CN108037561A - 一种基于超表面的芯片激光雷达位相调控的波导结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超表面的芯片激光雷达位相调控的波导结构，用于解决现有的光栅波导透过率小，不能实现相位调控的问题。该结构由很多高折射率材料的单元结构组成的，这些单元结构构成了很多个电、磁偶极共振，通过相邻粒子之间的相互耦合作用在近红外波段传输光能量。该发明设计通过等效介质理论、材料的掺杂浓度分析和电磁场的边界条件来建立亚波长波导结构的阻抗与其出射相位的关系；构造出合适的结构，通过多次结构优化其结构参数同时实现大角度的相位调控和高能量利用率。

Description

一种基于超表面的芯片激光雷达位相调控的波导结构

技术领域

本发明涉及亚波长结构材料技术领域，特别涉及一种基于超表面的芯片激光雷达位相调控的波导结构。

背景技术

近年来，超构表面因为其独特的物理性质(极强的各项异性实现对电磁波的调控)引起了科学家们的广泛关注，相位作为电磁波的一种基本参量，因此在基于超表面的研究中位相调控是非常有吸引力的方向之一。目前来看，基于超表面在近红外波段的位相调控技术较少，主要在于实现每个单元结构的独立调控以及加工较为困难。因此，研究基于超表面纳米光波导在近红外波段的位相调控技术具有现实的意义和应用价值，随着集成技术的发展，尤其是基于超表面的片上集成技术的不断进步，将使得基于波导的位相调控技术具有广阔的研究前景。目前，光子通信利用表面等离子极化激元、表面等离子体共振腔之间的耦合和等离子与绝缘体之间的能量传导。尽管等离子体可以在亚波长尺度上束缚很高的能量，但是金属波导的传输会带来很高的传输损耗。在本发明设计中我们寻找了一种可以代替等离子体在亚波长尺度来传输能量的高折射率材料——Si。Si材料的折射率可以达到3.9，为在近红外波段同时操控电偶极子和磁偶极子提供了很好的有利条件。相比于等离子共振，这种材料有两个优势：1)、传输损耗非常小；2)、具有两种基本的偶极子共振(电和磁)。本发明设计提供了一种亚波长尺度的波导设计方法，设计出了亚波长尺度的波导结构，该波导结构由Si纳米结构平行排列构成，实现了近红外波段的能量传输。本发明设计出一种新型的直波导结构，该结构简单，易于实现调控，且能够产生大的位相偏折。

发明内容

本发明设计了一种基于亚波长的新型的波导结构，用于解决现有的Si光栅波导透过率小不能实现相位调控的问题。该结构由很多个平行排列的高折射率材料掺杂Si构成，这些掺杂Si构成了很多个电、磁偶极共振，通过相邻粒子之间的相互耦合作用在近红外波段传输光能量。该发明设计通过等效介质理论、掺杂Si的掺杂浓度分析和电磁场的边界条件来建立亚波长波导结构的阻抗与其出射相位的关系；构造出合适的结构，通过多次结构优化其结构参数同时实现大角度的相位调控和高能量利用率。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：

基于超表面的芯片激光雷达位相调控的波导结构，该波导结构是由多个等大小的圆柱形结构呈链状排列而成，该结构具有电、磁偶极子之间的相互耦合作用，从而实现能量的传输；实现了亚波长结构平行排列而成波导结构，该波导通过纳米结构之间的相互耦合作用传输光子能量；该结构实现了近红外波段的能量传输，具有非常小的能量损耗，通过对单波导进行调控，减小了制作工艺的复杂程度，且易实现大规模集成；实现大角度相位调控，通过改变波导有效折射率，从而高效的实现大角度位相调控。

其中，该波导结构采用掺杂Si材料，可以实现近红外波段能量的高效率传输，传输损耗很小，在波长达到1550nm时能量几乎能够全部通过。

其中，该波导结构对折射率变化非常敏感，通过对单根Si波导直接加热，，从而实现对出射光束较大的位相调控。

本发明具有的有益效果在于：

(1)、提供了一种亚波长尺度的波导结构，不仅可以减小电磁波在波导中传输的损耗，同时可以有效的操控电、磁偶极子的共振。当能量在波导中传输时，通过对该波导结构加热实现对Si材料的折射率改变，继而实现相位延迟。该方法可以有效的应用到激光雷达相控阵中去。

(2)、实现了亚波长结构平行排列而成波导结构，该波导通过纳米结构之间的相互耦合作用传输光子能量。

(3)、该结构实现了近红外波段的能量传输，具有非常小的能量损耗。本设计通过对单波导进行调控，减小了制作工艺的复杂程度，且易实现大规模集成。

(4)、实现大角度相位调控。本设计发明通过改变波导有效折射率，从而高效的实现大角度位相调控。

附图说明

图1为本发明设计的波导结构示意图；

图2为实施例中激光在Si波导中传播的散射强度；

图3为实施例中该结构的能量透射率随波长的变化图；

图4为实施例中不同折射率下0μm处的相位变化曲线；

图5为实施例中不同折射率下0μm处的相位变化曲线。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明。但以下的实施例仅限于解释本发明，本发明的保护范围应包括权利要求的全部内容，而且通过以下实施例本领域技术人员即可以实现本发明权利要求的全部内容。

1、如图1所示，按照本发明实施方式的一种基于超表面的芯片激光雷达位相调控的结构，包括：由多个亚波长尺度的圆柱平行排列的直波导结构。这些掺杂Si构成了很多个电、磁偶极共振，通过相邻粒子之间的相互耦合作用在近红外波段传输光能量。该发明设计通过等效介质理论、掺杂Si的掺杂浓度分析和电磁场的边界条件来建立亚波长波导结构的阻抗与其出射相位的关系；构造出合适的结构，通过多次结构优化其结构参数同时实现大角度的相位调控和高能量利用率。

2、该波导结构对于有效模式的计算，数学上可以表示为：

其中，s_z表示Z-方向的平均Poynting矢量。

3、为了探究理想情况下，激光在Si波导的传输情况。我们在波长为1500nm-1600nm进行仿真设计，设置Si波导的宽度为360nm(圆柱底面半径为180nm)，高度为360nm，使其满足Si光波导单模传输条件。

4、为了验证本发明设计的基于超表面的芯片激光雷达位相调控技术的结构，我们利用商业软件FDTD Solutions(加拿大Lumerical公司)的三维有限时域差分方法对本发明的实施例设计进行了仿真计算。仿真中采用了，平面波入射模拟激光照射，并且在Si波导两端(1μm处)设置两个场监视器(Field monitor)记录入射与出射光束的场强与位相分布。周围采用完美匹配边界条件(PML)用来减小环境对光束传播的影响。仿真网格精度设置为dx＝dy＝dz＝10nm。得到平面波在波导中传输的场分布图，如图2所示，在平面波传输的过程中模式没有发生变化，且大部分的能量都被耦合在了波导中，实现了高传输效率。

5、传统理想直波导的能量利用率最大可以达到100％，本发明设计的基于超表面的芯片激光雷达位相调控技术的结构，由于单元结构之间有耦合作用，如图3所示，在波长为1.53μm处能量透过率超过了100％。

6、为了详细的对该发明设计结构的性能进行研究，我们设计了不同折射率的位相调制性能。我们改变Si波导的折射率从3.47-3.48，每隔0.002变化一次。仿真得到在波长为1.55μm附近的不同折射率在波导的0μm处(图4)和10μm处(图5)的相位变化。在0μm处，波导随折射率的变化，相位改变了45°。在10μm处，波导随折射率的变化，相位改变了214°。

7、为了突出该发明设计的优势，我们测试了同样长度传统直波导在相同位置处的相位变化。如图5所示，传统直波导在0μm处和10μm处的相位变化，我们发现新型的波导相位变化范围提高了3.76倍，对折射率的变化更加敏感。

因此，上面结合附图对本发明的结构进行了详细的描述。但是本发明不局限于上述的具体实施方式，上述的实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的。将Si波导和SiO2衬底的材料互换，本发明设计的结构可以作为相位调制器应用在可见光波段。本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员公知的技术。本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合修改或者同等替换，都脱离不了本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.基于超表面的芯片激光雷达位相调控的波导结构，其特征在于：该波导结构是由多个等大小的圆柱形结构呈链状排列而成，该结构具有电、磁偶极子之间的相互耦合作用，从而实现能量的传输；实现了亚波长结构平行排列而成波导结构，该波导通过纳米结构之间的相互耦合作用传输光子能量；该结构实现了近红外波段的能量传输，具有非常小的能量损耗，通过对单波导进行调控，减小了制作工艺的复杂程度，且易实现大规模集成；实现大角度相位调控，通过改变波导有效折射率，从而高效的实现大角度位相调控。

2.根据权利要求1所述的基于超表面的芯片激光雷达位相调控的波导结构，其特征在于：该波导结构采用掺杂Si材料，可以实现近红外波段能量的高效率传输，传输损耗很小，在波长达到1550nm时能量几乎能够全部通过。

3.根据权利要求1或2所述的基于超表面的芯片激光雷达位相调控的波导结构，其特征在于：该波导结构对折射率变化非常敏感，通过对单根Si波导直接加热，从而实现对出射光束较大的位相调控。