超表面耦合器及其设计方法、多通道导波辐射波前调控方法

本发明属于微纳光学，具体涉及一种超表面耦合器、超表面耦合器的设计方法，以及基于超表面耦合器的多通道导波辐射波前调控方法。

背景技术：

1、波导技术是实现高性能、集成化、小型化光电器件，并用于光探测和测距(lidar)、增强现实(ar)/虚拟现实(vr)显示、光通信和互联等应用最具潜力的方法之一。其中，利用耦合器将波导模式转化为空间光模式并对波前灵活操控是波导技术关键核心之一。传统的耦合器主要基于光栅结构，体积庞大，不易集成，有高阶衍射损耗，并且无法对辐射的导波(也即导波光)波前进行任意调控。

2、超表面是一种新近出现的人工设计的电磁表面，由亚波长光学天线组成。能够对电磁波的相位、振幅和偏振等自由度进行灵活操纵，展现出前所未有的调控能力，为波前整形、超构透镜成像、全息显示等各种应用场景提供了强大的平台。传统的超表面主要用于控制光在自由空间中传播的波前，由于入射光仍是空间光，所以并不能实现真正意义的小型化和集成化。为此超表面也开始逐渐被引入集成光子学领域，先后利用其实现了片上光的耦合、模式转换、频率转换，以及调控导波辐射波前等。

3、目前，利用超表面调控导波辐射波前的设计主要依赖于两类原理，即通过改变均匀排列的纳米天线的大小(共振型超表面)或者旋转角度(几何型超表面)来局域调控电磁波。然而，共振型超表面依赖于复杂的多参数优化，给设计加工带来挑战；而几何型超表面虽然结构简单且具有鲁棒性，但受自旋耦合效应的限制，难以实现多功能复用。因此，利用新型超表面耦合器，对导波辐射波前进行多通道、多功能调控，并降低设计和加工复杂度，将具有重要意义。

技术实现思路

1、针对现有方案的不足，本发明提出一种超表面耦合器、超表面耦合器的设计方法，以及基于超表面耦合器的多通道导波辐射波前调控方法。本发明通过引入超表面耦合器，利用倏逝场耦合和纳米天线辐射，基于导波传播相位和超表面几何相位联合编码，对导波辐射光进行多通道、多功能地灵活调控，降低了设计和加工复杂度，在片上集成的光学相控阵、ar/vr全息显示、光通信互联等领域有着好的应用前景。

2、本发明的第一方面公开一种超表面耦合器，其主要包括波导结构及形成于波导结构上的纳米天线层；所述纳米天线层具有若干非均匀排列、相同尺寸的各向异性纳米天线，所述纳米天线为长l、宽w、高h均为亚波长尺寸的长方体结构；所述长方体结构的长边、短边分别为纳米天线的长轴、短轴，所述长轴、短轴平行于波导结构，所述纳米天线的长轴与波导结构上预先建立的平面直角坐标系中x轴的夹角θ为纳米天线的转角；所述纳米天线的位置坐标(x,y)和转角θ被构造为：根据目标调控波前的相位分布需求，通过导波传播相位和超表面几何相位联合编码求解得到；所述目标调控波前的相位分布φ(x,y)＝φpp(x,y)+φpb(x,y)，其中，φpp(x,y)表示导波传播相位，φpb(x,y)表示超表面几何相位。

3、可选的，所述纳米天线的材料为铌酸锂、硅、氮化硅、二氧化钛、氮化镓中的任意一种。

4、可选的，所述波导结构包括介质衬底层和介质波导层，所述介质波导层位于介质衬底层和纳米天线层之间；所述介质波导层的折射率大于介质衬底层；所述介质波导层的厚度需满足使波导结构至少能容纳te0波导模式。

5、可选的，所述介质波导层的材料为铌酸锂、硅、氮化硅、磷化铟、砷化镓中的任意一种。

6、可选的，所述纳米天线层的折射率大于等于介质波导层的折射率。

7、可选的，所述目标调控波前为双通道偏振解复用聚焦波前时，所述纳米天线在x方向上非均匀排布，y方向保持周期为py，所述py为亚波长尺寸；

8、对于沿x方向传播、波长为λ、传播常数为β的导波光，基于所述双通道偏振解复用聚焦波前的相位矩阵分布，纳米天线对应的位置信息x和转角信息θ满足公式(1)的要求：

9、

10、式中，φ1为通道1的相位分布，其对应的偏振态为lcp，φ2为通道2的相位分布，其对应的偏振态为rcp。

11、可选的，所述目标调控波前为双通道波分复用聚焦波前时，所述纳米天线在x方向上为非均匀排布纳米天线，y方向保持周期为py，所述py为亚波长尺寸；

12、对于沿x方向传播、波长分别为λ1和λ2、传播常数分别为β1和β2的两束导波光，基于所述双通道波分复用聚焦波前的相位矩阵分布，纳米天线对应的位置信息x和转角信息θ满足公式(2)的要求：

13、

14、式中，φ1为λ1波前的相位分布，φ2为λ2波前的相位分布。

15、可选的，所述目标调控波前为三通道复用全息波前时，所述纳米天线在x和y方向上均为非均匀排布；

16、对于沿x方向传播、波长分别为λ1和λ2、传播常数分别为β1和β2的两束导波光，以及沿y方向传输、波长为λ3、传播常数为β3的导波光，

17、基于所述三通道复用全息波前的相位矩阵分布，纳米天线对应的位置信息(x,y)和转角信息θ满足公式(3)的要求：

18、

19、式中，φ1、φ2和φ3分别为三个通道全息图的还原相位。

20、本发明的第二方面公开一种基于第一方面及其可选方案所述的超表面耦合器的多通道导波辐射波前调控方法，其包括以下步骤：

21、将工作波长下选定模式的导波光照射所述超表面耦合器的纳米天线层，纳米天线通过倏逝场耦合将导波光辐射至自由空间，从而得到多通道复用的目标导波辐射波前。

22、本发明的第三方面公开一种超表面耦合器的设计方法，其特征在于，用于制备第一方面及其可选方案所述的超表面耦合器，包括以下步骤：

23、设计波导结构的相关参数，所述参数包括介质波导层中介质衬底层和介质波导层的材料及厚度；

24、基于所述波导结构的相关参数、选定的工作波长、波导模式设计纳米天线层的相关参数，所述参数包括纳米天线的材料，纳米天线的长度l、宽度w和高度h；

25、获取目标调控波前所需的波前相位分布φ(x,y)；

26、基于所述波前相位分布φ(x,y)，通过导波传播相位和超表面几何相位联合编码求解纳米天线层中各纳米天线的位置坐标(x,y)和转角θ；

27、根据所述纳米天线层的相关参数，以及纳米天线的位置坐标(x,y)和转角θ生成纳米天线的加工文件，由此完成超表面耦合器的设计；

28、所述波前相位分布φ(x,y)＝φpp(x,y)+φpb(x,y)中：

29、对于沿x方向传播的传播常数为β的导波光，φpp(x,y)＝βx；对于沿y方向传播的传播常数为β的导波光，φpp(x,y)＝βy；

30、对于由导波光辐射出的线偏振(lp)模式，φpb(x,y)＝0；对于由导波光右旋圆偏振分量辐射转化的左旋圆偏振模式，φpb(x,y)＝2θ；对于由导波光左旋圆偏振分量辐射转化的右旋圆偏振模式，φpb(x,y)＝-2θ。

31、可选的，通过正向设计实现，即在确定波导结构的相关参数、选定的工作波长、波导模式的基础上，利用电磁仿真软件优化选定纳米天线的长度l、宽度w和高度h，使纳米天线以预设效率将导波光耦合并辐射至自由空间。

32、可选的，所述目标调控波前包括聚焦波前、全息波前、涡旋波前；对于聚焦波前、涡旋波前的相位分布，利用解析计算得到；对于全息波前的相位分布，利用gerchberg-saxton算法计算得到。

33、本发明至少具有以下有益效果：

34、(1)本发明所公开的超表面耦合器，利用倏逝场耦合和纳米天线辐射，能够将导波辐射至自由空间，并塑造成任意的波前，比如聚焦、全息、涡旋波前等。

35、(2)本发明基于超表面耦合器调控波前时，通过将超表面几何相位和导波传播相位结合，利用纳米结构的位置坐标和转角3个自由度，能够编码3个相位自由度，实现片上集成的多通道、多功能复用波前调控。并且，由于不同通道可以产生不同的波前，携带有不同的信息，因此本发明可以拓展信息复用的容量，且不同通道之间串扰小，可广泛用于片上集成的光学相控阵、ar/vr全息显示等领域，也可用于片上集成的信息加密等领域。

36、(3)本发明对于目标调控波前为三通道复用全息波前，工作波长为同一波长时，对应超表面耦合器的各个复用通道之间的串扰会更小，信噪比会更高，可以更好的应用于光学成像、显示以及信息加密等。

37、(4)本发明所公开的超表面耦合器采用的纳米天线结构简单，且鲁棒性高，大大降低了设计和加工复杂度。

38、(5)本发明所公开的超表面耦合器采用的纳米天线结构尺寸在亚波长量级，体积小且集成化，辐射导波时无高阶衍射且损耗低，适应于高效率、小型化、集成化的光子集成器件发展。

技术特征：

1.一种超表面耦合器，其特征在于：包括波导结构及形成于波导结构上的纳米天线层；所述纳米天线层具有若干非均匀排列、相同尺寸的各向异性纳米天线，所述纳米天线为长l、宽w、高h均为亚波长尺寸的长方体结构；

2.如权利要求1所述的超表面耦合器，其特征在于：所述纳米天线的材料为铌酸锂、硅、氮化硅、二氧化钛、氮化镓中的任意一种。

3.如权利要求1所述的超表面耦合器，其特征在于：所述波导结构包括介质衬底层和介质波导层，所述介质波导层位于介质衬底层和纳米天线层之间；所述介质波导层的折射率大于介质衬底层；所述介质波导层的厚度需满足使波导结构至少能容纳te0波导模式。

4.如权利要求3所述的超表面耦合器，其特征在于：所述介质波导层的材料为铌酸锂、硅、氮化硅、磷化铟、砷化镓中的任意一种。

5.如权利要求3所述的超表面耦合器，其特征在于：所述纳米天线层的折射率大于等于介质波导层的折射率。

6.如权利要求1至5任意一项所述的超表面耦合器，其特征在于：所述目标调控波前为双通道偏振解复用聚焦波前时，所述纳米天线在x方向上非均匀排布，y方向保持周期为py，所述py为亚波长尺寸；

7.一种基于如权利要求1至6任意一项所述的超表面耦合器的多通道导波辐射波前调控方法，其特征在于，包括以下步骤：

8.一种超表面耦合器的设计方法，其特征在于，用于制备如权利要求1至6任意一项所述的超表面耦合器，包括以下步骤：

9.如权利要求8所述的设计方法，其特征在于：通过正向设计实现，即在确定波导结构的相关参数、选定的工作波长、波导模式的基础上，利用电磁仿真软件优化选定纳米天线的长度l、宽度w和高度h，使纳米天线以预设效率将导波光耦合并辐射至自由空间。

10.如权利要求8所述的设计方法，其特征在于：所述目标调控波前包括聚焦波前、全息波前、涡旋波前；对于聚焦波前、涡旋波前的相位分布，利用解析计算得到；对于全息波前的相位分布，利用gerchberg-saxton算法计算得到。

技术总结
本发明公开一种超表面耦合器，包括波导结构及形成于波导结构上的纳米天线层；所述纳米天线层具有若干非均匀排列、相同尺寸的各向异性纳米天线，所述纳米天线的长轴与波导结构上预先建立的平面直角坐标系中x轴的夹角θ为纳米天线的转角；所述纳米天线的位置坐标(x,y)和转角θ被构造为：根据目标调控波前的相位分布需求，通过导波传播相位和超表面几何相位联合编码求解得到。进一步，本发明还公开超表面耦合器的设计方法及多通道导波辐射波前调控方法。本发明通过引入超表面耦合器，利用倏逝场耦合和纳米天线辐射，基于导波传播相位和超表面几何相位联合编码，对导波辐射光进行多通道、多功能地灵活调控，降低了设计和加工复杂度。

技术研发人员：方彬,李延涛,束方洲,沈常宇
受保护的技术使用者：中国计量大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23