一种结合超表面的双层结构垂直耦合器件及其设计方法

本发明涉及光学、集成光子学和光通信领域，具体涉及一种结合超表面的双层结构垂直耦合器件及其设计方法。

背景技术：

1、光栅作为光通信领域中的一项关键器件，其提供了集成密度高、分布限制小的优势，目前被用于晶圆级测试和多纤芯光纤封装领域中。为了避免二阶布拉格反射的影响，保证光栅的耦合效率，通常光栅都是面向一定光纤倾角设计的。入射光本身具有横向波矢的分量，这避免了其他衍射级次和目标衍射级次产生同样的响应，从而增加光栅的耦合效率。然而，这使得在进行光栅作为器件端口的封装时，需要进行光纤端面倾角的制作。为避免这种额外的加工需求，提出了垂直耦合光栅的设计需求。

2、超表面能够实现光相位和幅度的任意调控，其能够实现光的偏振旋转、聚焦和全息等功能。近些年来，超表面为硅基光电子器件提供了新的助力，设计了片上聚焦器件、波分复用器件等新型集成光学器件。其中超表面也为垂直耦合光栅提供了新的设计，减少了光栅的模板转换路径长度，进一步推进了光栅的小型化，以提高其集成密度。将超表面和硅基光电子器件结合，能为器件设计提供新的自由度，以改善器件性能和提供更多自由度。

技术实现思路

1、本发明提供了一种结合超表面的双层结构垂直耦合器件及其设计方法，通过超表面的偏折给垂直入射光源引入横向波矢分量，改变垂直入射下的波矢匹配条件，从而避免二阶布拉格反射的对光栅耦合的影响。通过将超表面集成在硅基波导光栅的包层结构上，避免二阶布拉格反射实现高效率的垂直耦合。其中，超表面通过引入相位梯度实现垂直入射光束的偏折，具体为通过改变超表面单元的几何参数实现这种相位分布。硅光栅为单刻蚀结构，光栅的前几个周期包括亚波长光栅结构改善光栅的模式匹配，光栅的结构参数通过定向优化算法进行优化。将超表面集成在单刻蚀硅光栅的包层上，得到双层垂直耦合器件的完整结构。

2、一种结合超表面的双层结构垂直耦合器件的设计方法，包括以下步骤：

3、1)、设计超表面的单元结构和耦合波导光栅的单元结构；

4、2)、计算多个超表面的单元结构在自由空间输入光源下的共振相位响应分布及透过率分布；

5、3)、多个耦合波导光栅的单元结构组合形成耦合波导光栅，将耦合波导光栅利用粒子群优化算法得到光栅的均匀初始结构和光源的倾斜入射角度；

6、4)、根据步骤2)得到的共振相位响应分布和透过率分布、以步骤3)得到的光源的倾斜入射角度为目标，设计偏折超表面；

7、5)、根据步骤3)利用光栅的均匀初始结构和光源的倾斜入射角度，利用定向优化算法对光栅的均匀初始结构进行切趾设计，得到切趾光栅；

8、6)、根据步骤4)得到的偏折超表面和步骤5)得到的切趾光栅，确定结合超表面的双层结构垂直耦合器件的结构。

9、步骤1)中，所述超表面的单元结构包括二氧化硅包层以及设置在所述二氧化硅包层上的硅纳米块。

10、步骤2)中，通过时域有限差分方法计算多个超表面的单元结构在自由空间输入光源下的共振相位响应分布及透过率分布。

11、步骤3)中，所述的耦合波导光栅为单步刻蚀光栅，所述的耦合波导光栅包括多个耦合波导光栅的单元结构，耦合波导光栅的单元结构包括亚波长光栅结构和直光栅结构。

12、步骤4)中，设计偏折超表面，具体包括：

13、4.1)根据目标波长和步骤3)中光源的倾斜入射角度选择偏折超表面的单元个数，得到偏折超表面单元的相位梯度及几何分布；

14、4.2)根据步骤2)中共振相位响应分布和透过率分布选择超表面的单元结构的几何参数，使得单元在接近设计的相位分布的同时，选择最高的透射率，得到超表面的单元结构的周期性排列，即为偏折超表面。

15、步骤5)中，根据步骤3)利用光栅的均匀初始结构和光源的倾斜入射角度，约定最小线宽，利用定向优化算法对光栅的均匀初始结构进行切趾设计，得到切趾光栅。

16、步骤6)中，根据步骤4)得到的偏折超表面和步骤5)得到的切趾光栅，确定结合超表面的双层结构垂直耦合器件的结构，具体包括：

17、根据步骤5)得到的切趾光栅作为底层，将步骤4)得到的偏折超表面垂直堆叠在切趾光栅上，确定结合超表面的双层结构垂直耦合器件的结构。

18、进一步优选，一种结合超表面的双层结构垂直耦合器件的设计方法，包括以下步骤：

19、1)设计超表面的单元结构；

20、2)通过时域有限差分方法计算超表面的单元结构在自由空间输入光源下的共振相位响应分布及透过率分布；

21、3)将耦合波导光栅的结构利用粒子群优化算法得到光栅的均匀初始结构，包括光栅的周期、占空比和光源的倾斜入射角度等结构参数；

22、4)根据步骤2)得到的共振相位响应分布及透过率分布以及步骤3)得到的超表面的相位分布来确定超表面上所有硅纳米块的几何尺寸和相对位置；

23、5)根据步骤3)获得初始光栅结构和入射光源角度，利用定向优化算法对光栅进行切趾设计，得到硅波导层光栅，得到包括周期、光栅占空比和亚波长光栅占空比等结构参数。

24、6)根据步骤4)和步骤5)中的偏折超表面和切趾光栅，确定垂直耦合器件的结构。

25、步骤1)中，所述超表面包括二氧化硅衬底、设置在所述二氧化硅衬底上的光波导层以及设置在所述光波导层上的单原子非晶硅纳米块结构阵列，所述单原子非晶硅纳米块结构阵列包括若干个具有相同高度、在片上不同排布位置的硅纳米块。

26、步骤1)中，所述超表面单元为设置在二氧化硅衬底上的硅纳米柱，所述的硅纳米柱为非晶硅。

27、步骤3)中，硅光栅为单步刻蚀光栅，利用高斯光源和粒子群算法，优化均匀光栅固定光源角度下的耦合效率。

28、步骤4)中，步骤4)中，根据步骤3)得到的光栅耦合角度选择超表面周期长度及单元个数，具体包括：

29、4.1)根据目标波长和步骤3)中偏折角度选择偏折超表面的单元个数，得到偏折超表面单元的相位梯度及几何分布；

30、4.2)根据步骤2)中超表面单元的相位响应和透射率分布选择超表面的单元几何参数，使得该单元在接近设计的相位分布的同时，选择最高的透射率，将得到的超表面单元结构周期性排列得到偏折超表面结构。

31、步骤5)中，根据步骤3)得到的均匀光栅结构，约定最小线宽，利用定向优化算法优化倾斜角度入射下的耦合效率。

32、步骤6)中，根据步骤5)得到单步刻蚀硅耦合光栅作为底层，将步骤4)得到的偏折超表面垂直堆叠在耦合光栅上，得到最终的垂直耦合器件。

33、与现有技术相比，本发明具有如下优点：

34、一、本发明创新性地提出了一种新型结构，将超表面集成在硅波导光栅上，为波导光栅的设计提供了新的自由度。

35、二、本发明创新性地提出利用相位梯度设计超表面用于解决垂直耦合光栅的二阶布拉格反射问题。通过引入相位梯度，为垂直入射的光源引入横向波矢分量，使得光栅在垂直入射的条件下避免耦合光的双向传输，从而提高垂直耦合光栅的耦合效率。

36、三、本发明超表面和光栅通过包层实现解耦合，超表面和硅波导光栅之间的包层厚度大于一个波长，实现两种结构之间的解耦合。

37、四、工艺稳定，设备小型化，易于集成。