一种检测和接收涡旋光场的装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及光学领域，特别是涉及涡旋光场领域。
【背景技术】
[0002] 从量子论的角度来看，光场可以携带自旋角动量和轨道角动量。Allen等人首 先认识到轨道角动量可以用来解释和表征相位在角向方向变化的涡旋光场（L. Allen et al.，Phys. Rev. A 45,8185(1992))。这类光场的角向相位与方位角的关系可表示为 exp(il<i))，其中Φ表示方位角、1表示拓扑荷。与自旋角动量只能取土/?两个值不同，每个 光子所能携带的轨道角动量为//?,其中1可以取任意的整数。与圆偏振光类似，轨道角动 量的符号指代了相对于光场方向的手性。自光学轨道角动量被发现以来，这类有着螺旋相 位的涡旋光场在众多领域都发挥了重要的作用，例如光学扳手、光镊、天文学、量子纠缠和 显微术等。除此之外，不同的涡旋光场由于其螺旋相位的不同扭转率可被量化为不同的态， 因此可以轨道角动量为自由度将信息编码至涡旋光场，从而大幅地提升网络的传输容量。
[0003] 在一系列涉及涡旋光场的应用中，对轨道角动量进行高保真的识别具有非常重要 的理论价值和实际意义。通常的检测方法包括使用叉形衍射光栅、马赫-曾德干涉仪和变 换光学等。然而，随着涡旋光场拓扑荷数的增大，检测所需的设备和实验的复杂程度随之递 增。同时，检测装置也由于庞大光学器件的使用而无法与微型化平台相结合，不符合光子集 成的发展趋势。不同于普通电路，光子集成回路使用光而不是电子去获得广泛的光学功能。 由于纳米结构、超越型材料和硅技术等领域的快速发展，集成光学芯片的功能也获得了极 大的扩展。近年来，研究者们发展出了基于将不同的涡旋光场转换为空间分离的表面等离 子体波的轨道角动量检测技术。表面等离子体的短波长和高度空间局域性等特点能够将所 需的光子器件尺度大幅缩减。例如，通过将特异性全息图与表面等离子体光电二极管集成， 可以实现轨道角动量的实时探测（P.Genevet et al.，Nat.Commun.3，1278(2013))。这种 方法实现了探测器件的微型化和集成性，然而只适用于单一的轨道角动量的检测。最近一 种环形沟槽的光学天线被证实可以用于多个轨道角动量的有效检测（A. Liu et al.，Sci. R印.3, 2402(2013))。然而，这种技术依赖于对表面等离子体波的干涉图样的识别，因此检 测速度将由于额外的近场扫描装置的使用而大幅下降。迄今为止，还没有一种有效的微型 化且易于集成的装置能够实现大范围的轨道角动量的实时探测。
【发明内容】
[0004] 发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种可用于检测和接收 涡旋光场的装置及方法，用于解决现存的涡旋光场检测和接收装置无法同时满足器件微型 化、检测范围大且检测实时性的技术缺陷。
[0005] 技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
[0006] -种检测和接收涡旋光场的装置，包括环形波导、内光栅、覆层光栅和直波导；所 述覆层光栅的材料为折射率在2和3之间的介质，且均匀设置于环形波导的上表面；所述内 光栅均匀设置于环形波导的内壁；所述环形波导、内光栅和直波导为同种介质材料，该介质 材料的折射率大于3 ;所述直波导靠近环形波导的外壁设置；所述环形波导、内光栅和直波 导的厚度相同且这三者的下表面位于同一平面；上述装置整体被外部材料包裹，所述外部 材料的折射率低于2。
[0007] 进一步的，利用上述装置进行涡旋光场的轨道角动量的检测，包括以下步骤：
[0008] 步骤一、将已知轨道角动量的径向偏振的涡旋光场作为入射光场垂直于环形波导 的上表面自上而下照射于环形波导上，且入射光场的中心与环形波导的几何中心重合；涡 旋光场被内光栅親合入环形波导，随后親合入直波导并在直波导内以传导模式传输；探测 直波导内的导模功率，并根据入射光场功率计算出接收效率；
[0009] 步骤二、改变径向偏振的涡旋光场的波长并重复步骤一，获得具有该轨道角动量 的径向偏振的涡旋光场的接收效率随波长变化的数据并得出其中接收效率峰值所对应的 共振波长；
[0010] 步骤三、改变径向偏振的涡旋光场的轨道角动量并重复步骤一和二，获得不同轨 道角动量的径向偏振的涡旋光场的接收效率峰值所对应的共振波长，形成预存数据集；
[0011] 步骤四、将步骤一和步骤二中已知轨道角动量的径向偏振的涡旋光场替换为待测 的径向偏振的涡旋光场，重复步骤一和二，获得待测的径向偏振的涡旋光场的接收效率峰 值所对应的共振波长；
[0012] 步骤五、将步骤四中获得的待测的径向偏振的涡旋光场的共振波长与步骤三中获 得的预存数据集进行对比，选出与待测的径向偏振的涡旋光场的共振波长相同的预存数 据，进而获得该预存数据所对应的轨道角动量，即为待测的径向偏振的涡旋光场的轨道角 动量。
[0013] 进一步的，在本发明中，基于上述装置还可以提供一种高效接收涡旋光场的方法， 包括以下步骤：
[0014] 步骤一、重复上述检测涡旋光场的轨道角动量的方法中的步骤一至步骤三，获得 不同轨道角动量的径向偏振的涡旋光场的接收效率峰值所对应的共振波长，形成预存数据 集；
[0015] 步骤二、对于待接收的已知轨道角动量的径向偏振的涡旋光场，根据上一步的步 骤一中获得的预存数据集将入射波长调节为该轨道角动量所对应的共振波长，并将该涡旋 光场垂直照射环形波导并确保光场中心和环形波导几何中心重合，从而实现对径向偏振涡 旋光场的高效率接收。
[0016] 有益效果：
[0017] 本发明提供的检测和接收涡旋光场的装置及方法可用于携带不同轨道角动量的 涡旋光场的大范围的即时识别，在涉及涡旋光场的光通信和信息处理等领域有着重要的应 用前景。本发明的原理基于实现涡旋光场在装置中的共振，而此共振效应取决于装置的几 何结构参数。因此，对环形波导的半径以及内光栅数量的选择，都最终决定涡旋光场的共振 波长，也为本发明带来了丰富的扩展性。此外，普通的环形波导对于涡旋光场的接收性能很 弱，本发明中在环形波导的内侧加入内光栅的意义也在于增大涡旋光场耦合入环形波导的 效率；直波导的作用在于将环形波导中的光场耦合入直波导中的传导模式，便于对波导中 模场能量的探测；环形波导上方的覆层光栅能够消除装置在垂直方向的能量泄露，从而显 著提升装置的品质因子，并且还提供了一种在纳米量级精确控制共振波长的方法。具体来 说：
[0018] (1)、本发明具有集成性。本发明所提出的装置设计基于SOI波导，易于通过波导 将多个装置相连接从而构成探测阵列，或是与激光和其他探测器相结合，从而构成光子集 成回路。
[0019] (2)、本发明具有重构性和扩展性。通过改变覆层光栅的占空比，可以对涡旋光场 共振波长的精确调节，这利于在某一指定波长利用本发明实现对某特定涡旋光场的高效接 收。当覆层光栅结构的占空比增大（减小）时，共振波长会相应的向长波（短波）移动。调 制的灵敏度为光栅占空比每改变〇. 1，共振波长将移动4纳米。除此之外，还可以通过调整 内光栅的数量，或是调整环形波导半径去调控装置的共振模式，也就是改变某一特定的共 振波长所对应的涡旋光场。需要强调的是，相比于通过调整覆层光栅占空比的方法，这种方 式所提供的共振波长调节是大范围内的粗调。