一種基于光自旋霍爾效應和mim結構的光束橫向微位移產生系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于光自旋霍爾效應和MIM結構的光束橫向微位移產生系統，包括激光器，依次設置在激光器光路上的偏振片、MIM光波導及CCD，光電二極管和顯示器；偏振片兩側的光路上還設有第一小孔光闌及第二小孔光闌，MIM光波導安裝在角度旋轉臺上；MIM光波導的導模在滿足TE偏振或者TM偏振位相匹配條件時才可被激發，當導模激發以后，通過選擇各種條件參數，使反射率降為零，所述角度旋轉臺停止運動，入射角固定；通過調制偏振片的偏振方向，在一種偏振狀態下，反射光分解成兩束圓偏振光；在另一種偏振狀態下，反射光沒有分解。本發明能夠增強光的自旋霍爾效應，在產生大的橫向位移的同時，又能用多種參數進行方便的調節。
【專利說明】
一種基于光自旋霍爾效應和ΜIΜ結構的光束橫向微位移產生 系統
技術領域
[00011本發明涉及一種基于光自旋霍爾效應和Μ頂結構的光束橫向微位移產生系統，屬 于導波光學和激光測量技術領域。
【背景技術】
[0002] 光束的微位移，尤其是微米到亞毫米的微位移在高精密光學儀器，比如光邏輯器 件，全光芯片，甚至未來的光腦設計中都有著極其重要的作用。但這種程度的微位移很難用 機械方式精密實現，在很多情況下，比如全光芯片中，由于器件的微型化，也不允許使用機 械手段。因此采用非機械手段實現光束的微位移，并且可以有效進行調制非常有用。
[0003] 目前形成光束微位移的手段主要有兩種，一種是基于古斯漢欣效應的縱向位移， 這種位移處在入射平面內，目前利用雙面金屬包覆波導結構已經可以實現亞毫米量級的位 移。但是作為橫向位移，即垂直于入射面的微位移的實現，還比較困難。雖然光的自旋霍爾 效應可以形成橫向的微位移，但是產生的位移僅為波長的幾分之一，在可見光范圍內，這種 位移僅為幾百納米的量級。而一般光束的尺寸都在毫米或者亞毫米量級。因此如此小的橫 向位移無法將左旋和右旋圓偏光分開，而相關的測量需要采用弱測量手段來完成，因此并 沒有實際應用價值。
[0004] 基于上述情況，一些能夠增強光自旋霍爾效應的特殊結構被提出。這種結構的關 鍵是必須產生與偏振相關的反射率，即使得一種偏振的反射系數為零，而另一種偏振的反 射系數則遠大于零。這種情況下，兩種偏振的反射系數的比值可以達到10的3次方，因此也 會將光束的橫向位移增加3個數量級。
[0005]目前已有的兩種增強結構為：（1)利用反射光的布魯斯特角，在這一角度，入射的 ΤΜ光反射系數為零，而ΤΕ光反射系數不為零。
[0006] (2)利用表面等離子波的激發，表面等離子波只能由ΤΜ波來激發，而ΤΕ波無法激 發，當表面等離子體波激發的時候，反射系數可以接近于零。而ΤΕ波的反射系數在金屬表面 接近于1。
[0007] 上述第一種結構的缺陷在于ΤΕ光的反射系數不高，約為0.2到0.3,因此影響了比 值。第二種結構的缺陷在于表面等離子體波的激發，由于存在損耗等因素，反射系數也很難 接近于零。上述兩種結構的一個共同缺陷是，它的入射角比較固定，布魯斯特角和表面等離 子體波激發的入射角都有少數幾個不能改變的參數確定，因此限制了一些場合的應用，比 如需要小角度入射的時候。
[0008] 雙面金屬包覆波導結構具有超高的靈敏度，并且當超高階導模激發的時候，反射 系數也可以接近于零。但可惜的是，雙面金屬包覆波導具有偏振無關特性，即兩種偏振的反 射系數總是同時趨近于零，因此雙面金屬包覆波導雖然可以用于增強縱向的古斯漢欣位 移，但是卻無法增強橫向的IF位移。
【發明內容】
[0009] 針對現有技術存在的不足，本發明目的是提供一種基于光自旋霍爾效應和MIM結 構的光束橫向微位移產生系統，在產生大的橫向位移的同時，又能用多種參數進行方便的 調節。
[0010] 為了實現上述目的，本發明是通過如下的技術方案來實現：
[0011] 本發明的一種基于光自旋霍爾效應和MM結構的光束橫向微位移產生系統，包括 激光器、用于檢測反射光強度的光電二極管、用于顯示反射光斑的顯示器和依次設置在激 光器光路上用于起偏產生偏振光束并直接照射在Μ頂光波導表面的偏振片、Μ頂光波導及用 于監測反射光橫向位移的CCD圖像傳感器;偏振片兩側的光路上還設有用于將激光器產生 的激光進行準直的第一小孔光闌及第二小孔光闌，所述ΜΙΜ光波導安裝在角度旋轉臺上； Μ頂光波導的導模在滿足ΤΕ偏振或者ΤΜ偏振位相匹配條件時才可被激發，當導模激發以后， 通過選擇各種條件參數，使反射率降為零，所述角度旋轉臺停止運動，入射角固定;通過調 制所述偏振片的偏振方向，對于滿足激發橫向位移條件的偏振光，反射光分解成兩束圓偏 振光，通過所述CCD圖像傳感器來監測反射光的橫向位移，通過所述顯示器可以觀察到亞毫 米量級的光束橫向位移;對于不滿足激發橫向位移的偏振光，反射光沒有分解，其橫向位移 為零。
[0012] ΤΕ和ΤΜ偏振的概念在光學中很普通，ΤΕ是指橫電模式，即入射光的電分量與入射 面垂直，而ΤΜ模是橫磁模式，即入射光的磁分量與入射面垂直。
[0013]上述ΜΜ光波導依次包括作為耦合層的第一金屬層、作為導波層的介質層和作為 襯底的第二金屬層。
[0014]上述第一金屬層為30到40納米，所述介質層為500納米到50微米，所述第二金屬層 大于100納米。
[0015] ΤΕ偏振與ΤΜ偏振的位相匹配條件不同，當一種偏振的反射率在極小值的時候，另 一種偏振的反射率卻很大；
[0016] Κ2?2-Φ2?-Φ23=η?3τ m = 0,l,2,... (1)
[0017] 上式為MM光波導的導模位相匹配方程，其中，!〇2，(12分別為介質層的波數和厚度， 而Φ 21，Φ 23分別為介質層兩側的反射相移，它們對TE偏振即S光和TM偏振即p光是不同的：
[0018] 對TE模式，有
[0019] 對TM模式，有
[0020] 其中，其中(6^(13分別對應MIM結構中外面兩層的衰減系數，而eu2、 ε3分別對應Μ頂中各層的介電系數。
[0021] 上述各種條件參數包括入射光波長、入射角度、偏振狀態以及Μ頂光波導的結構參 數，通過改變這些參數，可以實現對橫向位移的調制。
[0022]以線偏光入射的光束在照射到MIM光波導表面以后，會形成兩束圓偏振光，分別為 左旋圓偏振光和右旋圓偏振光，兩束圓偏振光經歷的橫向位移大小相同，方向相反；
(2) (3)
[0025]公式(2)和(3)分別為入射光為TM和TE偏振時候產生的橫向位移，其中，λ為入射光 波長，Θ,是入射角，|rs |，処分別是ΤΕ偏振反射系數的振幅和位相，|rp|，％分別是ΤΕ偏振反射系 數的振幅和位相；由上述兩個公式可知，橫向位移的增強效應來源于當分母上的|rs|或者 rP|等于零。
[0026] 上述偏振片具體采用的是格蘭泰勒棱鏡。
[0027] 上述角度旋轉臺的旋轉由步進電機控制。
[0028] 本發明能夠增強光的自旋霍爾效應，在產生大的橫向位移的同時，又能用多種參 數進行方便的調節。
【附圖說明】
[0029]圖1為MM光波導芯片的結構示意圖；（圖中，001a表示入射的線偏振光;002a入射 角;003a反射的右旋偏振光;004a反射的左旋偏振光;005a增強的光自旋霍爾效應的橫向位 移;006a MIM光波導的耦合層;007aMIM光波導的導波層;008a MIM光波導的襯底）
[0030] 圖2為一種典型的ΜΠ1結構光波導的反射率曲線；
[0031] 圖3為本發明的光束橫向微位移產生系統的結構示意圖。（圖中，001b是激光器， 002b和004b是小孔光闌，003b是偏振片，通常為格蘭泰勒棱鏡，005b是Μ頂光波導，006b是由 步進電機控制的角度旋轉臺，〇〇7b是(XD，008b是光電二極管，009b是顯示器）
【具體實施方式】
[0032] 為使本發明實現的技術手段、創作特征、達成目的與功效易于明白了解，下面結合
【具體實施方式】，進一步闡述本發明。
[0033] 利用MM波導結構的導模激發時的偏振相關特性，使得一種偏振滿足位相匹配條 件，其反射系數的振幅趨近于零，而另一種偏振則具有很高的反射系數振幅。在這種條件 下，根據光自旋霍爾效應，可以產生亞毫米甚至毫米量級的橫向位移。由于Μ頂的導模激發 條件與光束的波長，偏振，入射角以及ΜΜ波導的結構參數密切相關，調整任何一種參數都 可以對光束的橫向位移進行調制。
[0034] Μ頂波導結構為三層平板波導結構:第一層為30到40納米的金屬層，通常為金或者 銀，稱為耦合層;第二層為500納米到50微米厚的介質層，具體材料沒有限定，可以為玻璃， 稱為導波層;第三層為大于100納米厚的金屬層，材料與第一層相同，稱為襯底。各層的平行 度必須達到光學平行度，以便激發光波導中的導模。
[0035] MIM結構的光波導的導模在滿足位相匹配條件的時候才可以被激發，當導模激發 以后，入射光能量被耦合進波導中沿著波導傳輸，因此反射光的能量大幅減小。選擇合適的 結構參數，可以使反射率減小到零。但是由于兩種偏振的位相匹配條件不同，當一種偏振光 的反射率在極小值的時候，另一種偏振的反射率卻很大。
[0036] κ2?2~Φ 21- Φ 23=mJI (l)
[0037] 上式為Μ頂波導結構的導模位相匹配方程，其中K2，d2*別為介質層的波數和厚度， 而Φ 21，Φ 23分別為介質層兩側的反射相移，它們對TE偏振(s光)和TM偏振(p光)是不同的：
[0038] 對TE(或者s)模式，有
[0039] 對TM(或者p)模式，有
[0040] Μ頂結構的導模激發條件與各種條件參數密切相關，這些參數包括入射光波長，入 射角度，偏振狀態，以及波導的結構參數密切相關，改變這些參數，可以實現對橫向位移的 精密調制。
[0041] 利用光自旋霍爾效應產生橫向位移，原先以線偏光入射的光束在照射到ΜΜ波導 表面以后，會形成兩束圓偏振光，分別為左旋圓偏振光和右旋圓偏振光。兩束圓偏振光經歷 的橫向位移大小相同，方向相反。
C3)
[0044]公式(2)和(3)分別為入射光為ΤΜ和ΤΕ偏振時候產生的橫向位移，其中λ為入射光 波長，是入射角，|^，奶分別是ΤΕ偏振反射系數的振幅和位相，|/；|，η分別是ΤΕ偏振反射系 數的振幅和位相。由上述兩個公式可知，橫向位移的增強效應來源于當分母上的I rs I或者 rP|等于零。
[0045] 測量步驟如下：
[0046] (1)根據實驗裝置調整好光路，讓一束線偏振光以一定入射角照射在MM波導結構 的表面，并且監測反射光強度，調整參數使得某一種偏振的導模激發(反射率降為零）。
[0047] (2)用CCD，或者高靈敏度PSD來監測反射光的橫向位移。可以調整入射光的偏振狀 態，此時，有一種偏振狀態的反射光會分解成兩束圓偏振光，并且具有亞毫米量級的橫向位 移。而另一種偏振狀態的反射光沒有分解，其橫向位移為零。
[0048] 參見圖2,可見TE偏振和TM偏振的曲線是分開的，當入射角為40.98度時，TM偏振的 反射率僅為〇.0005,而TE偏振的反射率約為0.85左右，代入公式(2)可以將光束的橫向位移 增強為波長的3個量級，即為亞毫米量級。
[0049] 參見圖3,本實驗的目的主要是測量被增強的光束橫向位移，當運用到光學芯片中 或者光邏輯器件中時，只需要圖1所示的MM光波導芯片即可。實驗步驟如下，調整好光路， 用兩個小孔光闌002b和004b將激光器001b產生的激光進行準直，并且由格蘭泰勒棱鏡003b 進行起偏，產生的偏振光束直接照射在Μ頂光波導005b的耦合層表面。此時，旋轉由步進電 機控制的角度旋轉臺006b，并且用光電二極管008b檢測反射光的強度。當角度滿足位相匹 配條件的時候，反射率降為零，此時停止步進電機，使入射角固定。用CCD007b取代光電二極 管008b，并且在顯示器009b上觀察反射光斑。在這種情況下，調制003b偏振器的偏振方向， 在一種偏振狀態下，可以觀察到亞毫米量級的光束橫向位移，且反射光分解成兩束，對稱分 開。在另一種偏振狀態下，則沒有任何位移，且反射光依舊為一束。此時產生位移的偏振狀 態，由激發的導模的偏振狀態決定。
[0050] 以上顯示和描述了本發明的基本原理和主要特征和本發明的優點。本行業的技術 人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本 發明的原理，在不脫離本發明精神和范圍的前提下，本發明還會有各種變化和改進，這些變 化和改進都落入要求保護的本發明范圍內。本發明要求保護范圍由所附的權利要求書及其 等效物界定。
【主權項】
1. 一種基于光自旋霍爾效應和M頂結構的光束橫向微位移產生系統，其特征在于，包括 激光器、用于檢測反射光強度的光電二極管、用于顯示反射光斑的顯示器和依次設置在激 光器光路上用于起偏產生偏振光束并直接照射在M頂光波導表面的偏振片、M頂光波導及用 于監測反射光橫向位移的CCD圖像傳感器； 所述偏振片兩側的光路上還設有用于將激光器產生的激光進行準直的第一小孔光闌 及第二小孔光闌，所述M頂光波導安裝在角度旋轉臺上； 所述MM光波導的導模在滿足TE偏振或者TM偏振位相匹配條件時才可被激發，當導模 激發以后，通過選擇各種條件參數，使反射率降為零，所述角度旋轉臺停止運動，入射角固 定;通過調制所述偏振片的偏振方向，對于滿足激發橫向位移條件的偏振光，反射光分解成 兩束圓偏振光，通過所述CCD圖像傳感器來監測反射光的橫向位移，通過所述顯示器可以觀 察到亞毫米量級的光束橫向位移;對于不滿足激發橫向位移的偏振光，反射光沒有分解，其 橫向位移為零。2. 根據權利要求1所述的基于光自旋霍爾效應和MM結構的光束橫向微位移產生系統， 其特征在于，所述MIM光波導依次包括作為耦合層的第一金屬層、作為導波層的介質層和作 為襯底的第二金屬層。3. 根據權利要求2所述的基于光自旋霍爾效應和MM結構的光束橫向微位移產生系統， 其特征在于，所述第一金屬層為30到40納米，所述介質層為500納米到50微米，所述第二金 屬層大于100納米。4. 根據權利要求2所述的基于光自旋霍爾效應和MM結構的光束橫向微位移產生系統， 其特征在于，TE偏振與TM偏振的位相匹配條件不同，當一種偏振的反射率在極小值的時候， 另一種偏振的反射率卻很大； Κ2?2~Φ 21-φ 23 = m3T m = 0,l,2,... (I)上式為MIM光波導的導模位相匹配方程，其中，K2, d2分別為介質層的波數和厚度，而 Φ 21，Φ 23分別為介質層西側的應射相務，它們對TE偏振即S光和TM偏振即P光是不同的： 對TE模式d 對TM模式J 其中，€11、€[3、￡1、￡2、￡3其中€ [1、€[3分別對應1頂結構中外面兩層的衰減系數，而81、￡2、 ￡3分 別對應M頂中各層的介電系數。5. 根據權利要求1所述的基于光自旋霍爾效應和MM結構的光束橫向微位移產生系統， 其特征在于，所述各種條件參數包括入射光波長、入射角度、偏振狀態以及MM光波導的結 構參數，通過改變這些參數，可以實現對橫向位移的調制。6. 根據權利要求1所述的基于光自旋霍爾效應和MM結構的光束橫向微位移產生系統， 其特征在于，以線偏光入射的光束在照射到MIM光波導表面以后，會形成兩束圓偏振光，分 別為左旋圓偏振光和右旋圓偏振光，兩束圓偏振光經歷的橫向位移大小相同，方向相反； (2)(3) 公式（2)和（3)分別為入射光為TM和TE偏振時候產生的橫向位移，其中，λ為入射光波 長，S1是入射角，|/;|，取分別是TE偏振反射系數的振幅和位相，|/；|，％分別是TE偏振反射系數 的振幅和位相；由上述兩個公式可知，橫向位移的增強效應來源于當分母上的I rs I或者I rP 等于零。7. 根據權利要求1所述的基于光自旋霍爾效應和MM結構的光束橫向微位移產生系統， 其特征在于，所述偏振片具體采用的是格蘭泰勒棱鏡。8. 根據權利要求1所述的基于光自旋霍爾效應和MM結構的光束橫向微位移產生系統， 其特征在于，所述角度旋轉臺的旋轉由步進電機控制。
【文檔編號】G01B11/02GK106018273SQ201610319950
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月13日
【發明人】殷澄, 姜學平, 賈靜, 韓慶邦
【申請人】河海大學常州校區