CN105629463A - 一种基于人工微结构超表面的圆偏振光分离器的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于人工微结构超表面的圆偏振光分离器的设计方法。本发明步骤如下：(1)在600nm～20um的范围内选择工作波长。入射线偏振光垂直照射人工微结构超表面，根据左右旋光的出射方向，计算出在人工微结构超表面上所需要的相位梯度分布，以每四个人工微结构超表面上的结构单元为一个大周期结构，计算出每个结构单元的周期；(2)采用在工作波长损耗低的柱体结构作为人工微结构超表面的基本单元，确定具体的相位值；(3)根据每个基本单元的相位要求设计相应的具体实现结构。本发明在保持高透过率低损耗的情况下对称分离出线偏振光的左右旋分量，并且通过改变入射光的偏振方向可以互换出射左右旋光的传播方向。

Description

一种基于人工微结构超表面的圆偏振光分离器的设计方法

技术领域

本发明属于光信息传输及光学芯片集成领域，尤其涉及一种基于人工微结构超表面的圆偏振光分离器的设计方法。

背景技术

随着信息技术的发展，高清电视、移动互联网、云计算等技术正深刻地改变着人们的生活，这些技术的发展无不对信息传输效率提出了更高的要求。自从高琨1965年发明光纤以来，人类在信息传输速率上取得了极大的提高，并在此基础上发明了波分复用等技术，以提高传输容量。而事实上，光子自旋状态是光子的本征状态，分为左旋和右旋，两者相互正交，如果能在自旋状态上加以复用，势必会极大提高现有的信息传输容量。由于缺乏有效的工具，在均匀空间中很难将线偏振光中的不同自旋状态的光束分离出来。得益于近年来人工微结构超表面——人工制备具有各种特性的结构单元组成的平面——研究的发展，提供了一种方便实用的实现方式。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于人工微结构超表面的圆偏振光分离器的设计方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括如下步骤：

步骤(1)在600nm～20um的可见光到中红外的波长带宽范围内，选择需要的工作波长。入射线偏振光垂直照射人工微结构超表面，根据所需要的左右旋光的出射方向，计算出在人工微结构超表面上所需要的相位梯度分布，以每四个人工微结构超表面上的结构单元为一个大周期结构，计算出每个结构单元的周期。

根据所需要的左右旋光的出射方向，计算出在人工微结构超表面上所需要的相位梯度分布。根据广义Snell定律，折射公式表示为：

$sin\left({\mathrm{\θ}}_t\right)n_t-sin\left({\mathrm{\θ}}_i\right)n_i=\frac{\mathrm{\λ}}{2\mathrm{\π}}\frac{d\mathrm{\Φ}}{dx}---\left(1\right)$

其中，λ为入射光束波长，且在均匀空气中，沿z轴正方向正入射光束，故n_t＝n_i＝1，sin(θ_i)＝0。因此得到：

$\sin \left({\mathrm{\θ}}_t\right)=\frac{\mathrm{\λ}}{2\mathrm{\π}}\frac{d\mathrm{\Φ}}{dx}---\left(2\right)$

即通过表面相位梯度分布的变化改变出射光束的偏转角θ_t。在人工微结构超表面上，以四个周期结构为一个大周期结构的设计中，保证每一个大周期的相位变化为360°。设人工微结构超表面中每一个结构的周期常数为p，则能够得到：

$\frac{d\mathrm{\Φ}}{dx}=\frac{2\mathrm{\π}}{4p}---\left(3\right)$

将(3)式带入(2)式，得到：

${\mathrm{\θ}}_t=\arcsin \left(\frac{\mathrm{\λ}}{4p}\right)---\left(4\right)$

式(4)中，λ为入射光束波长是已知，确定好出射光的偏转角θ_t，从而计算出人工微结构超表面上的结构单元的周期。这种周期采用的是四边形结构的周期排列方式。

步骤(2)采用在工作波长损耗低的柱体结构作为人工微结构超表面的基本单元，将得到的相位梯度分布结合平面上的周期性结构单元确定具体的相位值。

在每四个周期结构组成的大周期结构中，相位的排列方式分为x偏振方向和y偏振方向，两个偏振方向的相位延迟是相互独立的，互不影响。且对于任意一个偏振方向，一个大周期结构的四个周期结构中，相邻两个的相位延迟是相同的，另外两个的相位延迟也是相同的，它们之间的相位差为180°，保证了在一个大周期的结构中，相位梯度的变化为360°。这样，在人工微结构超表面上，形成了人为的表面横向波矢表面横向波矢的大小表示为：

$\left|\stackrel{\→}{k_{//}}\right|=\frac{2\mathrm{\π}}{4p}---\left(5\right)$

由于在大周期结构中，两种结构相位差为180°的原因，使得人工微结构超表面的相位梯度变化的正负两个方向上，均存在相位梯度，即波矢的方向有两个，同时存在向左和向右两个方向的波矢

同样在自由空间中空气的折射率为1。入射线偏振光在空气中的波矢用表示，其方向沿光的传播方向，即z轴正方向，大小表示为：

$\left|\stackrel{\→}{k_0}\right|=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}---\left(6\right)$

根据公式(5)、(6)也计算出出射角：

${\mathrm{\θ}}_t=\arcsin \left(\frac{\left|{\stackrel{\→}{k}}_{//}\right|}{\left|{\stackrel{\→}{k}}_o\right|}\right)---\left(7\right)$

将公式(5)、(6)带入公式(7)可以得到公式(4)。

在x和y两个偏振方向的相位延迟梯度中，它们之间的相位排列在x方向有一个周期p的空间排列差值。这个空间排列差值保证了出射的光束为左旋和右旋偏振光。

当偏振方向与x轴夹角为45°方向的线偏振光入射时，出射光的两个方向中，左边方向的偏振光为左旋偏振光，右边方向的偏振光为右旋偏振光；当偏振方向与x轴夹角为-45°方向的线偏振光入射时，出射光的两个方向中，左边方向的偏振光为右旋偏振光，右边方向的偏振光为左旋偏振光。

步骤(3)根据每个基本单元的相位要求设计相应的具体实现结构，最终组合形成人工微结构超表面。在选取结构单元的材料中，主要考察因素为在工作波段介电常数高且损耗低，因此其材料包括但不限于硅(Si)，锗(Ge)，二氧化钛(TiO₂)等一系列符合要求的材料。同时，其结构单元用柱状结构实现。包含四边柱状，圆柱状，椭圆柱状在内的一系列结构。

本发明有益效果如下：

本发明通过设计人工微结构超表面，将特定的入射线偏振光调制，并在给定的方向实现所需得到的自旋光。

本发明成功实现了调制自旋光的传播方向，改变入射线偏振光的偏振方向，使得左右旋光的出射方向互换。本发明采用了在工作波段损耗低的硅和二氧化硅材料，具有透过率高、损耗低等特点。

附图说明

图1(a)为通过人工微结构超表面实现透射方向可调的对称式光子自旋分离示意图，入射线偏振光的偏振方向与x轴夹角为45°。

图1(b)为通过人工微结构超表面实现透射方向可调的对称式光子自旋分离示意图，入射线偏振光的偏振方向与x轴夹角为-45°。

图2(a)为人工微结构超表面的相位分布示意图，入射线偏振光的偏振方向与x轴夹角为45°。

图2(b)为人工微结构超表面的相位分布示意图，入射线偏振光的偏振方向与x轴夹角为-45°。

图3为人人工微结构超表面单元的结构示意图。

图4为人工微结构超表面的结构示意图。

图5(a)为x方向线偏振入射光的出射能量分布图。

图5(b)为y方向线偏振入射光的出射能量分布图。

图6(a)为x方向线偏振入射光的出射能量方向图。

图6(b)为y方向线偏振入射光的出射能量方向图。

图7(a)为x方向线偏振入射光的出射x方向电场图。

图7(b)为y方向线偏振入射光的出射y方向电场图。

图8(a)为45°线偏振入射光的左出射方向x方向电场和y方向电场分布图。

图8(b)为45°线偏振入射光的右出射方向x方向电场和y方向电场分布图。

图9(a)为-45°线偏振入射光的左出射方向x方向电场和y方向电场分布图。

图9(b)为-45°线偏振入射光的右出射方向x方向电场和y方向电场分布图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

一种基于人工微结构超表面的圆偏振光分离器的设计方法，具体包括以下步骤：

步骤(1)在600nm～20um的可见光到中红外的波长带宽范围内，选择需要的工作波长。入射线偏振光垂直照射人工微结构超表面，根据所需要的左右旋光的出射方向，计算出在人工微结构超表面上所需要的相位梯度分布，以每四个人工微结构超表面上的结构单元为一个大周期结构，计算出每个结构单元的周期。

如图1所示，入射线偏振光沿z轴正方向传播，垂直照射人工微结构超表面，在所需得到的电磁场分布平面有左右两个光斑，分别对应左右旋光，它们与z轴的夹角θ_t即是旋光的出射方向。根据广义Snell定律，折射公式可以表示为：

$sin\left({\mathrm{\θ}}_t\right)n_t-sin\left({\mathrm{\θ}}_i\right)n_i=\frac{\mathrm{\λ}}{2\mathrm{\π}}\frac{d\mathrm{\Φ}}{dx}---\left(1\right)$

这里设入射波波长为λ，在均匀空气中，沿z轴正方向正入射光束。n_t＝n_i＝1，sin(θ_i)＝0。因此得到：

$\sin \left({\mathrm{\θ}}_t\right)=\frac{\mathrm{\λ}}{2\mathrm{\π}}\frac{d\mathrm{\Φ}}{dx}---\left(2\right)$

通过出射光束的偏转角θ_t可以确定人工微结构超表面上的相位梯度变化。以四个周期结构为一个大周期结构的设计中，保证每一个大周期的相位变化为360°。设人工微结构超表面中每一个结构的周期常数为p，则可以得到：

$\frac{d\mathrm{\Φ}}{dx}=\frac{2\mathrm{\π}}{4p}---\left(3\right)$

将(3)式带入(2)式，得到：

${\mathrm{\θ}}_t=\arcsin \left(\frac{\mathrm{\λ}}{4p}\right)---\left(4\right)$

式(4)中，λ是已知的，确定好出射光θ_t的方向角度，就可以计算出人工微结构超表面上的结构单元的周期。这种周期采用的是四边形结构的周期排列方式。

步骤(2)在每四个周期结构组成的大周期结构中，相位的排列方式分为x偏振方向和y偏振方向，两个偏振方向的相位延迟是相互独立的，互不影响。且对于任意一个偏振方向，一个大周期结构的四个周期结构中，其中相邻两个的相位延迟是相同的，另外两个的相位延迟也是相同的，它们之间的相位差为180°，这样保证了在一个大周期的结构中，相位梯度的变化为360°。

在x和y两个偏振方向的相位延迟梯度中，它们之间的相位排列在x方向有一个周期p的空间排列差值。这个空间排列差值使得出射的光束为左旋和右旋偏振光。如图2所示的相位梯度示意图，白色方块表示结构对于x偏振方向的相位延迟，黑色方块表示结构对于y偏振方向的相位延迟。方块中的数值表示具体的相位延迟值。整个相位梯度的排列方向沿x方向。在y方向上为均匀的周期性结构。可以看到，在x、y两个偏振方向上，相位梯度的排列方式均为0°，0°，180°，180°。在x方向有一个周期p的空间排列差值。这里的相位值是相对值，重点要保持相位相位差是180°，绝对值不重要，这里为了方便取了0°和180°。也可以取90°，90°，-90°，-90°，对结果没有任何影响。图2(a)中，虚线代表x偏振状态的出射光的波前，实线代表y偏振状态的出射光的波前。双箭头表示相邻波前的相位差为360°。图2(a)中，当入射线偏振光的偏振方向为+45°时，结构的相位分布如图示，先分析左边方向的出射光，可以发现虚线代表的x偏振光的波前比实线代表的y偏振光的波前快90°，即φ_x-φ_y＝90°，这说明出射光为左旋偏振光；同样对于右边方向的出射光，可以发现x偏振光的波前比y偏振光的波前慢90°，即φ_y-φ_x＝90°，这说明出射光为右旋偏振光。图2(b)中，当入射线偏振光的偏振方向为-45°时，x方向的相位不变，y方向的相位相当于左移了2p的距离。先分析左边方向的出射光，可以发现x偏振光的波前比y偏振光的波前慢90°，即φ_y-φ_x＝90°，出射光为右旋偏振光；同样对于右边方向的出射光，可以发现x偏振光的波前比y偏振光的波前快90°，即φ_x-φ_y＝90°，出射光为左旋偏振光。因此得到每个周期性结构单元具体的相位值。

步骤(3)可以使用在工作波段损耗极低的硅和二氧化硅作为材料，如图3所示，下面的四方形柱体为二氧化硅，上面的椭圆柱体为硅。不同的透射相位能够通过改变其参数(直径1，直径2，高度，周期等)实现，最终人工微结构超表面的设计效果图如图4所示。

实施例1

对称式光子自旋分离效果。

根据上述设计方法，设计一块人工微结构超表面，工作波长在1550nm，实现对线偏振入射光的左旋和右旋分量的分离方向为33.6°，同时通过改变入射光的偏振方向，使左右旋光的出射方向互换。并进行相关仿真验证。

根据出射方向33.6°，通过公式(4)得到结构单元为700nm。以4个周期结构完成一个360°周期的相位梯度分布，组成一个大周期结构。

分别设计x，y偏振的相位梯度，为0°，0°，180°，180°。类似于光栅结构，同时在两个方向上产生衍射。同时，对于x，y偏振态的相位。在水平方向上相差1个周期结构，即1/4个大周期结构。这样，由于x，y方向的相位梯度相同，因此它们的偏折方向相同，又由于它们之间相差了1/4个大周期，即1/4个波长，因此对于不同的出射方向，两束波正交偏振的相位不同。导致左右旋光的分离。其仿真结果如下：

对于x偏振和y偏振光，垂直照射人工微结构超表面后，出射光大部分分为左右两束光出射，效率达到80％(如图5(a)和5(b)所示)，同时出射方向为33.6°(如图6(a)和6(b)所示)。分别计算+45°和-45°偏振光垂直照射人工微结构超表面，出射场的x方向偏振分量和y方向偏振分量均沿±33.6°出射(如图7(a)和7(b)所示)。分别取图7(a)和7(b)中的黑色方块区域的电场做比较，对于4+45°偏振入射光，先比较左边的x方向和y方向的电场分布，可以发现x方向电场比y方向电场快λ/4(如图8(a)所示)，即为左旋偏振光，再比较右边的x方向和y方向的电场分布，可以发现x方向电场比y方向电场慢λ/4(如图8(b)所示)，即为右旋偏振光；对于-45°偏振入射光，先比较左边的x方向和y方向的电场分布，可以发现x方向电场比y方向电场慢λ/4(如图9(a)所示)，即为右旋偏振光，再比较左边的x方向和y方向的电场分布，可以发现x方向电场比y方向电场快λ/4(如图9(b)所示)，即为左旋偏振光。同时通过图5(a)和5(b)，左旋光和有旋光的x、y方向分量电场强度基本相同。这样就实现了通过人工微结构超表面对称分离线偏振入射光的自旋分量，同时通过改变入射线偏振光的偏振方向可以互换出射旋光的传播方向。

Claims (4)

1.一种基于人工微结构超表面的圆偏振光分离器的设计方法，其特征在包括如下步骤：

步骤(1)在600nm～20um的可见光到中红外的波长带宽范围内，选择需要的工作波长；入射线偏振光垂直照射人工微结构超表面，根据所需要的左右旋光的出射方向，计算出在人工微结构超表面上所需要的相位梯度分布，以每四个人工微结构超表面上的结构单元为一个大周期结构，计算出每个结构单元的周期；

步骤(2)采用在工作波长损耗低的柱体结构作为人工微结构超表面的基本单元，将得到的相位梯度分布结合平面上的周期性结构单元确定具体的相位值；

步骤(3)根据每个基本单元的相位要求设计相应的具体实现结构，最终组合形成人工微结构超表面。

2.如权利要求1所述的一种基于人工微结构超表面的圆偏振光分离器的设计方法，其特征在于所述的步骤(1)中首先确定工作波长λ和需要的出射方向；入射线偏振光波长λ，根据所需要的左右旋光的出射方向，计算出在人工微结构超表面上所需要的相位梯度分布；根据广义Snell定律，折射公式表示为：

$\sin \left({\mathrm{\θ}}_t\right)n_t-\sin \left({\mathrm{\θ}}_i\right)n_i=\frac{\mathrm{\λ}}{2\mathrm{\π}}\frac{d\mathrm{\Φ}}{dx}---\left(1\right)$

在均匀空气中，沿Z轴正方向正入射光束；n_t＝n_i＝1，sin(θ_i)＝0；因此得到：

$\sin \left({\mathrm{\θ}}_t\right)=\frac{\mathrm{\λ}}{2\mathrm{\π}}\frac{d\mathrm{\Φ}}{dx}---\left(2\right)$

即通过人工微结构超表面上的相位梯度分布变化可以改变出射光束的偏转角θ_t；在人工微结构超表面上，以四个周期结构为一个大周期结构的设计中，保证每一个大周期的相位变化为360°；设人工微结构超表面中每一个结构的周期常数为p，则可以得到：

$\frac{d\mathrm{\Φ}}{dx}=\frac{2\mathrm{\π}}{4p}---\left(3\right)$

将(3)式带入(2)式，得到：

${\mathrm{\θ}}_t=\arcsin \left(\frac{\mathrm{\λ}}{4p}\right)---\left(4\right)$

式(4)中，λ是已知的，确定好出射光θ_t的方向角度，就可以计算出人工微结构超表面上的结构单元的周期；这种周期采用的是四边形结构的周期排列方式。

3.如权利要求1所述的一种基于人工微结构超表面的圆偏振光分离器的设计方法，其特征在于所述的步骤(2)中，在每四个周期结构组成的大周期结构中，相位的排列方式分为x偏振方向和y偏振方向，两个偏振方向的相位延迟是相互独立的，互不影响；且对于任意一个偏振方向，一个大周期结构的四个周期结构中，其中相邻两个的相位延迟是相同的，另外两个的相位延迟也是相同的，它们之间的相位差为180°,从而保证在一个大周期的结构中，相位梯度的变化为360°；在人工微结构超表面上，形成了人为的表面横向波矢 的大小表示为：

$\left|\stackrel{\→}{k_{//}}\right|=\frac{2\mathrm{\π}}{4p}---\left(5\right)$

由于在大周期结构中，两种结构相位差为180°的原因，使得人工微结构超表面的相位梯度变化的正负两个方向上，均存在相位梯度，即波矢的方向有两个，同时存在向左和向右两个方向的波矢

同样在自由空间中空气的折射率为1；则入射线偏振光在空气中的波矢以表示，其方向沿光的传播方向，即Z轴正方向，大小可以表示为：

$\left|\stackrel{\→}{k_0}\right|=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}---\left(6\right)$

根据公式(5)、(6)也可以计算出出射角：

${\mathrm{\θ}}_t=\arcsin \left(\frac{\left|\stackrel{\→}{k_{//}}\right|}{\left|\stackrel{\→}{k_0}\right|}\right)---\left(7\right)$

将公式(5)、(6)带入公式(7)可以得到公式(4)；

在x和y两个偏振方向的相位延迟梯度中，它们之间的相位排列在x方向有一个周期p的空间排列差值；这个空间排列差值保证了出射的光束为左旋和右旋偏振光；

当偏振方向与x轴夹角为45°方向的线偏振光入射时，出射光的两个方向中，左边方向的偏振光为左旋偏振光，右边方向的偏振光为右旋偏振光；当偏振方向与x轴夹角为-45°方向的线偏振光入射时，出射光的两个方向中，左边方向的偏振光为右旋偏振光，右边方向的偏振光为左旋偏振光。

4.如权利要求1所述的一种基于人工微结构超表面的圆偏振光分离器的设计方法，其特征在于所述的步骤(3)中，每个基本单元的材料为硅、锗和二氧化钛；每个基本单元的结构单元用柱状结构实现。