一种基于光自旋霍尔效应和MIM结构的光束横向微位移产生系统

摘要

本发明公开了一种基于光自旋霍尔效应和MIM结构的光束横向微位移产生系统，包括激光器，依次设置在激光器光路上的偏振片、MIM光波导及CCD，光电二极管和显示器；偏振片两侧的光路上还设有第一小孔光阑及第二小孔光阑，MIM光波导安装在角度旋转台上；MIM光波导的导模在满足TE偏振或者TM偏振位相匹配条件时才可被激发，当导模激发以后，通过选择各种条件参数，使反射率降为零，所述角度旋转台停止运动，入射角固定；通过调制偏振片的偏振方向，在一种偏振状态下，反射光分解成两束圆偏振光；在另一种偏振状态下，反射光没有分解。本发明能够增强光的自旋霍尔效应，在产生大的横向位移的同时，又能用多种参数进行方便的调节。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于光自旋霍尔效应和MIM结构的光束横向微位移产生系统，属于导波光学和激光测量技术领域。

背景技术

光束的微位移，尤其是微米到亚毫米的微位移在高精密光学仪器，比如光逻辑器件，全光芯片，甚至未来的光脑设计中都有着极其重要的作用。但这种程度的微位移很难用机械方式精密实现，在很多情况下，比如全光芯片中，由于器件的微型化，也不允许使用机械手段。因此采用非机械手段实现光束的微位移，并且可以有效进行调制非常有用。

目前形成光束微位移的手段主要有两种，一种是基于古斯汉欣效应的纵向位移，这种位移处在入射平面内，目前利用双面金属包覆波导结构已经可以实现亚毫米量级的位移。但是作为横向位移，即垂直于入射面的微位移的实现，还比较困难。虽然光的自旋霍尔效应可以形成横向的微位移，但是产生的位移仅为波长的几分之一，在可见光范围内，这种位移仅为几百纳米的量级。而一般光束的尺寸都在毫米或者亚毫米量级。因此如此小的横向位移无法将左旋和右旋圆偏光分开，而相关的测量需要采用弱测量手段来完成，因此并没有实际应用价值。

基于上述情况，一些能够增强光自旋霍尔效应的特殊结构被提出。这种结构的关键是必须产生与偏振相关的反射率，即使得一种偏振的反射系数为零，而另一种偏振的反射系数则远大于零。这种情况下，两种偏振的反射系数的比值可以达到10的3次方，因此也会将光束的横向位移增加3个数量级。

目前已有的两种增强结构为：(1)利用反射光的布鲁斯特角，在这一角度，入射的TM光反射系数为零，而TE光反射系数不为零。

(2)利用表面等离子波的激发，表面等离子波只能由TM波来激发，而TE波无法激发，当表面等离子体波激发的时候，反射系数可以接近于零。而TE波的反射系数在金属表面接近于1。

上述第一种结构的缺陷在于TE光的反射系数不高，约为0.2到0.3，因此影响了比值。第二种结构的缺陷在于表面等离子体波的激发，由于存在损耗等因素，反射系数也很难接近于零。上述两种结构的一个共同缺陷是，它的入射角比较固定，布鲁斯特角和表面等离子体波激发的入射角都有少数几个不能改变的参数确定，因此限制了一些场合的应用，比如需要小角度入射的时候。

双面金属包覆波导结构具有超高的灵敏度，并且当超高阶导模激发的时候，反射系数也可以接近于零。但可惜的是，双面金属包覆波导具有偏振无关特性，即两种偏振的反射系数总是同时趋近于零，因此双面金属包覆波导虽然可以用于增强纵向的古斯汉欣位移，但是却无法增强横向的IF位移。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明目的是提供一种基于光自旋霍尔效应和MIM结构的光束横向微位移产生系统，在产生大的横向位移的同时，又能用多种参数进行方便的调节。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

本发明的一种基于光自旋霍尔效应和MIM结构的光束横向微位移产生系统，包括激光器、用于检测反射光强度的光电二极管、用于显示反射光斑的显示器和依次设置在激光器光路上用于起偏产生偏振光束并直接照射在MIM光波导表面的偏振片、MIM光波导及用于监测反射光横向位移的CCD图像传感器；偏振片两侧的光路上还设有用于将激光器产生的激光进行准直的第一小孔光阑及第二小孔光阑，所述MIM光波导安装在角度旋转台上；MIM光波导的导模在满足TE偏振或者TM偏振位相匹配条件时才可被激发，当导模激发以后，通过选择各种条件参数，使反射率降为零，所述角度旋转台停止运动，入射角固定；通过调制所述偏振片的偏振方向，对于满足激发横向位移条件的偏振光，反射光分解成两束圆偏振光，通过所述CCD图像传感器来监测反射光的横向位移，通过所述显示器可以观察到亚毫米量级的光束横向位移；对于不满足激发横向位移的偏振光，反射光没有分解，其横向位移为零。

TE和TM偏振的概念在光学中很普通，TE是指横电模式，即入射光的电分量与入射面垂直，而TM模是横磁模式，即入射光的磁分量与入射面垂直。

上述MIM光波导依次包括作为耦合层的第一金属层、作为导波层的介质层和作为衬底的第二金属层。

上述第一金属层为30到40纳米，所述介质层为500纳米到50微米，所述第二金属层大于100纳米。

TE偏振与TM偏振的位相匹配条件不同，当一种偏振的反射率在极小值的时候，另一种偏振的反射率却很大；

κ₂d₂-φ₂₁-φ₂₃＝mπ>

上式为MIM光波导的导模位相匹配方程，其中，κ₂,d₂分别为介质层的波数和厚度，而φ₂₁,φ₂₃分别为介质层两侧的反射相移，它们对TE偏振即s光和TM偏振即p光是不同的：

对TE模式，有

对TM模式，有

其中，α₁、α₃、ε₁、ε₂、ε₃其中α₁、α₃分别对应MIM结构中外面两层的衰减系数，而ε₁、ε₂、ε₃分别对应MIM中各层的介电系数。

上述各种条件参数包括入射光波长、入射角度、偏振状态以及MIM光波导的结构参数，通过改变这些参数，可以实现对横向位移的调制。

以线偏光入射的光束在照射到MIM光波导表面以后，会形成两束圆偏振光，分别为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，两束圆偏振光经历的横向位移大小相同，方向相反；

公式(2)和(3)分别为入射光为TM和TE偏振时候产生的横向位移，其中，λ为入射光波长，θ_i是入射角，分别是TE偏振反射系数的振幅和位相，分别是TE偏振反射系数的振幅和位相；由上述两个公式可知，横向位移的增强效应来源于当分母上的|r_s|或者|r_p|等于零。

上述偏振片具体采用的是格兰泰勒棱镜。

上述角度旋转台的旋转由步进电机控制。

本发明能够增强光的自旋霍尔效应，在产生大的横向位移的同时，又能用多种参数进行方便的调节。

附图说明

图1为MIM光波导芯片的结构示意图；(图中，001a表示入射的线偏振光；002a入射角；003a反射的右旋偏振光；004a反射的左旋偏振光；005a增强的光自旋霍尔效应的横向位移；006a MIM光波导的耦合层；007aMIM光波导的导波层；008a MIM光波导的衬底)

图2为一种典型的MIM结构光波导的反射率曲线；

图3为本发明的光束横向微位移产生系统的结构示意图。(图中，001b是激光器，002b和004b是小孔光阑，003b是偏振片，通常为格兰泰勒棱镜，005b是MIM光波导，006b是由步进电机控制的角度旋转台，007b是CCD，008b是光电二极管，009b是显示器)

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

利用MIM波导结构的导模激发时的偏振相关特性，使得一种偏振满足位相匹配条件，其反射系数的振幅趋近于零，而另一种偏振则具有很高的反射系数振幅。在这种条件下，根据光自旋霍尔效应，可以产生亚毫米甚至毫米量级的横向位移。由于MIM的导模激发条件与光束的波长，偏振，入射角以及MIM波导的结构参数密切相关，调整任何一种参数都可以对光束的横向位移进行调制。

MIM波导结构为三层平板波导结构：第一层为30到40纳米的金属层，通常为金或者银，称为耦合层；第二层为500纳米到50微米厚的介质层，具体材料没有限定，可以为玻璃，称为导波层；第三层为大于100纳米厚的金属层，材料与第一层相同，称为衬底。各层的平行度必须达到光学平行度，以便激发光波导中的导模。

MIM结构的光波导的导模在满足位相匹配条件的时候才可以被激发，当导模激发以后，入射光能量被耦合进波导中沿着波导传输，因此反射光的能量大幅减小。选择合适的结构参数，可以使反射率减小到零。但是由于两种偏振的位相匹配条件不同，当一种偏振光的反射率在极小值的时候，另一种偏振的反射率却很大。

κ₂d₂-φ₂₁-φ₂₃＝mπ>

上式为MIM波导结构的导模位相匹配方程，其中κ₂,d₂分别为介质层的波数和厚度，而φ₂₁,φ₂₃分别为介质层两侧的反射相移，它们对TE偏振(s光)和TM偏振(p光)是不同的：

对TE(或者s)模式，有

对TM(或者p)模式，有

MIM结构的导模激发条件与各种条件参数密切相关，这些参数包括入射光波长，入射角度，偏振状态，以及波导的结构参数密切相关，改变这些参数，可以实现对横向位移的精密调制。

利用光自旋霍尔效应产生横向位移，原先以线偏光入射的光束在照射到MIM波导表面以后，会形成两束圆偏振光，分别为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光。两束圆偏振光经历的横向位移大小相同，方向相反。

公式(2)和(3)分别为入射光为TM和TE偏振时候产生的横向位移，其中λ为入射光波长，θ_i是入射角，分别是TE偏振反射系数的振幅和位相，分别是TE偏振反射系数的振幅和位相。由上述两个公式可知，横向位移的增强效应来源于当分母上的|r_s|或者|r_p|等于零。

测量步骤如下：

(1)根据实验装置调整好光路，让一束线偏振光以一定入射角照射在MIM波导结构的表面，并且监测反射光强度，调整参数使得某一种偏振的导模激发(反射率降为零)。

(2)用CCD，或者高灵敏度PSD来监测反射光的横向位移。可以调整入射光的偏振状态，此时，有一种偏振状态的反射光会分解成两束圆偏振光，并且具有亚毫米量级的横向位移。而另一种偏振状态的反射光没有分解，其横向位移为零。

参见图2，可见TE偏振和TM偏振的曲线是分开的，当入射角为40.98度时，TM偏振的反射率仅为0.0005，而TE偏振的反射率约为0.85左右，代入公式(2)可以将光束的横向位移增强为波长的3个量级，即为亚毫米量级。

参见图3，本实验的目的主要是测量被增强的光束横向位移，当运用到光学芯片中或者光逻辑器件中时，只需要图1所示的MIM光波导芯片即可。实验步骤如下，调整好光路，用两个小孔光阑002b和004b将激光器001b产生的激光进行准直，并且由格兰泰勒棱镜003b进行起偏，产生的偏振光束直接照射在MIM光波导005b的耦合层表面。此时，旋转由步进电机控制的角度旋转台006b，并且用光电二极管008b检测反射光的强度。当角度满足位相匹配条件的时候，反射率降为零，此时停止步进电机，使入射角固定。用CCD007b取代光电二极管008b，并且在显示器009b上观察反射光斑。在这种情况下，调制003b偏振器的偏振方向，在一种偏振状态下，可以观察到亚毫米量级的光束横向位移，且反射光分解成两束，对称分开。在另一种偏振状态下，则没有任何位移，且反射光依旧为一束。此时产生位移的偏振状态，由激发的导模的偏振状态决定。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。