自旋角动量具有一个重要的特点，就是横向自旋-轨道锁定。基于光子横向自旋-轨道锁定关系，可以方便地控制光子激发的方向。.对此，我们首先理论上证实光子晶体平板波导表面波的横向自旋角动量，并基于此特性实现了光子晶体表面波的高效定向激发。然后，我们利用光子晶体强烈的结构色散特性在通过的光子晶体平板结构上设计光子晶体后向表面波，并证实：对于同样圆偏振光束入射，后向表面波的激发方向与前进表面波相反，即光子晶体的色散工程也可以作为调控光子晶体波导模式激发的一个维度，这在集成光子学方面具有重要应用前景。.另一方面，超表面作为一种由亚波长结构单元按一定点阵模式排列而成的二维超构材料，因其亚波长单元对入射光波波前的相位、振幅和偏振进行局部调控而能够对整个光束进行精确裁剪，因而可以调控光束传播方向和产生特殊矢量光束。对此，我们基于几何相位或传输相位或两者结合设计了一系列光子学超表面器件，如超表面纵向双焦点透镜、超表面光学双轴晶体、超表面光偏振分束器、超表面完美涡旋光束发生器。在这些器件的设计中，我们都是用了各向异性的结构单元，所以这些器件工作模式都是可以通过入射光偏振连续可调。如双焦点透镜两个焦点相对光强就可以通过入射光偏振连续可调，超表面偏振分束器的分光比可以偏振连续可调，超表面完美涡旋光束发生器产生的两束光强可以偏振连续可调等等。这些优点使得设计方法在纳米光子学领域具有重要应用。