CN110703466A - 一种二元相变光调制单元、调制方法、光调制装置及设备 - Google Patents

一种二元相变光调制单元、调制方法、光调制装置及设备 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种二元相变光调制单元、调制方法、光调制装置及设备。所述单元包括：至少三个调制柱、透明基板；所有所述调制柱平行间隔设置，且垂直安装在所述透明基板的同一侧面；其中，所述调制柱采用二元相变材料制成，调控所述调制柱的形态以用于对光场的相位或振幅进行调制。所述调制柱采用二元相变材料制成，因二元相变材料在电学信号或光学信号或热信号的控制下在晶态与无定型态之间转换，晶态与无定型态的复折射率不同，通过不同的复折射率实现对光场的相位或振幅进行调制；至少三个调制柱，每个调制柱都有晶态和无定型态的二元相变，通过调控不同调制柱在晶态与无定型态之间转换，从而实现了多阶调制光场的相位或振幅。

Description

一种二元相变光调制单元、调制方法、光调制装置及设备
技术领域
本发明涉及电磁波调制技术领域，尤其涉及一种二元相变光调制单元、调制方法、光调制装置及设备。
背景技术
传统液晶空间光调制器的分辨率受限于液晶分子的尺寸，想要获得更好的分辨率需要更小的结构单元，超表面的出现极大的改善了这一情况，超表面可将分辨率提高到亚波长范围。
超表面是一种在亚波长尺度调控光场的微纳光子器件，利用超原子的周期排布，可对光场的振幅、相位、偏振等进行调控。进一步将超原子进行组合以构成超分子，可实现更复杂的调控。超表面对光场的调控包括传输相位型、电路型、几何相位型等多种调控。经过多年发展，超表面形成了相对独立的研究体系，在许多领域内均有应用，包括非线性光学、纳米光学等。传统的超表面利用金属(金、银等)或介质(硅、二氧化钛等)作为谐振单元，利用这些材料的共振特性来实现一些光学上的功能器件，比如超全息图(meta-hologram)、超透镜(meta-lense)、分束器(beam-splitter)等。近年来又提出了可调的超表面，对光进行不同的调制，利用这一点可以实现不同的功能。可调超表面因其具备可调节功能，在集成光子学领域具有重要应用。
相变材料因其易于相变的特性，在光子学研究中备受关注。相变型超表面是利用特殊材料的相变特性(即一定条件下材料可在无定型态和晶态间切换)，实现可调节的超表面，超表面的这些特性为实现新型空间光调制器打下了基础。现有利用相变材料实现的超表面结构仅是实现了两种不同的调制，相变前(如无定形态)是一种调制，相变后(晶态)是另一种，实现的调制功能仅为两种。因此，开发一种可以实现多阶调制的光调制单元显得尤为重要。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种二元相变光调制单元、调制方法、光调制装置及设备，用于解决现有技术中相变型超表面调制功能仅为两种的问题。
第一方面，本发明提出了一种二元相变光调制单元，包括：至少三个调制柱、透明基板；
所有所述调制柱平行间隔设置，且垂直安装在所述透明基板的同一侧面；
其中，所述调制柱采用二元相变材料制成，调控所述调制柱的形态以用于对光场的相位或振幅进行调制。
在一个实施例中，所有所述调制柱的截面包含至少两种不同的直径，所述截面平行于所有所述调制柱与所述透明基板的连接点连接形成的平面。
在一个实施例中，所述调制柱的截面的直径设为D，80nm≤D≤600nm，所述截面平行于所有所述调制柱与所述透明基板的连接点连接形成的平面。
在一个实施例中，所述调制柱的数量为四个，四个所述调制柱与所述透明基板的连接点连接形成正方形。
在一个实施例中，四个所述调制柱的高度相同。
在一个实施例中，四个所述调制柱的截面的直径彼此不相同，所述截面平行于所有所述调制柱与所述透明基板的连接点连接形成的平面。
在一个实施例中，所述调制柱的形状为圆柱体。
第二方面，本发明还提出了一种二元相变光调制单元的调制方法，所述二元相变光调制单元包括至少三个调制柱、透明基板，所有所述调制柱平行间隔设置，且垂直安装在所述透明基板的同一侧面，其中，所述调制柱采用二元相变材料制成；
所述方法包括：
所述调制柱接收外部控制信号，所述外部控制信号包括电信号、热信号、光信号中的任一种；
所述调制柱根据所述外部控制信号转变形态，以用于对光场的相位或振幅进行调制，所述形态包括晶态或无定型态。
第三方面，本发明还提出了一种光调制装置，包括至少一个第一方面任一项所述的二元相变光调制单元。
第四方面，本发明还提出了一种光调制设备，包括至少一个第一方面任一项所述的二元相变光调制单元，或至少一个第二方面所述的光调制装置。
综上所述，本发明的二元相变光调制单元的至少三个调制柱平行间隔设置且垂直安装在所述透明基板的同一侧面；所述调制柱采用二元相变材料制成，因二元相变材料在电学信号或光学信号或热信号的控制下在晶态与无定型态之间转换，晶态与无定型态的复折射率不同，通过不同的复折射率实现对光场的相位或振幅进行调制；至少三个调制柱，每个调制柱都有晶态和无定型态的二元相变，通过调控不同调制柱在晶态与无定型态之间转换，从而实现了多阶调制光场的相位或振幅。因此，本发明实现了多阶调制光场的相位或振幅。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
其中：
图1为一个实施例中二元相变光调制单元的结构示意图；
图2为图1的二元相变光调制单元的调制示意图；
图3为图1的二元相变光调制单元的
图4为图1的二元相变光调制单元的；
图5为二元相变光调制单元的调制方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1至图2所示，在一个实施例中，提出了一种二元相变光调制单元，包括：至少三个调制柱20、透明基板10；
所有所述调制柱20平行间隔设置，且垂直安装在所述透明基板10的同一侧面；
其中，所述调制柱20采用二元相变材料制成，调控所述调制柱20的形态以用于对光场的相位或振幅进行调制。
本实施例的二元相变光调制单元的至少三个调制柱20平行间隔设置且垂直安装在所述透明基板10的同一侧面；所述调制柱20采用二元相变材料制成，因二元相变材料在电学信号或光学信号或热信号的控制下在晶态与无定型态之间转换，晶态与无定型态的复折射率不同，通过不同的复折射率实现对光场的相位或振幅进行调制；至少三个调制柱20，每个调制柱20都有晶态和无定型态的二元相变，通过调控不同调制柱20在晶态与无定型态之间转换，从而实现了多阶调制光场的相位或振幅。
在一个实施例中，所述调制柱20的形状为圆柱体，因平行于所有所述调制柱20与所述透明基板10的连接点连接形成的平面的截面是正圆形。可以理解的是，所述调制柱20还可以是正方柱、长方柱、椭圆柱，在此举例不作具体限定
所述调制柱20的上表面21和下表面是彼此平行的平面，所述调制柱20的上表面为所述调制柱20的远离所述透明基板10的侧面，下表面为所述调制柱20的与所述透明基板10连接的侧面。
在一个二元相变光调制单元中，所述调制柱20数量可以是3个、4个、5个、6个、7个、8个、10个，在此举例不作具体限定；
所述透明基板10可以选用玻璃、亚克力、水晶等透明的硬性材质制成，在此举例不作具体限定。
所述透明基板10的上表面11和下表面是彼此平行的平面，所述透明基板10的上表面11与所述调制柱20连接，所述透明基板10的下表面为所述透明基板10的远离所述调制柱20的侧面。
在一个实施例中，所述透明基板10的上表面11和下表面都是正方形，从而有利于把多个二元相变光调制单元按阵列排列。可以理解的是，所述透明基板10的上表面11和下表面还可以是其他图形，比如正六边形、矩形等，在此举例不作具体限定。
在一个实施例中，所有所述调制柱20的截面包含至少两种不同的直径，所述截面平行于所有所述调制柱20与所述透明基板10的连接点连接形成的平面。
在另一个实施例中，同一个二元相变光调制单元中所述调制柱20的截面的直径彼此不相同，从而提高调制的阶数。
所述调制柱20是柱形介质材料，利用介质等效折射率理论，柱形介质材料对光场的相位调控取决于圆柱高度和介质材料的等效折射率，光通过此柱形介质材料所产生的相位，相位
Figure BDA0002207508890000051
的计算公式为：
Figure BDA0002207508890000052
其中，neff光通过介质材料的等效折射率，k0为自由空间中的光波数，可以从现有技术中选择方法确定neff、k0；H为柱形介质材料的高度，柱形介质材料的高度是指所述调制柱20的上表面21和所述调制柱20的下表面之间的距离。
而介质材料的等效折射率neff可以通过改变柱形介质材料的直径来调控，柱形介质材料的直径是指所述调制柱20平行于所述调制柱20与所述透明基板10的连接点连接形成的平面的截面的直径，在保持柱形介质材料的高度不改变的情况下，通过改变柱形介质材料的直径实现了对相同的待调制光产生不同的相位
Figure BDA0002207508890000053
从而为对待调制光的相位调制打下了基础。
二元相变光调制单元包含至少三个调制柱20，所有所述调制柱20的截面包含至少两种不同的直径，因此所有所述调制柱20与所述透明基板10的连接点连接形成的平面的截面的直径具有多种尺寸；因每个调制柱20可以独立相变，加上所有所述调制柱20的直径具有多种尺寸，从而实现了对待调制光的相位的多阶调制。
在一个实施例中，所述调制柱20的截面的直径设为D，80nm≤D≤600nm，所述截面平行于所有所述调制柱20与所述透明基板10的连接点连接形成的平面。nm是纳米，纳米级的直径使二元相变光调制单元可以应用在超表面，从而实现超像素的光调制。可以理解的是，所述调制柱20的截面的直径D还可以是其他规格，在此举例不作具体限定。
超表面(metasurface)：一种厚度在亚波长尺度的超薄微纳光子器件。
超像素由一系列位置相邻且颜色、亮度、纹理等特征相似的像素点组成的小区域。这些小区域大多保留了进一步进行图像分割的有效信息，且一般不会破坏图像中物体的边界信息。
可以理解的是，所述调制柱20的截面的直径D和所述调制柱20的高度H可以根据波长进行设置，比如，1550nm波长时200nm≤D≤600nm，80nm≤H≤1000nm。可以理解的是，所述调制柱20的高度H还可以是其他尺寸，在此举例不作具体限定。
在一个实施例中，所述调制柱20采用二元相变材料锗锑碲化合物制成。可以理解的是，还可以采用其他二元相变材料，在此举例不作具体限定。
在一个实施例中，所有所述调制柱20与所述透明基板10的连接点连接形成对称图形。
在一个实施例中，所述调制柱20的数量为四个，四个所述调制柱20与所述透明基板10的连接点连接形成正方形。
在一个实施例中，四个所述调制柱20的高度相同，从而使调制使只需关注所述调制柱20的截面的直径，有利于简化调制的操作。
在一个实施例中，四个所述调制柱20的截面的面积彼此不相同，所述截面平行于所有所述调制柱20与所述透明基板10的连接点连接形成的平面。
在一个实施例中，四个所述调制柱20的截面的面积包括至少两种规格。
如图2所示，待调制光从所述透明基板10的下表面射入所述透明基板10，从所述透明基板10的上表面11射出所述透明基板10，然后经过所述调制柱20进行相位或振幅的调制。
所述待调制光包括平面波，在此举例不作具体限定。
当待调制光选择平面波时，以实部表示的光波场，忽略时域项eiωt，仅考虑复振幅项
Figure BDA0002207508890000071
光通过结构达到空间中任意点M的场为4个超原子分别作用产生的场之和，即点M处的光场E(M)的计算公式为：
Figure BDA0002207508890000072
其中，Ei为经第i个调制柱的相变材料调制后光的振幅，k0为自由空间中的光波数，ri为第i个调制柱上表面的中心点到点M的距离，为第i个调制柱对光调制的相位；e为自然常数，为数学中一个常数，是一个无限不循环小数，且为超越数，其值约为2.71828。
当点M距离二元相变光调制单元比较远时，每个二元相变光调制单元的光场可等效从透明基板向点M的方向传播，设该方向为Z向，且Z向垂直于透明基板，则E(M)计算公式等效于：
Figure BDA0002207508890000074
其中，Z(M)为点M到二元相变光调制单元的垂直距离，Ei为经第i个调制柱的相变材料调制后光的振幅，k0为自由空间中的光波数，
Figure BDA0002207508890000075
为第i个调制柱对光调制的相位，i＝1,2,3,4；e为自然常数，为数学中一个常数，是一个无限不循环小数，且为超越数，其值约为2.71828。
仅考虑调制柱对光场的调制作用，将4个调制柱单独的调制叠加起来等效为一个二元相变光调制单元的作用。
在四个调制柱四个所述调制柱的截面的面积彼此不相同，所述截面平行于所有所述调制柱与所述透明基板的连接点连接形成的平面，则四个调制柱四个所述调制柱的截面的直径不同；由于每个调制柱都有2种形态(无定形态和晶态)，4个直径不同的调制柱以及每个每个调制柱的2种形态可以组合为16种不同规格的光调制，选取合适的调制柱的高度和直径，即可在16个不同规格的光调制中选取8个就可实现覆盖2π范围的8阶相位调制或者独立的振幅调制。通过光场叠加和等效原理增加了调制阶数，可对光场的相位或振幅实现了灵活调控。
图3示出了仿真后的8阶振幅调制计算结果，图4示出了仿真后的8阶相位调制计算结果，可以理解的是，在此举例不作具体限定。
如图5所示，在一个实施例中，提出了一种二元相变光调制单元的调制方法，所述二元相变光调制单元包括至少三个调制柱、透明基板，所有所述调制柱平行间隔设置，且垂直安装在所述透明基板的同一侧面，其中，所述调制柱采用二元相变材料制成；
所述方法包括：
S502、所述调制柱接收外部控制信号，所述外部控制信号包括电信号、热信号、光信号中的任一种；
S504、所述调制柱根据所述外部控制信号转变形态，以用于对光场的相位或振幅进行调制，所述形态包括晶态或无定型态。
具体而言，每个所述调制柱对应一个所述外部控制信号，通过独立控制转变形态，以实现多阶的调制光场的相位或振幅。
本实施例的二元相变光调制单元的至少三个调制柱平行间隔设置且垂直安装在所述透明基板的同一侧面；所述调制柱采用二元相变材料制成，因二元相变材料在电学信号或光学信号或热信号的控制下在晶态与无定型态之间转换，晶态与无定型态的复折射率不同，通过不同的复折射率实现对光场的相位或振幅进行调制；至少三个调制柱，每个调制柱都有晶态和无定型态的二元相变，通过调控不同调制柱在晶态与无定型态之间转换，从而实现了多阶调制光场的相位或振幅。
在一个实施例中，一种光调制装置，包括至少一个上述任一项所述的二元相变光调制单元。光调制装置可以用在光调制、超全息、超透镜、分束器等光学上的功能设备。
在一个实施例中，提出了一种光调制设备，包括至少一个上述任一项所述的二元相变光调制单元，或至少一个上述所述的光调制装置。
所述光调制设备包括空间光调制器，在此举例不作具体限定。
在一个实施例中，提出了一种光子芯片，包括至少一个上述任一项所述的二元相变光调制单元，或至少一个上述所述的光调制装置。
所述光子芯片是混合硅激光器会和其它硅光子学部件一起，被集成到单一硅基芯片上。因二元相变光调制单元属于纳米级的，因此可以应用到光子芯片中对光子芯片内混合硅激光器发出的光进行光场的相位或振幅的多阶调制。
需要说明的是，上述二元相变光调制单元、二元相变光调制单元的调制方法、光调制装置、光调制设备、光子芯片属于一个总的发明构思，二元相变光调制单元、二元相变光调制单元的调制方法、光调制装置、光调制设备、光子芯片实施例中的内容可相互适用。
以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种二元相变光调制单元，其特征在于，包括：至少三个调制柱、透明基板；
所有所述调制柱平行间隔设置，且垂直安装在所述透明基板的同一侧面；
其中，所述调制柱采用二元相变材料制成，调控所述调制柱的形态以用于对光场的相位或振幅进行调制。
2.如权利要求1所述的二元相变光调制单元，其特征在于，所有所述调制柱的截面包含至少两种不同的直径，所述截面平行于所有所述调制柱与所述透明基板的连接点连接形成的平面。
3.如权利要求1所述的二元相变光调制单元，其特征在于，所述调制柱的截面的直径设为D，80nm≤D≤600nm，所述截面平行于所有所述调制柱与所述透明基板的连接点连接形成的平面。
4.如权利要求1至3任一项所述的二元相变光调制单元，其特征在于，所述调制柱的数量为四个，四个所述调制柱与所述透明基板的连接点连接形成正方形。
5.如权利要求4所述的二元相变光调制单元，其特征在于，四个所述调制柱的高度相同。
6.如权利要求5所述的二元相变光调制单元，其特征在于，四个所述调制柱的截面的直径彼此不相同，所述截面平行于所有所述调制柱与所述透明基板的连接点连接形成的平面。
7.如权利要求1至3任一项所述的二元相变光调制单元，其特征在于，所述调制柱的形状为圆柱体。
8.一种二元相变光调制单元的调制方法，其特征在于，所述二元相变光调制单元包括至少三个调制柱、透明基板，所有所述调制柱平行间隔设置，且垂直安装在所述透明基板的同一侧面，其中，所述调制柱采用二元相变材料制成；
所述方法包括：
所述调制柱接收外部控制信号，所述外部控制信号包括电信号、热信号、光信号中的任一种；
所述调制柱根据所述外部控制信号转变形态，以用于对光场的相位或振幅进行调制，所述形态包括晶态或无定型态。
9.一种光调制装置，其特征在于，包括至少一个如权利要求1至7任一项所述的二元相变光调制单元。
10.一种光调制设备，其特征在于，包括至少一个如权利要求1至7任一项所述的二元相变光调制单元，或至少一个权利要求9所述的光调制装置。
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