CN113608281B - 一种具有相位和振幅调控能力的反射式动态超构表面器件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有相位和振幅调控能力的反射式动态超构表面器件。由下至上依次为：介质基底、介质缓冲层、介质波导层、呈阵列排布的多个超构表面结构单元，超构表面结构单元的中心位置设有介质微结构；介质微结构包括由高折射率的介质材料构成的共振主体结构以及一个或多个由相变介质材料构成的可控微结构；共振主体结构沿第一轴，或第二轴，或第一轴和第二轴分别轴对称，第一轴和第二轴垂直，且第一轴和第二轴分别与共振主体结构的高度方向垂直；可控微结构在外部激励信号的作用下呈现不同的状态，对应超构表面结构单元结构的多种振幅及相位调制响应。本发明的反射式动态超构表面具有响应时间短、调制效率高、调节范围广、电磁响应灵活等特点。

Description

一种具有相位和振幅调控能力的反射式动态超构表面器件

技术领域

本发明涉及光场调控技术领域，更具体地，涉及一种具有相位和振幅调控能力的反射式动态超构表面器件。

背景技术

作为光交换模块的核心，空间光场调控技术是高速光通信主干网络的核心技术。传统的空间光场调控技术多依赖液晶作为可控材料。然而，受限于液晶材料本身的响应速率，传统的空间光场调制速率难以突破10KHz。此外，液晶材料的调制性能来源于晶体材料晶向的转变引起的折射率变化。受限于液晶材料的折射率变化范围，传统液晶调控技术的调制分辨率通常远大于目标波长。受到多阶衍射效应的影响，传统液晶调控技术的调制效率偏低。

发明内容

本发明为克服上述现有技术中的至少一个缺陷，提供一种具有相位和振幅调控能力的反射式动态超构表面器件，以实现低响应时间、高调制效率的空间光场调控。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种具有相位和振幅调控能力的反射式动态超构表面器件，由下至上依次包括：

介质基底，能够透过目标波段的光，目标波段包括但不限于可见光波段和近红外波段；

设置于介质基底表面的低折射率介质缓冲层；

设置于介质缓冲层表面的高折射率介质波导层；

设置于介质波导层同一表面的多个超构表面结构单元，其中，所述超构表面结构单元为正方形和/或正六边形，呈阵列状排列，所述超构表面结构单元的中心位置设有一个介质微结构；所述介质微结构包括由高折射率的介质材料构成的共振主体以及一个或多个由相变介质材料构成的可控微结构；所述共振主体结构沿第一轴，或第二轴，或第一轴和第二轴分别轴对称，第一轴和第二轴垂直，且第一轴和第二轴分别与共振主体结构的高度方向垂直；不同位置的共振主体结构几何尺寸和形状相同；所述可控微结构在外部激励作用下，其包含的相变材料呈现不同的状态，对应超构表面结构单元结构的多种振幅及相位调制响应。

在其中一个实施例中，所述基底材料为在目标波段低吸收的介质材料；所述目标波段低吸收的介质材料包括但不限于石英玻璃、晶态和非晶态硅、氮化硅。

在其中一个实施例中，所述介质基底厚度远大于目标波长；所述基底厚度可以为500um(单位：微米)，或其他满足需求的任一选择；

在其中一个实施例中，所述介质缓冲层的材料为在目标波段低折射、低吸收的介质材料；所述低折射率、低吸收的介质材料包括但不限于石英玻璃、光刻胶、氮化硅、氮化镓。

在其中一个实施例中，所述介质缓冲层厚度小于所述基底且大于目标波长；所述介质缓冲层厚度可以为2um，或其他满足需求的任一选择。

在其中一个实施例中，所述介质波导层的材料为目标波段高折射率、低吸收的介质材料；所述高折射率、低吸收的介质材料包括但不限于氧化钛、晶态与非晶态硅；介质波导层材料折射率高于所述介质缓冲层材料折射率。所述介质波导层厚度小于或接近目标波长；所述介质波导层厚度可以为200nm(单位：纳米)，或其他满足需求的任一选择。

在其中一个实施例中，所述超构表面结构单元周期小于或接近目标波长；所述周期取值范围可以为800nm-1200nm，或其他满足需求的取值范围。

在其中一个实施例中，所述共振主体结构为柱状结构；柱状结构可以为圆柱结构、方柱结构、中空圆柱结构、中空方柱结构、负圆柱结构、负方柱结构、拓扑柱状结构中的一种或多种。

在其中一个实施例中，所述共振主体柱状结构高度小于或接机目标波长；所述柱状结构高度取值范围可以为400nm-600nm，或其他满足需求的取值范围。所述共振主体结构边长或直径小于或接近目标波长；所述柱状结构边长或直径的取值范围可以为500nm-1000nm，或其他满足需求的取值范围。

在其中一个实施例中，所述共振主体结构设与所述介质波导层表面，或与所述介质波导层部分重合，或全部重合，

在其中一个实施例中，所述共振主体结构材料为目标波段低吸收的介质材料；所述低吸收的介质材料包括但不限于晶体或非晶体硅、氧化钛、氮化镓。

在其中一个实施例中，所述可控微结构为柱状结构；柱状结构为圆柱结构、方柱结构、中空圆柱结构、中空方柱结构、负圆柱结构、负方柱结构、拓扑柱状结构中的一种或多种。

在其中一个实施例中，所述可控柱状微结构高度小于目标波长；所述柱状结构高度取值范围可以为100nm-300nm，或其他满足需求的取值范围。所述可控微结构边长或直径小于或接近目标波长；可选的，所述柱状结构边长或直径的取值范围可以为500nm-1000nm，或其他满足需求的取值范围。

在其中一个实施例中，所述可控微结构设与所述介质波导层表面，与所述介质波导层不重合，或部分与所述介质波导层重合，或完全重合。所述可控微结构与所述共振主体结构不重合，或部分与所述共振主体结构重合，或完全重合。

在其中一个实施例中，所述可控微结构材料为在目标波段低吸收的相变材料；可选的，所述低吸收的相变材料包括但不限于硫化碲、锗碲硫、锗锑碲、锗砷硫、或锗碲硒。

在其中一个实施例中，所述外部激励信号可以引发所述可控微结构的材料相变；所述外部激励信号包括但不限于电信号、热信号、或激光信号。

在其中一个实施例中，所述超构表面结构单元结构的反射振幅和/或相位响应会随着可控微结构的材料相变而发生改变；所述超构表面的反射光场动态调控包括但不限于，固定振幅的反射相位调控、反射振幅与相位的共同调控。

与现有技术相比，有益效果是：本发明提供的一种具有相位和振幅调控能力的反射式动态超构表面器件，利用亚波长尺度的介质微结构在目标波段的电磁场共振作为光场调控的来源，有效的降低了空间光场调控的分辨率，避免了高阶衍射效应对调制效率的影响；本发明引入相变材料作为光场动态调控的来源，解决了传统液晶材料响应速率慢，调制范围低的问题；本发明采用全介质结构设计，利用介质波导和介质微结构之间的耦合效应，实现了光场振幅和相位的灵活调控，解决了传统调控方式效果单一的问题。

附图说明

图1是本发明实施例中的动态超构表面的结构示意图.

图2是本发明实施例中的动态超构表面的结构单元示意图。

图3是本发明实施例中的动态超构表面的相变材料在晶态和非晶态的折射率谱线图。

图4是本发明实施例中的动态超构表面的相变材料在目标波长位置处不同相变状态下的折射率曲线图。

图5是本发明实施例中的动态超构表面的单元结构在入射电磁场作用下的电磁场分布仿真结果示意图。

图6是本发明实施例中的动态超构表面在目标波长处的反射振幅与材料相态之间的曲线关系图。

附图标记：1、介质基底；2、介质缓冲层；3、介质波导层；4、超构表面结构单元；41、可控微结构；42、共振主体。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。

受限于液晶材料本身的电光调控性质，传统空间光场调控技术存在着调制分辨率低、调制效率受限、响应时间长、调控功能单一等诸多方面的不足。光学超构表面的快速兴起为高性能光场调控技术的实现提供了新的可能性。现有动态超构表面多依赖金属或重掺杂半导体材料的可控光电效应，在实现光场调控的同时不可避免的带来调制效率的降低。全介质的超构表面设计可以有效的提高调制效率，却难以实现覆盖全范围的振幅和相位调控。

如图1和图2所示，本实施例提供一种具有相位和振幅调控能力的反射式动态超构表面器件，由下至上依次包括：

介质基底1，能够透过目标波段的光，目标波段包括但不限于可见光波段和近红外波段；

设置于介质基底1表面的低折射率介质缓冲层2；

设置于介质缓冲层2表面的高折射率介质波导层3；

设置于介质波导层3同一表面的多个超构表面结构单元4，其中，所述超构表面结构单元4为正方形和/或正六边形，呈阵列状排列，所述超构表面结构单元4的中心位置设有一个介质微结构；所述介质微结构包括由高折射率的介质材料构成的共振主体42以及一个或多个由相变介质材料构成的可控微结构41；所述共振主体42结构沿第一轴，或第二轴，或第一轴和第二轴分别轴对称，第一轴和第二轴垂直，且第一轴和第二轴分别与共振主体42结构的高度方向垂直；不同位置的共振主体42结构几何尺寸和形状相同；所述可控微结构41在外部激励作用下，其包含的相变材料呈现不同的状态，对应超构表面结构单元4结构的多种振幅及相位调制响应。本发明提供的动态超构表面利用亚波长尺度的介质微结构在目标波段的电磁场共振作为光场调控的来源，有效的降低了空间光场调控的分辨率，避免了高阶衍射效应对调制效率的影响。这里，本发明引入介质相变材料作为光场动态调控的来源，有效的解决了传统液晶材料和半导体材料无法兼顾调制速率和调制范围的问题。同时，本发明引入了介质波导结构，利用介质波导和介质微结构之间的耦合效应，解决了传统全介质超构表面响应范围有限，调制性能单一的问题。

下面，将详细地对示例性实施例进行说明。

本发明实施例提供的一种具有相位和振幅调控能力的反射式动态超构表面器件，请参见图1和图2。所述超构表面包括：介质基底1；设置于介质基底1表面的低折射率介质缓冲层2；设置于介质缓冲层2表面的高折射率介质波导层3；以及设置于介质波导层3同一表面的超构表面结构单元4阵列。

其中，基底能够透过目标波段的光，目标波段包括但不限于可见光波段和近红外波段。示例性的，本实施例中的目标波段为中心波长在1550nm附近的近红外波段。基底材料为在目标波段底吸收的介质材料；可选的，目标波段低吸收的介质材料包括但不限于石英玻璃、晶态和非晶态硅、氮化硅。本实施例中的基底材料为晶体硅。介质基底1厚度远大于所述目标波长；可选的，基底厚度的选择范围可以为100um-500um(单位：微米)，或其他满足需求的任一选择。示例性的，本实施例中的所述基底厚度为500um。

介质缓冲层2材料为在目标波段低折射率、低吸收的介质材料；可选的，低折射率、低吸收的介质材料包括但不限于石英玻璃、光刻胶、氮化硅、氮化镓。本实施例中，介质缓冲层2材料为氧化硅。介质缓冲层2厚度小于所述基底且大于目标波长；介质缓冲层2厚度选择范围可以为1um-5um，或其他满足需求的任一选择。本实施例中，介质缓冲层2厚度为3um。

介质波导层3材料为目标波段高折射率、低吸收的介质材料；可选的，高折射率、低吸收的介质材料包括但不限于氧化钛、晶态与非晶态硅。介质波导层3折射率高于所述介质缓冲层2折射率。本实施例中，所述介质波导层3材料为非晶硅。介质波导层3厚度小于或接近目标波长；介质波导层3厚度选择范围可以为50nm-300nm(单位：纳米)，或其他满足需求的任一选择。本实施例中，介质波导层3厚度为140nm。

超构表面结构单元4为正方形和/或正六边形，呈阵列状排列。本实施例中所述超构表面结构单元4呈正方形阵列排列，参见图2。超构表面结构单元4周期小于或接近目标波长；周期取值范围可以为800nm-1200nm，或其他满足需求的取值范围。示例性的，本实施例中，超构表面结构单元4周期为870nm。

结构单元的中心位置设有一个介质微结构。介质微结构包括由高折射率的介质材料构成的共振主体42以及一个或多个由相变介质材料构成的可控微结构41。本实施例中，介质微结构包括一个共振主体42结构和一个由相变介质材料组成的可控微结构41，参见图2。

共振主体42结构沿第一轴，或第二轴，或第一轴和第二轴分别轴对称，第一轴和第二轴垂直，且第一轴和第二轴分别垂直与共振主体42结构的高度方向；不同位置的共振主体42结构几何尺寸和形状相同。共振主体42结构为柱状结构；柱状结构可以为圆柱结构、方柱结构、中空圆柱结构、中空方柱结构、负圆柱结构、负方柱结构、拓扑柱状结构中的一种或多种。本实施例中共振主体42为正圆柱结构，具体参见图2。共振主体42柱状结构高度小于或接机目标波长；柱状结构高度取值范围可以为400nm-600nm，或其他满足需求的取值范围。共振主体42结构边长或直径小于或接近目标波长；柱状结构边长或直径的取值范围可以为500nm-1000nm，或其他满足需求的取值范围。本实施例中，所述共振主体42结构高570nm，直径440nm。共振主体42结构设与所述介质波导层3表面，或与所述介质波导层3部分重合，或全部重合。本实施例中，共振主体42结构设与所述介质波导层3表面，与所述介质波导层3不重合，具体参见图2。共振主体42结构材料为目标波段低吸收的介质材料；低吸收的介质材料包括但不限于晶体或非晶体硅、氧化钛、氮化镓。本实施例中，共振主体42结构材料为非晶硅。

可控微结构41为柱状结构，柱状结构为圆柱结构、方柱结构、中空圆柱结构、中空方柱结构、负圆柱结构、负方柱结构、拓扑柱状结构中的一种或多种。可控柱状微结构高度小于目标波长；柱状结构高度取值范围可以为30nm-300nm，或其他满足需求的取值范围。可控微结构41边长或直径小于或接近目标波长；柱状结构边长或直径的取值范围可以为500nm-1000nm，或其他满足需求的取值范围。可控微结构41设与所述介质波导层3表面，与所述介质波导层3不重合，或部分与所述介质波导层3重合，或完全重合。可控微结构41与共振主体42结构不重合，或部分与所述共振主体42结构重合，或完全重合。本实施例中，可控微结构41为正方柱结构；方柱结构的高度为90nm；方柱结构的横截面为边长500nm的正方形；可控微结构41位于所述介质波导层3内部，与所述介质波导层3完全重合；可控微结构41上表面与介质波导层3上表面重合，具体请参见图2。

可控微结构41材料为在目标波段低吸收的相变材料；低吸收的相变材料包括但不限于硫化碲、锗碲硫、锗锑碲、锗砷硫、锗碲硒。本实施例中，可控微结构41材料为硫化锑；如图3所示，在目标波段，硫化锑材料在相变前后折射率变化接近0.7，远超传统液晶材料及半导体材料；此外，硫化锑材料在目标波段的吸收极低，可以有效的保证光场调控的效率。

可控微结构41在外部激励作用下，其包含的相变材料呈现不同的状态，对应超构表面结构单元4结构的多种振幅及相位调制响应。外部激励信号可以引发所述可控微结构41的材料相变；外部激励信号包括但不限于电信号、热信号、激光信号。本实施例中，可控微结构41的材料相态由外部532nm激光脉冲信号控制。在外部脉冲激光信号激发下，硫化锑材料在晶态、非晶态及中间状态之间切换，如图3和图4所示硫化锑材料相态的变化引起折射率的变化，进而改变超构表面结构单元4的电磁场响应，进而实现光场的动态调控。

超构表面结构单元4结构的反射振幅和/或相位响应会随着可控微结构41的材料相变而发生改变；超构表面的反射光场动态调控包括但不限于固定振幅的反射相位调控、反射振幅与相位的共同调控。本实施例中，动态超构表面在外部激励信号作用下，可以实现高反射率、振幅不变的，覆盖2π范围的相位调制。如图5所述，在介质共振结构阵列影响下，入射电磁场耦合入所述介质波导层3，并在波导层内部形成驻波，实现了目标波段的宽谱全反射。在绿光脉冲的激励下，介质波导层3中硫系微结构材料发生相变，改变了波导层内部激发模式的等效折射率，进而影响了超构表面的反射相位，实现了高反射率的、振幅不变的相位调控。目标波长位置处，不同相态下的反射相位及振幅参见图6。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种具有相位和振幅调控能力的反射式动态超构表面器件，其特征在于，由下至上依次包括：

介质基底（1），能够透过目标波段的光，目标波段包括可见光波段和近红外波段；

设置于介质基底（1）表面的低折射率介质缓冲层（2）；

设置于介质缓冲层（2）表面的高折射率介质波导层（3）；

设置于介质波导层（3）同一表面的多个超构表面结构单元（4），多个超构表面结构单元（4）呈阵列排布，所述的超构表面结构单元（4）的中心位置设有一个介质微结构；

所述的介质微结构包括由高折射率的介质材料构成的共振主体（42）结构以及一个或多个由相变介质材料构成的可控微结构（41）；

所述的共振主体（42）结构沿第一轴，或第二轴，或第一轴和第二轴分别轴对称，第一轴和第二轴垂直，且第一轴和第二轴分别与共振主体（42）结构的高度方向垂直；

所述可控微结构（41）在外部激励信号的作用下，其包含的相变材料呈现不同的状态，对应超构表面结构单元（4）的多种振幅及相位调制响应；

其中，所述可控微结构（41）设于所述介质波导层（3）表面，与所述介质波导层（3）不重合，或部分与所述介质波导层（3）重合，或全部与所述介质波导层（3）重合；

所述可控微结构（41）与所述共振主体（42）结构不重合，或部分与所述共振主体（42）结构重合；或全部与所述共振主体（42）结构重合。

2.根据权利要求1所述的具有相位和振幅调控能力的反射式动态超构表面器件，其特征在于，所述基底的材料为目标波段低吸收的介质材料，包括石英玻璃、晶态和非晶态硅、或氮化硅；所述介质基底（1）的厚度为大于目标波长的任一选择。

3.根据权利要求1所述的具有相位和振幅调控能力的反射式动态超构表面器件，其特征在于，所述介质缓冲层（2）的材料为在目标波段低折射率、低吸收的介质材料，包括石英玻璃、光刻胶、氮化硅或氮化镓；所述介质缓冲层（2）的厚度为大于目标波长小于基底厚度的任一选择。

4.根据权利要求1所述的具有相位和振幅调控能力的反射式动态超构表面器件，其特征在于，所述介质波导层（3）的材料为在目标波段高折射率、低吸收的介质材料，包括氧化钛、晶态与非晶态硅；所述介质波导层（3）的折射率高于所述介质缓冲层（2）的折射率；所述介质波导层（3）厚度小于所述介质缓冲层（2）厚度。

5.据权利要求1所述的具有相位和振幅调控能力的反射式动态超构表面器件，其特征在于，所述的超构表面结构单元（4）为正方形或正六边形。

6.根据权利要求5所述的具有相位和振幅调控能力的反射式动态超构表面器件，其特征在于，不同位置的共振主体（42）结构的几何尺寸和形状相同；所述的共振主体（42）结构为柱状结构，包括圆柱结构、方柱结构、中空圆柱结构、中空方柱结构、负圆柱结构、负方柱结构、拓扑柱状结构中的一种或多种；

所述共振主体（42）结构设于所述介质波导层（3）表面，与介质波导层（3）部分或全部重合；

所述共振主体（42）结构高度小于目标波长；所述共振主体（42）结构与相邻结构间的间距小于目标波长；

所述共振主体（42）结构的材料为在目标波段低吸收的介质材料，包括晶体、非晶体硅、氧化钛、或氮化镓。

7.根据权利要求6所述的具有相位和振幅调控能力的反射式动态超构表面器件，其特征在于，所述可控微结构（41）为柱状结构，包括圆柱结构、方柱结构、中空圆柱结构、中空方柱结构、负圆柱结构、负方柱结构、拓扑柱状结构中的一种或多种；

所述可控微结构（41）高度小于目标波长，所述可控微结构（41）直径或边长小于目标波长，所述可控微结构（41）尺寸小于所述共振主体（42）结构尺寸。

8.根据权利要求7所述的具有相位和振幅调控能力的反射式动态超构表面器件，其特征在于，所述可控微结构（41）的材料为在目标波段低吸收的相变材料，包括硫化碲、锗碲硫、锗锑碲、锗砷硫或锗碲硒。

9.根据权利要求1至7任一项所述的具有相位和振幅调控能力的反射式动态超构表面器件，其特征在于，所述外部激励信号为可以导致所述可控微结构（41）材料相变的任意信号，包括外部电信号、外部热信号或外部激光信号。

10.根据权利要求9所述的具有相位和振幅调控能力的反射式动态超构表面器件，其特征在于，所述超构表面结构单元（4）结构的反射振幅和/或相位响应会随着可控微结构（41）材料的相变而发生改变，包括固定振幅的反射相位改变、反射振幅和相位的共同改变。

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