法国里维埃拉大学、中国科学技术大学、北京工业大学研究人员对利用片上集成琼斯矩阵超表面实现完全相位调制垂直腔面发射激光器的自旋解耦的研究以“Spin-decoupling of vertical cavity surface-emitting lasers with complete phase modulation using on-chip integrated 琼斯matrix metasurfaces”为题发表在《Nature Communications》。

介电超表面是由人工设计的二维(2D)阵列无损光学谐振器组成的界面，在自旋极化波前工程中提供了灵活性和选择性。这种新型平面光学器件能够高效地控制光的振幅、相位和偏振态，并具有出色的亚波长空间分辨率，为各种超紧凑光学元件的光学设计增添了一种新的范式，包括具有大数值孔径的超构透镜、波板、偏振器和全息图等。超表面偏振光学的最新进展，也被称为琼斯矩阵超表面，证明了相位、振幅和偏振态的空间分布的显著可控性，包括在奇点附近的唯一圆偏振调制。与以往的超表面设计不同，琼斯矩阵超表面通过将几何相位(也称为Pancharatnam-Berry (PB)相位)与传播相位、谐振相位或奇异相位相结合，可以独立地定制任意正交偏振对上的相位轮廓，打破仅使用几何相位的相位共轭限制，从而实现具有双重功能的多功能多路复用超表面。然而，到目前为止，超表面主要被用作自由空间应用的独立器件，为此需要外部光源和刻意的照射对准。超表面与光子器件集成的显著优势在于其独特的特性，如平面结构、超紧凑、与互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺的兼容性以及轻量化，已受到高度重视，并在众多平台上引发了集成元器件的新浪潮，包括光纤、波导、半导体光源和CMOS芯片等。值得注意的是，通过进一步探索琼斯矩阵超表面的设计方法，可以大大扩展超表面的片上光电集成领域，以实现自旋去耦半导体激光器的晶圆级分选和波前整形。

相对于边缘发射激光器，垂直腔面发射激光器(VCSELs)具有阈值电流小、光束轮廓圆、调制速度高、二维阵列规模大等独特特点，是自旋光电应用的首选。此外，VCSEL的短腔长(通常小于100 nm)有利于自旋极化光子的逸出，重吸收更少，有利于利用光学偏振元件接近自旋极化光子。然而，传统的偏振光学通常笨重，需要精确的对准过程进行集成，这就丧失了VCSEL闻名的紧凑优势。相比之下，偏振超表面光学不仅具有超紧凑、轻量化和相对高效率的优点，而且还提供了一种同时控制偏振态和相位分布的强大工具，符合光学系统小型化的趋势。尽管自旋解耦极化超表面已广泛应用于自由空间，但迄今尚未探索其与VCSEL的集成。

研究人员提出了对琼斯矩阵超表面进行调制，以实现VCSEL发射的光学自旋解耦。除了能够在片上解耦激光束的圆偏振(CP)状态外，研究人员的目标还包括任意调制每个自旋分量的相位分布，包括双通道全息图像投影，具有偏振依赖性的多准直光束的定向生成。以自旋去耦CP束为基础，进一步论证了显式操纵VCSELs偏振态的可行性。分别生成了具有径向和方位偏振的矢量光束。本研究充分结合超表面偏振光学的紧凑、多功能和偏振可控性等独特特性，为具有完全偏振自由度的半导体激光器片上光束结构提供了一种通用方案。它还证明了矢量超表面可以在超紧凑器件水平上读取和操纵自旋极化光子，从而突出了自旋光电应用的重要潜力。

图1:概念设计和集成原理。

为了实现具有任意相位轮廓的VCSEL发射的自旋解耦，研究人员通过直接绘制GaAs衬底背面的图形，将由双折射纳米鳍阵列组成的琼斯矩阵超表面集成在激光的底部发射面上，如图1a所示。如图1b所示，采用非常小的氧化物孔径(直径~3μm)来确保所制备的VCSEL的单模发射，这有助于简化超表面的设计，以解决入射光束良好定义的基本横模分布。在超表面的设计中，计算了在激光波长为978 nm的正入射下，元原子的复透射系数，如图1c所示。

为了验证将任意独立相位功能编码到VCSEL的每个自旋状态的能力，输出RCP和LCP组件的波前都被全息结构，以分别显示两个不同的远场图像(一个大学标志和字母“BJUT”)，如图2a的插入所示。在实验中，将全息琼斯矩阵超表面与VCSEL集成，基于Gerchberg-Saxton算法获取所需相位轮廓，将两幅不同的目标图像投影到距离设备Z = 1cm的白色屏幕上。图2a展示了集成超表面的明确形状和侧壁轮廓，证实了所开发的纳米制造工艺的高精度。在不使用任何偏振分析仪的情况下，可以同时观测到两幅设计的全息图像，如图2b所示。此外，由于共偏振光呈现不受控制的相位轮廓，在图像中心叠加了一个大光束光斑，从而表现为发散光束。共极化分量可以用偏光器滤除，从而完全揭示全息图案，如图2c所示。通过在光路中分别添加额外的偏光器和波板作为CP偏振滤光片，进一步确定了两幅全息图像的偏振态(SOPs)(图2d, e)，确定了用于自旋去耦全息显示的两个正交偏振CP通道的生成。

图2:自旋解耦全息VCSEL。

利用VCSEL自旋态的正交性，可以进一步对具有极化选择性的图像进行加密。为了这个目的，另一个全息VCSEL(称为“设备A”)被制造出来，它的CP组件被设计成沿着相同的方向传播，以混合它们的光束模式，然后用偏振器从远场图像中去除共偏振光。(图3a, b的上面板)，然后分别通过CP滤波获取单个全息信息，如图3c, d的上面板所示。为此，设计了两个新设备(称为“设备B”和“设备C”)，使设备B和设备C的RCP组件将显示相同的大学标志图像。但是研究人员为两个设备设计了不同的LCP组件的阶段。具体而言，设备B的LCP通道被设计为显示“BJUT”字母，而设备C的LCP通道则保持发散状态，以使该自旋状态不用于全息加密。此外，在设计中对编码后的全息图像进行了调整，使其在Z = 1 cm处的像平面中心区域被叠加，从而被强共偏振光的扩展光斑所阻挡，如图3a的中板和底板所示。如上所述，编码到圆形偏振的隐藏全息信息可以用偏振器显示出来(见图3b的中间和底部面板)。同样，使用CP滤波器可以选择性地隐藏携带全息图案的单个自旋态通道，如图3c, d的中间和底部面板所示。

图3:自旋去耦全息VCSEL不同光束轮廓的叠加，其中每个通道的偏振选择性可用于加密目的。

产生抗干扰多极化通道

研究人员证明，通过合理设计琼斯矩阵超表面，可以通过空间分离每个偏振通道的光路来产生抗干扰的多极化通道输出。研究人员证明了VCSELs的共极化也可以由相同的琼斯矩阵超表面调制成准直发射。请注意，准直共偏振光限制了它的角扩展，从而抑制了它与偏转的交叉偏振光在投影平面上的叠加，如图4a的插图所示。集成琼斯矩阵超表面的SEM图像如图4a所示。图4b、c分别显示了在不使用偏光器的情况下，VCSEL在传播方向(Z方向)和Z = 1 cm处的束流强度分布。结果表明，三束轮廓相似的准直光束沿不同方向分离良好。为了确定生成光束的SOPs，分别使用额外的偏振片和波板分析Z = 1 cm距离处的远场发射模式(见图4d)。正如预期的那样，PB相位和传播相位的结合可以同时准直和分离VCSEL的交叉极化和共极化通道。

图4：抗干扰多极化通道的生成。

VCSEL偏振态的片上操纵

由集成琼斯矩阵超表面实现的完全去耦自旋态为在片上操纵VCSEL的任何极化态提供了新的途径，如图5a所示。，如图5b所示，分别对应于HOPS上的两个不同位置(径向和方位极化)。在实验中，观察了两种不同设计的VCSEL的甜甜圈形状强度分布(图5c, d中的第一列)。通过在VCSEL前放置偏振器，揭示了两束偏振谱的空间变化。连续旋转偏振器得到的图像形成了典型的花瓣状强度分布剖面，或平行于偏振器方向，或正交于偏振器方向(见图5c, d)。

图5:VCSEL偏振态的片上操纵。

琼斯矩阵超表面可以对任意正交偏振态对任意独立相位函数进行控制，为超表面设计的工具箱增加了一个强大的工具。利用这一概念，大量的双功能超表面已经被证明，重点是通过控制自由空间中入射光的SOP来实现超表面的多功能。此外，这种依赖于偏振的相位响应可用于对不同SOPs的光进行分类，例如，在光电探测器阵列的组合中作为分离的偏振光计。关于这些自由空间应用，研究人员想强调的是，琼斯矩阵超表面优越的CMOS兼容性可以在片上集成应用中优于传统的偏振光学，具有巨大的潜力来升级具有自旋去耦特性的传统半导体光电器件。

通过将琼斯矩阵超表面与商用VCSEL进行单片集成，本研究提出并证明了VCSEL的光学自旋状态可以通过完全相位调制以超紧凑的片上方式解耦。为了证明这一概念，设计并提出了具有多种功能的自旋解耦VCSEL，包括手性选择双通道全息显示，以及具有偏振依赖的多准直光束定向生成。此外，研究人员还证明了使用自旋去耦CP束作为基础，任何任意偏振态都可以从VCSELs中显式生成。作为实例，通过将自旋解耦的光束分量与设计的相位关系进行合理叠加，得到了具有径向和方位偏振的矢量光束。因此，研究人员的发现可以作为VCSEL波前结构的一种广义方案，它在振幅、相位和偏振状态上具有完整的可控性。

文章来源：

www.nature.com/articles/s41467-022-34977-0