CN115079342A - 基于几何相位超表面的表面等离激元片上光学器件耦合系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于光场调控与光芯片技术领域，具体为一种基于几何相位超表面的表面等离激元片上光学器件耦合系统。本发明系统由SPP激发聚焦超表面和片上光学器件两个部分集合组成；首先根据几何相位原理，设计具有近似完美半波片性质的几何相位人工原子，并利用该人工原子进行空间旋转，排列成两维相位梯度超表面，使其将入射圆偏振光高效耦合为聚焦SPP；然后设计SPP片上波导，使其结构端面位于SPP聚焦点处，最终实现入射光高效耦合进SPP波导并进行传输调控。本发明是通过用激发光照射超表面，把三维激发光高效地耦合为二维的聚焦SPP并传输到远离激发光的位置，再高效耦合进入SPP波导中，具有高效率、高集成、无背景散射等优点。

Description

基于几何相位超表面的表面等离激元片上光学器件耦合系统

技术领域

本发明属于光场调控与光芯片技术领域，具体涉及一种片上光学器件耦合系统。

背景技术

随着信息技术的发展，电子芯片在计算速度和功耗上越来越难满足应用要求，在信息处理中光子相比电子来说具有高速度、低功耗等优势，因此人们提出“光子芯片”概念，但是由于受到衍射极限的约束，目前传统光子器件的集成度还相对较差，不利于光子芯片领域所需的小尺寸、高集成、多功能等方面的需求。表面等离激元(SPP)是一种具有亚波长分辨率和局域场增强效应的近场光学模式，基于它设计的片上光学器件(例如SPP激光器、SPP纳米天线等)具有亚波长、易集成等优点，可以实现更强的光与物质相互作用。但是，由于SPP特殊的色散关系所导致的波矢失配问题，使得它们原则上无法被自由空间光所直接激发。在实际应用中，对于这些SPP器件，通常采用照射微纳片上光学器件端面所产生的散射效应来激发其支持的SPP模式，但是由于微纳器件与入射光斑的尺度失配导致激发效率低下，且存在很强的散射背景。另外，也有利用拉锥光纤控制尖端位置对准片上器件，通过其输送过来的光纤倏逝波来耦合片上器件中的光学模式，该方法虽然效率较高，但是却难以进行系统集成。

最近出现的超表面有望解决片上光学器件高效激发耦合的难题。超表面是一种新型光场调控器件，是由亚波长人工原子(Meta-atom)按照一定二维宏观序排列而成。根据惠更斯原理，在外界光的照射下不同位置处的人工亚波长单元可以看成一系列次波源，针对光场调控目标来设计其结构参数，使其对外界电磁波的透反射相位满足特定空间梯度分布。如果其在一维方向的相位梯度大于光在真空中的总波矢k₀，则可以将入射光直接转化为SPP模式，如果进一步调控二维方向的相位梯度，则可以进一步调控被耦合出SPP的波前形状。

相较于传统的SPP激发调控方法，超表面具有调控能力强大、功能多样、高效率、易集成等独特优点。然而，如何将超表面同其他片上光学器件进行结合，从而充分发挥出超表面在近场光学中的强大调控能力，提升片上光学器件应用的工作效能，则需要进一步进行理论探索和结构设计。

发明内容

本发明的目的在于提供一种全新的高效率、高集成、无背景散射的表面等离激元片上光学器件耦合系统。

本发明提供的表面等离激元片上光学器件耦合系统，是基于几何相位超表面(Meta-surface)技术的，以超表面作为桥梁，把入射自由空间光高效地转化为聚焦的SPP，并耦合到SPP波导等片上光学器件中。

本发明提供的基于超表面的表面等离激元片上光学器件耦合系统，由SPP激发聚焦超表面和片上光学器件两个部分集合组成；其中：

关于SPP激发聚焦超表面，首先根据高效率几何相位超表面的设计原则，设计一个具有近似完美半波片性质的几何相位人工原子，该人工原子为MIM(即金属/介质/金属)构型，即包括底层金属层和中间介质层，以及上层长方体金属微结构层。人工原子的结构参数如下：衬底金属层和中间介质层为方形，其边长为P，底层金属层厚度为h1，中间介质层厚度为h2，上层长方体金属微结构长与宽分别为a,、b,厚度为h3，这些结构参数将经优化确定，并且上层长方体金属微结构可以在x-y平面内绕自身对称中心点旋转，定义长方体长轴与y轴正方向的夹角为θ，称该夹角为旋转角,具体参见图1、图2；把所设计的人工原子在二维平面内周期性延拓为一个M×N的阵列，周期为P，形成几何相位超表面；并根据要同时实现SPP激发和聚焦的功能目标，计算出超表面所需的二维相位分布φ(x,y)，进而根据几何相位原理确定每个人工原子的旋转角分布θ(x,y)，从而得到最终的超表面；另外，把超表面的衬底金属层和介质层向两侧延拓，作为等离激元衬底，构成SPP本征区域。

关于片上光学器件，是由一根二氧化硅介质条放置在几何相位超表面一侧的等离激元衬底上而构成的SPP波导，其结构端面与超表面的SPP焦点对准，参见图5所示。

本发明中，下层金属采用银(Ag)，中间介质层采用二氧化硅(SiO2)，上层金属采用金(Au)。

本发明系统中，超表面区域的长度(y方向)，即对应于N个人工原子的总长度大小，对于整个耦合系统的功能影响不大，一般可以看作很大的数。而超表面区域的宽度(x方向)，即对应于M个人工原子的总长度大小,将对整个耦合系统的效率有影响；另外，系统的结构参数P，h1，h2，h3，a，b对整个系统工作的效率有影响，需要进行优化。

基于设计好的系统，将激发光正入射到超表面上，就可以在超表面的本征区高效激发SPP并将其聚焦到预先设定的焦点处，最后高效地耦合进SPP波导并进行传输。

全波模拟证明，本发明设计的片上光学器件耦合系统，最高可以使自由空间光到SPP波导模式的耦合效率达到33％。

本发明首次把高效近场调控超表面同片上光学器件相结合，为传统光学体系与片上光学系统的对接提供了一种高效率、多功能、可集成的实现方案。本发明所设计的系统，其展示的工作波长为1064nm，也可以通过类似的设计过程推广到其他波段。

本发明中，基于几何相位超表面的表面等离激元片上光学器件耦合系统的设计方法如下：

(1)根据几何相位原理建立高效几何相位人工原子的设计标准。

假设人工原子结构周期拓展所组成的平面为xoy平面，再定义超表面的人工原子自身的局域坐标系为uv坐标系，

分别代表人工原子上层金属长方体结构的短轴和长轴方向，uv坐标系随着上层结构的旋转而旋转，v轴正方向与y轴正方向的夹角即为前面定义过的夹角θ。根据几何相位理论，当一束圆偏振光入射到该人工原子上，假设该圆偏振光为左旋圆偏振光(LCP光)，则反射光将包含两种模式，一种是正常模式，其偏振态仍为LCP，另外一种为异常模式，其偏振态为右旋圆偏振(RCP)。由于该人工原子具有镜像对称性，且不考虑材料吸收，则上述过程中的反射系数可以写为：

其中，第一项代表正常模式，第二项代表异常模式，φ_x、φ_y分别是

与

方向相位延迟。根据以上的式子，可以看到反射光中第一项，即左旋圆偏振光(LCP)并不携带额外的几何相位，也就是正常模式，而反射光中第二项，即右旋圆偏振光(RCP)，也就是异常模式，则带有与几何相位φ_PB＝2θ。因此，要使得几何相位单元工作效率尽可能高，就需要消除反射系数中的第一项，也就是正常模式，从而使得反射模式100％地带有几何相位φ_PB。从反射系数的形式可以看到，只要使得

偏振方向与

偏振方向的相位延迟有π的相位差：φ_uu-φ_vv|＝π，(即需要具有完美半波片性质)，就可以使得

将正常模式消除，得到：

需要说明的是，上述分析对于RCP光入射的情况依然成立，只是相应的正常模式变为RCP，异常模式变成LCP，反射光的形式变为：

并且注意到几何相位变成φ_PB＝-2θ。

(2)关于几何相位超表面所需要的相位分布Φ(x,y)的设计，使得超表面在LCP光入射下可以同时实现向超表面左边(即x轴负方向)激发SPP激发并聚焦；具体是设计局域人工原子的旋转角分布θ(x,y)。

这里，在LCP光入射下，为了让超表面激发SPP本征区域的SPP，需要超表面在

方向上具有合适的反射相位分布Φ_x，使得

方向上的反射相位梯度与SPP本征区域波矢匹配，即

这里k_spp为SPP本征区域的SPP本征波矢。因此，可以得到超表面

方向上的反射相位分布为：

Φ_x＝Φ₀-k_sppx，

其中，Φ₀代表初始相位，为一常数。然后，为了同时调控激发出的SPP的波前从而使得SPP能够聚焦到SPP本征区上一点，还需要超表面激发区提供

方向的相位梯度。这里，假设SPP聚焦的焦距为F，则Φ_y需要满足的关系为：

因此超表面激发区的总相位分布应该是一个二维形式：

这里，由于入射光为LCP，因此超表面的几何相位分布应该满足上述的相位要求，即：

φ_PB(x,y)＝Φ(x,y)，

从而得到超表面上层金属结构的旋转角分布：

θ(x,y)＝Φ(x,y)/2。

需要注意的是，如果入射光为RCP，则超表面的相位分布变成：φ_PB(x,y)＝-Φ(x,y)，对应的向右激发SPP，但是此时的SPP波前是发散的，因此无法利用。

(3)几何相位超表面与片上光学器件的集成系统的设计。

这里，用一根SPP波导作为片上光学器件与几何相位超表面结合，从而使得超表面产生的聚焦SPP耦合进入SPP波导中。所谓的SPP波导，由二氧化硅介质条放置在几何相位超表面左侧的等离激元衬底上构成，介质条截面为一矩形，高宽分别为H、W。介质条平行于

方向放置，一端对准所设计的几何相位超表面的SPP焦点，从而使得聚焦的SPP可以耦合进入SPP波导，成为波导模式继续传输。

本发明基于高效几何相位超表面的设计原理，设计了一个高效几何相位超表面与SPP波导的集成系统，系统中的超表面作为一个桥梁，可以高效地把自由空间光转化为聚焦SPP并最终耦合到片上光学器件中。相较于传统的直接照射激发等片上器件耦合方法，本发明是通过用激发光照射超表面，从而把三维激发光高效地耦合为二维的聚焦SPP并传输到远离激发光的位置，再高效耦合进入SPP波导中，因而具有高效率、高集成、无背景散射等优点。实验验证本发明系统具有优异性能。

本发明为传统光学系统与片上光学系统的对接提供了一种高效率、多功能、易集成的实现方案，其展示的中心工作波长为1064nm，通过类似的设计也可推广到其他波段。

附图说明

图1为人工原子的三维示意图。

图2为人工原子的顶视图。

图3为人工原子偏振转化率(PCR)模拟与实验结果图。

图4为SPP波导截面模场E_z分布图。

图5为超表面耦合SPP波导系统效果图。

图6为人工原子周期性阵列(样品部分区域扫描电镜实物图)。

图7为人工原子半波片性质表征光路示意图。

图8为SPP激发聚焦超表面样品(扫描电镜实物图)。

图9为泄漏模测试系统示意图。

图10为SPP激发聚焦超表面的光场分布模拟结果与泄露模测试结果。

图11为SPP激发聚焦超表面耦合SPP波导系统样品(扫描电镜实物图)。

图12为SPP激发聚焦超表面耦合SPP波导系统模拟结果与泄露模测试结果。

具体实施方式

本发明设计理念的关键是如何设计超表面实现SPP的高效激发和聚焦，进一步地，如何把超表面与SPP波导组合成片上集成光学系统，从而实现自由空间光转化为聚焦SPP并最终耦合到SPP波导中。

根据前述的几何相位超表面设计原理,进一步进行模拟优选，得到几何相位人工原子为具有镜面对称特性的MIM(即“金属/介质/金属”)构型的三层结构，下层金属层是Ag，中间介质层是SiO₂，上层金属层是Au；其结构参数如下：

P＝300nm，h₁＝80nm，h₂＝70nm，h₃＝30nm，a＝130nm，b＝250nm。

具体来说，所设计的人工原子的Ag金属衬底决定了超表面为反射式体系，同时Ag金属衬底与SiO₂介质层构成超表面的等离激元衬底，即可以支持SPP传播的SPP本征区。通过有限元(FEM)软件计算，得到在工作波长1064nm下，所设计的SPP的本征区的SPP本征波矢为k_spp＝1.07k₀，这里k₀为1064nm下的真空中波矢。

为了能够高效地调节几何相位，所设计的人工原子需要具有完美的半波片性质。根据前面的理论推导，基于FDTD(时域有限差分)方法，模拟一束LCP光入射到所设计的人工原子上，反射光包含两种模式，一种是正常模式LCP，得到的S参数记为S₁₁；另外一种反射模式是异常模式RCP模式，得到的S参数记为S₂₁。因此所设计的人工原子的半波片性质可以用偏振转化率表示：

模拟的结果如图3所示，可以看到在工作波长范围附近PCR均在80％以上，说明所设计的原胞为一个良好的半波片。

接下来，根据LCP光入射下超表面可以实现SPP同时向左激发并聚焦所需的相位分布要求，利用所设计的人工原子构造超表面。这里，假设所设计的超表面在左旋光入射下向左激发SPP，并聚焦的焦距为F＝15μm。因此根据设计的推导可得超表面在左旋光入射下所需的目标相位分布为：

这个相位分布由超表面的几何相位提供，即Φ(x,y)＝φ_PB，再根据左旋光入射下的几何相位φ_PB与人工原子上层结构的旋转角θ的关系φ_PB＝2θ，得超表面人工原子的旋转角分布为：

从而得到最终的几何相位超表面设计，这里根据数值模拟优化超表面耦合SPP的效率，最终确定超表面的尺寸大小设计为

方向M＝11个人工原子(3.3μm)，

方向N＝100个人工原子(30μm)。

基于FEM全波模拟方法，入射一束LCP光到所设计的超表面上，得到的SPP光场分布如图10(a)所示，可以看到超表面激发出了SPP并聚焦到了其左边SPP本征区域。

最后，基于所设计的SPP波导，其截面为矩形，由二氧化硅介质条放置在几何相位超表面左侧的等离激元衬底上构成，介质条的高、宽分别为H＝100nm、W＝200nm(高×宽＝100nm×200nm)，其截面上相应的SPP波导模式的模场E_z分布如图4所示。所设计的SiO₂的介质长条平行于

方向放置，一端对准所设计的几何相位超表面的SPP焦点，与超表面一起构成超表面耦合SPP波导的表面等离激元片上光学器件耦合系统，整个系统的效果图如图5所示。最后，同样利用FEM方法模拟一束LCP光到超表面上,得到SPP光场分布如图12(a)所示，可以看到超表面激发出了SPP并聚焦到了其左边的SPP本征区，并进一步耦合进SPP波导成为SPP波导模式并局域在其中传播，模拟计算的效率达到了33％。

对于所设计的波导耦合系统，本发明进一步加工了样品，并进行了实验测试，与前述的模拟结果一起验证本发明。

实验1：高效几何相位人工原子的半波片性质表征实验

高效激发的条件是人工原子需要具有完美半波片性质，将设计的人工原子扩展为

m大小的周期性(周期为P＝300nm)阵列并进行加工测试。这里，通过电子束光刻工艺加工了第一块样品。用厚度为200μm的石英(SiO₂)作为基片，在基片上先后镀上80nm厚的Ag金属衬底与70nm厚的SiO₂介质层，然后通过电子束光刻加工周期性拓展的人工原子上层Au金属结构(如图6所示)。

如图7所示为人工原子半波片表征光路示意图，通过转动入射端的偏振片P1到与

方向夹角为45°的位置，使得入射光为S-偏振光，再让探测端的偏振片P2与

方向夹角分别为45°与135使得接收到的信号为S-偏振光或者P-偏振光，从而得到相应的反射率

与

则实验上几何单元的半波片性质可以用偏振转化率

来代表，测量结果(图3)与模拟结果基本一致，可以看到在工作波长1064nm附近偏振转化效率可达80％以上，表明所设计的几何单元基本符合设计要求。

实验2：SPP激发聚焦超表面的SPP泄漏模表征实验

在测试超表面与SPP波导耦合系统之前，需要先测试所设计的超表面的SPP激发聚焦功能。这里，继续通过电子束光刻工艺加工了第二块样品。用厚度为200μm的石英(SiO₂)作为基片，在基片上先后镀上80nm厚的Ag金属衬底与70nm厚的SiO₂介质层作为超表面的本征区，然后通过电子束光刻加工了所设计的超表面激发区的上层厚度为30nmAu金属结构(如图8所示)。

利用如图9所示的泄漏模测试光路来表征超表面产生的SPP近场分布。调整偏振片和四分之一波片使得入射光成为LCP光并入射到样品上，由于Ag衬底只有80nm，因此超表面产生的SPP近场在传播过程中会有少量能量从背面泄露出来成为辐射模式，从而被油镜收集，最后在探测端成像，从而间接表征SPP近场分布。如图10(b)是测试结果，与模拟结果基本一致，可以看到超表面产生的SPP大部分聚焦到本征区焦点处，在焦点处产生很大的场增强，而后继续传播散开。

实验3：超表面与SPP波导耦合系统泄漏模表征实验

最后，测试超表面与SPP波导组成的耦合系统。仍然通过电子束光刻工艺加工了第三块样品。用厚度为200μm的石英(SiO2)作为基片，在基片上先后镀上80nm厚的Ag金属衬底与70nm厚的SiO2介质层作为超表面的本征区，然后通过电子束光刻加工了所设计的超表面激发区的上层30nm厚的Ag金属结构，最后在本征区的预设位置套刻SiO₂介质条作为SPP波导(如图11所示)。

同样利用图9所示的泄漏模测试光路来测试这个耦合系统。在LCP光的入射下，测试结果如图12(b)所示，与模拟结果基本一致，可以看到，超表面产生的SPP聚焦后，并未再发散开，而是很大部分局域在一条线上向前传播，这说明焦点处的SPP能量很大部分都耦合成了SPP波导模式。

本发明的基于几何相位超表面的表面等离激元片上光学器件耦合系统不仅可以用来耦合发明中所展示的SPP波导。由于SPP聚焦产生的场增强效应，还可以把SPP波导换成等离激元微腔等器件，用来增强其局域表面等离激元(LSPR)场，从而实现增强片上光与物质相互作用。

Claims (6)

1.一种基于超表面的表面等离激元片上光学器件耦合系统，其特征在于，由SPP激发聚焦超表面和片上光学器件两个部分集合组成；其中：

关于SPP激发聚焦超表面，首先根据高效率几何相位超表面的设计原则，设计一个具有近似完美半波片性质的几何相位人工原子，该人工原子为MIM构型，即包括底层金属层和中间介质层，以及上层长方体金属微结构层；人工原子中，衬底金属层和中间介质层为方形，其边长为P，底层金属层厚度为h1，中间介质层厚度为h2，上层长方体金属微结构长与宽分别为a,、b,厚度为h3，这些结构参数将经优化确定；并且上层长方体金属微结构可以在x-y平面内绕自身对称中心点旋转，定义长方体长轴与y轴正方向的夹角为θ，称θ为旋转角；把所设计的人工原子在二维平面内周期性延拓为一个M×N的阵列，周期为P，形成几何相位超表面；并根据要同时实现SPP激发和聚焦的功能目标，计算出超表面所需的二维相位分布φ(x,y)，进而根据几何相位原理确定每个人工原子的旋转角分布θ(x,y)，从而得到最终的超表面；另外，把超表面的衬底金属层和介质层向两侧延拓，作为等离激元衬底，构成SPP本征区域；

关于片上光学器件，是由一根二氧化硅介质条放置在几何相位超表面一侧的等离激元衬底上而构成的SPP波导，其结构端面与超表面的SPP焦点对准。

2.根据权利要求1所述的片上光学器件耦合系统，其特征在于，所述底层金属采用银，中间介质层采用二氧化硅，上层金属采用金。

3.根据权利要求2所述的片上光学器件耦合系统，其特征在于，超表面区域的长度，即对应于N个人工原子的总长度大小，对于整个耦合系统的功能影响不大，看作为很大的数；而超表面区域的宽度即对应于M个人工原子的总长度大小,将对整个耦合系统的效率有影响，系统的结构参数P，h1，h2，h3，a，b对整个系统工作的效率有影响，需要进行优化。

4.根据权利要求3所述的片上光学器件耦合系统，其特征在于，将激发光正入射到超表面上，在超表面的本征区高效激发SPP并将其聚焦到预先设定的焦点处，最后高效地耦合进SPP波导并进行传输。

5.根据权利要求4所述的片上光学器件耦合系统，其特征在于，结构参数如下：P＝300nm，h₁＝80nm，h₂＝70nm，h₃＝30nm，a＝130nm，b＝250nm；M＝11个人工原子，N＝100个人工原子。

6.如权利要求1-5之一所述片上光学器件耦合系统的设计方法，具体步骤如下：

(1)根据几何相位原理建立高效几何相位人工原子的设计标准

假设人工原子结构周期拓展所组成的平面为xoy平面，再定义超表面的人工原子自身的局域坐标系为uv坐标系，

分别代表人工原子上层金属长方体结构的短轴和长轴方向，uv坐标系随着上层结构的旋转而旋转，v轴正方向与y轴正方向的夹角即为前面定义过的旋转角θ；根据几何相位理论，当一束圆偏振光入射到该人工原子上，假设该圆偏振光为左旋圆偏振光，记为LCP，则反射光将包含两种模式，一种是正常模式，其偏振态仍为LCP，另外一种为异常模式，其偏振态为右旋圆偏振，记为RCP；由于人工原子具有镜像对称性，且不考虑材料吸收，则上述过程中的反射系数写为：

其中，第一项代表正常模式，第二项代表异常模式，φ_x、φ_y分别是

与

方向相位延迟；根据以上的式子，看到反射光中第一项，即左旋圆偏振光LCP并不携带额外的几何相位，也就是正常模式，而反射光中第二项，即右旋圆偏振光RCP，也就是异常模式，则带有与几何相位φ_PB＝2θ；因此，要使得几何相位单元工作效率尽可能高，就需要消除反射系数中的第一项，也就是正常模式，从而使得反射模式100％地带有几何相位φ_PB；从反射系数的形式可以看到，只要使得

偏振方向与

偏振方向的相位延迟有π的相位差：|φ_uu-φ_vv|＝π，即需要具有完美半波片性质，就使得

将正常模式消除，得到：

上述分析对于RCP光入射的情况依然成立，只是相应的正常模式变为RCP，异常模式变成LCP，反射光的形式变为：

几何相位变成φ_PB＝-2θ；

(2)关于几何相位超表面所需要的相位分布Φ(x,y)的设计，使得超表面在LCP光入射下同时实现向超表面左边即x轴负方向激发SPP激发并聚焦；具体是设计局域人工原子的旋转角分布θ(x,y)；

这里，在LCP光入射下，为了让超表面激发SPP本征区域的SPP，需要超表面在

方向上具有合适的反射相位分布Φ_x，使得

方向上的反射相位梯度与SPP本征区域波矢匹配，即

这里k_spp为SPP本征区域的SPP本征波矢；因此，得到超表面

方向上的反射相位分布为：

Φ_x＝Φ₀-k_sppx，

其中，Φ₀代表初始相位，为一常数；然后，为了同时调控激发出的SPP的波前从而使得SPP能够聚焦到SPP本征区上一点，需要超表面激发区提供

方向的相位梯度；这里，假设SPP聚焦的焦距为F，则Φ_y需要满足的关系为：

因此超表面激发区的总相位分布是一个二维形式：

这里，由于入射光为LCP，因此超表面的几何相位分布满足上述的相位要求，即：

φ_PB(x,y)＝Φ(x,y)，

从而得到超表面上层金属结构的旋转角分布：

θ(x,y)＝Φ(x,y)/2；

(3)几何相位超表面与片上光学器件的集成系统的设计

用SPP波导作为片上光学器件与几何相位超表面结合，使超表面产生的聚焦SPP耦合进入SPP波导中；所述SPP波导由二氧化硅介质条放置在几何相位超表面左侧的等离激元衬底上构成，介质条截面为一矩形，高宽为H、W；介质条平行于

方向放置，一端对准所设计的几何相位超表面的SPP焦点，使得聚焦的SPP可以耦合进入SPP波导，成为波导模式继续传输。

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