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CN109164536B - 基于超表面材料的智能光功率分配器件 - Google Patents

基于超表面材料的智能光功率分配器件 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于超表面材料的智能光功率分配器件，其特征在于，包括：由纳米砖单元排列而成，并且能将沿纳米砖单元长短轴方向入射的正交线偏振光分别聚焦到不同位置进行光功率分配的超表面阵列结构，其中，纳米砖单元由介质基底和形成在介质基底上的纳米砖构成，并且介质基底和纳米砖均为亚波长尺寸。本发明所提供的智能光功率分配器件利用传输相位超表面材料的偏振独立特性，对沿纳米砖长短轴方向上的正交光波分别进行相位操控，将沿纳米砖长短轴方向的正交光波分别聚焦到不同位置，从而实现高效的光功率分配。

Description

基于超表面材料的智能光功率分配器件
技术领域
本发明属于微纳光学领域，具体涉及基于超表面材料的智能光功率分配器件。
技术背景
光功率分配器是把光信号分为多路输出的无源光器件。目前的光功率分配器有耦合型分路器和分支型分路器。耦合型分路器是使光信号在特殊的耦合区域发生耦合，并进行再分配的器件。这种器件的分光比难以精确调控、且制作工艺较复杂，成本较高。而分叉光路直接把光信号分为多路输出的器件。分光比通过调整分支角来控制，对于某一种固定的分叉光路器难以实现实时的分光比调控。因此亟待新的方法突破和创新。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种基于超表面材料的智能光功率分配器件，利用传输相位超表面材料的偏振独立特性，对沿纳米砖长短轴方向上的正交光波分别进行相位操控，将沿纳米砖长短轴方向的正交光波分别聚焦到不同位置，从而实现高效的光功率分配。
本发明为了实现上述目的，采用了以下方案：
本发明提供一种基于超表面材料的智能光功率分配器件，其特征在于，包括：由纳米砖单元排列而成，并且能将沿纳米砖单元长短轴方向入射的正交线偏振光波分别聚焦到不同位置进行光功率分配的超表面阵列结构，其中，纳米砖单元由介质基底和形成在介质基底上的纳米砖构成，并且介质基底和纳米砖均为亚波长尺寸。
进一步，本发明提供的基于超表面材料的智能光功率分配器件还可以具有以下特征：在超表面阵列结构中，纳米砖的长度和宽度大小不一，通过平行于x轴方向和y轴方向的不同长度的纳米砖分别控制入射光的相位和透过率，使x方向线偏振光和y方向的线偏振光经纳米砖阵列后分别聚焦到不同位置，从而实现光功率分配。
进一步，本发明提供的基于超表面材料的智能光功率分配器件还可以具有以下特征：纳米砖单元的结构参数采用如下方法得到：
设x轴方向和y轴方向分别为与纳米砖的长轴和短轴相平行的方向，以透射的平行于x轴方向的线偏振光和平行于y轴方向的线偏振光的效率及硅纳米砖单元的相位值组
Figure BDA0001791183550000021
为优化指标；对各相位量化值组
Figure BDA0001791183550000022
以透射效率最高、且
Figure BDA0001791183550000023
与
Figure BDA0001791183550000024
差值绝对值小于预设值作为优化目标，满足该优化目标的结构参数即为
Figure BDA0001791183550000025
对应的结构参数；
Figure BDA0001791183550000026
和
Figure BDA0001791183550000027
分别表示硅纳米砖单元x轴方向和y轴方向的位相值。
以上提及的超表面阵列结构是由硅纳米砖单元排列而成的阵列，硅纳米砖单元由介质基底和介质基底上刻蚀的硅纳米砖构成。硅纳米砖单元中，介质基底和硅纳米砖均为长方体形，介质基底和硅纳米砖的长宽高均为亚波长尺度，介质基底的工作面为正方形。介质基底和其上刻蚀的硅纳米砖的各个面分别相平行，且介质基底和其上刻蚀的硅纳米砖的中心点的连线垂直于介质基底。
超表面阵列结构的长短轴方向分别为长方体形纳米砖单元的长边和短边所对应的方向。超表面阵列结构中，所有介质基底的长宽高相等；所有硅纳米砖的高相等，但长宽不一，应根据相位需求设计。由于具有这样的结构，使得超表面阵列结构具有偏振独立特性，通过硅纳米砖长轴方向的长度(x方向)控制平行于x轴方向的线偏振光的相位和透过率，通过硅纳米砖短轴方向的长度(y方向)控制平行于y轴方向的线偏振光的相位和透过率，从而可使x方向线偏振光和y方向的线偏振光经硅纳米砖阵列后分别聚焦到不同位置，从而实现分光。
上述超表面阵列结构的设计方法，包括：
(1)建立硅纳米砖单元的工作面坐标系，x轴方向和y轴方向分别与介质基底工作面的两组边平行；
(2)确定量化相位采样等级N，构建相位量化值组
Figure BDA0001791183550000031
Figure BDA0001791183550000032
Figure BDA0001791183550000033
分别表示x轴方向和y轴方向的相位量化值，
Figure BDA0001791183550000034
Figure BDA0001791183550000035
i、j相等或不相等；
(3)采用电磁仿真法优化硅纳米砖单元的结构参数，结构参数包括硅纳米砖中平行于x轴方向和y轴方向的长度Lx、Ly硅纳米砖的高度H和介质基底工作面边长C；
对各纳米砖单元的结构参数对应的相位
Figure BDA0001791183550000036
以透射效率最高、且
Figure BDA0001791183550000037
与
Figure BDA0001791183550000038
差值绝对值小于预设值作为优化目标，满足该优化目标的结构参数即为
Figure BDA0001791183550000039
对应的结构参数。
(4)基于步骤(3)的优化结果获取各相位对应的结构参数，把各单元结构排布到相应位置得到超表面阵列结构。
发明的作用与效果
(1)本发明只需改变硅纳米砖单元大小即可实现2π范围内的相位调制，工艺简单，具有很高的稳定性与可靠性。
(2)本发明采用偏振独立的硅纳米砖单元可实现对x方向的线偏光和y方向的线偏光分别进行调控，从而使得其聚焦到不同方向的不同位置处，实现分工功能。进一步借助于起偏器可以改变入射光在长短轴方向的光分量，从而实现实时的、任意的、精确的光功率分配。
(3)本发明仅需借助起偏器可改变入射光在长短轴方向的光分量，实现任意分光比调控，且操作简单、易于实现。借助起偏器来改变光分量的原理为，任何偏振方向的光都能分解成两个相互正交线偏振光的组合。经过起偏器后变为沿着起偏器方向的线偏光，进一步可以把该线偏光沿着纳米砖长短轴方向进行分解，从而实现入射光能量的调控，而且仅仅需要改变起偏器的方向则可以实现实时的、任意的、精确的调控。
(4)本发明所提供的智能光功率分配器件成本低，可批量生产；单元尺寸小，方便集成，可以广泛应用于光纤通信、传感等领域。
附图说明
图1为本发明实施例中所设计的超表面阵列结构的局部结构示意图；
图2为本发明实施例中硅纳米砖单元的结构示意图；
图3为本发明实施例中透射光的相位和透射率随纳米砖尺寸的变化结果图，其中(a)为X方向相位随纳米砖长Lx、宽Ly变化的结果，(b)为X方向透过率随纳米砖长Lx、宽Ly变化的结果，(c)为Y方向相位随纳米砖长Lx、宽Ly变化的结果，(d)为Y方向透过率随纳米砖长Lx、宽Ly变化结果；
图4为本发明实施例中光功率分配器件的工作原理图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明涉及的基于超表面材料的智能光功率分配器件的具体实施方案进行详细地说明。
<实施例>
如图1和2所示，本实施例所提供的基于超表面材料的智能光功率分配器件10为由多个硅纳米砖单元11排列而成的超表面阵列结构。硅纳米砖单元11由介质基底11a和其上刻蚀的硅纳米砖11b构成。介质基底11a和硅纳米砖11b均为长方体形，介质基底11a和硅纳米砖11b的长宽高均为亚波长尺度，介质基底11a的工作面为正方形。介质基底11a和其上刻蚀的硅纳米砖11b的各个面分别相平行，且介质基底11a和其上刻蚀的硅纳米砖11b的中心点的连线垂直于介质基底11a。所有介质基底11a的长宽高相等；所有硅纳米砖11b的高相等，但长宽不一。
由于具有这样的结构，使得超表面阵列结构具有偏振独立特性，通过硅纳米砖11b长轴方向的长度(x方向)控制平行于x轴方向的线偏振光的相位和透过率，通过硅纳米砖11b短轴方向的长度(y方向)控制平行于y轴方向的线偏振光的相位和透过率，从而可使x方向线偏振光和y方向的线偏振光经硅纳米砖11b阵列后分别聚焦到不同位置，从而实现光功率分配。
该智能光功率分配器件10的具体涉及方法包括如下步骤：
第一步：根据实际使用情况确定主波长，即工作波长。本实施例中主波长658nm。硅纳米砖采用晶体硅材料，介质基底采用熔融石英玻璃材料。
第二步：相位量化为4台阶。确定相位量化值，分别为0°、90°、180°和270°。本实施例可构建16组相位量化值组
Figure BDA0001791183550000061
Figure BDA0001791183550000062
第三步：针对该波长和量化台阶数，用平行于x轴方向的线偏振光和平行于y轴方向的线偏振光同时垂直入射硅纳米砖单元工作面，以透射的平行于x轴方向的线偏振光和平行于y轴方向的线偏振光的效率、以及x轴方向和y轴方向的相位值
Figure BDA0001791183550000063
为优化指标，扫描单元结构尺寸C、纳米砖长宽Lx、Ly和高度H，以期获得满足优化目标的最佳参数。对各相位量化值组
Figure BDA0001791183550000064
以透射效率最高、且
Figure BDA0001791183550000065
与
Figure BDA0001791183550000066
的差值绝对值小于预设值(15°)为优化目标，满足该优化目标的结构参数即
Figure BDA0001791183550000067
对应的结构参数；
经优化计算得C＝250nm，H＝310nm，不同的Lx、Ly对应不同的透过率和相位延迟量。
如图3所示，分析扫描结果，以透射效率最高、且与目标相位组的差值绝对值最小为优化目标，得到了满足4台阶分布的纳米砖尺寸(见图3中圆圈标注)。
下列表1提供了各组相位值所对应的Lx和Ly值。其中，X-T和Y-T分别表示平行于x轴方向的线偏振光和平行于y轴方向的线偏振光的透过效率，X-phase和Y-phase分别表示x轴方向和y轴方向的相位值。由表1可知，优化后的硅纳米砖单元，在保证相位值的同时，还获得了较高的透过率和一致性。
表1 Lx和Ly对应的4台阶位相值及透过效率对应表
Figure BDA0001791183550000071
第四步：基于以下相位分布计算公式，得到纳米砖阵列上任意点的相位值，然后把连续相位进行4台阶量化，然后基于第三步的优化结果获取各相位对应的结构参数，把各单元结构排布到相应位置即得到如图3所示的超表面阵列结构。
Figure BDA0001791183550000072
Figure BDA0001791183550000073
式中f为焦距，x，y为纳米砖在超表面阵列上的坐标。θx，θy为平行于x轴的线偏光和平行于y轴的线偏光经过纳米砖阵列后焦点离轴角度。λ为波长。
如图4所示，本实施例提供的智能光功率分配器件10的工作原理为：当沿着x方向的线偏光入射时，智能光功率分配器件10的分光比为1:0，当沿着y方向的线偏光入射时，智能光功率分配器件10的分光比为0:1。由于任意偏振态的光都能分解成两个相互正交线偏振光的组合。所以通过调整起偏器的旋转方向，能对任意偏振态的光实现的任意分光比M:N。
以上实施例仅仅是对本发明技术方案所做的举例说明。本发明所涉及的基于超表面材料的智能光功率分配器件并不仅仅限定于在以上实施例中所描述的内容，而是以权利要求所限定的范围为准。本发明所属领域技术人员在该实施例的基础上所做的任何修改或补充或等效替换，都在本发明的权利要求所要求保护的范围内。

Claims (2)

1.一种基于超表面材料的智能光功率分配器件，其特征在于，包括：
由纳米砖单元排列而成，并且能将沿纳米砖单元长短轴方向入射的正交线偏振光波分别聚焦到不同位置进行光功率分配的超表面阵列结构，
其中，所述纳米砖单元由介质基底和形成在所述介质基底上的纳米砖构成，所述纳米砖的长度和宽度大小不一，并且所述介质基底和所述纳米砖均为亚波长尺寸，所述纳米砖采用晶体硅材料，所述介质基底采用熔融石英玻璃材料，
借助于起偏器可以改变入射光在长短轴方向的光分量，从而实现实时的、任意的、精确的光功率分配，
所述纳米砖单元的结构参数采用如下方法得到：
设x轴方向和y轴方向分别为与纳米砖的长轴和短轴相平行的方向，用平行于x轴方向的线偏振光和平行于y轴方向的线偏振光同时垂直入射所述硅纳米砖单元的工作面，以透射的平行于x轴方向的线偏振光和平行于y轴方向的线偏振光的效率及所述硅纳米砖单元的相位值组
Figure FDA0002538499440000011
为优化指标，
对各相位量化值组
Figure FDA0002538499440000012
以透射效率最高、且
Figure FDA0002538499440000013
与
Figure FDA0002538499440000014
差值绝对值小于预设值作为优化目标，满足该优化目标的结构参数即为
Figure FDA0002538499440000015
对应的结构参数，
所述
Figure FDA0002538499440000016
和
Figure FDA0002538499440000017
分别表示所述硅纳米砖单元x轴方向和y轴方向的位相值，
采用十六块纳米砖，构建十六组相位量化值组
Figure FDA0002538499440000018
Figure FDA0002538499440000019
2.根据权利要求1所述的智能光功率分配器件，其特征在于：
其中，在所述超表面阵列结构中，通过平行于x轴方向和y轴方向的不同长度的纳米砖分别控制入射光的相位和透过率，使x方向线偏振光和y方向的线偏振光经纳米砖阵列后分别聚焦到不同位置，从而实现分光。
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