CN107861257B - 基于超表面材料的光混频器及其制备方法 - Google Patents

基于超表面材料的光混频器及其制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN107861257B
CN107861257B CN201711293262.1A CN201711293262A CN107861257B CN 107861257 B CN107861257 B CN 107861257B CN 201711293262 A CN201711293262 A CN 201711293262A CN 107861257 B CN107861257 B CN 107861257B
Authority
CN
China
Prior art keywords
light
beam splitter
silicon nano
nano brick
local oscillator
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201711293262.1A
Other languages
English (en)
Other versions
CN107861257A (zh
Inventor
郑国兴
陶金
杨奇
刘子晨
尤全
武霖
邓联贵
余少华
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Wuhan Research Institute of Posts and Telecommunications Co Ltd
Original Assignee
Wuhan Research Institute of Posts and Telecommunications Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Wuhan Research Institute of Posts and Telecommunications Co Ltd filed Critical Wuhan Research Institute of Posts and Telecommunications Co Ltd
Priority to CN201711293262.1A priority Critical patent/CN107861257B/zh
Publication of CN107861257A publication Critical patent/CN107861257A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN107861257B publication Critical patent/CN107861257B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/28—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 for polarising
    • G02B27/283—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 for polarising used for beam splitting or combining
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/28—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 for polarising
    • G02B27/286—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 for polarising for controlling or changing the state of polarisation, e.g. transforming one polarisation state into another

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Optical Communication System (AREA)
  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Abstract

本发明公开了一种基于超表面材料的光混频器及其制备方法，涉及光混频器领域。该光混频器包括一个圆偏振光分束器和两个相同的混频器，每个混频器包括一个空间光分束器、4个移相器和4个方形透镜，圆偏振光分束器、空间光分束器和移相器均采用超表面材料制成，超表面材料分为若干个均匀的单元格，每个单元格均包括二氧化硅基底和在二氧化硅基底上周期性分布的硅纳米砖阵列，硅纳米砖阵列的转角按一定规律周期排布，每个周期分布的硅纳米砖阵列包含若干均匀分布的朝向不同的长方体硅纳米砖。本发明设计的基于超表面材料的光混频器的插入损耗小，相位调节准确；器件集成度高，制备工艺简单。

Description

基于超表面材料的光混频器及其制备方法
技术领域
本发明涉及光混频器领域，具体是涉及一种基于超表面材料的光混频器及其制备方法。
背景技术
光混频器是相干光通信系统中关键的光学器件，其作用是将两束频率相近、相位差恒定、且偏振方向相同的信号光与本振光波前进行相干混频，再利用后续的光电平衡探测器和信号恢复处理电路对混频信号进行处理。
常用的90°光混频器为2输入4输出端口结构，两个输入包括光纤传输的信号光S和接收端激光器产生的本振光L，四个输出端口的S和L相对相差分别为0°、180°、90°和270°(即S+L、S-L、S+jL、S-jL)，经内差检测可恢复出信号光携带的复数信号。
目前的光纤通信系统多采用偏振复用技术来增加系统的传输容量，因此现在的商用系统都采用偏振分集接收。由于偏振分集接收需要两个90°光混频器，此时接收机具有2个输入端口、8个输出端口。传统光混频器由分立的四分之一波片、半波片和偏振分光棱镜等光学元器件组建而成，因此器件集成度比较低。光纤通信中的光混频器也可以采用全光纤结构或平面波导结构，全光纤结构比块状光学结构的插入损耗小，但是制作工艺相对复杂，实验室不容易实现。
综上所述，现有的光混频器存在插入损耗大、器件集成度低、制作工艺复杂的缺陷。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述背景技术的不足，提供一种基于超表面材料的光混频器及其制备方法，该光混频器的插入损耗小，相位调节准确；器件集成度高，制备工艺简单。
本发明提供一种基于超表面材料的光混频器，该光混频器包括一个圆偏振光分束器和两个相同的混频器：第一混频器A、第二混频器B，每个混频器包括一个空间光分束器、4个移相器和4个方形透镜，所述圆偏振光分束器、空间光分束器和移相器均采用超表面材料制成，超表面材料分为若干个均匀的单元格，每个单元格均包括二氧化硅基底和在二氧化硅基底上周期性分布的硅纳米砖阵列，硅纳米砖阵列的转角按一定规律周期排布，每个周期分布的硅纳米砖阵列包含若干均匀分布的朝向不同的长方体硅纳米砖；
圆偏振光分束器使一束随机偏振态的入射光分解为两束旋向相反的圆偏光，实现左旋圆偏光和右旋圆偏光的分离；
空间光分束器使每束入射圆偏光一分为四，在远场形成一定衍射角的均匀点阵；
移相器使分束后的信号光和本振光产生0°、90°、180°或270°相对相差；
方形透镜将信号光和本振光分别耦合入光纤，实现相对相位差90°相干光输出；
信号光S与本振光L经圆偏振光分束器后，均分解为两束旋向相反的圆偏光，相同旋向的信号光和本振光进入同一个混频器，经过分束、移相，实现相干混频，耦合入光纤，第一混频器A输出信号光和本振光的左旋圆偏光分量：S1+L1、S1+jL1、S1-L1、S1-jL1；第二混频器B输出信号光和本振光的右旋圆偏光分量：S2+L2、S2+jL2、S2-L2、S2-jL2，最终实现S1+L1、S1+jL1、S1-L1、S1-jL1、S2+L2、S2+jL2、S2-L2、S2-jL2八个具有相对相位差的相干光输出。
在上述技术方案的基础上，所述长方体硅纳米砖的长、宽、高均为亚波长；光波射入长方体硅纳米砖时，长方体硅纳米砖的长轴和短轴方向产生相位延迟，且保持振幅一致，即每一个长方体硅纳米砖等效为一个微型的相位延迟器。
在上述技术方案的基础上，所述圆偏振光分束器是由硅纳米砖阵列周期排布构成的闪耀光栅。
在上述技术方案的基础上，所述相位延迟器的相位延迟为π时，实现半波片的相位调控功能；半波片的琼斯矩阵是α为硅纳米砖长轴在硅纳米砖坐标系中的方向角，入射光波为圆偏振光时，入射光波的琼斯矢量为：±代表旋向，i为虚数单位，出射光波为：经过硅纳米砖出射的光波变成旋向相反的圆偏光，且附加了一个±2α的相位延迟；只需改变硅纳米砖的转角，即可实现对入射光波连续的相位调制。
在上述技术方案的基础上，所述圆偏振光分束器的每个单元格包括若干个沿x方向连续旋转的硅纳米砖，单元格在x方向上长度为Px，在y方向上长度为Py，Px由光栅常数确定，Py＝C，C为正方形单元格的边长，硅纳米砖的方向角α由所在位置坐标x确定，满足当单元格在x和y方向上周期性重复时，构成一个相位光栅，光栅常数d＝Px，此光栅其他衍射级次完全消失，只留下m＝±1级，分别是不同旋向的圆偏光，结合光栅方程d sinθ＝mλ，θ为出射光束的衍射角，λ为入射光的波长，m为衍射级次，当m＝±1时，出射光束的衍射角θ由光栅常数d唯一确定：
在上述技术方案的基础上，所述空间光分束器是由硅纳米砖阵列周期排布构成的一分四的达曼分束光栅，将入射激光均分为等强度的M×N束，M为出射光束的横向光束数，N为出射光束的纵向光束数，M、N均为整数，在远场形成衍射角为90°的1×4个均匀点阵。
在上述技术方案的基础上，所述空间光分束器内硅纳米砖阵列的横向或纵向周期长度满足以下公式：dx＝λ0/sin(Δθx)，dy＝λ0/sin(Δθy)，其中，λ0为入射光的中心工作波长，dx为横向周期长度，dy为纵向周期长度，Δθx为横向衍射光束相邻级次之间的夹角，Δθy为纵向衍射光束相邻级次之间的夹角。
在上述技术方案的基础上，每个移相器中包含两种角度的硅纳米砖阵列，分别作用于信号光和本振光，使信号光和本振光产生一定的相对相位差；所述移相器中信号光和本振光通过的不同区域加工出方位角分别为α1和α2的硅纳米砖阵列时，使信号光和本振光产生2(α1-α2)的相对相位差。
在上述技术方案的基础上，所述方形透镜满足以下约束条件：
式中，f为透镜焦距，n为透镜折射率，l为前后顶点间距，R1和R2分别为入射面和出射面曲率半径，r为信号光或本振光光束半径，NA为光纤数值孔径。
本发明还提供一种基于超表面材料的光混频器的制备方法，包括以下步骤：
S1、设置以下参数：信号光直径、本振光直径、光纤数值孔径、圆偏振光分束器的长宽、空间光分束器的长宽、移相器的长宽，以及方形透镜的焦距、长、宽、镜面曲率半径、顶点间距，光混频器整体的长宽高，信号光或本振光经过圆偏振光分束器后分解为两束衍射角为45度的左旋和右旋圆偏光，每束圆偏光经过空间光分束器后一分为四，发散角为90度，两两之间夹角30度；
S2、基于电磁仿真软件平台进行仿真，以左/右旋圆偏光垂直入射、右/左旋圆偏光的转化效率作为优化对象，扫描硅纳米砖的长度L、宽度W、高度H、正方形单元格的边长C，要求交叉偏振转化效率最高、同向偏振转化效率最低，经优化计算，得到优化参数；
S3、设计圆偏振光分束器：根据步骤S1中的参数设计要求，确定出射圆偏振光衍射角θ，由计算出圆偏振光分束器的单元格在x方向上长度Px，λ0为入射光的中心工作波长，θ为出射光束的衍射角，由计算出不同x处的硅纳米砖转角α；
S4、设计空间光分束器：依据公式：dx＝λ0/sin(Δθx)，dy＝λ0/sin(Δθy)，计算空间光分束器的周期，λ0为入射光的中心工作波长，dx为横向周期长度，dy为纵向周期长度，Δθx为横向衍射光束相邻级次之间的夹角，Δθy为纵向衍射光束相邻级次之间的夹角，均匀分束数为1*4，与分束器法线夹角分别为±45°和±15°，计算横向周期长度dx，设置单周期内横向单元数m；竖向不分束，计算竖向周期长度dy，设置单周期内竖向单元数n；采用经典优化算法设计空间光分束器的单周期的位相分布，然后再由公式：确定每个硅纳米砖的转角，得到单周期硅纳米砖分布结构；构造周期结构分布的硅纳米砖，周期的数量取决于入射光斑的大小，要求包络入射光斑，以避免能量损失；
S5、设计移相器：移相器中信号光和本振光通过的不同区域加工出方位角分别为α1和α2的硅纳米砖阵列，令所有α1＝0，则第一混频器A的四个移相器(3)中硅纳米砖转角α2依次为0、π/4、π/2、3π/4；
S6、制造圆偏振光分束器、空间光分束器、移相器、方形透镜，圆偏振光分束器、空间光分束器、移相器都采用超表面材料制成，基底为二氧化硅，在二氧化硅基底上镀上一层一定厚度的硅，采用标准电子束光刻技术制备硅纳米砖阵列掩膜；然后通过反应离子刻蚀技术来制备硅纳米砖阵列；
S7、拼装组建两个相同的混频器：第一混频器A、第二混频器B，每个混频器包括一个空间光分束器、4个移相器和4个方形透镜；
将一个圆偏振光分束器、第一混频器A、第二混频器B拼装组建为一个完整的基于超表面材料的光混频器，并进行实验验证：
圆偏振光分束器使一束随机偏振态的入射光分解为两束旋向相反的圆偏光，实现左旋圆偏光和右旋圆偏光的分离；
空间光分束器使每束入射圆偏光一分为四，在远场形成一定衍射角的均匀点阵；
移相器使分束后的信号光和本振光产生0°、90°、180°或270°相对相差；
方形透镜将信号光和本振光分别耦合入光纤，实现相对相位差90°相干光输出；
信号光S与本振光L经圆偏振光分束器后，均分解为两束旋向相反的圆偏光，相同旋向的信号光和本振光进入同一个混频器，经过分束、移相，实现相干混频，耦合入光纤，第一混频器A输出信号光和本振光的左旋圆偏光分量：S1+L1、S1+jL1、S1-L1、S1-jL1；第二混频器B输出信号光和本振光的右旋圆偏光分量：S2+L2、S2+jL2、S2-L2、S2-jL2，最终实现S1+L1、S1+jL1、S1-L1、S1-jL1、S2+L2、S2+jL2、S2-L2、S2-jL2八个具有相对相位差的相干光输出。
本发明中基于超表面材料的光混频器包括一个圆偏振光分束器和两个相同的混频器：第一混频器A、第二混频器B，每个混频器包括一个空间光分束器、4个移相器和4个方形透镜，所述圆偏振光分束器、空间光分束器和移相器均采用超表面材料制成，超表面材料分为若干个均匀的单元格，每个单元格均包括二氧化硅基底和在二氧化硅基底上周期性分布的硅纳米砖阵列，硅纳米砖阵列的转角按一定规律周期排布，每个周期分布的硅纳米砖阵列包含若干均匀分布的朝向不同的长方体硅纳米砖；
圆偏振光分束器使一束随机偏振态的入射光分解为两束旋向相反的圆偏光，实现左旋圆偏光和右旋圆偏光的分离；
空间光分束器使每束入射圆偏光一分为四，在远场形成一定衍射角的均匀点阵；
移相器使分束后的信号光和本振光分别产生0°、90°、180°、270°相对相移；
方形透镜将信号光和本振光分别耦合入光纤，实现相对相位差90°相干光输出；
信号光S与本振光L经圆偏振光分束器后，均分解为两束旋向相反的圆偏光，相同旋向的信号光和本振光进入同一个混频器，经过分束、移相，实现相干混频，耦合入光纤，第一混频器A输出信号光和本振光的左旋圆偏光分量：S1+L1、S1+jL1、S1-L1、S1-jL1；第二混频器B输出信号光和本振光的右旋圆偏光分量：S2+L2、S2+jL2、S2-L2、S2-jL2，最终实现S1+L1、S1+jL1、S1-L1、S1-jL1、S2+L2、S2+jL2、S2-L2、S2-jL2八个具有相对相位差的相干光输出。
本发明中基于超表面材料的光混频器具有以下优点：
(1)插入损耗小，相位调节准确；
(2)器件集成度高，具有较小的尺寸结构，分束器发散角设计灵活；
(3)仅需要单步刻蚀技术，制备工艺简单。
附图说明
图1是本发明实施例中基于超表面材料的光混频器的结构示意图。
图2是图1的俯视图。
图3是图1的主视图。
图4是本发明实施例中基于超表面材料的光混频器的光路信号示意图。
图5是本发明实施例中一个单元格的结构示意图。
图6是本发明实施例中圆偏振光分束器的结构示意图。
图7是本发明实施例中圆偏振光分束器的一个单元格的结构示意图。
图8是图7的俯视图。
图9是本发明实施例中空间光分束器的结构示意图。
图10是本发明实施例中移相器的结构示意图。
附图标记：1-圆偏振光分束器；2-空间光分束器；3-移相器；4-方形透镜；5-光纤；6-信号光；7-本振光；8-硅纳米砖；9-二氧化硅基底。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。
参见图1、2、3所示，本发明实施例提供一种基于超表面材料的光混频器，该光混频器包括一个圆偏振光分束器1和两个相同的混频器：第一混频器A、第二混频器B，每个混频器包括一个空间光分束器2、4个移相器3和4个方形透镜4，圆偏振光分束器1、空间光分束器2和移相器3均采用超表面材料制成，超表面材料分为若干个均匀的单元格，每个单元格均包括二氧化硅基底和在二氧化硅基底上周期性分布的硅纳米砖阵列，硅纳米砖阵列的转角按一定规律周期排布，每个周期分布的硅纳米砖阵列包含若干均匀分布的朝向不同的长方体硅纳米砖。
圆偏振光分束器1使一束随机偏振态的入射光分解为两束旋向相反的圆偏光，实现左旋圆偏光和右旋圆偏光的分离。
空间光分束器2使每束入射圆偏光一分为四，在远场形成一定衍射角的均匀点阵。
移相器3使分束后的信号光6和本振光7产生0°、90°、180°或270°相对相移。
方形透镜4将信号光和本振光分别耦合入光纤5，实现相对相位差90°相干光输出。
参见图4所示，信号光S与本振光L经圆偏振光分束器1后，均分解为两束旋向相反的圆偏光，相同旋向的信号光和本振光进入同一个混频器，经过分束、移相，实现相干混频，耦合入光纤5，第一混频器A输出信号光和本振光的左旋圆偏光(LCP)分量：S1+L1、S1+jL1、S1-L1、S1-jL1；第二混频器B输出信号光和本振光的右旋圆偏光(RCP)分量：S2+L2、S2+jL2、S2-L2、S2-jL2，最终实现S1+L1、S1+jL1、S1-L1、S1-jL1、S2+L2、S2+jL2、S2-L2、S2-jL2八个具有相对相位差的相干光输出。
参见图5所示，每一个单元格内的硅基底上有周期分布的硅纳米砖，硅纳米砖的长度为L、宽度为W、高度为H，正方形单元格的边长为C，硅纳米砖长轴在硅纳米砖坐标系中的方向角为α。
长方体硅纳米砖的长、宽、高均为亚波长。
光波射入长方体硅纳米砖时，长方体硅纳米砖的长轴和短轴方向产生相位延迟，且保持振幅一致，即每一个长方体硅纳米砖等效为一个微型的相位延迟器。
圆偏振光分束器1是由硅纳米砖阵列周期排布构成的闪耀光栅。
相位延迟器的相位延迟为π时，实现半波片的相位调控功能。
半波片的琼斯矩阵是α为硅纳米砖长轴在硅纳米砖坐标系中的方向角，参见图5所示。
当入射光波为圆偏振光时，入射光波的琼斯矢量为：±代表旋向，i为虚数单位，出射光波为：经过硅纳米砖出射的光波变成旋向相反的圆偏光，且附加了一个±2α的相位延迟；只需改变硅纳米砖的转角，即可实现对入射光波连续的相位调制。
参见图6、7、8所示，圆偏振光分束器1的每个单元格内的二氧化硅基底9上排列有若干个沿x方向连续旋转的硅纳米砖8，单元格在x方向上长度为Px，在y方向上长度为Py，Px由光栅常数确定，Py＝C，C为正方形单元格的边长，硅纳米砖8的方向角α由所在位置坐标x确定，满足当单元格在x和y方向上周期性重复时，构成一个相位光栅，光栅常数d＝Px，此光栅其他衍射级次完全消失，只留下m＝±1级，分别是不同旋向的圆偏光，结合光栅方程d sinθ＝mλ，θ为出射光束的衍射角，λ为入射光的波长，m为衍射级次，当m＝±1时，出射光束的衍射角θ由光栅常数d唯一确定：
参见图9所示，空间光分束器2是由硅纳米砖8阵列周期排布构成的一分四的达曼分束光栅，将入射激光均分为等强度的M×N束，M为出射光束的横向光束数，N为出射光束的纵向光束数，M、N均为整数，可均匀排布，也可任意排布，在远场形成衍射角为90°的1×4个均匀点阵。
空间光分束器2内长方体硅纳米砖的相位由G-S(Gerchberg–Saxton)算法计算得到。
空间光分束器2内硅纳米砖8阵列的横向或纵向周期长度满足以下公式：dx＝λ0/sin(Δθx)，dy＝λ0/sin(Δθy)，其中，λ0为入射光的中心工作波长，dx为横向周期长度，dy为纵向周期长度，Δθx为横向衍射光束相邻级次之间的夹角，Δθy为纵向衍射光束相邻级次之间的夹角。
参见图10所示，每个移相器3中包含两种角度的硅纳米砖8阵列，分别作用于信号光和本振光，使信号光和本振光产生一定的相对相位差。
移相器3的功能是使通过同一个移相器的信号光和本振光产生相对相差，四个移相器分别使信号光和本振光产生0°、90°、180°、270°的相对相差。
参见图10所示，移相器3中信号光和本振光通过的不同区域加工出方位角分别为α1和α2的硅纳米砖阵列时，使信号光和本振光产生2(α1-α2)的相对相位差。因硅纳米砖8的周期数太多，图10中仅画出转角为α1的硅纳米砖4*4个，转角为α2的硅纳米砖4*4个。四个移相器分别使本振光和信号光产生0°、90°、180°、270°相对相差。
移相器3同样是使用超表面材料制造，和在圆偏光分束器1的相位调节功能一样，只需转动超表面材料中的硅纳米砖8，就可以实现出射光的相位控制。
方形透镜4的功能是使信号光和本振光耦合入光纤5。方形透镜4设计的原则是：在满足耦合条件的前提下，使器件整体结构紧凑，以提高集成度，为此，选择方形透镜的长度、宽度与移相器3一致。
方形透镜4满足以下约束条件：
式中，f为透镜焦距，n为透镜折射率，l为前后顶点间距，R1和R2分别为入射面和出射面曲率半径，r为信号光或本振光光束半径，NA为光纤数值孔径。
本发明实施例还提供一种基于超表面材料的光混频器的制备方法，包括以下步骤：
S1、设置以下参数：信号光直径、本振光直径、光纤数值孔径、圆偏振光分束器1的长宽、空间光分束器2的长宽、移相器的长宽，以及方形透镜的焦距、长、宽、镜面曲率半径、顶点间距，光混频器整体的长宽高，信号光或本振光经过圆偏振光分束器1后分解为两束衍射角为45度的左旋和右旋圆偏光，每束圆偏光经过空间光分束器后一分为四，发散角为90度，两两之间夹角30度；
S2、基于电磁仿真软件平台进行仿真，以左/右旋圆偏光垂直入射、右/左旋圆偏光的转化效率作为优化对象，扫描硅纳米砖的长度L、宽度W、高度H、正方形单元格的边长C，要求交叉偏振转化效率最高、同向偏振转化效率最低，经优化计算，得到优化参数；
S3、设计圆偏振光分束器1：根据步骤S1中的参数设计要求，确定出射圆偏振光衍射角θ，由计算出圆偏振光分束器1的单元格在x方向上长度Px，λ0为入射光的中心工作波长，θ为出射光束的衍射角，由计算出不同x处的硅纳米砖转角α；
S4、设计空间光分束器2：
依据公式：dx＝λ0/sin(Δθx)，dy＝λ0/sin(Δθy)，计算空间光分束器2的周期，λ0为入射光的中心工作波长，dx为横向周期长度，dy为纵向周期长度，Δθx为横向衍射光束相邻级次之间的夹角，Δθy为纵向衍射光束相邻级次之间的夹角，均匀分束数为1*4，与分束器法线夹角分别为±45°和±15°；
计算横向周期长度dx，设置单周期内横向单元数m；竖向不分束，计算竖向周期长度dy，设置单周期内竖向单元数n；采用经典优化算法设计空间光分束器2的单周期的位相分布，然后再由公式：确定每个硅纳米砖的转角，得到单周期硅纳米砖分布结构；构造周期结构分布的硅纳米砖，周期的数量取决于入射光斑的大小，要求包络入射光斑，以避免能量损失；
S5、设计移相器3：移相器3中信号光和本振光通过的不同区域加工出方位角分别为α1和α2的硅纳米砖阵列，令所有α1＝0，则第一混频器A的四个移相器3中硅纳米砖转角α2依次为0、π/4、π/2、3π/4；
S6、制造圆偏振光分束器1、空间光分束器2、移相器3、方形透镜4，圆偏振光分束器1、空间光分束器2、移相器3都采用超表面材料制成，基底为二氧化硅，在二氧化硅基底上镀上一层一定厚度的硅，采用标准电子束光刻技术制备硅纳米砖阵列掩膜；然后通过反应离子刻蚀技术来制备硅纳米砖阵列；
S7、拼装组建两个相同的混频器：第一混频器A、第二混频器B，每个混频器包括一个空间光分束器2、4个移相器3和4个方形透镜4；
将一个圆偏振光分束器1、第一混频器A、第二混频器B拼装组建为一个完整的基于超表面材料的光混频器，并进行实验验证：
圆偏振光分束器1使一束随机偏振态的入射光分解为两束旋向相反的圆偏光，实现左旋圆偏光和右旋圆偏光的分离；
空间光分束器2使每束入射圆偏光一分为四，在远场形成一定衍射角的均匀点阵；
移相器3使分束后的信号光和本振光产生0°、90°、180°或270°相对相差；
方形透镜4将信号光和本振光分别耦合入光纤5，实现相对相位差90°相干光输出；
信号光S与本振光L经圆偏振光分束器1后，均分解为两束旋向相反的圆偏光，相同旋向的信号光和本振光进入同一个混频器，经过分束、移相，实现相干混频，耦合入光纤5，第一混频器A输出信号光和本振光的左旋圆偏光分量：S1+L1、S1+jL1、S1-L1、S1-jL1；第二混频器B输出信号光和本振光的右旋圆偏光分量：S2+L2、S2+jL2、S2-L2、S2-jL2，最终实现S1+L1、S1+jL1、S1-L1、S1-jL1、S2+L2、S2+jL2、S2-L2、S2-jL2八个具有相对相位差的相干光输出。
下面通过一个具体实施例进行详细说明。
参见图1、2、3所示，基于超表面材料的光混频器包含一个圆偏振光分束器1、两个空间光分束器2、八个移相器3、八个方形透镜4，总计四种部件。信号光6经过圆偏振光分束器1后，分解为两束旋向相反的圆偏光，左右旋圆偏光分别进入两个空间光分束器2。两束圆偏光被空间光分束器2二分为八，再经移相器3后得到所需要的位相，最后由方形透镜4聚焦，耦合入光纤5，本振光7同理，最终实现信号光6和本振光7的相干混频。
参见图4所示，第一混频器A输出信号光和本振光的左旋圆偏光分量，四个输出端口的分量分别表示为：S1+L1、S1+jL1、S1-L1、S1-jL1；第二混频器B输出信号光和本振光的右旋圆偏光分量，四个输出端口的分量分别是：S2+L2、S2+jL2、S2-L2、S2-jL2。
利用超表面材料制备上述光混频器的步骤如下：
第一步、根据设计要求，设计出光混频器各构件的外观结构参数。设计参数包括：信号光和本振光直径1.8mm，光纤数值孔径0.12。选取中心工作波长λ0＝1547.5nm。为使结构尽量紧凑，圆偏振光分束器1、空间光分束器2和移相器3的长宽都设计为4*2mm，厚0.5mm。
信号光或本振光经过圆偏振光分束器后，分解为两束衍射角为45度的左旋和右旋圆偏光，每束圆偏光经过空间光分束器后一分为四，发散角为90度，两两之间夹角30度。
方形透镜4的透镜焦距15mm，长宽为2*4mm，镜面曲率半径R＝15mm，前后顶点间距l＝2.8mm，光混频器整体尺寸(不包括光纤，长宽高分别为XYZ方向)29*29*4mm。
第二步、优化单元格的结构参数。
此步骤基于CST Studio、Comsol等电磁仿真软件平台完成。仿真以左旋(或者右旋)圆偏光垂直入射、以右旋(或者左旋)圆偏光的转化效率作为优化对象，参见图5所示，扫描硅纳米砖的长度L、宽度W和高度H、正方形单元格的边长C，以期获得最佳参数。要求交叉偏振(左旋→右旋，或右旋→左旋)的转化效率最高、同向偏振(左旋→左旋，或右旋→右旋)的转化效率最低。经优化计算，得到优化参数为：L＝450nm，W＝190nm，H＝920nm，C＝620nm。
第三步、进行圆偏光分束器1的具体设计。
参见图6、7、8所示，根据第一步的参数设计要求，确定出射圆偏振光衍射角θ＝45°，由计算得圆偏振光分束器1的单元格在x方向上长度Px＝2.2μm，由计算得不同x处的硅纳米砖8的转角
第四步、进行空间光分束器2的具体设计。
参见图9所示，依据公式：dx＝λ0/sin(Δθx)，dy＝λ0/sin(Δθy)计算空间光分束器2的周期，均匀分束数为1*4，与分束器法线夹角分别为±45°和±15°。正方形单元格的边长C＝0.62μm，Δθx取14.5°，横向周期长度dx＝6.2μm，单周期内横向单元数m＝10；竖向不分束，周期长度dy＝0.62μm，单周期内竖向单元数n＝1。
参见图9所示，采用经典优化算法，例如G-S算法等，设计空间光分束器2的单周期的位相分布，然后再由公式：
确定每个硅纳米砖8的转角，得到单周期硅纳米砖的分布，参见图9所示。
构造周期结构分布的硅纳米砖，周期的数量取决于入射光斑的大小，要求能够包络入射光斑以避免能量损失。本实施例中x和y方向需要构造322*6450个硅纳米砖周期单元。
第五步、进行移相器3的具体设计。
参见图10所示，90°光混频器要求四个输出端口信号光与本振光相位差依次为0°、90°、180°、270°，因此，令所有α1＝0，则第一混频器A的四个移相器3中硅纳米砖的转角α2依次为0、π/4、π/2、3π/4。每个移相器3包含3225*3225个转角为α1的硅纳米砖和3225*3225个转角为α2的硅纳米砖。
第六步、制造圆偏振光分束器1、空间光分束器2、移相器3、方形透镜4。
圆偏振光分束器1、空间光分束器2、移相器3都由超表面材料制成，基底为二氧化硅，首先在二氧化硅基底9上镀上一层一定厚度的硅，然后采用标准电子束光刻技术制备硅纳米砖8阵列掩膜。在此之后，通过反应离子刻蚀(RIE)来制备硅纳米砖8阵列。
第七步、拼装组建光混频器，并进行实验验证。
先拼装组建两个相同的混频器：第一混频器A、第二混频器B，每个混频器包括一个空间光分束器2、4个移相器3和4个方形透镜4；再将一个圆偏振光分束器1、第一混频器A、第二混频器B拼装组建为一个完整的基于超表面材料的光混频器，并进行实验验证：
圆偏振光分束器1使一束随机偏振态的入射光分解为两束旋向相反的圆偏光，实现左旋圆偏光和右旋圆偏光的分离；
空间光分束器2使每束入射圆偏光一分为四，在远场形成一定衍射角的均匀点阵；
移相器3使分束后的信号光和本振光产生0°、90°、180°或270°相对相差；
方形透镜4将信号光和本振光分别耦合入光纤5，实现相对相位差90°相干光输出；
信号光S与本振光L经圆偏振光分束器1后，均分解为两束旋向相反的圆偏光，相同旋向的信号光和本振光进入同一个混频器，经过分束、移相，实现相干混频，耦合入光纤5，第一混频器A输出信号光和本振光的左旋圆偏光分量：S1+L1、S1+jL1、S1-L1、S1-jL1；第二混频器B输出信号光和本振光的右旋圆偏光分量：S2+L2、S2+jL2、S2-L2、S2-jL2，最终实现S1+L1、S1+jL1、S1-L1、S1-jL1、S2+L2、S2+jL2、S2-L2、S2-jL2八个具有相对相位差的相干光输出。
本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种修改和变型，倘若这些修改和变型在本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则这些修改和变型也在本发明的保护范围之内。
说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种基于超表面材料的光混频器，其特征在于：该光混频器包括一个圆偏振光分束器(1)和两个相同的混频器：第一混频器A、第二混频器B，每个混频器包括一个空间光分束器(2)、4个移相器(3)和4个方形透镜(4)，所述圆偏振光分束器(1)、空间光分束器(2)和移相器(3)均采用超表面材料制成，超表面材料分为若干个均匀的单元格，每个单元格均包括二氧化硅基底和在二氧化硅基底上周期性分布的硅纳米砖阵列，硅纳米砖阵列的转角按一定规律周期排布，每个周期分布的硅纳米砖阵列包含若干均匀分布的朝向不同的长方体硅纳米砖；
圆偏振光分束器(1)使一束随机偏振态的入射光分解为两束旋向相反的圆偏光，实现左旋圆偏光和右旋圆偏光的分离；
空间光分束器(2)使每束入射圆偏光一分为四，在远场形成一定衍射角的均匀点阵；
移相器(3)使分束后的信号光和本振光产生0°、90°、180°或270°相对相差；
方形透镜(4)将信号光和本振光分别耦合入光纤(5)，实现相对相位差90°相干光输出；
信号光S与本振光L经圆偏振光分束器(1)后，均分解为两束旋向相反的圆偏光，相同旋向的信号光和本振光进入同一个混频器，经过分束、移相，实现相干混频，耦合入光纤(5)，第一混频器A输出信号光和本振光的左旋圆偏光分量：S1+L1、S1+jL1、S1-L1、S1-jL1；第二混频器B输出信号光和本振光的右旋圆偏光分量：S2+L2、S2+jL2、S2-L2、S2-jL2，最终实现S1+L1、S1+jL1、S1-L1、S1-jL1、S2+L2、S2+jL2、S2-L2、S2-jL2八个具有相对相位差的相干光输出。
2.如权利要求1所述的基于超表面材料的光混频器，其特征在于：所述长方体硅纳米砖的长、宽、高均为亚波长；光波射入长方体硅纳米砖时，长方体硅纳米砖的长轴和短轴方向产生相位延迟，且保持振幅一致，即每一个长方体硅纳米砖等效为一个微型的相位延迟器。
3.如权利要求2所述的基于超表面材料的光混频器，其特征在于：所述圆偏振光分束器(1)是由硅纳米砖阵列周期排布构成的闪耀光栅。
4.如权利要求3所述的基于超表面材料的光混频器，其特征在于：所述相位延迟器的相位延迟为π时，实现半波片的相位调控功能；半波片的琼斯矩阵是α为硅纳米砖长轴在硅纳米砖坐标系中的方向角，入射光波为圆偏振光时，入射光波的琼斯矢量为：±代表旋向，i为虚数单位，出射光波为：经过硅纳米砖出射的光波变成旋向相反的圆偏光，且附加了一个±2α的相位延迟；只需改变硅纳米砖的转角，即可实现对入射光波连续的相位调制。
5.如权利要求4所述的基于超表面材料的光混频器，其特征在于：所述圆偏振光分束器(1)的每个单元格包括若干个沿x方向连续旋转的硅纳米砖，单元格在x方向上长度为Px，在y方向上长度为Py，Px由光栅常数确定，Py＝C，C为正方形单元格的边长，硅纳米砖的方向角α由所在位置坐标x确定，满足当单元格在x和y方向上周期性重复时，构成一个相位光栅，光栅常数d＝Px，此光栅其他衍射级次完全消失，只留下m＝±1级，分别是不同旋向的圆偏光，结合光栅方程dsinθ＝mλ，θ为出射光束的衍射角，λ为入射光的波长，m为衍射级次，当m＝±1时，出射光束的衍射角θ由光栅常数d唯一确定：
6.如权利要求2所述的基于超表面材料的光混频器，其特征在于：所述空间光分束器(2)是由硅纳米砖阵列周期排布构成的一分四的达曼分束光栅，将入射激光均分为等强度的M×N束，M为出射光束的横向光束数，N为出射光束的纵向光束数，M、N均为整数，在远场形成衍射角为90°的1×4个均匀点阵。
7.如权利要求6所述的基于超表面材料的光混频器，其特征在于：所述空间光分束器(2)内硅纳米砖阵列的横向或纵向周期长度满足以下公式：dx＝λ0/sin(Δθx)，dy＝λ0/sin(Δθy)，其中，λ0为入射光的中心工作波长，dx为横向周期长度，dy为纵向周期长度，Δθx为横向衍射光束相邻级次之间的夹角，Δθy为纵向衍射光束相邻级次之间的夹角。
8.如权利要求2所述的基于超表面材料的光混频器，其特征在于：每个移相器(3)中包含两种角度的硅纳米砖阵列，分别作用于信号光和本振光，使信号光和本振光产生一定的相对相位差；所述移相器中信号光和本振光通过的不同区域加工出方位角分别为α1和α2的硅纳米砖阵列时，使信号光和本振光产生2(α1-α2)的相对相位差。
9.如权利要求1所述的基于超表面材料的光混频器，其特征在于：所述方形透镜(4)满足以下约束条件：
式中，f为透镜焦距，n为透镜折射率，l为前后顶点间距，R1和R2分别为入射面和出射面曲率半径，r为信号光或本振光光束半径，NA为光纤数值孔径。
10.一种基于超表面材料的光混频器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、设置以下参数：信号光直径、本振光直径、光纤数值孔径、圆偏振光分束器(1)的长宽、空间光分束器(2)的长宽、移相器的长宽，以及方形透镜的焦距、长、宽、镜面曲率半径、顶点间距，光混频器整体的长宽高，信号光或本振光经过圆偏振光分束器(1)后分解为两束衍射角为45度的左旋和右旋圆偏光，每束圆偏光经过空间光分束器后一分为四，发散角为90度，两两之间夹角30度；
S2、基于电磁仿真软件平台进行仿真，以左/右旋圆偏光垂直入射、右/左旋圆偏光的转化效率作为优化对象，扫描硅纳米砖的长度L、宽度W、高度H、正方形单元格的边长C，要求交叉偏振转化效率最高、同向偏振转化效率最低，经优化计算，得到优化参数；
S3、设计圆偏振光分束器(1)：根据步骤S1中的参数设计要求，确定出射圆偏振光衍射角θ，由计算出圆偏振光分束器(1)的单元格在x方向上长度Px，λ0为入射光的中心工作波长，θ为出射光束的衍射角，由计算出不同x处的硅纳米砖转角α；
S4、设计空间光分束器(2)：依据公式：dx＝λ0/sin(Δθx)，dy＝λ0/sin(Δθy)，计算空间光分束器(2)的周期，λ0为入射光的中心工作波长，dx为横向周期长度，dy为纵向周期长度，Δθx为横向衍射光束相邻级次之间的夹角，Δθy为纵向衍射光束相邻级次之间的夹角，均匀分束数为1*4，与分束器法线夹角分别为±45°和±15°，计算横向周期长度dx，设置单周期内横向单元数m；竖向不分束，计算竖向周期长度dy，设置单周期内竖向单元数n；采用经典优化算法设计空间光分束器(2)的单周期的位相分布，然后再由公式：确定每个硅纳米砖的转角，得到单周期硅纳米砖分布结构；构造周期结构分布的硅纳米砖，周期的数量取决于入射光斑的大小，要求包络入射光斑，以避免能量损失；
S5、设计移相器(3)：移相器(3)中信号光和本振光通过的不同区域加工出方位角分别为α1和α2的硅纳米砖阵列，令所有α1＝0，则第一混频器A的四个移相器(3)中硅纳米砖转角α2依次为0、π/4、π/2、3π/4；
S6、制造圆偏振光分束器(1)、空间光分束器(2)、移相器(3)、方形透镜(4)，圆偏振光分束器(1)、空间光分束器(2)、移相器(3)都采用超表面材料制成，基底为二氧化硅，在二氧化硅基底上镀上一层一定厚度的硅，采用标准电子束光刻技术制备硅纳米砖阵列掩膜；然后通过反应离子刻蚀技术来制备硅纳米砖阵列；
S7、拼装组建两个相同的混频器：第一混频器A、第二混频器B，每个混频器包括一个空间光分束器(2)、4个移相器(3)和4个方形透镜(4)；
将一个圆偏振光分束器(1)、第一混频器A、第二混频器B拼装组建为一个完整的基于超表面材料的光混频器，并进行实验验证：
圆偏振光分束器(1)使一束随机偏振态的入射光分解为两束旋向相反的圆偏光，实现左旋圆偏光和右旋圆偏光的分离；
空间光分束器(2)使每束入射圆偏光一分为四，在远场形成一定衍射角的均匀点阵；
移相器(3)使分束后的信号光和本振光产生0°、90°、180°或270°相对相差；
方形透镜(4)将信号光和本振光分别耦合入光纤(5)，实现相对相位差90°相干光输出；
信号光S与本振光L经圆偏振光分束器(1)后，均分解为两束旋向相反的圆偏光，相同旋向的信号光和本振光进入同一个混频器，经过分束、移相，实现相干混频，耦合入光纤(5)，第一混频器A输出信号光和本振光的左旋圆偏光分量：S1+L1、S1+jL1、S1-L1、S1-jL1；第二混频器B输出信号光和本振光的右旋圆偏光分量：S2+L2、S2+jL2、S2-L2、S2-jL2，最终实现S1+L1、S1+jL1、S1-L1、S1-jL1、S2+L2、S2+jL2、S2-L2、S2-jL2八个具有相对相位差的相干光输出。
CN201711293262.1A 2017-12-08 2017-12-08 基于超表面材料的光混频器及其制备方法 Active CN107861257B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201711293262.1A CN107861257B (zh) 2017-12-08 2017-12-08 基于超表面材料的光混频器及其制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201711293262.1A CN107861257B (zh) 2017-12-08 2017-12-08 基于超表面材料的光混频器及其制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN107861257A CN107861257A (zh) 2018-03-30
CN107861257B true CN107861257B (zh) 2019-09-27

Family

ID=61705242

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201711293262.1A Active CN107861257B (zh) 2017-12-08 2017-12-08 基于超表面材料的光混频器及其制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN107861257B (zh)

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108663740B (zh) * 2018-06-06 2020-05-26 武汉大学 基于电介质纳米砖超材料的线偏振光起偏器及制备方法
CN108828717B (zh) * 2018-06-08 2019-08-20 武汉大学 基于超表面闪耀光栅的光路单向导通元件结构及其应用
CN108897089A (zh) * 2018-08-09 2018-11-27 武汉邮电科学研究院有限公司 基于硅纳米砖阵列的宽带反射式半波片及其制备方法
CN109239851B (zh) * 2018-08-17 2020-07-28 武汉邮电科学研究院有限公司 一种基于线偏振的光纤耦合器及其制造与使用方法
CN109031530B (zh) * 2018-08-17 2020-05-05 武汉邮电科学研究院有限公司 一种基于圆偏振的光纤耦合器及其制造与使用方法
CN109683334B (zh) * 2019-01-16 2021-07-27 南方科技大学 一种透射式光分束器及其制造方法
CN110426783B (zh) * 2019-05-06 2021-04-20 武汉大学 一种基于微纳半波片的多功能超表面
CN110971297B (zh) * 2019-11-05 2021-08-10 武汉邮电科学研究院有限公司 基于超表面微纳芯片的室内光无线通信系统及方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN201541265U (zh) * 2009-11-18 2010-08-04 福州高意通讯有限公司 一种光混频器
CN102253499A (zh) * 2011-06-27 2011-11-23 长春理工大学 双路90°光混频器
CN204422813U (zh) * 2015-02-11 2015-06-24 武汉大学 一种透射式硅纳米阵列光分束器
CN104777545A (zh) * 2015-05-05 2015-07-15 武汉大学 一种硅纳米砖阵列偏振分光器
CN105629463A (zh) * 2016-01-20 2016-06-01 浙江大学 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

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20140085693A1 (en) * 2012-09-26 2014-03-27 Northeastern University Metasurface nanoantennas for light processing

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN201541265U (zh) * 2009-11-18 2010-08-04 福州高意通讯有限公司 一种光混频器
CN102253499A (zh) * 2011-06-27 2011-11-23 长春理工大学 双路90°光混频器
CN204422813U (zh) * 2015-02-11 2015-06-24 武汉大学 一种透射式硅纳米阵列光分束器
CN104777545A (zh) * 2015-05-05 2015-07-15 武汉大学 一种硅纳米砖阵列偏振分光器
CN105629463A (zh) * 2016-01-20 2016-06-01 浙江大学 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

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
《Dielectric gradient metasurface optical elements》;Dianmin Lin etc;《applied optics》;20140718;全文 *
《Silicon nanofin grating as a miniature chirality-distinguishing beam-splitter》;Mohammadreza Khorasaninejad,Kenneth B.Crozier;《nature communications》;20141112;全文 *
《基于超表面的光学波片和表面等离激光耦合器的设计》;代艳萌;《中国博士学位论文全文数据库（电子期刊） 信息科技辑》;20160331;全文 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN107861257A (zh) 2018-03-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107861257B (zh) 基于超表面材料的光混频器及其制备方法
CN105629463B (zh) 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
CN107884865B (zh) 基于硅纳米砖超材料的圆偏振起偏器及制备方法
JP2021012376A (ja) メタ表面及びメタ表面の製造方法
Huang et al. Leaky-wave metasurfaces for integrated photonics
CN105549130B (zh) 一种基于偏振态控制的双档变焦透镜
CN106772813A (zh) 基于相位光栅阵列的分辨率可调波长选择开关及控制方法
CN109212741B (zh) 一种连续变焦透镜及光学系统
CN108663740B (zh) 基于电介质纳米砖超材料的线偏振光起偏器及制备方法
Zhu et al. Polarization‐multiplexed silicon metasurfaces for multi‐channel visible light modulation
US9753219B2 (en) Optical coupler with forked grating structure
Achouri et al. Comparison of two synthesis methods for birefringent metasurfaces
Bai et al. Spin-symmetry breaking through metasurface geometric phases
CN109164536B (zh) 基于超表面材料的智能光功率分配器件
CN107783309A (zh) 金属纳米砖阵列结构及其用作偏振分光器的应用
Huo et al. Photonic spin-controlled generation and transformation of 3D optical polarization topologies enabled by all-dielectric metasurfaces
Yang et al. Abnormal topological refraction into free medium at subwavelength scale in valley phononic crystal plates
KR102292826B1 (ko) 선형 편광에 대한 편광 선택적 메타표면을 이용한 트리포시 메타렌즈 소자
Tsitsas et al. Anomalous refraction into free space with all-dielectric binary metagratings
Ren et al. Y-shaped beam splitter by graded structure design in a photonic crystal
Jiang et al. Progress in integrated devices for optical vortex emission
JP6917076B2 (ja) 光学素子及び光回路
Luo et al. Dynamics of diverse polarization singularities in momentum space with far-field interference
Camayd-Muñoz Integrated zero-index metamaterials
CN111061000B (zh) 一种叉形光栅及其设计方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant