光探测系统的制作方法
【专利摘要】本发明描述了不消灭光或使光的传播方向变化的光探测系统，在一方面，光探测系统包括由基底和偏振不敏感的高对比度亚波长光栅构成的光学元件，所述基底具有平面表面，所述亚波长光栅由从所述平面表面延伸的柱子构成。所述柱子和/或所述柱子的点阵布置非周期性地改变以向透射通过所述光学元件的光赋予轨道角动量和至少一个螺旋波前。
【专利说明】光探测系统
【技术领域】
[0001]此公开内容涉及光探测器，并且特别是，涉及具有平面亚波长光栅的光探测系统。【背景技术】
[0002]典型的光电探测器由将入射光转换为电流或电压的半导体构成，将入射光转换为电流还是电压取决于光电探测器被配置为如何操作。考虑例如简单的Pn或p-1-n结光电二极管。当能量超过光电二极管的带隙的光子束撞击光电二极管时，通过将电子从价带激发到导带中而将大多数光子吸收，由此在导带中产生自由电子并在价带中产生对应数量的自由带正电空穴。当在结的耗尽区中，或离耗尽区至少一个扩散长度，发生吸收时，跨耗尽区形成的电场将导带中的电子和价带中的空穴从结带走。该场将空穴朝向阳极驱动并将电子朝向阴极驱动，以产生光电流。以此方式，典型的基于半导体的光电探测器经由吸收消灭(destroy) 了大量入射光。
[0003]近年来，已经研发了基于辐射压力的光电探测器来探测光而不消灭光。辐射压力是由入射光束施加于设置于该束的路径中的表面上的压力。然而，利用基于辐射压力的光电探测器探测光涉及将该束的线动量传递至机械对象，机械对象诸如是连接至压力传感器的镜子，机械对象反过来改变该束的方向。物理学家和工程师寻求用于探测光束而不消灭光或改变该束的方向的系统。
【专利附图】
【附图说明】
[0004]图1示出了光束的三个平行平面波前的透视图；
[0005]图2示出了光束的单个螺旋波前的透视图；
[0006]图3A-3D示出了四个不同光束的螺旋波前的等距视图；
[0007]图4A-4D示出了沿光轴朝向束源观察到的四个拉盖尔-高斯(Laguerre-Gaussian)激光束的横向分布；
[0008]图5A-5B分别示出了范例光学元件的等距和顶视图；
[0009]图6示出了对于由柱子的六角点阵构成的亚波长光栅的反射和透射系数以及透射相位的范例图示；
[0010]图7A-7D示出了二维点阵类型的四个范例；
[0011]图8示出了放置于具有HGtltl横模的输入高斯光束的路径中的范例手性(chiral)光学元件的透视图；
[0012]图9A-9D示出了用于被配置为输出具有LGltl横模的拉盖尔_高斯光束的手性光学元件的亚波长光栅图案的范例；
[0013]图10A-10D不出了用于被配置为输出具有LG2tl横模的拉盖尔-高斯光束的手性光学元件的亚波长光栅图案的范例；
[0014]图11A-11D不出了用于被配置为输出具有LG3tl横模的拉盖尔-高斯光束的手性光学元件的亚波长光栅图案的范例；[0015]图12示出了具有盘旋亚波长光栅图案的范例手性光学元件；
[0016]图13示出了范例光探测系统的等距视图；
[0017]图14示出了范例MEMS晶片的顶平面视图；
[0018]图15A-15C示出了图13中示出的光探测系统的三个横截面视图；
[0019]图16示出了操作中图13中示出的光探测系统的范例；
[0020]图17示出了具有两个MEMS晶片的范例光探测系统的横截面视图；
[0021]图18A-18B示出了具有设置于框架与能够移动的元件之间的开口内的传感器的两个范例MEMS晶片的顶平面视图。
【具体实施方式】
[0022]描述了光探测系统，该光探测系统不消灭待探测的光或使光的传播方向变化。光探测系统包括微机电系统(“MEMS”)晶片和嵌入于MEMS晶片的能够移动的兀件内的手性光学元件。手性光学元件包括平面偏正不敏感的亚波长光栅(“SWG”)，该光栅被配置为将角动量赋予待探测的光。当光通过SWG时，光将扭矩施加于光学元件上，光学元件反过来旋转能够移动的元件。能够移动的元件的能够测量的旋转变化指示光的存在。
[0023]如下组织【具体实施方式】。因为手性光学元件被配置为将角动量赋予透射光，所以在第一分部中提供光的角动量的总体描述。在第二分部中提供SWG的总体描述。在第三分部中提供将角动量赋予透射光的手性光学元件的各种范例的描述。在第四分部中提供并入了手性光学元件以探测光而不消灭光或使的传播方向变化的各种光探测系统的范例。
[0024]在以下描述中，术语“光”指波长在电磁谱的可见和非可见部分中的电磁辐射，包括电磁谱的红外和紫外部分。
[0025]光的角动暈
[0026]光束包括光子流。每一个光子具有能量ε = 1?θ)，其中，h是约化普朗克常数，且ω是光子的角频率。还预期每一个光子携带线动量p=s/c=hk，其中，C为自由空间的光
速，并且k为波数或指向光子传播的方向的波矢^的幅度(B卩，k=|iI)。光子的线动量典
型地平行于束轴指向并且还能够描绘为矢量P =敁。图1示出了光束的三个平行平面波前101-103的透视图。束轴对应于z轴，波前101-103取向为平行于xy平面。每一个光子具有关联的波矢，或线动量，由矢量104描绘，矢量104沿束轴指向并且取向为垂直于波前101-103。
[0027]光束也可以携带称为“轨道”角动量和“自旋”角动量的两种类型的角动量。轨道角动量是光子的固有性质并表现为具有螺旋波前的束中存在的光的线动量的方位分量的结果。换句话说，具有螺旋波前的束具有波矢，该波矢绕束轴盘旋并对应于具有轨道角动量的光子。图2示出了光束的单个螺旋波前201的透视图。束轴对应于z轴，随着束沿z方向传播，螺旋波前201绕束轴盘旋。每一光子具有绕束轴盘旋的关联波矢，诸如是四个盘旋波矢202。除绕束轴盘旋的波矢外，坡印廷矢量绕束轴盘旋，并且每一光子的轨道角动量以方位角分量绕束轴盘旋。
[0028]使用复数记法，具有携带良好限定值的轨道角动量的光子的束的电场分量能够写作:[0029]
【权利要求】
1.一种光学元件，包括: 基底，具有平面表面；以及 偏振不敏感的高对比度亚波长光栅，由从所述平面表面延伸的柱子构成，所述柱子和/或所述柱子的点阵布置非周期性地改变以向透射通过所述光学元件的光赋予轨道角动量和至少一个螺旋波前。
2.如权利要求1所述的元件，其中，所述柱子的所述点阵布置还包括具有至少一个二维规则几何结构的点阵布置的柱子。
3.如权利要求1所述的元件，其中，所述光栅还包括楔形区域，每一个区域内的所述柱子具有大致相同的横截面尺寸，并且所述柱子的所述横截面尺寸以顺时针或逆时针方式从区域至区域改变。
4.如权利要求1所述的元件，其中，所述光栅还包括盘旋光栅，所述盘旋光栅由柱子的盘旋带构成，所述柱子的盘旋带绕所述光栅的中心以顺时针或逆时针方式卷绕，横截面尺寸在所述带内随远离所述光栅的所述中心而减小。
5.如权利要求1所述的元件，其中，所述光栅还包括盘旋光栅，所述盘旋光栅由柱子的盘旋带构成，所述柱子的盘旋带绕所述光栅的中心以顺时针或逆时针方式卷绕，横截面尺寸在所述带内随远离所述光栅的所述中心而增大。
6.如权利要求1所述的元件，其中，所述光栅还包括满足以下条件的厚度
7.如权利要求1所述的元件，其中，所述柱子和/或所述柱子的点阵布置非周期性地改变以赋予轨道角动量和至少一个螺旋波前还包括所述柱子非周期性地改变以输出拉盖尔-高斯光束。
8.一种光探测系统,包括: 定子晶片，具有开口 ； 第一微机电(“MEMS”)晶片,包括悬挂的第一能够移动的兀件,所述悬挂的第一能够移动的元件经由至少两个弯曲部连接至第一框架，所述框架联接至所述定子晶片并且所述能够移动的元件具有与所述定子晶片中的所述开口对准的开口 ；以及 第一手性光学元件，安置在所述能够移动的元件的表面上以覆盖所述能够移动的元件中的所述开口，其中，通过所述光学元件的光对所述光学元件施加旋转所述能够移动的元件的扭矩。
9.如权利要求8所述的系统，其中，所述手性光学元件还包括: 基底，具有平面表面并安置于所述能够移动的元件的所述表面上；以及 偏振不敏感的高对比度亚波长光栅，其覆盖所述能够移动的元件中的所述开口，所述光栅包括从所述平面表面延伸的柱子，所述柱子和/或所述柱子的点阵布置非周期性地改变，以向透射通过所述光学元件的光赋予轨道角动量和至少一个螺旋波前。
10.如权利要求9所述的系统，其中，所述柱子和/或所述柱子的点阵布置非周期性地改变以赋予轨道角动量和至少一个螺旋波前还包括所述柱子非周期性地改变以输出拉盖尔-高斯光束。
11.如权利要求8所述的系统，还包括所述定子晶片和所述MEMS晶片之间的连接区域，其中，所述连接区域包括: 离岸体，其设定所述定子与MEMS晶片之间的间隙距离； 所述MEMS晶片与所述定子晶片之间的电连接部；以及 至少一个结合垫，安置在所述定子晶片和/或所述MEMS晶片的表面上以形成所述MEMS晶片与所述定子晶片之间的电互连部。
12.如权利要求8所述的系统，其中，还包括至少一个传感器，以在所述能够移动的元件由通过所述光学元件的光旋转时，探测电容的变化，所述至少一个传感器具有联接至所述能够移动的元件的至少一个电极和联接至所述定子晶片的至少一个电极。
13.如权利要求8所述的系统，还包括至少一个传感器，以在所述能够移动的元件由通过所述光学元件的光旋转时，探测电容的变化，所述至少一个传感器具有联接至所述能够移动的元件的至少一个电极和联接至所述框架的至少一个电极。
14.如权利要求8所述的系统，还包括: 第二 MEMS晶片，包括悬挂的第二能够移动的元件，所述悬挂的第二能够移动的元件经由至少两个弯曲部连接 至第二框架，所述第二框架联接至所述第一框架并且所述第二能够移动的元件具有与所述第一能够移动的元件和所述定子晶片中的所述开口对准的开口 ；以及 第二手性光学元件，安置在所述第二能够移动的元件的表面上以覆盖所述第二能够移动的元件中的所述开口，所述第二光学元件具有与所述第一光学元件的手性相反的手性，其中，通过所述光学元件的光对所述第一光学元件施加旋转所述第一能够移动的元件的扭矩并对所述第二光学元件施加旋转所述第二能够移动的元件的扭矩。
15.如权利要求8所述的系统，还包括盖晶片，所述盖晶片具有与所述MEMS晶片中的所述开口和所述定子晶片中的所述开口对准的开口。
【文档编号】G01J1/04GK103620356SQ201180071510
【公开日】2014年3月5日 申请日期:2011年4月20日 优先权日:2011年4月20日
【发明者】D·A·法塔尔, P·G·哈特韦尔, R·G·博索莱伊, A·法拉翁 申请人:惠普发展公司，有限责任合伙企业