一种具有分束功能的片上超表面的设计方法

本发明涉及一种具有分束功能的片上超表面的设计方法，属于微纳光学、衍射光学和光场调控应用。

背景技术：

1、在光通信，光计算或者图像处理过程中，常常需要将一个输入信号转变为多个信号以便进行各种操作，光分束器可以实现这一过程。达曼光栅是一种常用的光分束器，通过精心设计每个光栅周期内的相位分布，在单位振幅平面波照射下可以在远场频谱面上得到有一定分束数且等强度的光束分布。

2、超表面可以视为二维化的超材料，它通常由亚波长周期的金属或者介质纳米天线阵列组成。通过精心设计纳米天线的参数，其可以表现出奇特的电磁学性质，从而对电磁波的振幅、相位、偏振态、波长等物理量进行灵活的调控。超表面强大的调控能力，使得它在各个方面取得了广泛的突破。近些年来研究人员将超表面应用于多个场合包括超透镜，全息成像，量子信息，光学加密，辅助通信等，并且取得了一系列成果。

3、以往关于超表面的研究主要集中于空间超表面对于在自由空间中传播的光的物理性质的调控和功能应用。随着超高速低能耗运算的发展，片上集成全光信号处理芯片有可能会成为除了传统的电子芯片之外的新选择，而光芯片的构建离不开相关片上光信号调控器件的设计。除了传统的波导型光子器件外，片上超表面将空间超表面的概念应用于片上光子器件设计，从亚波长尺度研究光场与物质的作用，为片上光场调控提供了新的方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种具有分束功能的片上超表面的设计方法，通过设计片上超表面狭缝波导的长度实现对超表面相位分布的调控，从而实现对于单一入射光束，将其分束为等强度阵列。该装置有望应用于片上光通信，光计算，图像处理等领域。

2、本发明目的是通过下述技术方案实现的。

3、本发明公开的一种具有分束功能的片上超表面的设计方法，所述用于实现片上分束的片上超表面由具有不同长度的狭缝波导阵列构成。通过相关软件计算不同尺寸的狭缝波导所对应的相位分布，从而使得选定的狭缝波导参数能够实现0～2π的相位调制。利用模拟退火算法，计算每个光栅周期内相位分布，结合对应的透镜相位因子，将两者相位相互叠加，实现焦平面上的等强度分束。在对应位置设计输入输出光栅以及波导，可以实现光信号的片外输入与读出。采用电子束刻蚀与化学气相沉积的方法，可以完成基于片上超表面的分束器件的加工。该器件能够将一束经过片上超表面的光，在器件的焦平面处，等强度地分为若干束。

4、步骤一：选取不同尺寸狭缝波导；

5、用于实现片上分束功能的片上超表面由狭缝波导阵列构成。每个狭缝波导可以作为一个小的调制单元，一维狭缝波导阵列构成的片上超表面能够实现对于片上二维空间光场调控；一个片上一维狭缝波导阵列其对于入射光波的调制作用可以表示为：

6、eout(x)＝ein(x)t(x)exp(iφ(x))                     (1)

7、式子中eout,ein,分别是调制后的光场与调制前的光场，t是振幅，φ是该结构的相位，i是虚数单位；x是狭缝波导的位置。一维超表面可实现对于片上二维空间光场调控。

8、在狭缝波导的周期与刻蚀深度固定的情况下，利用相关仿真软件对狭缝波导的长轴长度l和短轴长度w进行了二维扫描，得到不同尺寸(长和宽)狭缝波导所对应的振幅t和相位φ。仿真时应对入射光波长，狭缝波导材料，以及周期进行合理选择。使得在扫描范围内，振幅能够尽可能接近于1且相位φ能够覆盖0～2π。

9、步骤一所述仿真软件采用基于严格耦合波分析方法的rcwa、基于时域有限差分方法的fdtd或基于有限元方法的comsol。

10、步骤二：进行光栅相位的设计。

11、入射光波为单位振幅的平面波，分束数为(2n+1)时，光栅的目标衍射级次强度为p0＝p±1＝p±2…＝p±n＝1/(2n+1)；当分束数为偶数的时候，光栅的目标衍射级次强度为p±1＝p±3…＝p±(2n-1)＝1/(2n)，仅把能量聚焦于奇数衍射级次。分束数为偶数时，光栅的后半周期相位为前半周期相位的π反转。其中n为任意非0整数，pn表示对应衍射级次的强度。

12、由此，光栅优化的评价函数为：

13、e2＝α∑m(p(m)-pept(m))2+(1-α)(1-pe)2                 (2)

14、pe＝∑mp(m)                             (3)

15、式中e2为光栅评价函数，其值越小说明光栅优化结果越好。α是补偿系数，式(2)的第一项衡量优化后衍射级次强度与目标衍射级次强度的偏差，第二项衡量总体的衍射效率，因此通过调整其值从0～1变化，可改变衍射效率与不同级次衍射强度均匀度的权重。p(m)表示仿真的m级衍射级次的强度。pt(m)表示理想的衍射级次强度。m表示我们所需的衍射级次，对于奇偶分束数的取值有所不同。pe表示仿真的所需衍射级次强度之和，即衍射效率。不同衍射级次强度与光栅相位分布可以由下式计算得到：

16、以纯相位调制的超表面为例，把一个光栅周期归一化为1，其中有l个超表面单元分别提供独立的相位调制，超表面单元l的相位为φl，则：

17、φ(x)＝φl                                 (4)

18、此时

19、

20、在单位振幅的平面波照射的情况下，各个衍射级次m的频谱am，可以由超表面调制函数的傅里叶变换得到：

21、

22、各个衍射级次的强度为：

23、pm＝|am|2                                 (6)

24、对优化后光栅，使用均匀度函数和衍射效率评价光栅。

25、均匀度函数：

26、

27、此处pm表示所需的衍射级次强度，均匀度函数越小，说明生成的衍射级次强度越均匀。

28、衍射效率：即pe,衍射效率越高，说明越多能量分配到所需的衍射级次上。

29、式(2)为综合考虑式(3)(7)所构建的评价函数。

30、步骤二所述的这一部分的光栅相位在实施例中采用计算机使用模拟退火算法进行计算。

31、步骤三：进行透镜相位因子的设计与狭缝波导结构的选取；

32、在传统衍射光栅应用中，常常把衍射光栅放置在傅里叶变换透镜前，从而在透镜焦平面上取得等距离等强度分布的光束阵列。为了简化设计，此处设计一个一维透镜相位因子，如式(8)所示：

33、

34、式中λd为自由空间中波长，neff为片上有效折射率，f为焦距，y为超表面上点到超表面中心的距离。

35、最终的片上超表面提供的相位分布为透镜相位因子与光栅相位因子叠加。

36、φtotal＝φdammann_rep+φlens                             (9)

37、其中φdammann_rep表示若干周期的光栅，从而实现与透镜相位因子的数量匹配。然后根据生成的相位因子，选用对应的结构。

38、焦平面上每个衍射级次到焦平面中心的距离l可由式(10)计算，d为光栅周期，θ为衍射角，具体距离以fdtd仿真结果为准。

39、d sinθ＝mλd/neff,f sinθ＝l                        (10)

40、步骤三中的焦距，工作波长，透镜大小等均可自行设计。片上有效折射率可以通过相关仿真软件如基于时域有限差分方法的fdtd或基于有限元方法的comsol仿真得到，也可通过等效介质理论进行计算。

41、步骤四：设计一实验验证装置以验证器件性能；

42、实验验证装置包括激光器，偏振控制器，准直器,物镜，样品，变焦透镜系统，照明光源，近红外电荷耦合元件(ccd)相机,计算机，其中：

43、所述激光器用于输出对应波长的光信号，并通过光纤输出至偏振控制器；

44、所述偏振控制器用于调整激光的偏振方向，使出射光变为线偏振光，并通过光纤输入准直器；

45、所述准直器用于将光纤内传输的光转换为准直光(平行光)；

46、所述物镜共有两个，一个高倍物镜位于样品同侧，用于将准直光汇聚到样品表面的输入光栅处；另一个低倍物镜位于样品背侧，用于收集信号；

47、所述样品包括片上超表面，输入光栅，输出光栅与波导结构。输入光栅将照射在输入光栅处的光转移到波导中；输入光栅与片上超表面通过波导结构连接，波导结构将波导中的光从输入光栅引导至片上超表面；输出光栅与片上超表面焦平面上的对应位置通过波导结构链接，波导结构将对应位置的光场采样并引导到输出光栅；输出光栅将波导中的光转移到自由空间中；

48、所述变焦透镜系统用于将低倍物镜收集的信号清晰地成像在近红外ccd相机上；

49、所述照明光源连接在变焦透镜系统上，用于照明，以便对准样品；

50、所述近红外ccd相机用于拍摄实验图像。

51、所述计算机与近红外ccd相机连接，用于实时查看并储存近红外ccd相机拍摄的图像。

52、步骤五：将生成的加工文件使用相关的微纳加工工艺进行加工，为了得到与设计相符的狭缝波导尺寸，可以优选电子束光刻加反应离子刻蚀或者聚焦离子束刻蚀的方式进行加工。对选择的保护层材料不同，可以选择化学气相沉积或者旋涂的方式进行保护层沉积。

53、有益效果：

54、1、本发明提出了一种具有分束功能的片上超表面的设计方法，首次将达曼光栅的设计方法用于片上狭缝波导阵列设计，实现了一种设计简单且紧凑的分束器件，该器件可以对于输入信号实现焦平面上不同衍射级次上的能量分配，从而实现若干衍射级次的等强度分布。

55、2、本发明通过对于片上狭缝波导的几何参数进行扫描，得到了较为理想的片上超表面的单元结构，该基础结构选优方法可以用于其他片上材料，其他偏振态或者其他波长。

56、3、本发明将应用于片上光信号处理，光计算以及片上图像处理，并解决相关工程问题。