CN114966967B - 一种基于导波驱动超构表面的空间光场调控器件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于导波驱动超构表面的空间光场调控器件，包括依次相连的输入光波导、模斑变换与偏振控制器件、光网络、绝热波前合束结构和可重构超构表面；该空间光场调控器件以光波导耦合输入的导波光束作为能量，首先经过分束器，进入线性可重构相干光网络中，对各束光的相位、偏振、幅度进行动态调制，网络的输出端口在平板波导区域前合束，形成任意可控波前；超构表面位于平板波导区域，被调制的导波光场传播至平板波导区域时由倏逝场耦合，驱动超构表面，向自由空间实现动态可重构出射，完成空间光场的调控功能。该空间光场调控器件可实现对空间光场的高速调控，空间光场的调控精密程度很高，且器件的紧凑程度也较高。

Description

一种基于导波驱动超构表面的空间光场调控器件

技术领域

本发明属于片上集成光波导芯片与空间光调控技术领域，涉及一种基于导波驱动超构表面的空间光场调控器件。

背景技术

大数据时代用于海量数据传输需求的光互连技术和用于“元宇宙”的虚拟现实、增强现实技术的光显示技术，对光场调控提出了速度更快、自由度更高、调控能力更精细的需求。过去几十年在光电器件研究中，形成了比较多的解决方案。其中，集成光波导芯片已成为片上高速大规模光场调控的主流方案，将波束调控元件与传输波导组合成一个片上系统，以实现大规模微纳集成光电子回路为最终目标。基于硅、氮化硅、III-V族等材料平台，光波导芯片被广泛用于通信，信号处理及智能计算等应用中。但是，光波导芯片提供的紧凑灵活的光场调控能力主要局限于对导模光波的调控。导模光场与自由空间光场的能量耦合主要由端面耦合方式和光栅耦合方式来实现。使用端面耦合器和光栅耦合器将光能输入与输出集成芯片，通常光场只能为简单的模式分布，缺乏对光束的精细调控能力（复杂光场的发射与接收等）。利用波导和光栅相控阵可实现较为复杂的功能，如片外光束转向（用于激光雷达等），空间聚焦和全息图像投影等，但它们需要大量光栅和相移器件参与，占据很大的面积，并因高阶衍射的存在而导致较多能量损失。此外，受限于光栅耦合所形成的光斑较大，光场调控能力不够精细。这些输入输出耦合方式使得其对空间光场的调控能力很有限，进而限制了它向空间光应用的扩展。为了将光波导器件的高速光场调控能力和大规模集成的优势应用于自由空间光调控中，重要的是设计一个能够灵活的在导波和空间光场间交换能量的接口。超构表面是一类非常有潜力的技术方案，它在精细控制光能力方面被证明具有巨大优势；但是，其激励方式主要依靠外部自由空间光，因而难于集成于片上波导器件中。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于导波驱动超构表面的空间光场调控器件，以弥补集成光波导器件在空间光场调控能力方面的不足。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种基于导波驱动超构表面的空间光场调控器件，包括依次相连的输入光波导、模斑变换与偏振控制器件、光网络、绝热波前合束结构和可重构超构表面；该空间光场调控器件以光波导耦合输入的导波光束作为能量，首先经过分束器，进入线性可重构相干光网络中，对各束光的相位、偏振、幅度进行动态调制，网络的输出端口在平板波导区域前合束，形成任意可控波前；超构表面位于平板波导区域，被调制的导波光场传播至平板波导区域时由倏逝场耦合，驱动超构表面，向自由空间实现动态可重构出射，完成空间光场的调控功能。

本发明空间光场调控器件具有如下优点：

1、使用光波导芯片中被调控后的导波作为空间光场的激励源，可实现对空间光场的高速调控（GHz及以上）。

2、使用超构表面作为导波光场与空间光场的桥梁，充分发挥超构表面对空间光束调控的巨大优势，将导波光学本征的高速光场调控能力和大规模集成特性与超构表面的精细灵活光场调控能力融合，形成导波驱动的超构表面，以实现高速、精细空间的光场调控能力。而且，使用超构表面完成导波光场向自由空间光场的耦合，空间光场的调控精密程度很高，且器件的紧凑程度也较高。

附图说明

图1是本发明空间光场调控器件的示意图。

图2是实施例中1×8线性可重构相干光网络的示意图。

图中：1.输入光波导，2.模斑变换与偏振控制器件，3.光网络，4.绝热波前合束结构，5.可重构超构表面，301.2×2光开关，302.相位调制器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明空间光场调控器件，包括依次相连的输入光波导1、模斑变换与偏振控制器件2、光网络3、绝热波前合束结构4和可重构超构表面5；

模斑变换与偏振控制器件2可理解为模斑变换器(spot-size converter)和偏振转换器(Polarization converter)，现有技术中也有能够同时控制模斑和偏振的器件。

绝热波前合束结构4由若干个绝热波前合束（锥形结构）构成。该若干个绝热波前合束后面有平板波导区，平板波导区上有数量与绝热波前合束数量相同的多个超构表面子集，该多个超构表面子集构成可重构超构表面5。一个绝热波前合束与一个超构表面子集相连。超构表面子集由平板波导区上的一列超构原子构成。该超构原子为导波驱动型，该导波驱动型超构原子与空间型超构原子的结构和排列方式有区别。

光网络3为1×N线性可重构相干光网络，由多个2×2光开关301和多个相位调制器302由波导按所需网络连接而成；具体为：多个2×2光开关301沿从模斑变换与偏振控制器件2到绝热波前合束结构4的方向依次排成多个组合，按从模斑变换与偏振控制器件2到绝热波前合束结构4方向依次排列的多个组合依次为第一组合、第一组合、…第N组合；第一组合中只有一个2×2光开关301，其余组合均由并排设置的两个2×2光开关301组成；

第一组合中2×2光开关301的输入端均与模斑变换与偏振控制器件2相连，第一组合中2×2光开关301的一个输出端与第二组合中第一个2×2光开关301的一个输入端相连，第一组合中第一个2×2光开关301的另一个输出端通过第一个相位调制器302与第二组合中第二个2×2光开关301的一个输入端相连；第二组合中第一个2×2光开关301的一个输出端与第三组合中第一个2×2光开关301的一个输入端相连，第二组合中第二个2×2光开关301的一个输出端与第三组合中第二个2×2光开关301的一个输入端相连，依次类推，第N-1组合中第一个2×2光开关301的一个输出端与第N组合中第一个2×2光开关301的一个输入端相连，第N-1组合中第二个2×2光开关301的一个输出端与第N组合中第二个2×2光开关301的一个输入端相连，第N组合中第一个2×2光开关301的一个输出端与第一个绝热波前合束相连，第N组合中第二个2×2光开关301的一个输出端与第二个绝热波前合束相连；

从第二组合到第N组合中所有未与相邻组合中2×2光开关301的输入端相连的2×2光开关301的另一个输出端分别通过对应的相位调制器302与对应的绝热波前合束相连，也就是，一个2×2光开关301的另一个输出端通过一个相位调制器302与一个绝热波前合束相连，形成一一对应。

绝热波前合束的数量等于2×2光开关301的数量加1；相位调制器302的数量与2×2光开关301的数量相同。

如：图2所示为1×8线性可重构相干光网络，该光网络中有七个2×2光开关和七个相位调制器，七个2×2光开关分别为光开关3011、光开关3012、光开关3013、光开关3014、光开关3015、光开关3016和光开关3017，七个相位调制器分别为第一相位调制器3021、第二相位调制器3022、第三相位调制器3023、第四相位调制器3024、第五相位调制器3025、第六相位调制器3026和第七相位调制器3027；该1×8线性可重构相干光网络与八个绝热波前合束组成的绝热波前合束结构4相连。除左起的光开关3011外，其余光开关两两成组，形成多个组合；光开关3011的一个输出端与光开关3013的一个输入端相连，光开关3011的另一个输出端通过第一相位调制器3021与光开关3012的一个输入端相连，光开关3013的一个输出端与光开关3015的一个输入端相连，光开关3012的一个输出端与光开关3014的一个输入端相连，光开关3015的一个输出端与光开关3017的一个输入端相连，光开关3014的一个输出端与光开关3016的一个输入端相连，光开关3017的一个输出端通过第七相位调制器3027与第一个绝热波前合束相连，光开关3017个另一个输出端与第二个绝热波前合束相连，光开关3015的另一个输出端通过第五相位调制器3025与第三个绝热波前合束相连，光开关3013的另一个输出端通过第三相位调制器与第四个绝热波前合束相连，光开关3012的另一个输出端通过第二相位调制器3022与第五个绝热波前合束相连，光开关3014的另一个输出端通过第四相位调制器3024与第六个绝热波前合束相连，光开关3016的一个输出端与第七个绝热波前合束相连，光开关3016的另一个输出端通过第六相位调制器3026与第八个绝热波前合束相连；第一个组合中一个2×2光开关301的一个输出端与第二个组合中一个2×2光开关301的输入端相连；

光开关3012的另一个输入端、光开关3013的另一个输入端、光开关3014的另一个输入端、光开关3015的另一个输入端、光开关3016的另一个输入端和光开关3017的另一个输入端分别与模斑变换与偏振控制器件2的输出端相连。

本发明空间光场调控器件以光波导耦合输入的导波光束作为能量，首先经过模斑变换与偏振控制器件2进入光网络3中，对各束光的相位、偏振、幅度进行动态调制，光网络3的输出端口在平板波导区域前合束，形成任意可控波前。超构表面位于平板波导区域，被调制的导波光场传播至平板波导区域时由倏逝场耦合，驱动超构表面，向自由空间实现动态可重构出射，完成空间光场的调控功能。其中，本发明空间光场调控器件的输入光波导1的光场，可以为波导的基模或高阶模，可包含多波长输入，能量通过光纤或棱镜耦合入输入光波导1中。

模斑变换与偏振控制器件2，用以完成对输入波导模斑与其后相连的波导器件的输入场模斑的变换，并用以受控完成波导中的单偏振态或两正交偏振态的切换与能量合束。其中，模斑的变换由绝热的锥形过渡波导或超构模式变换器件完成；偏振态的切换与合束使用两个偏振转换合束器与一个波导相移装置连接来完成，当相移为0或π时，分别实现两偏振态的互相切换。相移机制由材料的热光效应或电光效应来实现。

光网络3能将输入的光束以任意比例任意相位差分配到网络输出的M个端口中。光网络3由2×2光开关单元和配套的相位调制器作为组件，对于端口为M的网络，所需的2×2光开关单元和配套的相移器的数量为M-1，2×2光开关301由微环谐振器或马赫-增德尔干涉器构成。使用2×2光开关301调节分配到每路的光强分束比例，在连接每个单元的路径中插入相位调制器调谐每路的相位。光网络3的网络结构有多重选择，包括分束网络、Benes网络、Spanke-Benes网络，在其中的每路路径上的2×2光开关301前插入能完成该功能的相干网络拓扑均可。2×2光开关301和相位调制器的调制功能由材料的热光效应或电光效应来实现。

可重构超构表面5的输入由光网络3实现任意波长与偏振的波前调控，在平板区中传播，超构原子与平板区的上表面相接，由倏逝场将导波能量耦合入超构原子中，并由每个超构原子作为独立天线向空间出射，其超构原子不同波长或偏振具有不同的多状态传输率与相位响应。在常用的超构原子（矩形，圆形等）结构参数自由度无法满足的情况下，需采用自由形貌的超构原子设计；或将多个超构原子组合成超构元组，引入多参数来控制超构原子。可将逆向设计与深度学习神经网络结合，通过自动编解码器网络结构设计和有效训练集的选取，实现波长和偏振复用的多状态超构原子的快速高效生成。

平板传输区域和导波驱动的超构原子组构成的可重构超构表面5，由P（P=1,2，…）块子集构成，每块子集可为独立功能的超构表面，调控空间光场，也可为整个超构表面的一部分，根据被调制后输入波前的不同，选择性激励一块到P块不同的子集，实现空间光场的动态调控功能。每个超构原子，在不同物理参量（波长、模式、偏振）的导波模式的激励下，其响应分别独立表达为，其中， i为按顺序编码的超构原子的序号， n为输入激励导波的序号，A和Φ分别为振幅和相位的系数。在超构表面的设计中，导波 n激励使得空间目标位置的图像分布目标值为。在某种超构原子分布下，实际在超构表面在对应位置产生的图像分布为。该分布可根据目标需求使用解析公式获得初始值。也可以使用随机值初始化，后通过梯度方法（如伴随方法）迭代优化，实现所需的功能。对于多态的实现，从算法的评价函数的层面对多个目标进行均衡并且同时优化，使超构表面能在均衡多个状态功能的情形下达到性能最优，即使得生成的分布对于均方误差 达到最小， β _n 为在每个导波模式激励下的均衡因子。这时，在不同的导波激励下，多态超构表面在空间对应位置的图像分布均达到与设计中最接近的结果。

本发明空间光场调控器件的波导构建于绝缘体上的硅平台、绝缘体上的氮化硅平台、铌酸锂平台或III-V族材料平台，超构原子的材料为锗、硅或平板介质谐振腔结构，根据器件波导平台搭配，使超构原子折射率高于波导折射率，通过调整几何结构参数使得相移可达到2π。

实施例

波导材料使用绝缘体上的硅构建，超构原子的材料为锗。该材料也与常规的硅基光子平台相兼容。由光纤经输入波导区域的倒锥形结构耦合输入光波导中，波导层的厚度为220nm，单模波导的宽度尺寸为400nm，波导可传输的模式为TE0和TM0模。进入偏振控制器件中，将其转换为TE0或TM0，输入可重构光网络中，图2所示为一种相干网络在1×8的结构上的实现，包含7个2×2的光开关单元和7个相位调制器，其中光开关单元由马赫-增德尔干涉器构成，调制方式使用硅的等离子色散效应调谐材料折射率，因此网络的切换速度可达GHz以上。由箭头输入的光经过光网络，在绝热波前合束结构前，形成8通道任意强度与相位可变的光束，并输出该合束结构中，并进入平板区域中传播。平板区域上方为锗材料构成的惠更斯相位超构表面。其中单个超构原子的厚度为400nm。相移范围可达0～2π。使用G-S迭代算法，在每个超构表面的子集中，构建目标全息图对应的相位分布，并分布超构原子，每个超构原子为自由形貌，由一定训练样本量下的生成-对抗神经网络生成。由此，在光网络的快速切换下，不同的波前激活的超构表面子集部分不同，向空间中出射的光场分布在多种状态间切换调谐，从而实现空间聚焦焦点调谐，空间全息图形投影显示等效果。自由空间中的光场强度即显示亮度也可由调谐入射平板区域波前的光强来进行调谐。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

Claims (7)

1.一种基于导波驱动超构表面的空间光场调控器件，其特征在于，包括依次相连的输入光波导（1）、模斑变换与偏振控制器件（2）、光网络（3）、绝热波前合束结构（4）和可重构超构表面（5）；该空间光场调控器件以光波导耦合输入的导波光束作为能量，首先经过分束器，进入线性可重构相干光网络中，对各束光的相位、偏振、幅度进行动态调制，网络的输出端口在平板波导区域前合束，形成任意可控波前；超构表面位于平板波导区域，被调制的导波光场传播至平板波导区域时由倏逝场耦合，驱动超构表面，向自由空间实现动态可重构出射，完成空间光场的调控功能；

所述绝热波前合束结构（4）由若干个绝热波前合束构成；该若干个绝热波前合束后面有平板波导区，平板波导区上有数量与绝热波前合束数量相同的多个超构表面子集，该多个超构表面子集构成可重构超构表面（5）；一个绝热波前合束与一个超构表面子集相连；超构表面子集由平板波导区上的一列超构原子构成；该超构原子为导波驱动型。

2.如权利要求1所述的基于导波驱动超构表面的空间光场调控器件，其特征在于，所述可重构超构表面（5）的输入为由可重构光网络实现任意波长与偏振的波前调控，在平板区中传播，超构原子与平板区的上表面相接，由倏逝场将导波能量耦合入超构原子中，并由每个超构原子作为独立天线向空间出射，超构原子不同波长或偏振具有不同的多状态传输率与相位响应。

3.如权利要求1所述的基于导波驱动超构表面的空间光场调控器件，其特征在于，所述的光网络（3）为1×N线性可重构相干光网络，由多个2×2光开关（301）和多个相位调制器（302）由波导按所需网络连接而成；所述的1×N线性可重构相干光网络将输入的光束以任意比例任意相位差分配到网络输出的M个端口中。

4.如权利要求3所述的基于导波驱动超构表面的空间光场调控器件，其特征在于，多个2×2光开关（301）沿从模斑变换与偏振控制器件（2）到绝热波前合束结构（4）的方向依次排成多个组合，按从模斑变换与偏振控制器件（2）到绝热波前合束结构（4）方向依次排列的多个组合依次为第一组合、第一组合、…第N组合；第一组合中只有一个2×2光开关（301），其余组合均由并排设置的两个2×2光开关（301）组成；

第一组合中2×2光开关（301）的输入端均与模斑变换与偏振控制器件（2）相连，第一组合中2×2光开关（301）的一个输出端与第二组合中第一个2×2光开关（301）的一个输入端相连，第一组合中第一个2×2光开关（301）的另一个输出端通过第一个相位调制器（302）与第二组合中第二个2×2光开关（301）的一个输入端相连；第二组合中第一个2×2光开关（301）的一个输出端与第三组合中第一个2×2光开关（301）的一个输入端相连，第二组合中第二个2×2光开关（301）的一个输出端与第三组合中第二个2×2光开关（301）的一个输入端相连，依次类推，第N-1组合中第一个2×2光开关（301）的一个输出端与第N组合中第一个2×2光开关（301）的一个输入端相连，第N-1组合中第二个2×2光开关（301）的一个输出端与第N组合中第二个2×2光开关（301）的一个输入端相连，第N组合中第一个2×2光开关（301）的一个输出端与第一个绝热波前合束相连，第N组合中第二个2×2光开关（301）的一个输出端与第二个绝热波前合束相连；

从第二组合到第N组合中所有未与相邻组合中2×2光开关（301）的输入端相连的2×2光开关（301）的另一个输出端分别通过对应的相位调制器（302）与对应的绝热波前合束相连；所有组合与未与相邻组合中2×2光开关（301）输出端相连的另一个输入端均与模斑变换与偏振控制器件（2）的输出端相连。

5.如权利要求1所述的基于导波驱动超构表面的空间光场调控器件，其特征在于，该空间光场调控器件的输入为波导的基模或高阶模，包含多波长输入，能量通过光纤或棱镜耦合。

6.根据权利要求1所述的基于导波驱动超构表面的空间光场调控器件，其特征在于，所述模斑变换与偏振控制器件（2）完成对输入波导模斑与其后波导器件的波导模斑的变换，并可控完成波导中的偏振态的切换与能量合束。

7.如权利要求1所述的基于导波驱动超构表面的空间光场调控器件，其特征在于，所述的空间光场调控器件波导构建于绝缘体上的硅平台、绝缘体上的氮化硅平台、铌酸锂平台或III-V族材料平台，超构原子的材料为锗、硅或平板介质谐振腔结构，根据器件波导平台搭配，使超构原子的折射率高于波导折射率，通过调整几何结构参数相移为0～2π。

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