CN110068889A - 一种硅基人工微结构超表面波导耦合器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种硅基人工微结构超表面波导耦合器，包括基底、二氧化硅层、顶层，顶层包括左侧的人工微结构超表面和右侧的波导，人工微结构超表面置于光波导端口的一侧；入射光垂直向下照射，在人工微结构超表面获得相位延迟，引入了额外的表面横向波矢，表面横向波矢与波导工作模式的有效横向波矢相等，满足波导耦合的波矢匹配条件，从而将垂直入射的光耦合到波导中单向传播。本发明通过设计硅基人工微结构超表面，使垂直入射的线偏振光高效地耦合进入光波导，并使其在光波导内单向传播，抑制了光波导中光反向耦合入自由空间的过程，进一步提高了空间光到光波导的耦合效率；能够与现有的CMOS加工工艺兼容，极大的降低了成本，具有广泛的市场前景。
Description
技术领域
本发明属于光信息传输及光学芯片集成领域，尤其涉及一种硅基人工微结构超表面波导耦合器。
背景技术
光波导结构是片上光集成的重要组成部分之一。为了实现光纤系统和集成光波导的交互，人们设计了各式各样的耦合器，例如光栅耦合器、棱镜耦合器和边缘耦合器。然而这几种耦合器都面临着许多问题，比如光在耦合进入波导的同时也会从波导反向耦合到空间中，这极大地限制了耦合效率。此外，由于光栅与棱镜都属于空间对称结构，为了实现耦合光沿着波导单向传播，入射光束不能垂直于耦合器表面，而是通常与波导面的垂线有一个夹角倾斜入射，这抬高了系统封装和集成的成本，并增大了其与光源集成的难度。
人工微结构超表面由大量具有特殊散射或共振特性的亚波长结构单元按照一定的规律排列在二维平面上构建而成，具有调控入射电磁波(包括光波)的偏振、相位、场强或色散特性的能力。通过设计单元结构并合理的将其组合排布，人们能够实现对光的各种特性进行更灵活的调控，而且硅基的人工微结构超表面同时具有与互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺兼容、尺寸小、通讯波段透明、抗辐射等优点。因此人工微结构超表面被成功地应用于多种光子器件中，例如超薄透镜[1]、波导模式转换器[2]等，然而尚没有被用于构建波导耦合器。
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发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种硅基人工微结构超表面波导耦合器，将沿垂直于波导方向向下入射的光波耦合入光波导中并沿单一方向传播。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：
一种硅基人工微结构超表面的波导耦合器，包括基底、二氧化硅层、顶层，顶层包括左侧的人工微结构超表面和右侧的波导，人工微结构超表面置于光波导端口的一侧；入射光垂直向下照射，在人工微结构超表面获得相位延迟，引入了额外的表面横向波矢，表面横向波矢与波导工作模式的有效横向波矢相等，满足波导耦合的波矢匹配条件，从而将垂直入射的光耦合到波导中单向传播。
所述的人工微结构超表面为周期性结构，每个周期中包括N个结构单元，N≥3，每个结构单元包含一个硅块。
所述的人工微结构超表面，通过改变结构单元的宽度和硅块的宽度，调整入射光带来的相位延迟。
所述的人工微结构超表面，通过改变结构单元的排布，获得以梯度形式分布的相位延迟。
所述的硅块的高度和波导厚度相同。
所述的硅块的切面为矩形，包括但不限于圆柱形、矩形柱。
所述的入射光的波长λ范围是400nm<λ<10μm。
所述的相位延迟为0～2π。
本发明有益效果如下：
本发明通过设计硅基人工微结构超表面，使垂直入射的线偏振光高效地耦合进入光波导，并使其在光波导内单向传播；
本发明使用硅基人工微结构超表面，抑制了光波导中光反向耦合入自由空间的过程，进一步提高了空间光到光波导的耦合效率；
能够与现有的CMOS加工工艺兼容，极大的降低了成本，具有广泛的市场前景。
附图说明
图1为硅基人工微结构超表面波导耦合器截面结构示意图；
图2为硅基人工微结构超表面波导耦合器俯视图；
图3为硅基人工微结构超表面单元结构示意图；
图4为硅基人工微结构超表面波导耦合器工作时电场分布图；
图中，人工微结构超表面1、光源2、基底3、二氧化硅层4、波导5。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步阐述。
如图1、2所示，一种硅基人工微结构超表面的波导耦合器，包括基底3、二氧化硅层4、顶层，顶层包括左侧的人工微结构超表面1和右侧的波导5，人工微结构超表面置于光波导端口的一侧；入射光2垂直射入人工微结构超表面获得相位延迟，引入了额外的表面横向波矢，表面横向波矢与波导工作模式的有效横向波矢相等，满足波导耦合的波矢匹配条件，从而将垂直入射的光耦合到波导5中单向传播。
人工微结构超表面1为周期性结构，每个周期中包括N个结构单元，其中N≥3，单元结构如图3所示，每个结构单元包含一个硅块。
如图3所示，每个单元结构中硅块的切面为矩形。
为了便于加工，上述硅块的高度和波导厚度相同。
通过改变结构单元的宽度和硅块的宽度，调整入射光带来的相位延迟，此相位延迟可以通过电磁全波仿真方式获取。
通过调整结构单元的宽度和硅块的宽度，每个单元结构给入射光带来的相位延迟取值可以覆盖0～2π的范围。
选取具有特定结构单元宽度和硅块宽度的单元结构组，将其沿x方向依次排列，使其带来的相位延迟沿x方向按照梯度形式分布。
在上述的设计过程中，入射到此硅基人工微结构超表面的波导耦合器的光的波长为λ，其范围是400nm<λ<10μm。
下面我们将使用两个实施例对其进行进一步说明。
实施例1一种硅基人工微结构超表面波导耦合器的设计
在可见光到中红外范围内，即波长在400nm:10μm范围内选择需要的工作波长λ，根据波矢匹配条件由相应波导工作模式的等效折射率neff计算出人工微结构超表面所需要提供的横向波矢kx，根据广义的斯涅耳定律，界面折射公式可以写成：
其中ni为入射介质的折射率，在垂直入射的情况下，入射角θi＝0°。为了满足波导耦合的波矢匹配条件，人工微结构超表面需要提供的相位梯度应当满足如下表达式：
在以每N(N≥3)个结构单元为一个大周期结构中(采用是四边形结构的周期排列)，由于每个大周期结构的相位变化为2π，因此人工微结构超表面每个结构单元的总宽度Λi与其提供的相位梯度有如下关系：
由于真空中的波矢可以写为k0＝2π/λ，结合公式(2)和公式(3)，可以得到每个结构单元的总宽度Λi所需满足的关系式可以表达为：
如图1所示，入射线偏振光沿Z轴负方向传播，垂直照射人工微结构超表面，超表面以每N(N≥3)个结构单元为一个大周期结构，大周期总长度为pm＝Λ1+Λ2...+ΛN，根据公式(4)计算得到每个结构单元的总宽度Λi所需满足的条件。
人工微结构超表面为周期性结构，每个周期中包括N个结构单元，其中N≥3，单元结构如图3所示，每个结构单元包含一个硅块。本实例中硅块为长条形，如图3所示，其厚度为t，宽度为Lx。通过改变结构单元的总宽度Λi和其中条形硅块的宽度Lx，可以调整单元给入射光带来的相位延迟，获得0～2π范围内的相位延迟。选取一组共N个单元总宽度参数和硅块宽度参数，分别记做Λ1～ΛN和Lx1～LxN，对应的相位延迟分别为φ1～φN。其中沿波导传播方向(以下称为x方向)的每两个相邻单元给入射光带来的相位延迟的差值相同，均为(2π/N)，即φi+1-φi＝φ1-φN＝2π/N,(i＝1,2,...,N-1)。从而构成公式(3)所描述的相位梯度。通过这种方式我们获得了以横向N个单元结构构成的单元组为大周期的硅基人工微结构超表面。这样，在人工微结构超表面上，引入了额外的表面横向波矢kx＝2π/pm，当这个额外的表面横向波矢kx与波导工作模式的有效横向波矢keff＝neff·(2π/λ)相等时，则满足了波导耦合的波矢匹配条件，能够将垂直入射的光高效地耦合到波导中。
然后，将设计的硅基人工微结构超表面置于光波导的一侧，使用光纤从上方垂直射入具有y偏振的入射光，则可以观察到入射光经过本耦合器进入光波导并在光波导内单向传播。
实施例2工作在1550nm的硅基人工微结构超表面波导耦合器
根据上述设计方法，设计一个基于人工微结构超表面的波导耦合器，工作波长在1550nm，实现将垂直入射的线偏振光单向耦合到360nm厚的硅波导中。波导的下包层为二氧化硅(折射率为1.44)，背景材料空气。并进行相关仿真验证。
通过计算可以得到一个波导模式的等效折射率neff＝1.45，超表面选取以每N＝3个结构单元为一个大周期结构。由公式(4)可得每个大周期的总长度为1070nm。通过使用数值方法计算出具有不同总宽度和硅块宽度的单元结构带来的相位延迟，然后根据公式相位梯度条件可以选取如下三个尺寸的结构单元：(Λ1＝191nm，L1＝50nm)、(Λ2＝359nm，L2＝159nm)、(Λ3＝520nm，L3＝485nm)，对应的相位延迟依次为0°、93°、147°。其构成的横向相位延迟梯度为360°/1070nm，由公式(2)可得额外的表面横向波矢kx＝1.45k0，其中k0为真空中的波矢大小，可见这个额外的表面横向波矢kx与波导工作模式的有效横向波矢接近，满足了波导耦合的波矢匹配条件。当入射光沿垂直于波导平面的方向入射时，经过此硅基人工微结构超表面耦合器时的电场分布如图4所示，可以观察到入射光被高效地耦合进入了波导中并向右单向传播，具有很高的实用价值。
Claims (8)
1.一种硅基人工微结构超表面的波导耦合器，其特征在于，包括基底、二氧化硅层、顶层，顶层包括左侧的人工微结构超表面和右侧的波导，人工微结构超表面置于光波导端口的一侧；入射光垂直向下照射，在人工微结构超表面获得相位延迟，引入了额外的表面横向波矢，表面横向波矢与波导工作模式的有效横向波矢相等，满足波导耦合的波矢匹配条件，从而将垂直入射的光耦合到波导中单向传播。
2.如权利要求1所述的波导耦合器，其特征在于，所述的人工微结构超表面为周期性结构，每个周期中包括N个结构单元，N≥3，每个结构单元包含一个硅块。
3.如权利要求2所述的波导耦合器，其特征在于，所述的人工微结构超表面，通过改变结构单元的宽度和硅块的宽度，调整入射光带来的相位延迟。
4.如权利要求2所述的波导耦合器，其特征在于，所述的人工微结构超表面，通过改变结构单元的排布，获得以梯度形式分布的相位延迟。
5.如权利要求2所述的波导耦合器，其特征在于，所述的硅块的高度和波导厚度相同。
6.如权利要求2所述的波导耦合器，其特征在于，所述的硅块的切面为矩形，包括但不限于圆柱形、矩形柱。
7.如权利要求1所述的波导耦合器，其特征在于，所述的入射光的波长λ范围是400 nm<λ<10μm。
8.如权利要求1所述的波导耦合器，其特征在于，所述的相位延迟为0~2π。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |