CN115639669A - 用于光纤与片上波导耦合的超表面的设计方法及耦合装置 - Google Patents

Abstract

本公开涉及用于光纤与片上波导耦合的超表面的设计方法及耦合装置。在本申请的技术方案中，通过设计光纤端面超表面的纳米结构的参数和排布方式，利用该光纤端面超表面对光纤出射光场进行灵活的波前调控，实现光纤高阶模式‑片上单模波导的耦合。

Description

用于光纤与片上波导耦合的超表面的设计方法及耦合装置

技术领域

本公开涉及半导体光学领域，具体涉及一种用于光纤与片上波导耦合的超表面的设计方法及耦合装置。

背景技术

现有技术中，通过一种片上模斑转换器实现光纤与片上波导之间的耦合。上述片上模斑转换器主要包括两个相同的锥形波导和Y形结，基于光纤LP₁₁模式两瓣分离与重组原理，实现了光纤、片上波导的耦合。

现有技术中的片上模斑转换器需要设置于芯片边缘，即片上波导的端面，通过锥形波导缓慢的模式演化实现两者低损耦合，该器件尺寸>100μm，体积较大，不利于系统的微型化。

此外，上述片上模斑转换器实现了LP₁₁-TE₁模式耦合，并未实现LP₁₁-TE₀模式耦合，但目前片上光互连依然以单模波导作为信息载体进行稳定传输，而单模波导仅支持基模(TE₀模)，因此仍需要额外的片上模式转换器实现TE₁-TE₀耦合。

发明内容

为了解决现有技术中耦合装置体积大，以及不支持基模的问题，本申请实施例第一方面提供了一种用于光纤与片上波导耦合的超表面的设计方法，其中，在光纤端面与片上波导之间设置所述超表面，用于对所述光纤的出射光场进行波前调控，所述设计方法包括如下步骤：

步骤S1，确定所述光纤与所述片上波导的模式特性；

步骤S2，基于所述超表面针对工作波段的透过率和透射相位响应，筛选所述超表面所能够包括的纳米结构；

步骤S3，基于所述光纤的模式特性，获得所述超表面的相位分布，从而确定所述超表面的所述纳米结构的排列方式。

可选地，所述超表面的设计步骤还包括：

步骤S4，对所述步骤S3形成的超表面进行光场传播仿真。

可选地，所述光纤的模式特性包括光纤一阶线偏振模式下的振幅和相位分布，并且所述光纤的模式特性具有低损耦合需求。

可选地，所述片上波导的模式特性包括单模波导模式下的振幅和相位分布。

可选地，其特征在于，所述步骤S2具体包括：

步骤S21，根据所述工作波段确定所述纳米结构的材料；

步骤S22，根据

确定纳米柱高度d，其中，

为出射相位，n为材料折射率，λ为工作波段的波长；

确定纳米结构的排布周期，所述排布周期满足亚波长条件；

步骤S23，对周期光栅进行光谱响应计算，以获得满足所述透过率和透射相位响应要求的纳米结构参数范围。

可选地，所述纳米结构需满足2π的相位覆盖要求。

可选地，所述步骤S2还包括：

步骤S24，对获得的纳米结构参数范围离散化处理，得到多阶纳米结构对应的几何尺寸、透过率和相位参数。

可选地，获得8阶纳米柱所对应的几何尺寸、透过率和相位参数。

可选地，在步骤S23中，通过严格耦合波分析或时域有限差分法对周期光栅进行光谱响应计算。

可选地，在步骤S3中，获得能够增加光纤-片上波导模场匹配度的超表面的相位分布，所述模场匹配度满足：

其中，η为模场匹配度，E₁(x,y)为光纤出射场复振幅，E₂(x,y)为芯片边缘波导模式复振幅。

可选地，在步骤S3中，基于：减小光纤出射场的模场尺寸

或者

增大波导端模式尺寸

的原则，获得所述超表面的相位分布。

可选地，在步骤S3中，获得所述超表面的相位分布包括，在聚焦相位的基础上，在超表面x轴正负方向分别赋予π的相位差，所述相位分布满足：

其中，

为超表面相位，λ为工作波长，f为焦距。

可选地，在步骤S3中，获得所述超表面的相位分布包括，在聚焦相位的基础上，增加涡旋相位，所述相位分布满足：

其中，

为超表面聚焦相位，θ(x,y)为超表面漩涡相位，λ为工作波长，f为焦距，l为角量子数，θ为空间方位角。

可选地，所述步骤S4中，对所述相位分布进行多阶离散化后，进行全波仿真，以获取仿真传播结果；

以角谱间相移作为传递函数，获取所述光场传播；

所述角谱间相移表示为：

并且其满足：

其中，A₀(f_x,f_y,0)为z＝0平面的频谱或光纤出射端面的频谱；A(f_x,f_y,z)为传播平面的频谱。

本公开第二方面提供了一种耦合装置，包括光纤、片上波导及设置于所述光纤和片上波导之间的超表面，其中，所述超表面根据前述任一项所述的用于光纤与片上波导耦合的超表面的设计方法构成。

可选地，所述超表面直接形成于所述光纤端面。

可选地，包括超透镜；所述超透镜包括基底，以及设置于所述基底的所述超表面，所述超透镜设置于所述光纤端面。

可选地，所述超表面的纳米结构之间无相对旋转角度。

可选地，所述纳米结构是截面为长方形的柱状体。

可选地，所述纳米结构排列形成可密堆形状的结构单元；所述结构单元为正方形或正六边形。

可选地，所述耦合装置的工作波长为1550nm；并且，其中的超表面至少具有如下参数的纳米结构：

长度205nm至545nm，宽度95nm至460nm，透过率0.914至0.968，相位0.1至0.94。

可选地，所述超表面的相位分布满足：

其中，

为超表面相位，λ为工作波长，f为焦距；

或

其中，

为超表面聚焦相位，θ(x,y)为超表面漩涡相位，λ为工作波长，f为焦距，l为角量子数，θ为空间方位角。

本申请实施例中的技术方案，至少能够实现如下有益效果：

将光纤与超表面相结合，在光纤端面设计超表面，通过超表面灵活的波前调控实现光纤一阶模式与片上单模波导的耦合。尤其是，能够实现LP₁₁-TE₀模式的耦合。超表面是具有亚波长特征尺寸的二维平面结构，厚度只有百纳米左右，因此，基于其的耦合装置体积小，易于实现系统集成化和微型化，能够制成独立的耦合装置，也能够直接形成于光纤的端面。

此外，由于超表面多自由度高精度任意调控光场的特性，耦合用超表面可以与其他光学功能相结合，并且与CMOS工艺兼容，工艺简单，易于制备。

附图说明

所包括的附图用于提供本申请的进一步理解，并且被并入本说明书中构成本说明书的一部分。附图示出了本申请的实施方式，连同下面的描述一起用于说明本申请的原理。

图1为实施例中的设计方法步骤流程图；

图2为实施例中筛选纳米结构的方法流程图；

图3为实施例中，光纤一阶线偏振(LP₁₁)模式归一化的振幅、相位分布示意图；

图4为实施例中的两种可选的纳米结构示意图；

图5为实施例中的两种可选的结构单元排布示意图；

图6分别为实施例中所采用纳米结构的光谱响应示意图、透过率响应、相位响应示意图以及实施例中所采用的8阶纳米结构(柱)的透过率和相位覆盖；

图7为实施例中赋予超表面左右两半π相位差的方案的相位分布图；

图8为实施例中赋予超表面漩涡相位的方案的相位分布图；

图9为图7中方案所对应超透镜的仿真光场传播示意图；

图10为图8中方案所对应超透镜的仿真光场传播示意图；

图11为实施例中波导端模场强度分布示意图；

图12为实施例中采用FDTD Solutions进行全波仿真的仿真结果图。

具体实施方式

现将在下文中参照附图更全面地描述本申请，在附图中示出了各实施方式。然而，本申请可以以许多不同的方式实施，并且不应被解释为限于本文阐述的实施方式。相反，这些实施方式被提供使得本申请将是详尽的和完整的，并且将向本领域技术人员全面传达本申请的范围。通篇相同的附图标记表示相同的部件。再者，在附图中，为了清楚地说明，部件的厚度、比率和尺寸被放大。

本文使用的术语仅用于描述具体实施方式的目的，而非旨在成为限制。除非上下文清楚地另有所指，否则如本文使用的“一”、“一个”、“该”和“至少之一”并非表示对数量的限制，而是旨在包括单数和复数二者。例如，除非上下文清楚地另有所指，否则“一个部件”的含义与“至少一个部件”相同。“至少之一”不应被解释为限制于数量“一”。“或”意指“和/或”。术语“和/或”包括相关联的列出项中的一个或更多个的任何和全部组合。

除非另有限定，否则本文使用的所有术语，包括技术术语和科学术语，具有与本领域技术人员所通常理解的含义相同的含义。如共同使用的词典中限定的术语应被解释为具有与相关的技术上下文中的含义相同的含义，并且除非在说明书中明确限定，否则不在理想化的或者过于正式的意义上将这些术语解释为具有正式的含义。

“包括”或“包含”的含义指明了性质、数量、步骤、操作、部件、部件或它们的组合，但是并未排除其他的性质、数量、步骤、操作、部件、部件或它们的组合。

本文参照作为理想化的实施方式的截面图描述了实施方式。从而，预见到作为例如制造技术和/或公差的结果的、相对于图示的形状变化。因此，本文描述的实施方式不应被解释为限于如本文示出的区域的具体形状，而是应包括因例如制造导致的形状的偏差。例如，被示出或描述为平坦的区域可以典型地具有粗糙和/或非线性特征。而且，所示出的锐角可以被倒圆。因此，图中所示的区域在本质上是示意性的，并且它们的形状并非旨在示出区域的精确形状并且并非旨在限制权利要求的范围。

在下文中，将参照附图描述根据本申请的示例性实施方式。

为了解决现有技术中，光纤-片上波导体积较大，不利于微型化的问题，以及无法一步到位地实现LP₁₁-TE₀模式耦合的问题，本公开提供一种基于光纤端面的耦合器及用于光纤与片上波导耦合的超表面的设计方法。其技术思想在于将光纤与超表面相结合，利用具有一定功能的超表面对光纤出射光进行多自由度的灵活调制，具有体积小、结构简单、易于制备等优势，可用于光纤-光纤、光纤-芯片及光纤-自由空间场景，有望在光通信系统中有广泛的应用。

如图1所示，本公开实施例中首先提供了一种用于光纤与片上波导耦合的超表面的设计方法，这种方法首先在光纤端面与片上波导之间设置超表面，应理解的是，上述超表面可以是一个独立的超透镜，也可以是加工/构成于光纤或者片上波导端面的超表面。通过上述超表面可以对光纤的出射光场进行波前调控，以使光纤与片上波导耦合；其中的要点在于，上述超表面基于如下步骤设计：

步骤S1，确定所述光纤与所述片上波导的模式特性；

步骤S2，基于所述超表面针对工作波段的透过率和透射相位响应，筛选用于构成超表面的纳米结构；

步骤S3，基于所述光纤的模式特性，获得所述超表面的相位分布，从而确定所述超表面的所述纳米结构的排列方式；

步骤S4，对超表面进行光场传播仿真。

解释性的，本申请实施例及各可选实施例中，所描述的各种超透镜/超表面包括如下特征：

超表面为一层亚波长的人工纳米结构膜，其典型的实施方式如本公开实施例中涉及的超透镜，可通过其上设置的纳米结构单元来对入射光的振幅、相位和偏振进行调制，其中需要说明的是，纳米结构可理解为包含全介质或电浆子的、能够导致相位突变的亚波长结构，而纳米结构单元为通过对超透镜进行划分而得到以每个纳米结构为中心的结构单元。在超透镜中纳米结构周期性排布在基底上，其中每个周期中的纳米结构组成一个超结构单元，其中超结构单元为可密堆积图形，例如可以为正四边形，正六边形等等，每个周期中包含一组纳米结构，并且超结构单元的顶点和/或中心例如可以设置有纳米结构。在超结构单元为正六边形的情况下，正六边形各顶点和中心位置至少设置有一个纳米结构。或者，在其为正方形的情况下，正方形各顶点和中心位置至少设置有一个纳米结构。理想状态下，超结构单元应为六边形顶点及中心排布的纳米结构，或者为正方形顶点及中心排布的纳米结构，应当理解，实际产品可能因超透镜形状的限制，在超透镜边缘有纳米结构的缺失，使其不满足完整的六边形/正方形。具体的，如图5所示，所述超结构单元由纳米结构按照规律排布而成，若干个超结构单元成阵列排布形成超表面结构。

如图5左部分示出的一个实施例，超结构单元包括一个中间的纳米结构和环绕其的6个与其距离相等的周边的纳米结构，各周边纳米结构沿着环周均匀分布，组成正六边形，也可理解为多个纳米结构组成的正三角形互相组合。

如图5右部分示出的一个实施例，超结构单元包括一个中间的纳米结构和环绕其的4个与其距离相等的周边的纳米结构，组成正方形。

超结构单元及其密堆/阵列的形式也可以是圆周排列的扇形，包括两个弧形边的扇形，也可以是一个弧形边的扇形。

为简洁和清楚起见，实施例附图5中的右图只绘制了超结构单元中心设置的纳米结构，应理解，在图中正方形的轮廓顶点/交点处也应设置有纳米结构。

超表面/超透镜中的纳米结构可为偏振相关的结构，如纳米鳍和纳米椭圆柱等结构，此类结构对入射光施加一个几何相位；纳米结构也可以是偏振无关结构，如纳米圆柱和纳米方柱等结构，此类结构对入射光施加一个传播相位。在本公开的实施例中，纳米结构的形式如图4所示，优选为偏振无关的结构。

各纳米结构之间可以填充空气或者在工作波段透明或半透明的其他材料。根据本公开的实施方式，所填充的材料的折射率与纳米结构的折射率之间的差值的绝对值应大于等于0.5。

具体的，上述光纤的模式特性包括光纤一阶线偏振模式下的振幅和相位分布。片上波导的模式特性包括单模波导模式下的振幅和相位分布。关于光纤的模式特性，由光纤模式理论可得弱导光纤所有线偏振模式的电磁场分布。图3给出光纤一阶线偏振LP₁₁模式的振幅和相位分布。由图3可知，LP₁₁是左右相位相差π的两瓣状分布。而单模波导模式(TE₀模)相位均匀分布。因此，如果不经过任何模式转换器件，LP₁₁模理论上不能直接耦合到片上波导中传输。

有鉴于此，本公开提供的设计方法，需要基于上述光纤的模式特性，设计超表面，需要注意的是，其中的光纤模式特性具有低损耦合需求。首先包括纳米结构的几何设计，即确定纳米结构的材料、几何参数、形状、排布方式。具体包括：

确定工作波长，示例性的，为1550nm波长；以及确定材料，示例性的，为硅。由亚波长条件和周期光栅出射相位

确定晶格常数和纳米柱高度；应理解的是，其中所确定的晶格常数决定了纳米结构的排布周期。

在一定参数范围内通过严格耦合波分析(RCWA)或时域有限差分法(FDTD)等数值计算方法对周期光栅进行光谱响应计算，即对单元结构进行参数扫描，直到找到满足高透射率和2π相位覆盖要求的单元结构参数范围。

本专利采用长方形纳米结构来实现对入射光的波前调控，如图4中的左图所示。

基于上述已经论述的超表面特征，实施例可以选用正六边形或者正方形的纳米结构排布形式，优选为正六边形，因为正六边形排布更紧密，周期性更好。

上述所选纳米结构参数在波长为1550nm下满足高透过率，2π全相位覆盖要求，如图6所示。其中，透过率和相位图中空白区域是结构尺寸超出单个六角晶格的数据点。从中筛选出8阶离散纳米单元，结构参数为表1所示。

纳米柱	长/nm	宽/nm	透过率	相位
					1	460	200	0.966	0.1
2	525	200	0.914	0.18
					3	545	235	0.934	0.303
4	495	280	0.967	0.4
					5	260	95	0.97	0.555
6	205	460	0.97	0.7
					7	255	360	0.967	0.8
8	270	450	0.968	0.94

表1 8阶纳米柱单元结构参数

在具体实施过程中，如图2所示，可以按照如下步骤依次执行：

步骤S21，确定工作波长和纳米结构的材料；

步骤S22，确定晶格常数和纳米柱高度，其中，纳米柱高度需满足工作波长的亚波长条件，并且根据周期光栅出射相位：

确定晶格常数；

步骤S23，对周期光栅进行光谱响应计算，以获得满足透过率和相位响应要求的纳米结构参数范围。

其中，相位响应要求为：满足2π的相位覆盖要求。

步骤S24，对获得的纳米结构参数范围离散化处理，得到多阶纳米结构对应的几何尺寸、透过率和相位参数。

其中，获得8阶纳米柱所对应的几何尺寸、透过率和相位参数。

实施例需要解决的问题之一：光纤-片上波导耦合中存在模场失配问题。在于，光纤的特征尺寸在十几到几十微米，而片上波导的特征尺寸只有零点几微米，两者的特征尺寸相差较大，因此要实现光纤-片上波导的耦合，可以通过两个方式：减小光纤出射场的模场尺寸，增大波导端模式尺寸，进而增大两者模场匹配度η，由模式匹配度η来衡量耦合效率，上述两个方式均通过超表面上的纳米结构的相位分布，对光纤出射光进行相位调制，因此需要设计超表面的相位分布。上述η由公式Eq-1给出：

式中，E₁(x,y)为光纤出射场复振幅，E₂(x,y)为芯片边缘波导模式复振幅。

由公式Eq-1可知，要想实现LP₁₁-TE₀模式的低损耦合，不仅要求模式振幅相匹配，还需要相位相匹配。基于此，本专利通过两种方式来设计超表面的空间相位。

方法1.在实现聚焦的相位分布基础上，赋予左右两半π相位差，由公式Eq-2给出：

式中，

为超表面相位，λ为工作波长，f为焦距。

方法2.在实现聚焦的相位基础上加涡旋相位，由公式Eq-3给出：

其中，

为超表面聚焦相位，θ(x,y)为超表面漩涡相位，λ为工作波长，f为焦距，l为角量子数，θ为空间方位角。

在实施例的具体实施方式中，在上述步骤S23中，通过严格耦合波分析或时域有限差分法对周期光栅进行光谱响应计算。以及，在步骤S3中，获得能够增加光纤-片上波导模场匹配度的纳米结构的相位分布。

对于步骤S4中，对超表面进行光场传播仿真，采用角谱计算光场传播。

光波在自由空间中的传播可以用菲涅尔衍射、夫朗禾费衍射以及平面波角谱理论来描述。其中，平面波角谱理论是从频域上讨论光波传输，任何一个二维光场分布都可以认为是由各种空间频率的平面光波线性叠加。

假设平面波的波矢为k，与x、y、z轴的夹角分别为α、β、γ，根据空间频率的定义，即光场信号在单位距离上重复的次数，x、y、z轴的空间频率分别表示为：

由于

cos²α+cos²β+cos²γ＝1，

可以得到

因此z方向的空间频率可以表示为

设沿任意方向传播的平面波表示为

U(x,y,z)＝Ae^{ik(x cosα+y cosβ)}，

其中，

因此沿任意方向传播的平面波U可以表示为：

设a(x,y)为某x-y平面的光场函数，对其傅里叶逆变换可得：

其中，A(f_x,f_y)称为a(x,y)的频谱。上式表明光场可以看作由基函数

按照不同权重A(f_x,f_y)的线性叠加。相反地，对光场做傅里叶变换就可以得到其频谱，即：

设初始z＝0平面的光场表示为U(x,y,0)，其频谱表示为A₀(f_x,f_y,0)，观察平面的光场表示为U(x,y,z)，其频谱表示为A(f_x,f_y,z)，由亥姆霍兹方程可以求得：

其中，

为两个角谱之间的相移，被称为系统的传递函数。因此，我们想要求得观察平面的光场函数，只需要对A(f_x,f_y,z)做傅里叶逆变换即可。

其中，A₀(f_x,f_y,0)为z＝0平面的频谱，具体可以是光纤出射端面的频谱；A(f_x,f_y,z)为传播平面的频谱。

示例性的，可以对理想相位进行多阶离散化后，采用商业软件FDTD Solutions进行全波仿真，获取超表面的仿真传播结果，其FDTD仿真结果如图12所示。

其中，如图9所示，为上述方法1所对应超透镜的仿真光场传播示意图；

如图10所示，为上述方法2所对应超透镜的仿真光场传播示意图；

如图11所示，为耦合之后的波导端模场强度分布。可见已经实现了光纤-片上波导的TE1-TE0耦合。其中，可将波导端光场振幅作为目标光场来预设焦斑场分布，进而设计超表面的相位调制数值，使得聚焦光斑与波导端模场相匹配即可，衡量指标为公式Eq-1的模式匹配度。

本申请实施例中，还提供了一种光纤与片上波导的耦合装置，其包括光纤、片上波导及设置于光纤和片上波导之间的超表面，其中，超表面根据前述实施例及其任一项可选实施方式中的设计方法构成。

在优选实施例中，超表面直接形成于光纤端面。典型的，可以直接在光纤线芯的端面进行刻蚀，以形成满足相位要求的纳米结构。优选地，可以额外施加保护层。

在另一种实施方式中，超表面直接形成于片上波导的端面，尤其是半导体元件的侧面。

在优选实施例中，超表面构成于一个独立的超透镜，超透镜包括基底，以及设置于基底的超表面，超透镜设置于光纤端面。基底需要对工作波段具有高透过性，此外，基底材料可以与光纤线芯相同，也可以不同。

根据本申请的实施方式，纳米结构可由如下材料中的至少之一形成：氧化钛、氧化硅、氮化硅、氮化镓、磷化镓、氧化铝、氢化非晶硅等材料。例如，当目标波段是可见光时，纳米结构的材料包括氮化硅、氧化钛、氮化镓、磷化镓和氢化非晶硅中的一种或多种；当目标波段是近红外光时，纳米结构的材料包括氮化硅、氧化钛、氮化镓、磷化镓、氢化非晶硅、非晶硅和晶体硅中的一种或多种；当目标波段是远红外光时，纳米结构的材料包括晶体硅、晶体锗、硫化锌和硒化锌中的一种或多种；当目标波段是紫外光时，纳米结构的材料包括氧化铪。

上述超透镜可以以其具有纳米结构的面朝向光纤线芯粘贴安装，也可以以相反的方向安装。

在优选实施例中，超表面的纳米结构为偏振不相关结构。进一步地，纳米结构是截面为圆形或正方形的柱状体。

在优选实施例中，纳米结构排列形成可密堆形状的结构单元；结构单元为正方形或正六边形。

在优选实施例中，耦合装置的工作波长为1550nm；并且，其中的超表面至少具有如下参数的纳米结构：

序号	长/nm	宽/nm	透过率	相位(π)
					1	460	200	0.966	0.1
2	525	200	0.914	0.18
					3	545	235	0.934	0.303
4	495	280	0.967	0.4
					5	260	95	0.97	0.555
6	205	460	0.97	0.7
					7	255	360	0.967	0.8
8	270	450	0.968	0.94

。

在优选实施例中，超表面的相位分布满足：

其中，

为超表面相位，λ为工作波长，f为焦距；

或

其中，

为超表面聚焦相位，θ(x,y)为超表面漩涡相位，λ为工作波长，f为焦距，l为角量子数，θ为空间方位角。

综上，本申请实施例提供的设计方法，或基于同一技术构思的耦合装置，将光纤与超表面相结合，在光纤端面设计超表面，通过超表面灵活的波前调控实现光纤一阶模式与片上单模波导的耦合，不需要额外的模式转换器。超表面是具有亚波长特征尺寸的二维平面结构，厚度只有百纳米，因此体积小，易于实现系统集成化和微型化。

此外，因其多自由度高精度任意调控光场的特性，超表面可以实现传统光学器件相媲美的功能，且与传统器件相比，更轻更薄更紧凑，成本更低。并且，超表面与CMOS工艺兼容，工艺简单，易于制备。

以上，仅为本申请实施例的具体实施方式，但本申请实施例的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请实施例披露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请实施例的保护范围之内。因此，本申请实施例的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (22)

1.一种用于光纤与片上波导耦合的超表面的设计方法，其特征在于，在光纤端面与片上波导之间设置所述超表面，用于对所述光纤的出射光场进行波前调控，所述设计方法包括如下步骤：

步骤S1，确定所述光纤与所述片上波导的模式特性；

步骤S2，基于所述超表面针对工作波段的透过率和透射相位响应，筛选所述超表面所能够包括的纳米结构；

步骤S3，基于所述光纤的模式特性，获得所述超表面的相位分布，从而确定所述超表面的所述纳米结构的排列方式。

2.根据权利要求1所述的用于光纤与片上波导耦合的超表面的设计方法，其特征在于，所述超表面的设计步骤还包括：

步骤S4，对所述步骤S3形成的超表面进行光场传播仿真。

3.根据权利要求1所述的用于光纤与片上波导耦合的超表面的设计方法，其特征在于，所述光纤的模式特性包括光纤一阶线偏振模式下的振幅和相位分布，并且所述光纤的模式特性具有低损耦合需求。

4.根据权利要求1所述的用于光纤与片上波导耦合的超表面的设计方法，其特征在于，所述片上波导的模式特性包括单模波导模式下的振幅和相位分布。

5.根据权利要求1至4任一项所述的用于光纤与片上波导耦合的超表面的设计方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：

步骤S21，根据所述工作波段确定所述纳米结构的材料；

步骤S22，根据

确定纳米柱高度d，其中，

为出射相位，n为材料折射率，λ为工作波段的波长；

确定纳米结构的排布周期，所述排布周期满足亚波长条件；

步骤S23，对周期光栅进行光谱响应计算，以获得满足所述透过率和透射相位响应要求的纳米结构参数范围。

6.根据权利要求5所述的用于光纤与片上波导耦合的超表面的设计方法，其特征在于，所述纳米结构需满足2π的相位覆盖要求。

7.根据权利要求5所述的用于光纤与片上波导耦合的超表面的设计方法，其特征在于，所述步骤S2还包括：

步骤S24，对获得的纳米结构参数范围离散化处理，得到多阶纳米结构对应的几何尺寸、透过率和相位参数。

8.根据权利要求7所述的用于光纤与片上波导耦合的超表面的设计方法，其特征在于，获得8阶纳米柱所对应的几何尺寸、透过率和相位参数。

9.根据权利要求5所述的用于光纤与片上波导耦合的超表面的设计方法，其特征在于，在步骤S23中，通过严格耦合波分析或时域有限差分法对周期光栅进行光谱响应计算。

10.根据权利要求1所述的用于光纤与片上波导耦合的超表面的设计方法，其特征在于，在步骤S3中，获得能够增加光纤-片上波导模场匹配度的超表面的相位分布，所述模场匹配度满足：

其中，η为模场匹配度，E₁(x,y)为光纤出射场复振幅，E₂(x,y)为芯片边缘波导模式复振幅。

11.根据权利要求10所述的用于光纤与片上波导耦合的超表面的设计方法，其特征在于，在步骤S3中，基于：减小光纤出射场的模场尺寸

或者

增大波导端模式尺寸的原则，获得所述超表面的相位分布。

12.根据权利要求10所述的用于光纤与片上波导耦合的超表面的设计方法，其特征在于，在步骤S3中，获得所述超表面的相位分布包括，在聚焦相位的基础上，在超表面x轴正负方向分别赋予π的相位差，所述相位分布满足：

其中，

为超表面相位，λ为工作波长，f为焦距。

13.根据权利要求10所述的用于光纤与片上波导耦合的超表面的设计方法，其特征在于，在步骤S3中，获得所述超表面的相位分布包括，在聚焦相位的基础上，增加涡旋相位，所述相位分布满足：

其中，

为超表面聚焦相位，θ(x,y)为超表面漩涡相位，λ为工作波长，f为焦距，l为角量子数，θ为空间方位角。

14.根据权利要求2所述的用于光纤与片上波导耦合的超表面的设计方法，其特征在于，所述步骤S4中，对所述相位分布进行多阶离散化后，进行全波仿真，以获取仿真传播结果；并且，

以角谱间相移作为传递函数，获取所述光场传播；

所述角谱间相移表示为：

并且其满足：

其中，A₀(f_x,f_y,0)为z＝0平面的频谱或光纤出射端面的频谱；A(f_x,f_y,z)为传播平面的频谱。

15.一种耦合装置，其特征在于，包括光纤、片上波导及设置于所述光纤和片上波导之间的超表面，其中，所述超表面根据权利要求1至14任一项所述的用于光纤与片上波导耦合的超表面的设计方法构成。

16.根据权利要求15所述的耦合装置，其特征在于，所述超表面直接形成于所述光纤端面。

17.根据权利要求15所述的耦合装置，其特征在于，包括超透镜；所述超透镜包括基底，以及设置于所述基底的所述超表面，所述超透镜设置于所述光纤端面。

18.根据权利要求15至17任一项所述的耦合装置，其特征在于，所述超表面的纳米结构之间无相对旋转角度。

19.根据权利要求18所述的耦合装置，其特征在于，所述纳米结构是截面为长方形的柱状体。

20.根据权利要求15至17任一项所述的耦合装置，其特征在于，所述纳米结构排列形成可密堆形状的结构单元；所述结构单元为正方形或正六边形。

21.根据权利要求19所述的耦合装置，其特征在于，所述耦合装置的工作波长为1550nm；并且，其中的超表面至少具有如下参数的纳米结构：

长度205nm至545nm，宽度95nm至460nm，透过率0.914至0.968，相位0.1至0.94。

22.根据权利要求15所述的耦合装置，其特征在于，所述超表面的相位分布满足：

其中，

为超表面相位，λ为工作波长，f为焦距；

或

其中，

为超表面聚焦相位，θ(x,y)为超表面漩涡相位，λ为工作波长，f为焦距，l为角量子数，θ为空间方位角。

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