[发明专利]光探测系统

说明书

技术领域

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

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-i-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。

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。

附图说明

图1示出了光束的三个平行平面波前的透视图；

图2示出了光束的单个螺旋波前的透视图；

图3A-3D示出了四个不同光束的螺旋波前的等距视图；

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；

图5A-5B分别示出了范例光学元件的等距和顶视图；

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；

图7A-7D示出了二维点阵类型的四个范例；

图8示出了放置于具有HG₀₀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；

图9A-9D示出了用于被配置为输出具有LG₁₀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；

图10A-10D示出了用于被配置为输出具有LG₂₀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；

图11A-11D示出了用于被配置为输出具有LG₃₀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；

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；

图13示出了范例光探测系统的等距视图；

图14示出了范例MEMS晶片的顶平面视图；

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；

图16示出了操作中图13中示出的光探测系统的范例；

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；

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

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晶片的能够移动的元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。

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。

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。

光的角动量