CN103620356A - 光探测系统 - Google Patents

Abstract

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。

Description

光探测系统

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

光束包括光子流。每一个光子具有能量

其中，

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

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（即，

）。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

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。

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。

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：

$\stackrel{\→}{E}(r,\mathrm{\φ})={\stackrel{\→}{E}}_0\left(r\right)\exp \left(\mathrm{il\φ}\right)$

其中，r和φ为xy平面中的极坐标，且l为称为轨道螺旋性的整数。每一光子携带由l

标记、沿束轴指向的量子化的固有轨道角动量。束由|l|个缠绕的螺旋波前构成，旋转或旋向性的感测由符号l描绘。在以下描述中，根据沿束轴朝向束的源观看的观察者的视点来限定轨道螺旋性l的符号。L等于“0”的激光束不具有螺旋波前并且光子不具有轨道角动量。

图3A-3D示出了四个不同光束的螺旋波前的等距视图。图3A中，束由单个螺旋波前301构成，当由沿束轴朝向束源观看的观察者察看时，该单个螺旋波前301以顺时针方式旋转（即，l＝1）。从此视点，每一个光子携带＋

的轨道角动量。相比而言，图3B中，束由单个螺旋波前302构成，当被沿束轴朝向束源察看时，该单个波前302以逆时针方式旋转（即，l＝－1）。从此视点，每一个光子携带－

的轨道角动量。图3C中，束由两个缠绕的螺旋波前303和304构成，当由沿束轴朝向束源观看的观察者察看时，该两个缠绕的螺旋波前303和304以顺时针方式旋转（即，l＝2）。从此视点，每一个光子携带＋

的轨道角动量。相比而言，图3D中，束由两个缠绕的螺旋波前305和306构成，当被沿束轴朝向束源察看时，该两个缠绕的螺旋波前305和306以逆时针方式旋转（即，l＝－2）。从此视点，每一个光子携带－

的轨道角动量。

具有如上参照图1描述的平面波前的典型激光束的特征能够是厄密-高斯（Hermite-Gaussian）横模。这些横模具有由HG_mn标记的矩形对称性，其中，m和n是分别给出x和y方向上的横节点数的横模系数。相比而言，具有如上参照图2和3描述的螺旋波前的光束的特征能够是拉盖尔-高斯横模。这些横模具有由LG_1p标记的圆对称性，其中，系数l表示缠绕螺旋数，并且系数p表示径向节点数。

图4A-4D示出了沿束轴朝向束源观看时，拉盖尔-高斯激光束的横向分布。每一个图还包括描绘在x方向上跨束的辐照的辐照图示。图4A示出了无螺旋波前（即，l＝0）且具有单个径向节点402（即，p＝1）的LG₀₁激光束的横向分布401。辐照图示403揭示大量束的辐照聚集在由环状的外束405围绕的中心束404中。图4B示出了无螺旋波前（即，l＝0）且无径向节点（即，p＝0）的LG₀₀激光束的横向分布404。辐照图示407揭示大量束的辐照聚集在束的中心部分中。图4B中示出的LG₀₀束对应于具有HG₀₀横模的厄密-高斯束。图4C示出了具有单个螺旋波前（即，l＝0）且无径向节点（即，p＝0）的LG₁₀激光束的横向分布408。螺旋波前能够具有如上参照图3A描述的顺时针旋转409，或螺旋波前能够具有如上参照图3B描述的逆时针旋转410。辐照图示411揭示了LG₁₀束的辐照是环状的。图4D示出了具有两个螺旋波前（即，l＝2）且无径向节点（即，p＝0）的LG₂₀激光束的横向分布412。螺旋波前能够具有如上参照图3C描述的顺时针旋转413，或螺旋波前能够具有如上参照图3D描述的逆时针旋转414。辐照图示415揭示了LG₂₀束是环状的并且具有大于图4C中描绘的LG₁₀束的较大半径。

现在考虑自旋角动量，其不是光子的固有性质，而是光束的偏振状态的性质。由

标记的自旋角动量归因于光的偏振并且由参数σ规定，其中，对于圆偏振光，σ＝±1，对于线偏振光，σ＝0，并且对于椭圆偏振光，0<|σ|<1。如轨道角动量l，参数σ的符号与如从沿束轴朝向源观看的观察者的视点定义的旋转或旋向性的意义关联。从此视点，当σ>0时，得到的电场矢量是顺时针旋转的。相比而言，当σ<0时，得到的电场矢量是逆时针旋转的。例如，右圆偏振光具有σ＝＋1并在沿束轴朝向源察看该右圆偏振光时，其表现为顺时针旋转的，且左圆偏振光具有σ＝－1并在沿束轴朝向源察看该左圆偏振光时，其表现为逆时针旋转的。左和右圆偏振光具有最大幅度的自旋角动量

而线偏振光不具有自旋角动量。换句话说，当光子线偏振时，不存在波印廷矢量的方位角分量，导致没有自旋角动量。

基于轨道和自旋角动量的以上描述，光束携带由下式给出的总的角动量

亚波长光栅

图5A-5B分别示出了范例光学元件500的等距和顶视图。元件500包括安置于基底506的平面表面504上的盘形SWG502。图5B包括SWG502的区域510的放大视图508和沿线l-l的区域510的横截面视图512。视图508和512揭示了SWG502由从表面504大致垂直地延伸的圆柱柱子的二维六角点阵构成。柱子的六角点阵的特征在于具有由Λ标记的点阵常数的等边三角形单胞（unit cell）514，点阵常数对应于任意对相邻柱子的中心之间的距离。

 WG502能够由单元素半导体或化合物半导体构成，单元素半导体诸如是硅（“Si”）和锗（“Ge”），化合物半导体诸如是III-V化合物半导体，其中，罗马数字III和V描绘元素周期表的IIIa和Va列中的元素。III-V化合物半导体能够由诸如铝（“Al”）、镓（“Ga”）、和铟（“In”）的IIIa列元素与诸如氮（“N”）、磷（“P”）、砷（“As”）、和锑（“Sb”）的Va列元素的组合构成。也能够根据III和V元素的相对量对III-V化合物半导体进行进一步的分类。例如，二元半导体化合物包括具有经验结构式GaAs、InP、InAs、以及GaP的半导体；三元化合物半导体包括具有经验结构式GaAs_yP_1-y的半导体，其中y在从大于0至小于1的范围中；而四元化合物半导体包括具有经验结构式In_xGa_1-xAs_yP_1-y的半导体，其中x和y独立地在从大于0至小于1的范围中。其它类型的合适的化合物半导体包括II-VI材料，其中II和VI描绘周期表的IIb和VIa列中的元素。例如，CdSe、ZnSe、ZnS、以及ZnO是示范性二元II-VI化合物半导体的经验结构式。

基底504能够由具有比SWG502相对低的折射率的材料构成。例如，基底506能够由石英、二氧化硅（“SiO2”）、氧化铝（“Al₃O₂”）、或聚合物构成。

光学元件是紧凑的，并且能够利用用于制造微电子器件的许多相同的CMOS兼容的技术来制造光学元件。例如，能够通过使用晶片结合或化学或物理气相沉积将半导体层沉积在基底的平面表面上来制造光学元件。能够使用光刻法、纳米压印平版印刷（nanoimprint lithograph）、反应离子刻蚀、或辊到辊处理来形成包括SWG的柱子。

由于包括SWG502的材料的折射率与基底506的折射率之间的相对高的差异（这能够通过形成柱子，使得基底506的部分暴露于柱子之间来建立，如横截面视图512中示出的），所以SWG502是高对比度SWG。例如，当与波长632.8nm的光相互作用时，能够用于形成SWG502的元素半导体和许多III-V化合物半导体具有大于大致3.5的有效折射率。相比而言，在与具有相同波长632.8nm的光相互作用时，用于形成基底506的石英、SiO₂、以及聚丙烯酸酯具有小于大致1.55的有效折射率。

SWG502的点阵常数Λ选择为使得光学元件500不以不想要的方式将光散射到基底中。能够通过基于下式给出的无散射限制选择点阵常数来防止不想要的散射：

$\mathrm{\&Lambda;}<\frac{2}{\sqrt{3}}\frac{\mathrm{\&lambda;}}{n_s}$

其中，n_s是基底506的折射率。除基于无散射限制选择点阵常数外，元件500能够被配置为使得分开Λ的两个柱子之间的期望的相位差小于π，使得通过具有足够高的空间密度的点阵来确定期望的输出相位。元件500也能够被配置有受到以下约束的某一数值孔径（“NA”）：

$\mathrm{\&Lambda;}\&le;\frac{\mathrm{\&lambda;}}{2\&CenterDot;\mathrm{NA}}$

SWG502也是“非周期”SWG。换句话说，包括SWG502的柱子的直径改变。例如，如图5B中示出的，邻近的柱子516-518具有不同的柱子直径d₁、d₂、和d₃，其中d₁<d₂<d₃。SWG502也称作“亚波长光栅”，因为柱子直径d和点阵常数Λ小于光的波长λ，SWG502被配置为与该光相互作用。

SWG502与波长λ的共振由SWG502的占空比和厚度确定。具有具有圆横截面的柱子的SWG的占空比由下式给出：

$\mathrm{\&delta;}=\frac{d}{\mathrm{\&Lambda;}}$

并且SWG502的厚度t能够选择为随着占空比改变而容许大的差相移，其中：

$t<\frac{\mathrm{\&lambda;}}{(n_{\mathrm{SWG}}-n_s)}$

其中n_SWG为SWG502在波长λ处的有效折射率。能够将SWG502的某些区域上的占空比δ选择为使得SWG502与波长λ大致“非共振”，导致大多数光以高透射率透射通过该区域。替代地，能够将SWG502的其它区域上的占空比选择为使得SWG502与波长λ大致“共振”，导致大多数光以高反射率从该其它区域反射。

图6示出了基于对于由氧化物基质中的Si柱子的六角点阵构成的SWG的仿真结果的反射和透射系数以及透射相位的范例图示。对于正入射且波长650nm的光，点划曲线602描绘反射系数的平方模|R|²，实曲线604描绘透射系数的平方模|T|²，并且虚曲线606描绘透射相位arg(T/2π)。使用以下文献中描述的开源有限-差分时间-差分软件来生成曲线602、604、以及606：“A flexible free-software package for electromagnetic simulations by the FDTDmethod”，A.F.Oskooi等，Computer Physics Communications，181，687-702(2010)。对具有大致130nm的固定厚度、大致475nm的固定点阵常数的柱子确定曲线602、604、以及606，而占空比从0％至100％改变，如由水平轴608描绘的。曲线602和604揭示了光的反射和透射随非共振区间610和612上的占空比的改变平滑地改变。非共振区间610和612的部分指示对于在从0％至大致30％的范围中和在从大致35％至大致68％的范围中的占空比，大部分入射光透射通过SWG。另一方面，共振区间614和616揭示了对于窄的占空比范围，光的透射突然降低且光的反射突然升高。特别是，对于具有最强的共振的在从大致31％至大致33％的窄的范围中和在从大致74％至大致85％的范围中的占空比，透射系数小于大致0.4，或者对于大致32％618和大致80％620处的占空比，反射发生。非共振区间610上的透射相位对于大致25％以下的占空比保持平坦，但是随着占空比接近30％而急剧地增大。在共振区间614中，透射相位在大致30％与32％之间减小。在大致32％与大致80％之间，透射相位606在透射相位的大的范围上平滑地改变。

由图6中示出的反射和透射系数以及透射相位描绘的数据能够用于设计具有期望的光学性质的光学元件的SWG。特别是，柱子大小越大，则光保持捕获于柱子内越长。结果，通过使光透射通过SWG的具有具有较大尺寸的柱子的区域比使光通过同一SWG的具有具有较小尺寸的柱子的其它区域获得了更大的透射相位。通过在固定点阵常数时改变柱子的尺寸（例如，δ(x,y)＝d(x,y)/Λ），在固定柱子的尺寸时改变点阵常数（例如，δ(x,y)＝d/Λ(x,y)），或者通过改变点阵常数和柱子的尺寸（例如，δ(x,y)＝d(x,y)/Λ(x,y)），能够获得具有期望的光学性质的SWG，其中，(x,y)为SWG的xy平面中的坐标。

通过在SWG的设计中应用麦克斯韦方程的与变换的等分标度相关的性质，也能够将光学元件的SWG设计为与特定波长λ的光相互作用。特别是，考虑配置有占空比δ(x,y)、厚度t、以及点阵常数Λ(x,y)的在自由空间波长λ₀产生复透射系数T₀和反射系数R₀的第一SWG。通过以占空比αδ(x,y)、厚度αt、以及点阵常数αΛ(x,y)来制造第二SWG，除波长λ₀不同外，能够获得与第一SWG具有大致相同的光学性质的第二SWG，其中α＝λ/λ₀为比例因子，并且提供的αΛ(x,y)满足非散射限制和数值孔径约束。例如，第二SWG具有透射系数T(λ)＝T₀(λ/α)＝T₀(λ₀)和反射系数R(λ)＝R₀(λ/α)＝R₀(λ₀)。

SWG不限于如图5B中示出的柱子的六角点阵。替代地，SWG的点阵能够是方形的、矩形的、菱形的、或平行四边形的。图7A示出了SWG的具有由方形单胞702描绘的柱子的方形点阵的区域的范例放大顶视图。图7B示出了SWG的具有由矩形单胞704描绘的柱子的矩形点阵的区域的范例放大顶视图。图7C示出了SWG的具有由等腰三角形单胞706描绘的柱子的菱形点阵的区域的范例放大顶视图。最后，图7D示出了SWG的具有由平行四边形单胞708描绘的柱子的平行四边形点阵的区域的范例放大顶视图。SWG也可以由至少两种不同的点阵类型构成。例如，SWG的某些区域中的柱子能够具有方形点阵布置，而同一SWG的其它区域中的柱子能够具有矩形点阵布置。

SWG502的柱子也不限于具有如图5和7中示出的圆形横截面。替代地，SWG的柱子能够具有方形、三角形、矩形、椭圆形、或不规则形状的横截面形状。

手性光学元件的范例

在此分部中，描述手性光学元件的偏振不敏感的SWG柱子图案的范例。术语“手性”指SWG将轨道角动量和螺旋波前赋予透射通过光学元件的光。换句话说，SWG柱子图案使得手性光学元件作为手性透镜操作，该手性透镜例如接收具有HG_mn横模的高斯光束并输出具有LG_lp横模的拉盖尔-高斯光束。图8示出了放置在具有HG₀₀横模的厄密-高斯光束802的路径中的范例手性光学元件800的透视图。束802具有平面波前，如以上参照图1描述的，并且大量束802辐照集中于束的中心部分中，如由辐照分布804描绘的。元件800包括安置于透明基底808上的SWG806。SWG806输出具有LG₁₀横模的拉盖尔-高斯光束810并且束810具有|l|螺旋波前。束810的旋转或旋向性的感测由SWG806的柱子图案确定。

为简洁和方便，以下描述的手性光学元件的每一个范例SWG柱子图案基于固定点阵常数，同时仅柱子的直径改变，以输出拉盖尔-高斯束。然而，SWG柱子图案不是意在限制这些范例。如在先前部分中解释的，能够通过改变柱子的大小和/或点阵常数来控制透射通过SWG的光的相前或波前。换句话说，能够选择SWG的柱子大小和/或点阵常数，以输出具有期望的LG_lp横模的拉盖尔-高斯光束。

图9A示出了被配置为输出具有拉盖尔-高斯横模LG₁₀的光的范例手性光学元件900的顶视图。元件900包括基底902和由圆柱柱子的二维六角点阵构成的SWG，该圆柱柱子由阴影圆904描绘。柱子从基底902的平面表面垂直延伸。在图9A的范例中，SWG细分为三个楔形区域906-908。每一个区域内的柱子具有大致相同的直径，并且柱子的直径以区域906开始并以区域908结束以顺时针方向从区域至区域减小。

图9B示出了具有分别描绘为d₁、d₂、和d₃的区域906-908的元件900的等距视图，其中，d₁>d₂>d₃。在高斯光束910入射到元件900上时，透射通过区域906的束的部分获得最大透射相位，透射通过区域907的束的部分获得第二最大透射相位，并且透射通过区域908的束的部分获得最小透射相位。结果，元件900产生具有LG₁₀横模的拉盖尔-高斯束912。对于沿束912轴朝元件900观看的观察者，束912具有以顺时针方向（即，l＝1）914旋转的螺旋波前。

因为手性光学元件900的SWG由三个区域构成，所以SWG产生拉盖尔-高斯束的进程（course）螺旋波前。能够通过增大SWG区域的数量并且使从区域至区域的柱子直径渐进地变化来平滑螺旋波前。图9C示出了两个范例手性光学元件920和922。元件920具有六个楔形区域且元件922具有十二个楔形区域，元件920和922的每一个区域中的柱子具有相同直径。当元件920和922代替图9B中示出的元件900时，元件920和922也产生具有LG₁₀横模，但是具有以顺时针方向（即，l＝1）旋转的较平滑的螺旋波前，的拉盖尔-高斯束。

图9D示出了类似于光学元件900、920、和922，但是从区域至区域的柱子的直径以逆时针方向减小，的三个范例手性光学元件931-933。当每一个元件931-933代替图9B中示出的元件900时，元件931-933产生具有LG₁₀横模的拉盖尔-高斯束，但是螺旋波前以逆时针方向（即，l＝－1）旋转。

图10A示出了被配置为输出具有拉盖尔-高斯横模LG₂₀的光的范例手性光学元件1000的顶视图。元件1000包括基底1002和由圆柱柱子的二维六角点阵构成的SWG，该圆柱柱子由阴影圆1004描绘。包括SWG的柱子从基底1002的平面表面垂直延伸。在图10A的范例中，SWG细分为六个楔形区域1006-1011。每一个区域内的柱子具有大致相同的直径。区域1006-1008中的柱子的直径以区域1006开始并以区域1008结束以顺时针方向从区域至区域减小。从区域至区域减小的图案对区域1009-1011重复。

图10B示出了元件1000的等距视图，每一个区域内的柱子直径分别标识为d₁、d₂、和d₃，其中，d₁>d₂>d₃。在高斯光束1012入射到元件1000上时，透射通过区域1006和1009的束的部分获得最大透射相位，透射通过区域1007和1010的束的部分获得第二最大透射相位，并且透射通过区域1008和1011的束的部分获得最小透射相位。元件1000产生具有LG₂₀横模的拉盖尔-高斯束1014。对于沿束1014轴朝元件1000观看的观察者，束1014具有以顺时针方向（即，l＝2）1016旋转的两个缠绕的螺旋波前。换句话说，区域1006-1008是产生两个缠绕的螺旋波前中的第一个的第一组楔形区域，且区域1009-1011是产生两个缠绕的螺旋区域中的第二个的第二组楔形区域。

能够通过增大SWG区域的数量并且使从区域至区域的柱子直径更渐进地变化来平滑螺旋波前。图10C示出了具有12个楔形区域的范例手性光学元件1020，每一个区域中的柱子具有相同直径。当元件1020代替图10B中示出的元件1000时，元件1020也产生具有LG₂₀横模，但是具有以顺时针方向（即，l＝2）旋转的较平滑的缠绕的螺旋波前，的拉盖尔-高斯束。

图10D示出了类似于光学元件1000和1020，但是从区域至区域的柱子的直径以逆时针方向减小，的两个范例手性光学元件1031-1033。当元件1031和1032代替图10B中示出的元件1000时，元件1031和1032产生具有LG₂₀横模的拉盖尔-高斯束，但是缠绕的螺旋波前以逆时针方向（即，l＝－2）旋转。

图11A示出了被配置为输出具有拉盖尔-高斯横模LG₃₀的光的手性光学元件1100的范例SWG图案的顶视图。元件1100包括基底1102和由圆柱柱子的二维六角点阵构成的SWG，该圆柱柱子由阴影圆1104描绘。包括SWG的柱子从基底1102的平面表面垂直延伸。在图11A的范例中，SWG细分为六个楔形区域1106-1114。每一个区域内的柱子具有大致相同的直径。区域1106-1108中的柱子的直径以区域1106开始并以区域1108结束以顺时针方向从区域至区域减小。从区域至区域减小的图案对区域1109-1111和区域1112-1114重复。

图11B示出了元件1100的等距视图，每一个区域内的柱子直径分别标识为d₁、d₂、和d₃，其中，d₁>d₂>d₃。例如，标识了区域1106-1108。在高斯光束1116入射到元件1100上时，透射通过区域1106、1109、和1112的束的部分获得最大透射相位，透射通过区域1107、1110、和1113的束的部分获得第二最大透射相位，并且透射通过区域1108、1111、和1114的束的部分获得最小透射相位。元件1100产生具有LG₃₀横模的拉盖尔-高斯束1118。对于沿束1118轴朝元件1100观看的观察者，束1118具有以顺时针方向（即，l＝3）1120旋转的三个缠绕的螺旋波前。换句话说，区域1106-1108是产生三个缠绕的螺旋波前中的第一个的第一组楔形区域，区域1109-1111是产生三个缠绕的螺旋区域中的第二个的第二组楔形区域，且区域1112-1114是产生三个缠绕的螺旋区域中的第三个的第三组楔形区域。

能够通过增大楔形区域的数量并且使从区域至区域的柱子直径更渐进地变化来平滑螺旋波前。图11C示出了具有12个楔形区域的范例手性光学元件1121，每一个区域中的柱子具有相同直径。当元件1121代替图11B中示出的元件1100时，元件1121也产生具有LG₃₀横模，但是具有以顺时针方向（即，l＝3）旋转的较平滑的缠绕的螺旋波前，的拉盖尔-高斯束。

图11D示出了类似于光学元件1100和1121，但是从区域至区域的柱子的直径以逆时针方向减小，的两个范例手性光学元件1131和1132。当元件1131和1132代替图11B中示出的元件1100时，元件1131和1132产生具有LG₃₀横模的拉盖尔-高斯束，但是缠绕的螺旋波前以逆时针方向（即，l＝－3）旋转。

手性光学元件不限于具有楔形区域的SWG。图12示出了具有由盘旋柱子图案构成的SWG的范例手性光学元件1200。SWG安置于基底1202上并且由从基底1202的平面表面垂直延伸的圆柱柱子的二维六角点阵构成。如图12的范例中示出的，柱子的盘旋图案绕SWG的中心以逆时针方式卷绕。盘旋的卷绕曲线是随远离SWG的中心，直径减小的柱子的带。图12包括SWG的区域的1206的放大视图1204和区域1206的沿线II-II的横截面视图1208。视图1204和1208揭示了SWG由具有点阵常数Λ的二维六角点阵构成。在放大视图1204中，虚曲线1210和1212标识SWG的盘旋曲线的边界。在图12的范例中，带中的柱子的直径随远离SWG的中心而减小。例如，如图1204和1208中示出的，柱子1214-1216的直径d₁、d₂、和d₃分别随远离SWG的中心而减小。光学元件1200产生具有LG₁₀横模或具有光学螺旋性l＝1的单个螺旋波前的拉盖尔-高斯束。

具有柱子的盘旋布置的手性光学元件不是旨在限制与元件1200关联的柱子的配置。替代地，手性光学元件能够包括具有柱子的顺时针盘旋带的盘旋SWG，柱子的顺时针盘旋带绕SWG的中心卷绕。另外，盘旋的卷绕曲线能够由随远离SWG的中心，直径增大的柱子的带构成。

光探测系统

图13示出了范例光探测系统1300的等距视图。系统1300包括设置于定子晶片1304与盖晶片1306之间的MEMS晶片1302。盖晶片1306以结合材料1308联接至MEMS晶片1304并且包括开口1310。结合材料1308能够是共熔焊料结合物、热结合物、阳极结合物、或使得能够耗散热和电流的胶。定子晶片1304包括电结合垫1300，电结合垫1300使得电流和电子信号能够发送至系统1300和从系统1300发送。结合垫1312能够替代地设置在MEMS晶片1302上，由此减小定子晶片1304的大小。以下参照图15描述MEMS晶片1302与定子晶片1304之间的连接区域1314。晶片1302、1304、以及1306能够由Si或另外的适合的半导体构成。替代地，MEMS晶片1304能够由玻璃或另外的适合的绝缘材料构成。

图14示出了对于MEMS晶片1302的范例配置的顶平面视图。晶片1302包括由框架1404围绕的能够移动的元件1402。在图14的范例中，能够移动的元件1402经由四个弯曲部1406连接至框架1404并包括开口1408。MEMS晶片1302能够由单个晶片形成，该单个晶片的材料被去除以在能够移动的元件1402与框架1404之间形成开口1408和开放空间1410。MEMS晶片1302不限于具有四个弯曲部1406。弯曲部的数量能够在从少至二至大于四的范围中。弯曲部1406也能够设置在沿能够移动的元件1402的边缘的任何地方。弯曲部1406将能够移动的元件1402悬挂于盖晶片1306与定子晶片1304之间并且容许能够移动的元件1402相对于框架1404移动。

图15A示出了光探测系统1300沿图13和14中示出的线III-III的横截面视图。图15A示出了悬挂于盖晶片1306与定子晶片1304之间的能够移动的元件1402并揭示了标识于图13中的连接区域1314的结构。区域1314包括由诸如SiO₂和Al₂O₃的介电材料构成的离岸体（standoff）1502和1504，离岸体设定MEMS晶片1302与定子晶片1304之间的间隙距离。区域1314还包括MEMS晶片1302与定子晶片1304之间的电连接1506和1508。例如，电连接1506包括安置于结合垫1512与1514之间的导电共熔焊料结合物1510，结合垫1512与1514分别设置在晶片1302与1304上。图15A示出了也设定MEMS晶片1302与盖晶片1306之间的间隙距离的结合材料1308。换句话说，框架1404联接至晶片1304和1306。图15A也揭示了定子晶片1304中的开口和安置在MEMS晶片1302与定子晶片1304之间的能够移动的元件1402上的手性光学元件1518的横截面视图。元件1518的SWG1520覆盖开口1408。晶片1306、1302、以及1304中的开口1310、1408、以及1516对准以容许光通过光探测系统1300并与SWG1520相互作用。

图15B-15C示出了光探测系统1300的沿图13和14中示出的线IV-IV、V-V、以及VI-VI的横截面视图，以揭示用于金属信号线互连部的和用于探测能够移动的元件1402相对于框架1404的固定位置的位置的变化的传感器的可能位置。图15B中，金属线1522用于建立与设置在能够移动的元件1402上的感测电极的接触。在图15C中，传感器由安置于能够移动的元件1402上的第一组电极1528和安置于定子晶片1304上的第二组电极1530构成。

图16示出了操作中的光探测系统1300的范例。图16包括以上参照图15A描述的沿线III-III的横截面视图。待探测的厄密-高斯光束穿过盖晶片1306中的开口1310和MEMS晶片1302中的开口1408进入系统1300。SWG1520如以上在先前分部中描述地配置，以在光通过SWG1520时将轨道角动量赋予光。光从SWG1502出现并作为具有至少一个螺旋波前的拉盖尔-高斯光束通过开口1516。方向箭头1602和1604描绘光束与SWG1520相互作用之前和之后光束的方向，并描绘随束通过SWG1520，束的路径如何未变化。随光通过SWG1520，光子对能够移动的元件1402施加扭矩。随着时间持续期间t的光子通过SWG1520，光子对SWG1520施加由下式给出的瞬时扭矩：

瞬时扭矩也能够由下式描绘：

$\mathrm{\&tau;}\left(t\right)=\frac{\mathrm{lp}\left(t\right)}{\mathrm{\&omega;}}$

其中，ω为角频率，且P(t)是光的瞬时功率。在图16中，MEMS晶片1302的顶平面视图揭示了施加于SWG1520上的扭矩使得能够移动的元件1402相对于框架1404的固定位置旋转。图16也揭示了在MEMS晶片1302的平面中旋转以在传感器电极的交叠区中产生对应变化的能够移动的元件1402的横截面视图。传感器的电容的能够探测的变化能够用于探测通过光探测系统1300的光。电容与电容器面积与间隙距离之间的比成比例（即，电容∝面积/间隙），该间隙距离是MEMS晶片1302上的电极与设置在定子晶片1304上的电极之间的间隙距离。取决于传感器的配置，能够移动的元件1402的旋转使传感器的有效面积或间隙变化，使得电容变化。能够经由模拟电路探测电容的此变化。在图16的范例中，因为能够移动的元件1402在通过SWG1520的光的影响下旋转，所以传感器处电容的变化归因于电容器的面积的变化。

移动元件的最大静态移位由下式给出：

$x_{\mathrm{DC}}=\frac{2\mathrm{\&tau;}}{k^{\&prime;}a}$

其中k'是旋转时弯曲部1406的硬度或弹簧常数，且a是能够移动的元件1402的边的长度。参数x_DC是能够移动的元件1402的边缘的随元件1402旋转时的线性移位。移动元件的共振频率由下式给出：

${\mathrm{\&Omega;}}_{\mathrm{res}}=\sqrt{\frac{{3k}^{\&prime;}}{2m}}$

其中m是能够移动的元件1402和手性光学元件1518的组合质量。

表1提供对于三个范例感测系统中能够移动的元件1402的移位的和对于与被配置为赋予光学螺旋性l=1的MEMS晶片和SWG关联的各种参数的计算的值：

也能够使用高频载波信号和锁相环探测器来对载波信号进行解调并恢复能够移动的元件1402的移位。此技术提供比电容变化的DC测量结果高的分辨率并且使用2mm×2mm的能够移动的元件1402能够分辨至大约10^-14m。

替代地，光探测系统能够具有两个MEMS晶片，该两个MEMS晶片具有相反手性的两个手性光学元件以将空间分布恢复至透射通过光探测系统的束。两个手性光学元件能够创建差异旋转，能够测量该差异旋转以提高光探测系统的灵敏度2倍。图17示出了具有两个MEMS晶片和关联的手性光学元件的范例光探测系统1700的横截面视图。除第二MEMS晶片1702和两个组件区域1704和1705安置于盖晶片1306与MEMS晶片1302之间外，系统1700类似于系统1300。MEMS晶片1702类似于MEMS晶片1302并在悬挂的能够移动的元件1706中包括开口1708。开口1708与分别在晶片1306、1402、以及1304中的开口1310、1408、以及1516对准。MEMS晶片1702也包括联接至能够移动的元件1706的一侧的手性光学元件1710。光学元件1710包括SWG1712，SWG1712覆盖开口1708并且被配置有与SWG1520相反的手性。SWG1712和1520组合输出具有恢复的空间分布的束。传感器能够设置于MEMS晶片1702上和如以上参照图15B-15D描述的盖晶片1306上，以探测能够移动的元件1706的变化。例如，假定SWG1712被配置为输出l＝＋1的拉盖尔-高斯束且SWG1520被配置为输出l＝－1的拉盖尔-高斯束。假定具有HG_mn横向分布的厄密-高斯光束输入至开口1310。SWG1712输出l＝＋1的拉盖尔-高斯束且SWG1520施加l＝－1的相反手性。结果，通过定子晶片1304中的开口1512输出的光束是具有HG_mn横向分布的厄密-高斯束。能够移动的元件1402和1706以相反方向旋转。需要注意，光探测系统1700不消灭光束或使光速的传播方向变化。

光探测系统不限于如以上参照图15和17所述地将传感器设置于能够移动的元件与定子晶片或盖晶片之间。替代地，传感器能够设置于能够移动的元件与框架之间的MEMM晶片内。图18A-18B示出了传感器设置在能够移动的元件与框架之间的开口内的两个范例MEMS晶片的顶平面视图。图18A中，传感器由设置于能够移动的元件1802与框架1804之间的每一个开口中的相对面对的电极构成。在此配置中，电容器的间隙响应于能够移动的元件1802的运动而变化。在图18B中，传感器由设置于能够移动的元件1806与框架1808之间的每一个开口中的缠绕的手指状突出电极构成。在此配置中，电容器的面积和间隙响应于能够移动的元件1806的运动而变化。

为解释目的，前述描述使用特定术语来提供对本公开内容的透彻的理解。然而，本领域技术人员将明白，为了实施于此描述的系统和方法，特定细节不是必需的。介绍特定范例的前述描述是为了示例和描述。它们不意图穷尽或限制此公开内容于描述的精确形式。明显地，基于以上教导，许多更改和变形是可能的。示出并描述了范例，以最好地解释此公开内容内容和实际应用的原理，由此使得本领域技术人员能够最好地利用此公开内容和具有各种更改的各种范例，各种更改适合于设想的具体使用。意图使此公开内容的范围由以下权利要求及其等同物限定。

Claims (15)

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

$t<\frac{\mathrm{\&lambda;}}{(n_{\mathrm{SWG}}-n_s)},$

其中，t为所述光栅的所述厚度，λ为光的波长，并且n_s和n_SWG分别为在波长λ处所述基底的折射率和所述光栅的有效折射率。

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元件，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。

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