[发明专利]一种检测和接收涡旋光场的装置及方法

说明书

本发明公开了一种检测和接收涡旋光场的装置及方法。该装置由环形波导、内光栅、覆层光栅和直波导构成。利用内光栅将涡旋光场高效率地耦合入环形波导，并随之被耦合入直波导并以波导模式传输。通过检测涡旋光场的共振波长，实现轨道角动量的大范围识别。通过调整入射波长为共振波长，还可以对已知轨道角动量的涡旋光场实现高效接收。同时，该装置采用覆层光栅以提升器件的整体性能，通过调整覆层光栅的占空比能够实现器件的重构性能，即可对涡旋光场的共振波长进行纳米量级的精确控制。本发明具有易于集成、扩展性强、微型化、探测范围大和实时探测等特点，在涉及涡旋光场的光通信和信息处理等领域都有着许多重要的应用。

技术领域

本发明涉及光学领域，特别是涉及涡旋光场领域。

背景技术

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(ilφ)，其中φ表示方位角、l表示拓扑荷。与自旋角动量只能取两个值不同，每个光子所能携带的轨道角动量为其中l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。

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.Rep.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

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。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一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。

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：