CN115657171A - 一种基于soi的c波段数字化超表面片上集成伦伯透镜 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于SOI的C波段数字化超表面片上集成伦伯透镜，所述伦伯透镜由上至下依次设置为超表面层、顶硅层和衬底层，所述超表面层为由空气孔和正方形硅结构构成的硅层，所述顶硅层为直平板硅波导，所述衬底层为二氧化硅，所述顶硅层与所述衬底层由标准SOI工艺平台制成，所述伦伯透镜通过所述超表面层中空气孔的不均匀分布实现对输入光的聚焦。本发明具有紧凑器件尺寸和宽操作带宽的片上集成伦伯透镜，在光通信、成像、计算和传感有广泛的应用；利用了二维码分布的微纳结构阵列，来调节超材料表面的局域占空比，进而调控波导内部不同区域的有效折射率来实现顶硅层内光的聚焦，而非通过改变材料本身的折射率来实现顶硅层内光的聚焦。
Description
技术领域
本发明涉及一种硅基光电子芯片技术领域，尤其涉及一种基于SOI的C波段数字化超表面片上集成伦伯透镜。
背景技术
伦伯透镜由折射率径向递减的不均匀材料组成，是一种无像差和无彗差的球面透镜。与传统透镜和麦克斯韦鱼透镜不同，伦伯透镜可以将来自无限远不同位置的入射准直光聚焦到球面圆周上的同一焦点，而不会产生任何像差。伦伯透镜已应用于微波范围，实现不同方向的信号的接收，用于多波束通信，或应用于红外甚至可见光波段，将所有方向的光聚焦在透镜周长的焦点上，不同方向的入射光对应不同的焦点，且是无像差，无反射的。如果能够在硅基光子芯片中制造出伦伯透镜，它将成为一种重要的光学器件。
以光信号为载体的硅基光子集成芯片可以实现高速的光信号收发，光速的光信息交互，能完美的解决计算和通信领域面临的问题。且光电子集成芯片的制造工艺与现有的微电子芯片工艺技术相兼容，成本低，功耗小，具有广泛使用的潜力。其中，如果能实现具有紧凑器件尺寸和宽操作带宽的片上集成伦伯透镜，它将在光通信、成像、计算和传感有广泛的应用。但是，由于伦伯透镜梯度折射率分布的厚度映射难以通过灰度电子束光刻或聚焦离子束精确控制，片上伦伯透镜的实现具有很大的挑战性。
为此，我们提出一种基于SOI的C波段数字化超表面片上集成伦伯透镜以此解决上述技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于SOI的C波段数字化超表面片上集成伦伯透镜，解决了现有技术中传统基于材料折射率渐变的体伦伯透镜引入复杂折射率渐变工艺且难以进行硅基集成的难题，如何避免引入复杂折射率渐变工艺，同时可集成在SOI平台上，具有低插损，工作带宽大，设计复杂度低等特点，可应用于基于硅基光电子器件的光通信、成像、计算和传感等系统中的问题。
本发明采用的技术方案如下：
一种基于SOI的C波段数字化超表面片上集成伦伯透镜，所述伦伯透镜由上至下依次设置为超表面层、顶硅层和衬底层，所述超表面层为由空气孔和正方形硅结构构成的硅层，所述顶硅层为直平板硅波导，所述衬底层为二氧化硅，所述顶硅层与所述衬底层由标准SOI工艺平台制成，所述伦伯透镜通过所述超表面层中空气孔的不均匀分布实现对输入光的聚焦。
进一步地，所述超表面层用于输入光场的调控，所述超表面层为所述硅层嵌入不均匀分布的空气孔形成二维码结构，所述空气孔高度与所述硅层高度相等，所述空气孔沿所述硅层的中心到四周的分布密度逐渐增大，且所述空气孔与所述正方形硅结构构成的等效折射率沿中心到四周的变化规律遵循伦伯透镜折射率分布规律。
进一步地，所述空气孔为正方形。
进一步地，正方形的所述空气孔和所述正方形硅结构的边长均为100nm-200nm。
进一步地，所述顶硅层用于提供被调控光场的输入区域、用于与所述超表面层相互作用和被调控光场后的输出区域，所述顶硅层的上表面与所述超表面层的下表面贴合连接。
进一步地，所述衬底层用于将光场局域在所述顶硅层。
进一步地，所述超表面层的高度为120nm、所述顶硅层的高度为220nm、所述衬底层的高度不小于1.5μm。
本发明的有益效果是：
1、本发明实现伦伯透镜的硅基片上集成，伦伯透镜由折射率径向递减的不均匀材料组成，是一种无像差和无彗差的球面透镜，已广泛应用于微波、红外甚至可见光领域，实现具有紧凑器件尺寸和宽操作带宽的片上集成伦伯透镜，在光通信、成像、计算和传感有广泛的应用。
2、本发明极大地降低伦伯透镜的加工难度，伦伯透镜梯度折射率分布的厚度映射一般需要通过灰度电子束光刻或聚焦离子束来进行精确的控制，而本发明利用了二维码分布的微纳结构阵列，来调节超材料表面的局域占空比，进而调控波导内部不同区域的有效折射率来实现顶硅层内光的聚焦，而非通过改变材料本身的折射率来实现顶硅层内光的聚焦。
附图说明
图1为本发明一种基于SOI的C波段数字化超表面片上集成伦伯透镜的整体结构示意图；
图2为本发明一种基于SOI的C波段数字化超表面片上集成伦伯透镜的剖面示意图；
图3为本发明一种基于SOI的C波段数字化超表面片上集成伦伯透镜的折射率分布图；
图4为实施例一种基于SOI的C波段数字化超表面片上集成伦伯透镜在输入光平行于y轴传播并透过伦伯透镜的光场强度分布。
附图标记说明
1-超表面层，11-空气孔，12-正方形硅结构，2-顶硅层，3-衬底层。
具体实施方式
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。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。
参见图1，一种基于SOI的C波段数字化超表面片上集成伦伯透镜，所述伦伯透镜由上至下依次设置为超表面层1、顶硅层2和衬底层3，所述超表面层1为由空气孔11和正方形硅结构12构成的硅层，所述顶硅层2为直平板硅波导，所述衬底层3为二氧化硅，所述顶硅层2与所述衬底层3由标准SOI工艺平台制成，所述伦伯透镜通过所述超表面层1中空气孔11的不均匀分布实现对输入光的聚焦。
参见图2，所述超表面层1用于输入光场的调控，所述超表面层1为所述硅层嵌入不均匀分布的空气孔11形成二维码结构，所述空气孔11高度与所述硅层高度相等，所述空气孔11沿所述硅层的中心到四周的分布密度逐渐增大，且所述空气孔11与所述正方形硅结构12构成的等效折射率沿中心到四周的变化规律遵循伦伯透镜折射率分布规律。
所述空气孔11为正方形。
正方形的所述空气孔11和所述正方形硅结构12的边长均为100nm-200nm。
所述顶硅层2用于提供被调控光场的输入区域、用于与所述超表面层1相互作用和被调控光场后的输出区域，所述顶硅层2的上表面与所述超表面层1的下表面贴合连接。
所述衬底层3用于将光场局域在所述顶硅层2。
所述超表面层1的高度为120nm、所述顶硅层2的高度为220nm、所述衬底层3的高度不小于1.5μm。
本发明提出的一种基于SOI的C波段数字化超表面片上集成伦伯透镜，其工作原理为，伦堡透镜是一种折射率自中心向外逐渐变低的球形透镜，它可以将入射的特定波长的电磁波汇聚，汇聚到球面上的某一个点。为了实现在二维平面上的伦堡透镜，应实现在二维平面上的折射率渐变分布。为降低加工难度，在离散型的结构中实现折射率渐变分布，本发明引入了一种超表面亚波长结构。亚波长结构是指尺寸小于作用光波波长的周期结构，其基本特点是光波作用于这种尺寸足够小的结构时仅有零级的反射和透射衍射存在。通过合理安排微纳光学结构的空间分布，亚波长微结构器件可精准操控光的传输。在本发明中，参见图3，采用SOI上硅层嵌入不均匀分布的正方形空气孔11所构成的二维码结构来实现折射率渐变近似，空气孔11在所述硅层中心到四周的分布密度逐渐增大，在宏观上实现了透镜结构中心处整体折射率较高，边缘折射率随着与中心距离的增大而降低，形成了符合伦伯透镜特点的折射率渐变特点的折射率分布。
本发明结构下，当输入的光脉冲从本结构透镜一端入射后，经历所述超表面层1的折射率渐变近似过程，会将光束汇聚在透镜球面的另一端上的一个点。
实施例：本实验采用时域有限差分法进行计算分析，实验中用到的关键参数包括：所述超表面层1、所述顶硅层2和所述衬底层3的高度，分别为120nm、220nm和不小于1.5μm；所述超表面层1中的单个正方形空气孔11的边长为100nm。
图4为对应1550nm的TM模式光入射光从图中y轴底部沿y轴正方向入射时，所述透镜的电场分布图，其中白色虚线代表所述透镜的边缘，右侧的颜色条是经过归一化之后的电场强度，可以看到入射光在所述透镜中传播时得到了逐渐的汇聚，并且集中在所述透镜另一端的边缘处，经测量，该汇聚点的光强为输入光的70%左右，可以看出，本发明实现了二维平面上的伦伯透镜，并且该设计具有低损耗的特性。
综上，本发明提供的一种基于SOI的C波段数字化超表面片上集成伦伯透镜可以避免引入复杂折射率渐变工艺，同时可集成在SOI平台上，具有低插损，工作带宽大，设计复杂度低等特点，可应用于基于硅基光电子器件的光通信、成像、计算和传感等系统中。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于SOI的C波段数字化超表面片上集成伦伯透镜，其特征在于，所述伦伯透镜由上至下依次设置为超表面层、顶硅层和衬底层，所述超表面层为由空气孔和正方形硅结构构成的硅层，所述顶硅层为直平板硅波导，所述衬底层为二氧化硅，所述顶硅层与所述衬底层由标准SOI工艺平台制成，所述伦伯透镜通过所述超表面层中空气孔的不均匀分布实现对输入光的聚焦。
2.如权利要求1所述的一种基于SOI的C波段数字化超表面片上集成伦伯透镜，其特征在于，所述超表面层用于输入光场的调控，所述超表面层为所述硅层嵌入不均匀分布的空气孔形成二维码结构，所述空气孔高度与所述硅层高度相等，所述空气孔沿所述硅层的中心到四周的分布密度逐渐增大，且所述空气孔与所述正方形硅结构构成的等效折射率沿中心到四周的变化规律遵循伦伯透镜折射率分布规律。
3.如权利要求1所述的一种基于SOI的C波段数字化超表面片上集成伦伯透镜，其特征在于，所述空气孔为正方形。
4.如权利要求3所述的一种基于SOI的C波段数字化超表面片上集成伦伯透镜，其特征在于，正方形的所述空气孔和所述正方形硅结构的边长均为100nm-200nm。
5.如权利要求1所述的一种基于SOI的C波段数字化超表面片上集成伦伯透镜，其特征在于，所述顶硅层用于提供被调控光场的输入区域、用于与所述超表面层相互作用和被调控光场后的输出区域，所述顶硅层的上表面与所述超表面层的下表面贴合连接。
6.如权利要求1所述的一种基于SOI的C波段数字化超表面片上集成伦伯透镜，其特征在于，所述衬底层用于将光场局域在所述顶硅层。
7.如权利要求1所述的一种基于SOI的C波段数字化超表面片上集成伦伯透镜，其特征在于，所述超表面层的高度为120nm、所述顶硅层的高度为220nm、所述衬底层的高度不小于1.5μm。
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