Nano Lett. | 上海理工顾敏院士团队：消色差的CMOS集成轨道角动量探测器
撰稿|课题组供稿
导读
近日，上海理工大学智能科技学院顾敏、方心远课题组提出了一种与互补金属氧化物半导体（CMOS）集成的用于3波长、4-bit叠加态轨道角动量的消色差探测技术。利用全息空间复用机制，通过一张纯相位全息图即可将不同波长下的叠加态轨道角动量分布到同一探测平面的不同空间位置上，并通过双光子激光打印技术，制备了与CMOS集成的超紧凑消色差叠加态轨道角动量探测器。该方法展示了一种用于大容量信息处理的微型化平台。相关成果以“Achromatic CMOS-Integrated Four-Bit Orbital Angular Momentum Mode Detector at Three Wavelengths”为题，在线发表于Nano Letters上（DOI: 10.1021/acs.nanolett.4c02063）。上海理工大学智能科技学院助理研究员李保莉博士、胡晓楠同学为论文的第一作者，方心远研究员为通讯作者，顾敏院士对该工作提供了重要意见。
研究背景
利用光的正交物理维度进行光学复用，以并行方式处理信息有望满足不断增长的高容量光器件需求。近年来，轨道角动量（OAM）由于无穷正交特性成为一种新的光学自由度用来大幅度增加光学信息容量，开创了高安全性加密全息、光寻址三维显示、高容量光通信、六维光存储等突破性概念。为了进一步增加实际应用中的信息通道数，利用紧凑型设备实现OAM和其他物理维度的协同控制引起了研究人员的关注。虽然研究人员近期提出涡旋微梳概念，能够在每个梳线上产生不同的OAM状态，但在不同频域上实现叠加OAM状态的解耦探测仍然是一个很大的挑战。
在实际的OAM复用应用中，研究人员已经提出了各种用于高效模式转换的衍射光学元件（DOE）用于OAM模式的检测。然而，由于衍射过程中的色散，目前还未能够利用紧凑型设备实现不同波长下叠加OAM态的同时检测。具体地说，在模式转换中，傅里叶变换所需的透镜相位在特定波长下对应不同的傅里叶平面，因此不同波长的OAM状态不能在相同的传播距离下实现解码，开发用于多波长叠加OAM模式同时检测的CMOS集成衍射光学元件仍然存在重大障碍。
为适应微型化光学系统的发展需求，研究人员近期已基于超透镜实现色散控制。然而，复杂的制造工艺和入射偏振的特殊要求限制了超表面的实际应用范围。3D双光子纳米打印被证明可用于色散控制，解锁的高度自由度使不同波长通道下的偏振不敏感消色差成像和聚焦成为可能。
研究亮点
为了解决对叠加态OAM探测消色差和集成化的需求，研究人员结合全息空间复用和激光打印技术制备了CMOS集成的多波长OAM消色差探测器，可以将三个不同波长的OAM叠加态能量分布到同一平面上。概念说明如图1所示。首先，利用空间复用机制设计了消色差OAM模式解码器，包括用于模式转换的相位图和用于实现不同波长傅里叶变换的透镜(左插图)。入射光束中组成OAM分量的加权系数可以通过每个波长通道中的高斯点的强度来揭示(右插图)。随后，利用3D双光子激光打印进行相位分布的光学数字化，在CMOS上集成后，可以同时检测不同波长通道的叠加OAM模式。
图1 超紧凑CMOS集成的多波长OAM消色差探测器的概念说明。
为了获得特定波长下的OAM模式信息，首先设计了一种纯相位图，通过模式转换将OAM分量分布在傅里叶平面上的不同预设位置（图2）。经过相同像素数的随机采样后，将三个波长下的离散相位图进行空间复用，以获得最终的消色差OAM模式解码器(图3)。
图2 特定波长下OAM解码器相位设计。
图3 消色差OAM模式解码器的设计原理。
为了验证消色差OAM模式解码器的工作性能，利用双光子激光加工制备出样品后利用图4所示的光路记录了各个波长下（633、532、 488 nm）不同传播距离对应的的衍射图案。不失一般性，选择不同波长下具有单一OAM模式状态(l =−1)的光束分别照射样品。在焦平面(焦距为1mm) 的预设位置可以看到高斯斑，表明入射光束中存在目标OAM模式。为实验证明消色差OAM检测，实验中将样品沿光传播方向移动，三个波长下不同传播距离对应的的衍射图案如图5所示。通过对衍射图案中高斯光斑归一化最大强度的定量分析，可以发现三个不同波长的焦平面重叠，这与理论消色差设计一致。
图4 消色差OAM模式探测器的特性表征光路。
图5 消色差OAM模式探测器的表征结果。
纳米打印的消色差OAM模式探测器具有短焦距和微尺寸的特点，具有很好的芯片集成前景。实验中将消色差OAM模式探测器直接安装在CMOS图像传感器上，通过采用适当厚度的纳米胶带控制OAM模式探测器的成像距离（图6a）。为了表征该集成器件的光学性能，由四种OAM模式状态{l =−5，−1，3，7}组成的三束不同波长下的单色光分别照射在探测器上，CMOS相机记录的光强分布如图6b所示。其中，每个波长通道下预设位置处四个高斯点说明叠加OAM模态的存在。通过高斯点的强度可以进一步分析各组成OAM分量的权重系数。为了定量分析OAM检测的准确率，研究人员采用标准欧氏距离来评价分析结果与目标预设结果的相似度。对全部48种4-bit OAM叠加态的标准欧氏距离进行分析（图6c），所有标准欧氏距离数值集中在0.75-0.8，证明了CMOS集成的消色差OAM模式检测器的优越性能。
图6 CMOS集成的4-bit OAM消色差模式探测器的性能表征。
总结与展望
研究人员利用全息空间复用与激光打印的结合制备了CMOS集成的三波长OAM消色差探测器。一方面，该方法可以拓展至更多波长通道，本文也进一步讨论了本方法在连续波长OAM探测中的性能，为未来大容量波分复用OAM光通讯提供了解码器件。另一方面，通过引入偏振敏感的超表面器件，其他物理维度(如偏振)的协同检测也可以进一步被实现。
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