基于超表面超材料的多路光学涡旋拓扑荷检测器件研究

Owing to its unique dynamic character, orbital angular momentum and independence between arbitrary two topological states, optical vortex is a good candidate which contains great research value and can be applied to micro&nano particle manipulation, quantum information and large capacity short distance optical communication. The multiple vortexes detector is the key technology that could pave the way to the realization. People tend to use traditional holographic interferometry or binary phase grating to detect the different vortexes over the past few decades. However, those methods usually need a lot of optical elements, thus the whole system is very large. Moreover, the detect process is very complex and low efficiency. Aim to solve these problems, we propose a new technology to detect the optical vortex that based on metasurface and metamaterials. In order to reduce the volume of the device and improve the integration, we present a multiple optical vortex detection device based on subwavelength metal/silicon structure. The proposed method may benefit to the future optical interconnects and optical switching technique, and promote the development of the next generation communication and computing technology.

光学涡旋以其所具有的独特动力学特性、轨道角动量特性以及不同拓扑荷之间的彼此独立可分离性，在光学微纳颗粒操控、量子信息以及大容量短距离光通信等领域有重要的研究价值和广泛的应用前景。而多路涡旋的检测技术是实现这些应用的关键核心技术之一。然而现有的涡旋检测技术多数基于传统全息干涉测量技术、二元相位光栅分离检测等，这些传统检测方法一般存在部件多、体积大、检测过程复杂、效率低下等缺点，难以实现系统小型化、集成化，检测简单化、芯片化。本项目针对传统技术的这些缺点，结合超表面超材料的新技术，研究基于亚波长微纳结构共振的金属和硅基同轴多路光学涡旋检测器件，显著减小器件的物理尺寸、提高器件的集成度。为将来的光互联、光交换芯片研究奠定基础，对于推动我国下一代通信以及计算技术的发展有重要意义。

本项目主要研究了超表面光场调控机理，并利用相关机理实现了多路涡旋拓扑荷的检测器件。经过三年的研究工作，项目已经顺利完成并超过了预定目标，具体完成情况及取得成果包括：1）在超表面光场调控机理研究方面，我们将具有偏振选择响应得多纳米狭缝阵列与传统的迂回相位技术相结合，实现了超过1000纳米带宽的光波前多参量的同时调控；2）利用小型化的涡旋光栅实现了对矢量涡旋光束拓扑荷的检测，进一步将其加工在光纤端面，实现了全光纤的OAM复用通信；3）在表面波拓扑荷检测方面，我们将超表面全息技术与可以对光子自旋响应的几何相位调制技术相结合，实现了自旋可控的片上OAM定向耦合。进一步实现了一种针对表面等离极化激元的光子自旋霍尔透镜（pSHL）。它可以同时实现受入射圆偏振光（CPL）的手性控制的空间分离的聚焦和光子傅立叶变换，利用它也实现了对多个OAM模式的检测；4）在硅基集成器件方面，我们设计实现了一种多路复用的片上OAM发射器，它具有从1450到1650纳米的超宽带响应。进一步利用逆向设计的原理，我们实现了一种硅基集成的片上自旋霍尔元件，它既具有高的检测和发射效率，又具有近200纳米的工作谱宽。相关研究成果发表在《Light: Science & Applications》、《ACS Photonics》、《Photonics Research》等高影响力期刊上。本项目所研究实现OAM复用器件在带宽、复用和集成方面具有优越性能，因而有望在OAM通信领域发挥重要作用，对于下一代大容量通信技术的发展有着重要意义。