科技快讯 |轨道角动量光束的SPP片上检测

轨道角动量(OAM)光束由于其独特的光场模式和波前特性，在光学镊子、非线性光学、量子信息处理、光数据存储和传输方面都有重要的应用前景。然而，OAM检测仍然是一大重要难题。近日，南京大学现代工程与应用科学学院李涛教授研究组在轨道角动量（OAM）光束检测上取得重要进展。他们创造性地提出将空间OAM光束转化为表面等离激元波束，实现了对OAM光束模式的检测。相关工作以“On-ChipDetection of Orbital Angular Momentum Beam by Plasmonic Nanogratings”为题发表在光学类权威期刊《Laser & PhotonicsReviews》上。

众所周知，轨道角动量（OAM）光具有螺旋型的波前特性，其每个光子带有lћ的轨道角动量（其中l被称为拓扑电荷），并且在环形漩涡光束中心处具有相位奇点[1]。OAM波束理论上具有无限多的正交模式，在光通信领域它被广泛认为是大容量信息复用和传输非常良好的载体。

为了正确获得多路复用OAM模式承载的信息，在通信系统的终端需要一种检测OAM模式的有效方法。目前研究者已经提出了多种方法来检测OAM模式，例如：分叉全息结构、排列良好的纳米棒表面、同心半环形纳米槽、具有对数极化变换的光学元件或集成光子电路[2,3]。这些方法的共同原理是：当光束与检测结构的右侧局部位置对准时，将OAM模式转换为可测量的信号。这些器件往往需要入射光束与叉型光栅中心进行对准，这给高集成的微小型光子器件以及高速信息分析带来不便；同时，光学衍射也会带来一定的空间消耗[4]。由于紧凑型集成一直是光学处理和通信的追求，如何以更好的方式进一步最小化和稳定OAM探测器，仍然是人们目前所追求的研究目标。

李涛教授研究组利用简单的金属光栅结构，将OAM光束耦合到金属表面，使其成为具有分束特性的表面等离激元（SPP）波束。研究表明：分束大小正好对应于入射OAM光束的拓扑荷数，从而被认为是一种高集成度、芯片化的检测OAM模式的方法。并且，该耦合过程不严格依赖于OAM光束照射到金属光栅的具体位置，因而突破了以往OAM光束检测需要严格对准的局限，是一种非常稳健可靠（robust）的检测手段。

他们发现，具有不同模式的OAM波束照在周期性的金属光栅上，会激发两条具有一定夹角的分离SPP波束。经过严格的波矢分析，他们得出该分离程度和表征OAM模式的拓扑荷数具有一一对应的关系，因此可以通过测量SPP波束的分离程度来表征OAM模式。由于该方法的OAM波束可以照在光栅的任意位置，不需要严格对准，大大提高了检测的准确度和容错性。

进一步，研究组发现通过两种周期组合的复合光栅结构，根据其对应的波矢匹配特性，可以实现OAM光束到SPP波的单向耦合，耦合的方向由则正好由OAM拓扑荷数的正负号决定。由此，研究组发展出一套基于OAM光束入射下，面内SPP耦合的完整的波矢匹配方案，可以同时对OAM拓扑荷数正负号和大小进行全面检测。实验结果显示：该复合光栅结构可以检测拓扑荷数范围在+9到-9范围的OAM光束，检测过程无需严格对准，具有很好的鲁棒性和较大的容错性。整个器件尺寸在60微米左右，具有优良的片上集成性能。

该成果一方面为高集成度鲁棒性的OAM光束检测提供了新的方案，同时也是对空间光场到等离激元表面波的信息转换与调控的应用演示。将OAM光场转换SPP波，凸显了这类远近场光场转换的调控具有很大的拓展空间和重要的应用潜力，为发展新型的集成光子器件开拓了新的设计思路。

（a）OAM检测原理示意图；

（b）耦合过程的波矢分析； 
（c）不同OAM模式激发的SPP波束。

（a）计算的分离D值图作为OAM拓扑电荷l和光栅周期的函数；

（b）样品的SEM图像；

（c）D和l的计算关系；

（d）SPP的输入和输出耦合相对于不同OAM拓扑电荷（l = 1,2,3,4）的光学显微镜图像。

（a）单向SPP耦合条件下光栅周期和拓扑电荷的计算临界曲线。

（b）两种临界状态的波矢量分析。

（c，d）耦合SPP波的强度和相位分布，其中光栅周期选择为（a）中的两个圆。

（e，f）选择光栅周期作为两个三角形的计算结果。

（g）样品的SEM图像，在复合输入耦合光栅的两侧具有两个输出耦合光栅。

（h）l = 1和（i）l = -1的照射OAM光束，单向SPP发射的观测结果。

（a）复合光栅结构样品。

（b）OAM光束耦合到SPP过程的波矢匹配分析以及实验数据。

（c）该方法检测+6到-6范围的OAM光束的实验结果。

[1]L. Allen, M. W. Beijersbergen, R. J. C. Spreeuw, J. P.Woerdman, Phys.Rev. A 1992, 45, 8185.

[2]P. Chen, S.-J. Ge, L.-L. Ma, W. Hu, V. Chigrinov, Y.-Q.Lu, Phys. Rev.Appl. 2016, 5, 044009.

[3]N. Shitrit, I. Bretner, Y. Gorodetski, V. Kleiner, E.Hasman, Nano Lett.2011, 11, 2038.

[4] J. Chen, T. Li, S. Wang, S. Zhu, Nano Lett. 2017, 17, 5051.

Ji Chen, Xi Chen, Tao Li, and Shining Zhu, On-Chip Detection ofOrbital Angular Momentum Beam by Plasmonic Nanogratings, Laser Photon.Rev.1700331 (2018).

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/lpor.201700331

编辑：方    轲

审核：颜学俊