CN116508272A - 用于光纤通信的基于超表面的光学信号操控装置 - Google Patents

用于光纤通信的基于超表面的光学信号操控装置 Download PDF

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Abstract

一种设备，包含光纤输入，光纤输入包含接收多个输入光学信号的多个输入光纤纤芯。设备还包含光学信号操纵装置，其为下列各项中的一者：光纤模态混洗器、光纤耦合器、功率分配器或90度光学混合器。光学信号操纵装置包含保持为与光纤输入隔开的输入孔、输出孔、与多个超表面，超表面操纵多个输入光学信号的相位轮廓，以生成具有不同于输入光学信号的空间布置的多个输出光学信号。输出光纤与输出孔保持间隔开，使得光纤输出的光纤纤芯接收多个输出光学信号。

Description

用于光纤通信的基于超表面的光学信号操控装置
相关申请的交叉引用
本申请根据35U.S.C.§119主张于2020年11月25日提交的美国临时申请序列第63/118324号的优先权，本申请的内容基于上述申请并且上述申请通过引用以其整体并入本文。
技术领域
本说明书总体上涉及光学通信系统，并且更具体地涉及用于光纤通信的光纤信号操纵装置。
背景技术
光纤传输系统用于数据中心和光学网络中，以光学方式连接多个不同的光学装置。为了增加这种光传输系统的容量，已经研究了各种空分复用技术，包括多模光纤、多芯光纤或光缆系统。为了对接(interface)这种多路复用光纤传输系统的各个组件，可能有必要通过多个不同的光纤路由光学信号或在特定的光纤传输系统内重新排列光学信号。例如，光纤模态混洗器(shuffler)可以改变穿过光纤传输系统的多芯光纤行进的光学信号的布置。当前的光学信号操纵装置(例如光纤模态混洗器)难以组装、笨重和/或遭受耦合效率低下的困扰。
发明内容
本公开内容的第一方面包括一种设备，设备包括光纤输入、光纤输出和光学信号操纵装置。光纤输入包括多个输入光纤芯，多个输入光纤芯接收多个输入光学信号。光学信号操纵装置包含输入孔与多个超表面，输入孔与光纤输入保持间隔开，以便在第一空间布置中接收多个输入光学信号。多个超表面中的每个超表面包括多个纳米结构，多个纳米结构彼此间隔开小于多个输入光学信号的波长。光学信号操纵装置进一步包括输出孔。多个超表面操纵多个输入光学信号的相位轮廓以产生多个输出光学信号。多个输出光学信号在输出孔处具有不同于第一空间布置的第二空间布置。设备进一步包含光纤输出，光纤输出包括多个输出光纤芯，其中光纤输出相对于光学信号操纵装置的输出孔保持间隔开，使得多个输出光纤芯在第二空间布置中接收多个输出光学信号。光学信号操纵装置包括下列的一者：光纤模态混洗器、光纤耦合器、功率分配器或90度光学混合器。
本公开内容的第二方面包含根据第一方面的装置，其中光纤输入包括第一多纤芯光纤，并且多个输入光纤芯布置在第一多纤芯光纤的公共包层中。
本公开内容的第三方面包含根据第一至第二方面的任一方面的装置，其中多个输入光纤芯以与多个输入光学信号的第一空间关系相对应的布置设置在公共包层中。
本公开内容的第四方面包含根据第一至第三方面的任一方面的装置，其中光纤输出包括第二多纤芯光纤，并且多个输出光纤芯以与多个输出光学信号的第二空间关系相对应的布置设置在第二多纤芯光纤的公共包层中。
本公开内容的第五方面包含根据第一至第四方面的任一方面的装置，其中光纤输入包括第一单纤芯光纤阵列，并且光纤输出包括第二单纤芯光纤阵列。
本公开内容的第六方面包含根据第一至第五方面的任一方面的装置，其中第一单纤芯光纤阵列和第二单纤芯光纤阵列包括相同的纤芯间隔。
本公开内容的第七方面包含根据第一至第六方面的任一方面的装置，其中多个超表面包括第一超表面和第二超表面，第一超表面包括基于第一空间布置以一图案布置的第一多个纳米结构，使得第一多个纳米结构改变第一超表面和第二超表面之间的多个输入光学信号的波前倾斜度。
本公开内容的第八方面包含根据第一至第七方面的任一方面的装置，其中第二超表面在第二空间布置中将多个输出光学信号朝向多个输出光纤芯重定向。
本公开内容的第九方面包含一种光纤模态混洗器，包含：透射基板，包括输入孔，输入孔用于从输入光纤接收多个输入光学信号；以及多个超表面，所述多个超表面中的至少一个超表面设置在所述透射基板上。多个超表面中的每个超表面沿着多个输入光学信号通过透射基板的传播路径彼此分离。多个输入光学信号与多个超表面的每个超表面互动，使得多个超表面修改多个输入光学信号的相位轮廓以产生多个输出光学信号。多个超表面中的每个超表面包括多个纳米结构，多个纳米结构具有结构布置，结构布置是基于输入光纤的光纤芯的布置和多个输出光学信号的期望空间布置而确定。多个超表面改变多个输入光学信号的波前倾斜，使得多个输出光学信号在输出孔处具有期望空间布置。光纤模态混洗器包含输出孔，输出孔用于将多个输出光学信号发射到输出光纤，输出光纤包括多个光纤芯，用于以期望空间布置接收多个输出光学信号，其中输出光纤的多个光纤芯布置的方式与输入光纤的多个光纤芯相同。
本公开内容的第十方面包含根据第九方面的光纤模态混洗器，其中多个超表面的组合相位轮廓包括不对称结构。
本公开内容的第十一方面包含根据第九至第十方面的任一方面的光纤模态混洗器，其中多个超表面的组合相位轮廓包括以不对应于输入光纤和输出光纤的光纤芯的布置的方式布置的多个特征。
本公开内容的第十二方面包含根据第九至第十方面的任一方面的光纤模态混洗器，其中多个超表面中的每个超表面的多个纳米结构彼此间隔开小于多个输入光学信号的波长。
本公开内容的第十三方面包含根据第九至第十二方面的任一方面的光纤模态混洗器，其中输入光纤和输出光纤包括多纤芯光纤。
本公开内容的第十四方面包含根据第九至第十三方面的任一方面的光纤模态混洗器，其中输入光纤和输出光纤包括单纤芯光纤阵列。
本公开内容的第十五方面包括一种设备，包括：输入光纤，具有穿过其中传播的输入光学信号；以及与输入光纤间保持隔开的光纤耦合器。光纤耦合器包含：用于接收输入光学信号的一个或多个输入孔；用于从光纤耦合器发射输出光学信号的一个或多个输出孔；多个超表面，多个超表面沿着在一个或多个输入孔和一个或多个输出孔之间的输入光学信号的传播路径布置。输入光学信号与多个超表面中的每个超表面互动，使得多个超表面修改多个输入光学信号的相位轮廓，多个超表面中的每个超表面包括多个纳米结构，多个纳米结构具有结构布置，结构布置是基于输入光学信号中的第一光学信号数量、输出光学信号中的第二光学信号数量、以及输出光学信号中的光学信号之间的期望功率分布来确定。设备还包含输出光纤，输出光纤与输出孔保持间隔开，以接收输出光学信号。
本公开内容的第十六方面包含根据第十五方面的设备，其中输入光学信号中的第一光学信号数量等于输出光学信号中的第二光学信号数量。
本公开内容的第十七方面包含根据第十五至第十六方面中的任一方面的设备，其中输入光学信号中的第一光学信号数量小于输出光学信号中的第二光学信号数量。
本公开内容的第十八方面包含根据第十五至第十七方面的任一方面的设备，其中光纤耦合器用作功率分配器，功率分配器将输入光学信号分成输出光纤的不同光纤芯。
本公开内容的第十九方面包含根据第十五至第十八方面中的任一方面的设备，其中输入光学信号中的第一光学信号数量大于输出光学信号中的第二光学信号数量。
本公开内容的第二十方面包含根据第十五至第十九方面的任一方面的设备，其中：光纤输入包括单纤芯光纤，且输入光学信号包括单光学信号；输出光纤包括两个或多个单纤芯光纤；多个超表面中的第一超表面的多个纳米结构在结构上被布置为改变输入光学信号的不同部分的波前倾斜，以分离不同部分；和多个超表面中的第二超表面的多个纳米结构在结构上被布置为以与输出光纤的纤芯相对应的布置将分离的不同部分朝向输出孔引导。
本公开内容的第二十一方面包括一种设备，包括：输入光纤，输入光纤具有多个传播通过其中的输入光学信号；90度光学混合装置，90度光学混合装置与输入光纤保持间隔开。90度光学混合装置包括：多个输入孔，多个输入孔用于接收多个输入光学信号；多个输出孔，多个输出孔用于从光混合装置发射多个输出光学信号；和多个超表面，多个超表面沿着输入光学信号在多个输入孔和多个输出孔之间的传播路径布置。多个输入光学信号与多个超表面中的每个超表面互动，使得多个超表面修改多个输入光学信号的相位轮廓。多个超表面中的每个超表面包括多个纳米结构，多个纳米结构在结构上被布置为组合具有变化的相位差的多个输入信号以生成多个输出光学信号，使得多个输出光学信号中的每个输出光学信号都包含多个输入光学信号的不同组合。设备还包含输出光纤，输出光纤与输出孔保持间隔开，以接收输出光学信号。
本公开内容的第二十二方面包含根据第二十一方面的设备，其中：多个输入光学信号包括第一信号和参考信号；和多个超表面将第一信号与参考信号的四个正交状态混合以生成多个输出光学信号。
本公开内容的第二十三方面包含根据第二十至第二十一方面的任一方面的设备，其中输入光纤和输出光纤中的至少一个包括2×2多纤芯光纤。
本文所公开的处理与系统的额外的特征与优点，将阐述于下面的实施方式中，在相关技术领域中具有通常知识者根据说明将可显然得知这些特征与优点的部分，或者，在相关技术领域中具有通常知识者通过实作本文(包含实施方式、接续其后的权利要求、以及附图)所说明的具体实施例将可理解到这些特征与优点的部分。
应了解到，上文的一般性说明与下文的详细说明说明了各种具体实施例，且意为提供概观或框架以期了解所请技术主题的本质与特性。包含附图以期进一步了解各种具体实施例，这些图式被并入本说明书且构成本说明书的一部分。图式图示说明本文所说明的各种具体实施例，并与说明一起解释所请技术主题的原理与操作。
附图说明
当结合以下附图阅读时，可以最好地理解下文对于本公开内容的特定具体实施例的实施方式，其中类似的结构用类似的附图标记表示，并且在附图中：
图1A示意性地描绘了根据本文描述的一个或多个实施例的包括光学信号操纵装置的光学系统；
图1B示意性地描绘了根据本文所述的一个或多个实施例的多纤芯光纤；
图1C示意性地描绘了根据本文所述的一个或多个实施例的单纤芯光纤阵列；
图2A示意性地描绘了根据本文所述的一个或多个实施例的包括多个纳米结构的超表面；
图2B示意性地描绘了根据本文描述的一个或多个实施例的包括超表面和反射器的光学装置；
图2C示意性地描绘了根据本文描述的一个或多个实施例的因变于图2B中所描绘的超表面纳米结构几何形状的相移图；
图3示意性地描绘了根据本文描述的一个或多个实施例的包括多个透射超表面的光学装置；
图4A示意性地描绘了根据本文描述的一个或多个实施例的在输入光纤和输出光纤之间操纵光学信号的光学装置，光学装置包括多个反射超表面；
图4B示意性地描绘了根据本文描述的一个或多个实施例的在输入光纤和输出光纤之间操纵光学信号的光学装置，光学装置包括多个反射超表面；
图4C示意性地描绘了根据本文描述的一个或多个实施例的在输入光纤和输出光纤之间操纵光学信号的光学装置，光学装置包括多个反射超表面；
图4D示意性地描绘了根据本文描述的一个或多个实施例的在输入光纤和输出光纤之间操纵光学信号的光学装置，光学装置包括多个反射超表面；
图4E示意性地描绘了根据本文描述的一个或多个实施例的在输入光纤和输出光纤之间操纵光学信号的光学装置，光学装置包括多个反射超表面；
图5A示意性地描绘了根据本文描述的一个或多个实施例的，用于制造基于超表面的光学装置的制造处理中的第一操作；
图5B示意性地描绘了根据本文描述的一个或多个实施例的，用于制造基于超表面的光学装置的制造处理中的第二操作；
图5C示意性地描绘了根据本文描述的一个或多个实施例的，用于制造基于超表面的光学装置的制造处理中的第三操作；
图5D示意性地描绘了根据本文描述的一个或多个实施例的，用于制造基于超表面的光学装置的制造处理中的第四操作；
图5E示意性地描绘了根据本文描述的一个或多个实施例的，用于制造基于超表面的光学装置的制造处理中的第五操作；
图5F示意性地描绘了根据本文描述的一个或多个实施例的，用于制造基于超表面的光学装置的制造处理中的第六操作；
图6A示意性地描绘了根据本文描述的一个或多个实施例的，用于制造基于超表面的光学装置的制造处理中的第一操作；
图6B示意性地描绘了根据本文描述的一个或多个实施例的，用于制造基于超表面的光学装置的制造处理中的第二操作；
图6C示意性地描绘了根据本文描述的一个或多个实施例的，用于制造基于超表面的光学装置的制造处理中的第三操作；
图6D示意性地描绘了根据本文描述的一个或多个实施例的，用于制造基于超表面的光学装置的制造处理中的第四操作；
图6E示意性地描绘了根据本文描述的一个或多个实施例的，用于制造基于超表面的光学装置的制造处理中的第五操作；
图6F示意性地描绘了根据本文描述的一个或多个实施例的，用于制造基于超表面的光学装置的制造处理中的第六操作；
图7A1描绘了根据本文描述的一个或多个实施例的用于示例性光学装置的输入孔，光学装置具有与图4B中所示的光学装置相对应的结构；
图7A2描绘了根据本文描述的一个或多个实施例的用于示例性光学装置的输入孔，光学装置具有与图4B中所示的光学装置相对应的结构；
图7B描绘了根据本文描述的一个或多个实施例的具有图7A的输入孔和输出孔的示例性光学装置的第一组合相位轮廓，使得光学装置作为光纤耦合器；
图7C描绘了根据本文描述的一个或多个实施例的具有图7A的输入孔和输出孔的示例性光学装置的第二组合相位轮廓，使得光学装置作为模态混洗器；
图8A描绘了根据本文描述的一个或多个实施例的具有图7A的输入孔和输出孔的示例性光学装置的第三组合相位轮廓，使得光学装置作为功率分配器；
图8B描绘了根据本文描述的一个或多个实施例的具有图7A的输入孔和输出孔的示例性光学装置的第四组合相位轮廓，使得光学装置作为功率分配器；
图8C描绘了根据本文描述的一个或多个实施例的具有图7A的输入孔和输出孔的示例性光学装置的第五组合相位轮廓，使得光学装置作为功率分配器；
图8D描绘了根据本文描述的一个或多个实施例的具有图7A的输入和输出孔的示例性光学装置的第六组合相位轮廓，使得光学装置作为功率分配器；
图9A1描绘了根据本文描述的一个或多个实施例的示例性光学装置的输入孔，光学装置被配置为作为90度光学混合器工作；
图9A2描绘了根据本文描述的一个或多个实施例的示例性光学装置的输出孔，光学装置被配置为作为90度光学混合器工作；
图9B描绘了根据本文描述的一个或多个实施例的具有图9A的输入孔和输出孔的示例性光学装置的组合相位轮廓；以及
图9C描绘了根据本文描述的一个或多个实施例的具有图9B中描绘的组合相位轮廓的示例性光学装置的输出光学信号之间的相位图。
具体实施方式
现在将详细地参考光学信号操纵装置的实施例，装置包括改变输入光纤和输出光纤之间的光学信号的相位轮廓的多个超表面。输入光纤输入可以包括多个输入光纤芯(例如布置在多纤芯光纤中、布置在单纤芯光纤的阵列中等)，并且被保持为与包括多个超表面的光学信号操纵装置的输入孔成间隔关系。每个超表面可以包括布置在各个部分中的多个纳米结构，以操纵光学信号的相位轮廓。在实施例中，多个超表面可以使多个光学信号的波前(wavefront)倾斜，以便以期望的方式改变每个光学信号的传播方向。在实施例中，多个超表面可以进一步改变倾斜的光学信号的相位轮廓，从而将倾斜的光学信号重定向到光学信号操纵装置的输出孔。可以相对于输出孔定位输出光纤的多个输出光纤芯，以接收重定向的光学信号。可以根据实施方式来改变超表面的数量和配置，以实现光学信号操纵装置内的光学信号的各种不同的修改。例如，在实施例中，光学信号操纵装置包括光纤模态混洗器，光纤模态混洗器改变通过多纤芯光纤或单纤芯光纤数组传播的光学信号的空间布置。在实施例中，光学信号操纵装置包括90度光学混合器。在实施例中，光学信号操纵装置包括光纤耦合器或功率分配器。在实施例中，光学信号操纵装置包括光学扇出或扇入装置，其中多纤芯光纤的光纤芯光学耦合至单纤芯光纤的数组，反的还然。可以调节多个超表面的组合的相位轮廓，以实现本文所述的任何功能。
有利地，本文所述的光学信号操纵装置的多个超表面是高度可配置的，并且可以以高空间分辨率(例如，使用纳米光刻技术)来制造。这样的灵活性允许以最小的制造技术修改来容纳纤芯的任何布置。此外，光学信号操纵装置可以单片集成在单个基板上，从而使它们比现有装置更紧凑。与现有的光学信号操纵装置不同，本文描述的光学信号操纵装置可以被集成到光纤到光纤连接器等中。
如本文所用，术语“超表面”是指设置在表面上的多个纳米结构，纳米结构彼此间隔开小于或等于与超表面相互作用的光学信号的波长。特定超表面的每个结构可以与超表面的至少一个其他结构隔开小于波长。大于波长的间隙将不同的超表面隔开。
本文所使用的用词“约”，表示数量、尺寸、配方、参数、和其他数量和特性不是并且不必是精确的，但可根据所需而为近似的及(或)更大或更小的、反映公差、转换因素、四舍五入、测量误差等等、以及本领域技术人员已知的其他因素。当用词“约”用于描述范围的值或端点时，包括所提及的特定的值或端点。无论范围的数值或端点是否表示“约”，旨在包括两个实施方案：一个用“约”修饰，一个不用“约”修饰。将进一步了解到，每个范围的端点对于另一端点而言都是重要的，并且独立于另一端点。
本文所使用的方向性用词，例如上、下、右、左、前、后、顶、底，仅为参照所绘制的图式，且不意为隐含绝对定向。
本文所使用的单数形式“一(a)”、“一(an)”以及“所述”，包含多的参照物，除非背景内容清楚表示并非如此。因此，例如，对于“一”部件的参照，包含具有两个或更多个此种部件的方面，除非背景内容清楚表示并非如此。
图1A示意性地描绘了根据示例实施例的光学系统100。光学系统100可以是光纤网络的一部分。如图所示，光学系统100包括输入光纤102、光学信号操纵装置104和输出光纤106。输入光纤102光学耦合到第一光学装置103，并从第一光学装置103接收输入光学信号108。如本文所述，光学信号操纵装置104包括多个超表面122和124，多个超表面122和124操纵输入光学信号108的相位轮廓以生成输出光学信号110，输出光学信号110从光学信号操纵装置104发射到输出光纤106中。输出光纤106光学耦合到第二光学装置107，以向其传递输出光学信号110。
第一光学装置103和第二光学装置107可取决于光学系统100的实施方式和上下文而采取各种形式。例如，在实施例中，光学系统100是光纤网络系统的组件，并且第一光学装置103包括第一光学开关，第二光学装置107包括第二光学开关，用于通过光纤网络系统路由光学信号。在这种情况下，光学信号操纵装置104可以用作光纤模态混洗器，以有效地增加第一光学装置103和第二光学装置107的开关容量。在另一示例中，第一光学装置103可以包括光发送器，光发送器被配置为经由光通信链路(未示出)将输入光学信号108发送到输入光纤102。第二光学装置107可以包括用于对输出光学信号110执行各种操作(例如，对输出光学信号110执行测量，将输出光学信号110路由到其他组件等)的光接收器(例如，在头端、交换中心等处实现的接收器系统)。
输入光学信号108和输出光学信号110可取决于实施方式而采取多种形式。在实施例中，输入光学信号108是向下传播到输入光纤102的单模信号。例如，输入光学信号108可以包括在频带(例如，O频带、C频带、L频带、或更短的波长窗中大于或等于850nm且小于或等于940nm)的单个波长λ处的信号。在这样的实施例中，输入光纤102可以包括单纤芯光纤。在实施例中，输入光学信号108包括多个光学信号。在所描绘的实施例中，输入光学信号包括第一输入光学信号112、第二光学信号114和第三输入光学信号116。在实施例中，输入光学信号108包括大于或等于2(例如，大于或等于3，大于或等于4，大于或等于5，大于或等于10)的光学信号。
在实施例中，第一、第二和第三光学信号112、114和116可以根据输入和输出光纤102和106的配置以各种不同的方式传播通过输入光纤102。例如，如图1B所示，在实施例中，输入光纤102包括多纤芯光纤128，多纤芯光纤128包括多个纤芯130，并且第一、第二和第三光学信号112、114和116中的每一者都传播通过多个纤芯130中的个别一纤芯。多个纤芯130设置在多纤芯光纤128的公共包层132中。尽管图1B描绘了以2×2正方形图案布置的多个纤芯130，但是应当理解，多纤芯光纤128可以包括任何数量和布置的纤芯。在实施例中，如图1C所示，输入光纤102包括单纤芯光纤阵列134，单纤芯光纤阵列134包括布置在壳体138中的多个单纤芯光纤136。在所描绘的示例中，壳体138包括引导多个单纤芯纤维136穿过壳体138的多个v形凹槽140。在实施例中，多个v形凹槽140被布置成使得多个单纤芯纤维136中的每一个的纤芯彼此间隔开距离do。
参考图1A所示，取决于实现方式，输出光纤106还可包括多纤芯光纤或单纤芯光纤阵列。输入光纤102和输出光纤106可包括光纤布置的任何组合，这取决于本文所述的光学信号操纵装置104的实施方式。在实施例中，例如，输入光纤102包括单纤芯光纤阵列(例如，类似于本文参照图1C描述的单纤芯光纤阵列134)，而输出光纤106包括多纤芯光纤(例如，与本文参照图1B描述的多纤芯光纤128类似)。在实施例中，输入光纤102包括多纤芯光纤，而输出光纤106包括单纤芯光纤阵列。在实施例中，输入光纤102和输出光纤106都包括多纤芯光纤。在实施例中，输入光纤102和输出光纤106均包括单纤芯光纤阵列。根据实现方式，输入光纤102和输出光纤106可包括相同或不同数量的纤芯。在实施例中，输入光纤102和输出光纤106包括相同的纤芯布置(例如，输入光纤102和输出光纤106都可以包括具有相同纤芯结构的多纤芯光纤)。
光学信号操纵装置104包括输入孔118、多个超表面122和124以及输出孔120。在实施例中，光学信号操纵装置104包括透射基板121，透射基板121对于输入光学信号108的光的波长λ是透明的。本文所用术语“透明的”是指材料的线性光学吸收小于波长的每毫米材料深度的20％，例如对于一波长小于波长的每毫米材料深度的10％，或对于指定波长小于每毫米材料深度的1％。例如，在实施例中，输入光学信号108的第一、第二和第三光学信号112、114和116可以是在特定波长λ(例如1550nm)处的单模信号，并且透射基板121在特定波长λ下是透明的。在实施例中，透射基板121由玻璃、聚合物(例如SU8)或其他合适的透明材料构成。在此描述的每个透射基板在通过其传播的光学信号的波长操作窗口内可以是透明的。
在实施例中，多个超表面122和124中的至少一者设置在透射基板121上。在实施例中，多个超表面122和124中的每个都设置在透射基板121的一个或多个表面上。在实施例中，输入孔118包括透射基板121的允许输入光学信号108的光进入透射基板121表面。尽管描绘了多个超表面122和124与输入孔118和输出孔120分离，但是应当理解，多个超表面122和124中的一者或多者可以设置在输入孔118或输出孔120处或与输入孔118或输出孔120重叠，具体取决于实施方式。
沿着通过光学信号操纵装置104(例如，穿过透射基板121)的输入光学信号108的传播路径123设置多个超表面122和124。多个超表面122和124中的每一者包括彼此间隔小于输入光学信号108的波长λ的多个纳米结构。多个超表面122中的每一者的多个纳米结构包括空间变化的参数(例如，长度、宽度、直径、取向等)，以便根据实施方式以期望的方式修改输入光学信号108的相位轮廓。多个超表面122和124可以改变输入光学信号108的每个光学信号的相位轮廓以产生输出光学信号110。在此更详细地描述了多个超表面122和124的示例性结构。
在实施例中，多个超表面122和124可以改变第一、第二和第三光学信号112、114和116中的每个的传播方向，以组合、分割和/或重新布置第一、第二和第三光学信号112、114和116，以在输出孔120处产生输出光学信号110。例如，在所描绘的实施例中，输出光学信号包括第一光学信号125、第二光学信号127和第三光学信号129。即，输入光学信号108和输出光学信号110可以包括相同数量的光学信号。在这样的实施例中，光学信号操纵装置104是光学扇入或扇出装置。在这样的实施例中，输入光纤102可以包括具有第一纤芯布置的多纤芯光纤(例如，类似于图1B中描绘的多纤芯光纤128)，并且输出光纤106可以包括具有第二纤芯布置的单纤芯光纤阵列(例如，类似于本文中关于图1C描述的单纤芯光纤阵列134)。当从输入光纤102发射输入光学信号108时，输入光学信号108可以在输入孔118处具有与输入光纤102内的纤芯的布置相对应的第一空间布置。多个超表面122和124可以改变第一、第二和第三光学信号112、114和116的相位轮廓，以不同的方式倾斜其波前，使得输出光学信号的光学信号在输出孔120具有第二空间布置，其对应于输出光纤106中的纤芯的布置。在实施例中，输入光学信号108经由多个超表面122和124被路由，使得输入光学信号108的每个光学信号被路由至输出光纤106的单个纤芯。在实施例中，多个超表面122和124被设计成使得输出光学信号110的第一、第二和第三光学信号125、127和129的光场轮廓与输出光纤106的光纤模态轮廓一致，以提供低损耗转换。
在实施例中，输入光纤102和输出光纤106均包括类似的纤芯布置(例如在多纤芯光纤或单纤芯光纤阵列中)，并且光学信号操纵装置104操纵输入光学信号108的光学信号的相位轮廓，以改变光学信号的空间布置。输入光学信号108的光学信号可以保持彼此不同，但是具有不同的整体空间布置。例如，输出光学信号110的第一光学信号125可以从光学信号操纵装置104发射到输出光纤106的纤芯中，纤芯的位置与输入光纤102的纤芯的位置相对应(其中输入光学信号108的第一光学信号112被传播)。在这种情况下，第一光学信号125可以不与第一光学信号112相对应，而可以与第二光学信号114相对应。即，虽然可以维持光学信号的整体布置，但是可以通过光学信号操纵装置104来调整信号的相对顺序。这样的实施例在本文中称为光纤模态混洗器，其中通过多个超表面122和124来改变光学信号的顺序。
在实施例中，多个超表面122和124可以分离或组合输入光学信号108的光学信号，使得输出光学信号110中的光学信号的数量不同于输入光学信号108的光学信号的数量。例如，在实施例中，光学信号操纵装置104可以被实现为光纤耦合器(例如1×2光耦合器或1×4光耦合器)，其中来自输入光学信号108的每个光学信号的功率被分流并发射到输出光纤106的多个不同纤芯。在实施例中，多个超表面122和124可以包括具有结构布置的多个纳米结构，结构布置基于输出光学信号110的光学信号的期望功率分布以及输出光纤106处的纤芯的布置。
在实施例中，光学信号操纵装置104可以以各种方式组合输入光学信号108的光学信号以获得期望的输出光学信号110。例如，在实施例中，多个超表面122和124可以被构造为组合输入光学信号108中的两个光学信号以获得作为90度光混合器的操作。例如，可以修改第一光学信号112和第二光学信号114的不同部分的相位轮廓，使得不同部分与预定的相位差组合。在实施例中，如果第一光学信号112被称为A并且第二光学信号114被称为B，则多个超表面122和124可以将第一和第二光学信号112和114与四个不同的相位组合相组合以实现正交组合A+B、A-B、A+jB和A–jB。这样的输出光学信号110可以用于相干光检测或确定输入光学信号108的光学信号的幅度和相位。
在实施例中，多个超表面122和124中的每一者的多个纳米结构被特别地定制以实现本文描述的任何功能。现在将更详细地描述光学信号操纵装置104的多个超表面122和124的潜在结构和实施方式的各种示例。
图2A示意性地描绘了超表面200的一部分。在实施例中，超表面200可被实现为本文关于图1A描述的光学信号操纵装置104的多个超表面122和124中的一者。超表面200包括设置在透射基板206上的多个纳米结构204。在实施例中，透射基板206对应于本文关于图1A描述的光学信号操纵装置104的透射基板121。在实施例中，透射基板206由玻璃、聚合物或其他合适的材料构成，玻璃、聚合物或其他合适的材料在被操纵的光学信号的光谱范围内是透明的。在实施例中，超表面200包括包层(未示出)。包层可以被配置为减轻与多个纳米结构204相互作用的光学信号的损失，或者保护多个纳米结构免受损坏，或其任何组合。包层可以设置在透射基板206上并且围绕多个纳米结构204。在实施例中，包层可以是包围纳米结构的空气或一些其他环境气体。
多个纳米结构204可将突发的相变引入与其相互作用的光学信号中。在实施例中，在超表面200内的特定位置处的相位响应取决于多个纳米结构204的结构参数(例如长度、宽度、直径、相对于光传播方向的几何取向)。通过改变多个纳米结构204的几何参数，由超表面200产生的相位响应可以根据特定光线入射在超表面200上的特定位置而在空间上变化。在实施例中，取决于多个纳米结构204的布置，可以以各种方式修改光的传播方向、幅度和相位。在所描绘的实施例中，多个纳米结构204中的每一者设置在单位单元232(例如像素)中。在实施例中，多个纳米结构中的每个纳米结构都被设置在单位单元232内的中央。在实施例中，单位单元232是正方形的，使得多个纳米结构204中的每一者的中心彼此间隔单位单元232的长度。在实施例中，单位单元232的长度可以小于或等于由超表面200操纵的光的波长。在实施例中，单位单元232可以具有大约500nm的长度。在实施例中，单位单元232的几何形状可以取决于工作波长窗口。
在实施例中，纳米结构204由取决于工作波长窗口的材料形成。例如，在操纵的光学信号在O波段(1260–1360nm)、C波段(1530–1565nm)、L波段(1565–1625nm)中的实施例中，多个纳米结构204可以由结晶硅、非晶硅、氮化硅和硫族化物玻璃构成。在操纵的光学信号处于较短的波长窗口(例如850-940nm)中的实施例中，其他合适的材料(如氧化钛和氮化硅)可以用于多个纳米结构204。在实施例中，多个纳米结构204中的不同纳米结构可以由不同的材料构成。
多个纳米结构204中的每一个如何影响与的相互作用的光，可以取决于多个纳米结构204中的每一者的一个或多个特性。可以影响光的纳米结构204的性质的示例，可以包括纳米结构204的高度(例如，纳米结构204的远离基板206延伸的尺寸)、纳米结构的截面轮廓(例如，超材料的截面形状)、纳米结构的截面积、纳米结构的体积、纳米结构的直径、纳米结构的介电性质、纳米结构的介电性质与通透基板206的介电性质之间的相对差、纳米结构的介电性质与包层的介电性质之间的相对差，或它们的任意组合。在具体实施例中，多个纳米结构204可以是多级超表面的一部分，其中具有第一组参数的第一多个纳米结构堆叠在包括第二组参数的第二多个纳米结构的顶部。多层超表面可以包括任何数量的纳米结构。在具体实施例中，堆叠中的不同纳米结构可以具有不同的介电性质或其他性质。
仍然参考图2A所示，多个纳米结构204可以具有各种不同的尺寸和形状，以改变所需构件中的光学信号的相位轮廓。例如，在所描绘的实施例中，多个纳米结构204包括第一多个纳米结构208、第二多个纳米结构210和第三多个纳米结构212。第一多个纳米结构208包括第一多个纳米结构214、第二多个纳米结构216、第三多个纳米结构218和第四多个纳米结构220。第一、第二、第三和第四纳米结构214、216、218和220分别是基本上圆柱形的，但是具有变化的直径以在入射的光学信号中引起空间变化的相位变化。第二多个纳米结构210包括第一纳米结构222和第二纳米结构224。第一纳米结构222和第二纳米结构224均是基本上正方形的柱，但是具有变化的边长以在入射的光学信号中引起空间变化的相位变化。第三多个纳米结构212包括第一纳米结构226、第二纳米结构228和第三纳米结构230。第一、第二和第三纳米结构226、228和230分别是基本上六边形的柱，但是具有变化的轴向长度(例如，高度)以在入射的光学信号中引起空间变化的相位变化。如所描绘的多个纳米结构204所例示的，可以在本文所述的超表面中使用各种不同的几何形状。在具体实施例中，纳米结构可以具有任何截面轮廓，例如圆形、三角形、正方形、矩形、五边形、六边形、其他几何截面轮廓，其他形状的截面轮廓或以上的任何组合。
图2B示意性地示出了结合有超表面236的光学装置234。在实施例中，光学装置234可对应于本文关于图1A描述的光学信号操纵装置104的一部分。超表面236包括设置在透射基板238上的多个纳米结构244、246、248、250、252、254、256、258和260。多个纳米结构244、246、248、250、252、254、256、258和260被嵌入设置在透射基板238上的包层240中。在实施例中，包层240由基于聚合物的材料(例如，SU8)、玻璃或其他合适的材料构成。包层240可以被配置为减轻与多个纳米结构244、246、248、250、252、254、256、258和260相互作用的光学信号的损失和/或保护多个纳米结构244、246、248、250、252、254、256、258和260。在实施例中，包层240由具有比多个纳米结构244、246、248、250、252、254、256、258和260低的折射率的材料构成。
在图2B所示的实施例中，超表面236是以反射模态操作的反射超表面，其中光与多个纳米结构244、246、248、250、252、254、256、258和260多次相互作用。为了促进反射操作，光学装置234包括设置在包层240上的反射器242。光可以通过透射基板238进入光学装置234，第一次与多个纳米结构244、246、248、250、252、254、256、258和260相互作用，反射离开反射镜242，然后第二次与多个纳米结构244、246、248、250、252、254、256、258和260相互作用。光和超表面236之间的这种多重相互作用，可以影响多个纳米结构244、246、248、250、252、254、256、258和260的几何设计。在实施例中，反射器242由在工作波长窗口处反射的任何合适的材料构成。在实施例中，反射器242由诸如金的金属构造。
在实施例中，包层240的一部分可以位于超表面236的端面262(例如，在纳米结构的端部)与反射器241之间。在这样的实施例中，可以在端面262和反射器242之间形成距离266。距离266足以减轻穿过超表面236并被反射器242反射的光学信号的损失。在实施例中，距离266可以是大约500纳米。在实施例中，距离266可以大于或等于0μm并且小于或等于3μm(例如，小于或等于2μm、小于或等于1μm)。
应当理解的是，尽管图2B描绘了垂直于多个纳米结构244、246、248、250、252、254、256、258和260、透射基板238、包层240和/或反射器242的光场，应该意识到情况可不确实如此。例如，在实施例中，光场可以以不垂直于任何前述结构的角度到达和/或离开，并且所述角度可以影响生成所需输出信号所需的多个纳米结构244、246、248、250、252、254、256、258和260的空间布置和几何构型。
如图2B所示，多个纳米结构244、246、248、250、252、254、256、258和260具有空间变化的几何轮廓。多个纳米结构244、246、248、250、252、254、256、258和260中的每一个包括具有相同高度(例如，在垂直于透射基板238的方向上延伸)的实质圆柱形的柱。在实施例中，多个纳米结构244、246、248、250、252、254、256、258和260的直径从左到右增加，以倾斜的方式改变光学信号的相位轮廓。例如，图2C描绘了由本文关于图2B描述的光学装置234的单位单元267引起的相变的图，作为在特定波长下单位单元267中包含的柱直径的函数。如图所示，通过在60nm和460nm之间改变柱直径，可以在0到2π之间的任何地方调整入射光学信号的相位改变。因此，通过调节多个纳米结构244、246、248、250、252、254、256、258和260内的柱直径的布置，可以实现不同的相移分布。
图2B中描绘的光学装置234的示例性布置是示例性的，例如，具有从左到右连续增加的柱直径，可以用来倾斜输入信号的波前并改变输入信号的传播方向。可以组合多个这样的光学装置234以各种方式修改多个不同的光学信号的传播方向，以实现本文描述的任何功能。本文所述的光学信号操纵装置的多个超表面中的每个超表面可以充当具有特定相位轮廓的相位板。可以通过包括波前匹配方法、伴随分析方法(例如，伴随优化方法)或其任意组合在内的各种方法，来设计用于实现本文所述任何功能的多个超表面的相位轮廓(例如光纤模态混洗器、光纤扇出装置、光纤耦合器、功率分配器、光学混合器)。
在波前匹配方法中，可以将向前传播的输入场与向后传播的目标场进行比较，以获得每个超表面的场差。差异可以通过相板的级的设计来补偿，从而导致场的精确匹配。可以迭代地执行这样的步骤以达成设计。基于使用波前匹配方法进行的分析，可以将多个超表面设计成具有可以产生装置的低损耗和低串扰效能的相位轮廓。
在伴随分析(例如伴随优化)中，可以将设计的质量因子(FOM)定义为每个单独的输入和输出对的功率通过量。给定FOM，就可以计算出FOM关于每个设计参数的导数。在具体实施例中，可以根据每个超表面处的传播场来计算FOM的导数。给定导数，可以使用基于梯度的高效非线性增强例程(例如共轭梯度(CG)、牛顿CG、循序最小二乘编程(SLSQP)、Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno(BFGS)算法等)可用于搜索增强型相位轮廓。根据应用，可以有效地添加其他FOM(例如，当可以将其作为设计变量或字段变量的解析表达式编写时)。例如，为了降低相位掩模的复杂性，可以将与每对相邻像素(或单元)之间的相位值的平均差相对应的FOM项添加到分析中。在其他示例中，代替增强所有信道的平均损耗，可以最小化所有通道中的最坏情况(最大)损耗，或者可以增强根据特定分布(例如，通道带宽)的损耗。
在其中形成了多个超表面的各种结构，例如本文相对于图2A和图2B所描述的超表面200和236，可以结合到一光学信号操纵装置，如下述。
图3以截面示意性地描绘了光学装置300的示例。在实施例中，可以使用光学装置300代替在此相对于图1A描述的光学信号操纵装置104。光学装置300包括多个透射超表面310。在所描绘的实施例中，多个透射超表面310包括n个超表面。在实施例中，n大于或等于2(例如，大于或等于3、大于或等于5、大于或等于10、大于或等于50、大于或等于100)。每个透射超表面310包括多个纳米结构(例如，类似于关于图2A中描绘的超表面200描述的多个纳米结构204)。多个透射超表面310中的每一者均设置在透射基板307的表面上。透射基板307彼此堆叠，使得来自输入光纤302(被描述为单纤芯光纤阵列)的输入光学信号在被发射到输出光纤304(描绘为多纤芯光纤)中之前入射在多个透射超表面310中的每一者上。虽然其上布置了多个透射超表面310中的一者的每个透射基板307被描述为相同，但是应当理解并非必须如此(例如，多个透射基板307中的不同透射基板可以具有变化的厚度和/或由不同材料制成)。
光学装置300还包括一个或多个隔离物315和一种或多种光学透明粘合剂(OCA)320，其位于多个透射基板307中的一者与布置在多个透射基板307中的另一个上的透射超表面310中的一者之间。光学装置300可包括任何数量的超表面，以执行本文所述的任何功能。在实施例中，透射基板307的数量可以与多个透射超表面310中的超表面的数量相同。可以基于光学装置300的期望相位轮廓来确定层的数量。
在实施例中，多个透射基板307中的每一个被配置为支撑多个透射超表面310中的一者。透射基板307可具有定义结构的一个或多个参数，例如高度(h)。在实施例中，多个透射超表面310可以包括一个或多个光学透射纳米结构，其被配置为使穿过其中的光学信号(例如，光)的相位轮廓移位。多个透射超表面310中的每一者可以被定位成与至少一个透射基板307接近或接触。多个透射超表面310的结构可以具有定义纳米结构的一个或多个参数，例如截面轮廓、截面面积或高度，以及其他示例。在实施例中，可以将透射超表面310中的每一个设计成具有不同的相位轮廓并且产生组合的相位轮廓。在实施例中，基于光学装置300的期望的组合相位轮廓，一个或多个多个透射超表面310可以具有与光学装置300中的其他多个透射超表面310不同的参数。
在实施例中，间隔垫315可以位于两个不同的透射基板307之间，并且可以被配置为在不同的透射基板307之间产生空间325。间隔垫315可以被定位成邻近于第一透射基板307和第二透射基板307或与第一透射基板307和第二透射基板307接触以产生空间325。多个透射超表面310中的一者可以位于由间隔垫315产生的空间325中。间隔垫315可以具有定义结构的一个或多个参数，例如高度。在具体实施例中，光学装置300中的每个间隔垫315可以具有相同的参数。在具体实施例中，一个或多个间隔垫315可以具有与光学装置300中的其他间隔垫315不同的参数(例如，一个或多个间隔垫315的高度可以是不同的)。任何数量的间隔垫315可以位于不同的基板之间。
OCA 320可以定位在由间隔垫315创建的空间325中。OCA 320可以是液体OCA或凝胶OCA或其任何组合的示例。OCA 320可以是光透射材料。OCA 320可以被配置为保护多个透射超表面310。OCA 320可以被定位成使得超表面被定位成与透射基板307的表面接近或接触，并且还被定位成与OCA 320接近或接触。在实施例中，OCA 320可以位于一个或多个超表面与透射基板307之间。在具体实施例中，OCA 320可以是折射率匹配物质的示例，其中OCA320的折射率可以类似于一种或多种周围材料的折射率。
如图3所示，输入光纤302相对于多个透射超表面310-a中的第一个以间隔开的关系被保持。在实施例中，多个透射超表面310-a中的第一个限定光学装置300的输入孔312。输入孔312可以与输入光纤302的一端相距第一距离d 1。输出光纤304相对于光学装置300的输出孔314以空间关系被保持。输出孔314可以由多个透射基板307中的一者的表面形成。在实施例中，输出孔314形成在多个透射基板307中的一者的表面上，此表面不包括透射超表面310中的一者。
在实施例中，基于第一距离d1、第二距离d2、输入光纤302中的纤芯的空间布置、输出光纤304中的纤芯的空间布置、输入光学信号中的光学信号的数量和布置、发射到输出光纤304的输出光学信号中的光学信号的期望数量和布置、以及这些输出信号的理想组成中的至少一个，来设计多个透射超表面310的组合相位轮廓(例如，其中的多个纳米结构的结构布置)。例如，如图所示，输入光纤302包括单纤芯光纤阵列，而输出光纤304包括多纤芯光纤。在这种情况下，光学装置300可以被实现为光纤扇入装置，其中多个透射超表面310将输入光纤302的纤芯光学耦合到输出光纤304的纤芯。例如，多个透射超表面310-a中的第一个可以准直从输入光纤发射的每个光学信号，并且多个透射超表面310-a、310-b和310-n中的另外一者可以重新引导和聚焦光学信号，以使光学信号以对应于输出光纤304的纤芯的方式布置在输出孔314处。可以修改多个透射超表面310的组合相位轮廓，以获得本文所述的光学信号操纵装置104的任何功能。
图4A至图4E示意性地描绘了可以用作本文相对于图1A所描述的光学信号操纵装置104的光学装置的示例。图4A至图4E中所示的光学装置可为使用反射表面在不同超表面之间传递光的光学装置折迭设计的示例。本公开内容不限于所说明的快速光学装置配置。图4A至图4E中所示的任何光学装置配置的任何特征，都可以与图4A至图4E所示的任何光学装置配置的任何其他特征组合。首先参考图4A描述光学装置的各方面，但在图4B至图4E省略了对它们的说明。在图4A至图4E中的光学装置中，相似编号或相似实施的特征可以类似地处理。图4A至图4E描绘了具有四个超表面的光学装置。然而，图4A至图4E的光学装置可以配置成任何数量的超表面(例如，一个超表面、两个超表面、三个超表面、四个超表面、五个超表面、六个超表面、七个超表面、八个超表面、九个超表面或十个超表面、或更多)。在图4A至图4E中图标的图可以是光学装置的截面图。
图4A示意性地描绘了光学装置401，光学装置401包括定位成邻近或接触多个超表面410的透射基板405、第一反射器415和第二反射器420。多个超表面410中的每个可包括多个纳米结构(例如，类似于本文中关于图2A和2B所述的超表面200和236的纳米结构)。在所描绘的实施例中，多个超表面410设置在透射基板405的表面460上。透射基板405、多个超表面410、第一反射器415和第二反射器420可示出折迭设计，其中光在两个反射器415和420之间反弹，并基于跟随反射路径的光与超表面410相互作用。光学装置401可包括任何数量的超表面，以执行本文所述的任何功能。例如，光学装置可以包括第一超表面410-a、第二超表面410-b、第三超表面410-c或任何数量的超表面410-n。透射基板405可具有定义结构的一个或多个参数，例如高度或截面积。
在实施例中，多个超表面410可以包括多个纳米结构，其被配置为使穿过纳米结构的光学信号(例如，光)的相位轮廓移位。超表面410中的每一个可被定位成邻近透射基板405或与透射基板405接触。超表面410的纳米结构可以具有定义纳米结构的一个或多个参数，例如截面轮廓、截面面积或高度。在实施例中，多个超表面410中的每一者可以被设计成具有不同的相位轮廓，以提供适合于光学装置401的特定功能的组合的相位轮廓。在实施例中，基于光学装置401的期望的组合相位轮廓，多个超表面410中的可具有与光学装置401中多个超表面410中的其他超表面不同的一个或多个参数。在实施例中，光学装置401中的多个超表面410中的每一者可具有相同的参数。
参照图4A，第一反射器415可以设置在透射基板405的表面470上。第一反射器415可以被配置为沿着光学路径反射光学装置401中的光学信号，并且反射至多超表面410的每个后续级、到第二反射器420或其任何组合。在实施例中，第一反射器415可以在光学装置401的工作波长窗口处由合适的反射材料形成，例如金。在实施例中，第一反射器415可以包括涂覆有这种反射材料的结构层。第二反射器420可以定位在多个超表面410附近或邻近处。第二反射器420可以被配置为沿着光学路径反射光学装置401中的光学信号，并且反射至多超表面410的每个后续级、到第一反射器415或其任何组合。第二反射器420可以由与第一反射器415类似的材料形成。
在实施例中，光学装置401可以包括设置在透射基板405和第二反射器420之间的表面460上的包层425。在实施例中，包层425保护多个超表面410的纳米结构免受损坏，并减轻与超表面410相互作用的光学信号的损失，或其任何组合。在实施例中，可以在多个纳米结构与第二反射器420的表面之间形成距离(例如，类似于参照图2B描述的距离266)。
第一反射器415、第二反射器420和超表面410可以被配置为沿着光学装置401中的期望的光学路径引导光学信号。在具体实施例中，第一反射器415和第二反射器420的一个或多个位置可以被配置为沿不同方向重定向光。例如，光学信号可以以与反射器的平面近似正交的角度入射在第一和第二反射器415和420中的一个上，并且反射器可以被配置为沿不同方向引导光学信号。在实施例中，多个超表面410中的每一个可以被配置为改变光学信号的方向。在实施例中，第一反射器415、第二反射器420或多个超表面410中的至少一个或它们的任何组合可以被配置为改变光学信号的传播方向。
仍参照图4A，光学装置401可包括用于将输入光学信号接收到光学装置401中的输入孔430，或用于从光学装置401输出输出光学信号的输出孔435，或以上两者。在所绘制的实施例中，光学装置401、输入孔430和输出孔435由第一反射器415形成。第一反射器415的一个或多个侧壁440可以形成输入孔430。同样的，第一反射器415的一个或多个侧壁445可以形成输出孔435。在具体实施例中，第一反射器415可以形成一个孔(例如，输入孔430或输出孔435)，第二反射器420可以形成另一个孔(例如，输入孔430或输出孔435)。
在图4A所示的光学装置401中，多个超表面410中的每一个都设置在透射基板405的相同表面460上。这样的实施例是有益的，因为可以使用相同的光掩模在相同的制造步骤中(例如，经由纳米光刻技术)形成多个超表面410。这样的处理有利地消除了对多个光掩模和后续对准问题的需要。尽管出于这种原因这种布置是有益的，但是可以想到其中多个超表面410的一部分设置在表面460上并且多个超表面410的其余部分设置在透射基板405的表面470上的替代实施例，并且这在本公开内容的范围内。例如，图4E示意性地描绘了光学装置407，其中第一超表面410-a和第三超表面410-c设置在表面470上，而第二超表面410-b和另一个超表面410-n设置在表面460上。这样的实施例可以包括布置在表面470和第一反射器415之间的附加包层425-a。
在图4所示的示例实施例中，多个超表面410中的每一个被配置为反射超表面(例如，基于来自多次与其相互作用的光学信号的光来设计多个超表面410中的每一个的相位轮廓)。设想了其中多个超表面410的一部分被配置为透射超表面的实施例。例如，图4B示意性地描绘了光学装置402，其中第一超表面410-a设置在输入孔430处并且被配置为透射超表面。另一示例光学装置可以在输出孔435处包括透射超表面。
在实施例中，输入孔430和输出孔435可以设置在透射基板405的相同侧(如在图4A中描绘的光学装置401中)或在透射基板405的相对侧(如在图4B中描绘的光学装置402中)。在图4A至图4B所示的示例中，输入和输出光纤450和455相对于输入和输出孔430和435间隔开地保持，使得光纤实质垂直于透射基板405延伸。在实施例中，输入和输出光纤450和455的任何组合可以与透射基板405(或输入和输出孔430和435)成一定角度保持。例如，图4C描绘了光学装置403，其中输入光纤450包括平行于多个超表面410延伸的抛光面，但是输入光纤450的纤芯与多个超表面410成一定角度延伸。这样的配置可以有利地防止背反射干扰从输入光纤450发出的输入光学信号。图4D示意性地描绘了光学装置406，其中多个超表面410设置在与输入孔430相对的表面470上，并且输入光纤450和输出光纤455均包括这样的抛光的成角度的表面。在实施例中，输入光纤450和输出光纤455可以包括大于或等于2度且小于或等于20度(例如，大于或等于8度且小于或等于12度)的抛光角。
在具体实施例中，光学装置401、402、403、406或407可以被配置为谐振折迭设计的示例。在这样的设计中，光学装置的总体结构类似于折迭设计。折迭设计和谐振折迭设计之间的差异可以包括超表面的相位轮廓的设计。例如，在堆叠设计和折迭设计中，光与超表面相互作用的次数可能都是固定的。然而，在谐振折迭设计中，光可能与超表面互动相对大量的次数(例如，成百上千次)，或者实质上是不定量或无限次的互动。在共振折迭设计中，透射基板405的表面460和470可形成法布里-珀罗(Fabry-Perot)腔，其中具有一个或多个特定相位轮廓的超表面410位于这些表面附近。在具体实施例中，与其中超材料的单个级与光互动一次的设计相比，超材料的单个级410与光互动更强。
在实施例中，光学装置401、402、403、406和407可以利用纳米光刻处理来制造。例如，图5A至图5F描绘了根据本文所公开的示例的用于制造光学信号操纵装置(例如，本文相对于图1A描述的光学信号操纵装置104)的方法的示例。图5A至图5F的每一者示出了较大的光学装置的切除部分的透视图。每个图中的切除部分已被限制为描绘如何形成光学装置的各个方面，但是可以预期其他结构并且在本公开内容的范围内。在此相对于图5A至图5E所描述的操作的任何组合或部分，可以用于形成本文所述的任何光学装置。
图5A示意性地描绘了用于制造光学信号操纵装置的方法的第一操作的示例。第一操作可能不是光学装置制造过程中的第一步，而是图5A至图5F中描述的第一操作。图5A描绘了光学装置501，光学装置501包括基板510和超表面层515。第一操作可以包括形成基板510(例如，通过一个或多个沉积步骤和/或一个或多个蚀刻步骤)。基板510可以是本文描述的透射基板206、238、307和405的示例。在具体实施例中，基板510可以由玻璃或融合石英形成。在具体实施例中，可以生长而不是沉积基板510。沉积和生长的用词可以在本文互换使用。在具体实施例中，作为第一操作的一部分，可将超表面层515沉积在基板510上。在实施例中，超表面层515可以是形成超表面的多个纳米结构所用的材料的示例。
图5B示意性地描绘了用于制造光学信号操纵装置的方法的第二操作的示例。第二操作在参考图5A描述的第一操作之后发生。在具体实施例中，在第一操作和第二操作之间可以发生其他步骤或操作。图5B示出了光学装置502，光学装置502包括基板510、超表面层515和抗蚀剂层520。在第二操作中，将抗蚀剂层520沉积或涂覆在超表面层515上。在具体实施例中，抗蚀剂层520可以是硬模材料或牺牲层或其任何组合的示例。
图5C示意性地描绘了用于制造光学信号操纵装置的方法的第三操作的示例。第三操作在参考图5B描述的第二操作之后发生。在具体实施例中，在第二操作和第三操作之间可以发生其他步骤或操作。图5C示出了光学装置503，光学装置503包括基板510、超表面层515和由抗蚀剂层520形成的多个硬模525。在第三操作中，去除抗蚀剂层520的一部分以形成多个硬模525。多个硬模中的每个硬模525包括一个或多个参数(例如截面轮廓、截面积或高度)，其被配置为控制由多个硬模525产生的超表面层515中的超材料结构的参数。可以使用一种或多种蚀刻处理、电子束光刻、光刻、纳米压印或其任何组合来形成多个硬模525。
图5D示意性地描绘了用于制造光学信号操纵装置的方法的第四操作的示例。第四操作在参考图5C描述的第三操作之后发生。在具体实施例中，在第三操作和第四操作之间可以发生其他步骤或操作。图5D描绘了光学装置504，光学装置504包括基板510和由超表面层515形成的多个纳米结构530。基于多个硬模525的参数形成多个纳米结构530。在第四操作中，去除多个硬模525和超表面层515的部分以形成多个纳米结构530中的多个纳米结构，多个纳米结构530包括一个或多个参数(例如截面轮廓、截面面积或高度)，参数是根据最初位于超材料结构上方的硬模的参数配置的。可以使用一种或多种蚀刻处理、电子束光刻、光刻、纳米压印或其任何组合来形成多个纳米结构530。在具体实施例中，上面列出的处理中的一个处理可以用作第四操作的一部分。在具体实施例中，上面列出的处理中的两个或更多个处理可以用作第四操作的一部分。
图5E示意性地描绘了用于制造光学信号操纵装置的方法的第五操作的示例。第五操作在参考图5D描述的第四操作之后发生。在具体实施例中，在第四操作和第五操作之间可以发生其他步骤或操作。图5E示出了光学装置505，光学装置505包括基板510、多个纳米结构530和包层535。在第五操作中，在基板510和多个纳米结构530上沉积包层535。包层535可以是本文描述的包层240或包层425的示例。包层535可以被配置为保护纳米结构530免受损坏、减轻与纳米结构互动的光学信号的损失、或其任何组合。
图5F示意性地描绘了用于制造光学信号操纵装置的方法的第六操作的示例。第六操作在参考图5D描述的第五操作之后发生。在具体实施例中，在第五操作和第六操作之间可以发生其他步骤或操作。图5F示出了光学装置506，光学装置506包括基板510、多个纳米结构530和包层535、以及反射器540。在第六操作中，沉积材料以形成反射器540。在具体实施例中，此材料是反射材料(例如，诸如金的金属)。在具体实施例中，此材料涂覆有反射材料(例如，诸如金的金属)以形成反射器540。反射器540可以形成为定位成靠近包层535或与包层535接触。在具体实施例中，包层535位于纳米结构530和反射器540之间。反射器540可以是本文描述的反射器242、420和425的示例。
本文如图5A至图5E中所描述可称为“自顶向下”的制造光学装置的方法中，用于纳米结构的材料被放置在基板510上，如图5A所示，通过诸如芯片键合和/或薄膜沉积处理的处理，诸如等离子体增强化学气相沉积(PECVD)、低压化学气相沉积(LPCVD)、原子层沉积(ALD)、热蒸发、电子束蒸发、溅射等等。用于图案化结构的技术(例如图5B和5C)可以是光刻方法，例如电子束光刻、光刻、纳米压印光刻或其任何组合。诸如自组装的其他技术也可以用于图案化装置。取决于为装置选择的技术和材料，可以采用不同的抗蚀剂和蚀刻技术以将图案转移到超材料层，如图5D所示(例如，此技术可以是干式蚀刻技术，例如反应性离子蚀刻、感应耦合等离子体蚀刻或离子铣削、或其任意组合)。在具体实施例中，可以在薄膜层的顶部(例如超表面层515)上添加另一层其他材料，以在蚀刻处理中用作硬模，而不是使用抗蚀剂作为蚀刻掩模。取决于设计，可以添加包层以保护或支撑此结构，可以使用本文所述的涂覆技术(例如旋涂)或沉积技术(例如如图5E所示)来添加包层。可以使用本文所述的沉积技术(例如图5F所示)将反射器(例如，金属)层添加到包层的顶部。
本文相对于图5A至图5F所描述的操作方法的替代性方法，可以用于形成本文所述的任何光学信号操纵装置。图6A至图6F示意性地描绘了用于制造光学信号操纵装置的方法的示例。图6A至图6F的每一者示出了较大的光学装置的切除部分的透视图。每个图中的切除部分已被限制为描绘如何形成光学装置的各个方面，但是可以预期其他结构与功能性。在此相对于图6A至图6E所描述的操作的任何组合或部分，可以用于形成本文所述的任何光学装置。
图6A描绘了用于制造光学信号操纵装置的方法的第一操作的示例。第一操作可能不是光学装置制造过程中的第一步，而是图6A至图6F中描述的第一操作。图6A示出了光学装置601，光学装置601包括基板610和抗蚀剂层615。第一操作可以包括形成基板610(例如，通过一个或多个沉积步骤和/或一个或多个蚀刻步骤)。在具体实施例中，第一操作包括在基板610上沉积抗蚀剂层615。在具体实施例中，抗蚀剂层615可以是硬模材料或牺牲层或其任何组合的示例。
图6B示意性地描绘了用于制造光学信号操纵装置的方法的第二操作的示例。第二操作在参考图6A描述的第一操作之后发生。在具体实施例中，在第一操作和第二操作之间可以发生其他步骤或操作。图6B示出了光学装置602，光学装置602包括基板610、抗蚀剂层615以及形成在抗蚀剂层615中的多个腔620。在第二操作中，去除抗蚀剂层615的一部分以形成多个腔620。在具体实施例中，可以蚀刻抗蚀剂层615的图案。多个腔中的每个腔620可以包括一个或多个参数(例如，截面轮廓、截面积或高度)，其被配置为控制由多个腔620产生的纳米结构的参数。可以使用一种或多种蚀刻处理、电子束光刻、光刻、纳米压印或其任何组合来形成多个腔620。
图6C示意性地描绘了用于制造光学信号操纵装置的方法的第三操作的示例。第三操作在参考图6B描述的第二操作之后发生。在具体实施例中，在第二操作和第三操作之间可以发生其他步骤或操作。图6C示出了光学装置603，光学装置603包括基板610、超表面层625和抗蚀剂层615。在第三操作中，可以将超表面层625沉积在抗蚀剂层615上以及形成在抗蚀剂层615中的多个腔620中。在具体实施例中，超表面层625可以是用于在完成的光学装置中形成纳米结构的超材料的示例。超表面层625可以是在本文描述的超表面中使用的多个纳米结构的示例。在具体实施例中，超表面层625在沉积之后还可包括多个腔。在具体实施例中，沉积膜的厚度在整个装置上可以是均匀的。在具体实施例中，填充多个腔620的超表面层625的材料，可以在超表面层625中在其上方留下类似的腔。
图6D示意性地描绘了用于制造光学信号操纵装置的方法的第四操作的示例。第四操作在参考图6C描述的第三操作之后发生。在具体实施例中，在第三操作和第四操作之间可以发生其他步骤或操作。图6D示出了光学装置604，光学装置604包括基板610和由超表面层625形成的多个纳米结构630，并且是基于多个腔620的参数形成的。在第四操作中，去除超表面层625的部分和抗蚀剂层615的其余部分，以形成(或暴露)多个纳米结构630。多个纳米结构中的每个超材料结构630包括一个或多个参数(例如，截面轮廓、截面积或高度)，这些参数基于将超表面层625沉积到其中的腔的参数而配置。在具体实施例中，可以将一种或多种化学物质施加到光学装置604上，以去除剩余的抗蚀剂层和在剩余的抗蚀剂层之上的超材料。在具体实施例中，此过程可以称为提离(lift-off)。可以使用一种或多种蚀刻处理、电子束光刻、光刻、纳米压印或提离处理或其任意组合来形成多个纳米结构630。在具体实施例中，上面列出的处理中的一个处理可以用作第四操作的一部分。在具体实施例中，上面列出的处理中的两个或更多个处理可以用作第四操作的一部分。
图6E描绘了用于制造光学信号操纵装置的方法的第五操作的示例。第五操作在参考图6D描述的第四操作之后发生。在具体实施例中，在第四操作和第五操作之间可以发生其他步骤或操作。图6E示出了光学装置605，光学装置605包括基板610、多个纳米结构630和包层635。在第五操作中，在基板610和多个纳米结构630上沉积包层635。
图6F示意性地描绘了用于制造光学信号操纵装置的方法的第六操作的示例。第六操作在参考图6E描述的第五操作之后发生。在具体实施例中，在第五操作和第六操作之间可以发生其他步骤或操作。图6F示出了光学装置606，光学装置606包括基板610、多个纳米结构630和包层635、以及反射器640。在第六操作中，沉积材料以形成反射器640。在具体实施例中，此材料是反射材料(例如，诸如金的金属)。在具体实施例中，此材料涂覆有反射材料(例如，诸如金的金属)以形成反射器640。反射器640可以形成为定位成靠近包层635或与包层635接触。在具体实施例中，包层635位于纳米结构630和反射器640之间。
在此参照图6A至图6E描述的方法可被称为“自下而上的方法”，其中，可以使用与自顶向下的方法(例如，参见图6A和图6B)类似的光刻技术首先创建所需结构的反图案。然后可以在图案化的抗蚀剂层615的顶部上生长薄膜层，以填充孔(例如，参见图6C)。在提离处理之后(例如，参见图6D)，可以去除抗蚀剂层615以及抗蚀剂顶部的薄膜，并且将图案转移到薄膜层上，成为纳米结构。取决于设计，可以添加包层以保护或支撑结构，使用本文所述的涂覆技术(例如旋涂)或沉积技术(例如如图6E所示)来添加包层。可以使用本文所述的沉积技术(例如图6F所示)将反射器(例如，金属)层添加到包层的顶部。
示例
以下每个示例对输入光纤及其输出光纤使用了相似的纤芯设计。在以下示例中，输入和输出光纤的纤芯(无论是单纤芯光纤阵列还是多纤芯光纤阵列)都具有相同的阶跃折射率分布设计，纤芯Δ为0.34％，纤芯半径为4.4μm，其中Δ是相对于纯二氧化硅的相对折射率。相对折射率可以定义为
其中n是纤芯在1550nm波长处的折射率，除非另有说明，nc是1.444，这是未掺杂的石英玻璃在1550nm波长处的折射率。
纤芯可在1550nm处具有约10.4μm的模场直径。应当理解，也可以使用包括其他特征的单模轮廓设计，例如渐变索引纤芯设计。本公开内容不限于任何特定的纤芯或纤维结构。在实施例中，可以添加低折射率沟槽以减小弯曲损耗和纤芯间距。
图7A至图7C示意性地描绘了光学信号操纵装置的各个方面，光学信号操纵装置被配置为取决于为其中的多个超表面选择的组合相位轮廓而用作多纤芯光纤耦合器、光纤模态混洗器或功率分配器。参照图7A至图7C描述的光学信号操纵装置可具有与本文关于图4B所述的光学装置402相似的结构。透射基板405具有200μm的厚度。输入和输出光纤450和455都包含2×2多纤芯光纤，其纤芯与纤芯的间距为45μm。输入和输出光纤450和455分别包含倾斜的抛光表面，抛光表面相对于多个超表面410以8度的角度设置。输入光纤450与输入孔430以45μm的距离保持间隔，而输出光纤455与输出孔435以100μm的距离保持间隔。
图7A1描绘了输入孔1000，而图7A2描绘了光学信号操纵装置的输出孔1002。输入孔1000(例如，孔口罩)包括以对应于输入光纤450的纤芯的方式成形的多个开口。输出孔902包括以与输出光纤455的纤芯相对应的方式成形的多个开口。在此示例中，假设将输入光纤450保持为更靠近透射基板105，则输入孔1000中的开口比输出孔1002中的开口更靠近。
图7B描绘了与光纤耦合器相关的第一组合相位轮廓1004。第一组合相位轮廓1004可以描绘光学信号操纵装置的多个超表面410的组合相位响应。组合的相位轮廓1004是对称的，并且配置为将从输入光纤450传播的光学信号重定向到输出光纤455中的相应通道(例如，在输入光学信号和输出光学信号之间保持光学信号的空间排列)。如图所示，组合的相位轮廓1004包括特征的对称布置，指示光学信号之间没有交叉或组合。例如，第一超表面410-a可以准直输入光学信号的四个光学信号，并将光学信号重定向到第二(反射)超表面410-b，第二超表面410-b可以将光学信号聚焦并重定向到输出光纤455的相应光纤芯。
表1提供了当多个超表面410具有组合的相位轮廓1004时，在输入光纤450和输出光纤455之间的各种通道对之间的仿真插入损耗。如图所示，沿着输入和输出光纤450至455之间的信道间匹配实例，插入损耗相对较低，这表明光学信号操纵装置成功地耦合了不同的多纤芯光纤的纤芯。
表1
MCF1\MCF2 1 2 3 4
1 0.129 47.6 65.1 97.8
2 47.6 0.129 100.6 65.0
3 66.1 94.0 0.130 47.0
4 95.1 65.9 47.0 0.130
图7C描绘了与光纤模态混洗器相关联的第二组合相位轮廓1006。第二组合相位轮廓1006描绘光学信号操纵装置的多个超表面410的组合相位响应。如图7C中所示，组合的相位轮廓1006是不对称的，并且包含不对应于多纤芯输入和输出光纤450和455中的纤芯的布置的特征布置(特征的每个布置可以包括具有亚波长分离的多个纳米结构，其被定位为操纵通过信号操纵装置传播的光学信号中的一者)。组合相位轮廓1006包括以不对应于与输入孔1000和输出孔1002相关联的纤芯的布置的方式布置的多个特征。特征的这种布置可以指示多个超表面410正在以不同的方式改变输入光学信号的四个光学信号中的不同的波前倾斜，以改变光学信号的布置。在所描绘的示例中，组合的相位轮廓1006可以使在输入光纤450的第一信道中传播的光学信号(与图7A的输入孔1000的开口1001相关联)在输出孔1002处与在输入光纤450的第二信道中传播的光学信号(例如，与图7A的输入孔1000的开口1003相关联)切换位置。即，可以保持光学信号的整体空间布置，但是可以通过光学信号操纵装置调节光学信号的相对空间布置。光学信号中的至少两个可以在光学信号操纵装置内相交，以改变光学信号在输入孔1000和输出孔1002之间的相对空间布置。
表2提供了当多个超表面具有组合相位轮廓1006时在输入光纤450和输出光纤455之间的各种通道对之间的仿真插入损耗。如图所示，输入光纤450的第二光信道被光学切换到输出光纤455的第三信道，表明光学信号操纵装置作为光纤模态混洗器成功运行。可以调节本文所述的光学信号操纵装置的组合的相位轮廓，以实现输入光纤和输出光纤的任意组合之间的信道耦合的任何排列，从而证明本文所述的超表面的灵活性。
表2
MCF1\MCF2 1 2 3 4
1 0.139 60.6 60.1 72.3
2 60.2 102.8 0.137 58.9
3 60.0 0.136 88.5 60.6
4 81.2 61.8 61.2 0.135
通过调整参考图7A至图7C描述的示例性光学信号操纵装置的组合相位轮廓，可以得到具有不同功能的光学信号操纵装置。例如，图8A示出了用作功率分配器的光学信号操纵装置的第三组合相位轮廓1100。功率分配器可以被构造为类似于关于图7A至图7C描述的光学信号操纵装置(例如，具有相同的输入和输出光纤布置)，其中修改了多个超表面410的多个纳米结构以实现第三组合相位轮廓1100。
第三组合相位轮廓1100包括与输入光学信号的第一信道相关联的第一多个特征1102(例如，通过图7A的输入孔1000中的第一个开口进入光学信号操纵装置)。第一多个特征1102可以与第一超表面410-a相关联，第一超表面410-a以不同的方式操纵通过第一信道传播的光学信号的各个部分的相位轮廓。第一超表面410-a可以在空间上分离光学信号的各部分。第三组合相位轮廓1100还包括第二多个特征1104(例如与第二超表面410-b相关联)，其将光学信号的分离部分重定向到输出光纤455的不同信道。表3示出了此示例的输入光纤450和输出光纤455之间的信道耦合的插入损耗。在表3中，插入损耗6.02dB表示耦合到特定信道的光学信号的四分之一。如图所示，输入光纤450的第一信道基本上被分成四个相等的分量，四个相等的分量耦合到输出光纤455的四个信道中的每一个，指示信号操纵装置作为功率分配器成功运行。
表3
MCF1\MCF2 1 2 3 4
1 6.41 6.42 6.43 6.43
2 49.1 56.7 52.9 64.4
3 43.7 53.3 59.7 59.5
4 56.6 67.1 78.4 79.9
在另一个示例中，输入光纤450的第三光信道可以被分成输出光纤455的四个信道。图8B描绘了类似于本文针对图8A所述的光学信号操纵装置的第四组合相位轮廓1106，但第四组合相位轮廓1106包括在空间上与输入光纤450的第三信道(例如图7A的输入孔1000中的不同开口)对准的第一多个特征1108。第四组合相位轮廓1106包括第二多个特征1110，第二多个特征1110将由第一多个特征1108分离的光学信号的部分重定向到输出光纤455的纤芯，以实现类似于本文针对图8A所述的光学信号操纵装置的功能。表4示出了此示例的输入光纤450和输出光纤455之间的信道耦合的插入损耗。在表4中，插入损耗6.02dB表示耦合到特定信道的光学信号的四分之一。如图所示，输入光纤450的第三信道基本上被分成四个相等的分量，四个相等的分量耦合到输出光纤455的四个信道中的每一者，指示信号操纵装置作为功率分配器成功运行。在实施例中，在此相对于图8A至图8B描述的光学信号操纵装置可以相反地操作以提供功率组合。
表4
MCF1\MCF2 1 2 3 4
1 80.4 61.4 54.6 55.4
2 70.7 61.3 64.3 79.5
3 6.40 6.41 6.40 6.41
4 55.3 54.7 52.2 63.4
相对于图8A至图8B描述的前述功率分配器示例实现了输出光纤455的信道之间功率的均匀分配。可以调节多个超表面410的组合的相位轮廓，以在输出通道之间实现任何期望的任意功率分布。例如，对于具有两个超表面410的功率分配器，可以将用于功率分配器光学信号操纵装置的质量因子(“FOM”)定义为
FOMver1＝minj[powerj/ratioj] (2)
其中powerj代表输入信号在信道j中路由到输出光纤455的部分，而ratioj是目标分光比。然后可以使用根据等式1的期望的FOM(例如，在伴随分析中)来构造多个超表面410中的每一个的纳米结构。图8C描绘了第五组合相位轮廓1112，其在功能上与图8B中所示的第四组合相位轮廓1106相似，但是构造成根据等式2实现特定的功率比。表5提供了输入光纤450的第三信道和输出光纤455的所有信道之间的仿真耦合效率损失。输出光纤455中的每个信号的功率比与通过图8B的第四组合相位轮廓1106获得的功率比不同，示出了通过此处描述的光学信号操纵装置实现的分光比可以通过超表面构造任意地调节的情况。
表5
MCF1\MCF2 1 2 3 4
1 0 0 0 0
2 0 0 0 0
3 0.099 0.190 0.277 0.362
4 3e-4 1e-4 0 0
在另一个示例中，FOM可以被定义为
其中n是可以根据目标分光比的所需精度进行调整的超参数，表示信道j中输入信号中路由到输出光纤455的部分。在实施例中，超参数n可以从2变化到32(例如，从2增加到小于或等于32的数字，取决于分光比的期望精度)，以实现有效的优化和分光准确性之间的平衡。然后可以使用根据等式3的期望的FOM(例如，在伴随分析中)来配置光学信号操纵装置的多个超表面410中的每个的纳米结构。图8D描绘了第六组合相位轮廓1114，其在功能上与图8B中所示的第四组合相位轮廓1106相似，但是构造成根据等式3实现特定的功率比。表6提供了输入光纤450的第三信道和输出光纤455的所有信道之间的仿真耦合效率损失。输出光纤455中的每个信号的功率比与通过图8C的第五组合相位轮廓1112获得的功率比不同，示出了通过此处描述的光学信号操纵装置实现的分光比可以通过超表面构造任意地调节的情况。
表6
MCF1\MCF2 1 2 3 4
1 0 0 0 0
2 0 0 0 0
3 0.093 0.186 0.279 0.372
4 1e-4 4e-5 1e-5 0
图9A至图9C示意性地描绘了被配置为操作90度光学混合器的光学信号操纵装置的各个方面。参照图9A至图9C描述的光学信号操纵装置可具有与本文关于图4C所述的光学装置403相似的结构。透射基板405具有200μm的厚度。输入和输出光纤450和455都包含2x2多纤芯光纤，其纤芯与纤芯的间距为45μm。
图9A1描绘了输入孔1200，而图9A2描绘了光学信号操纵装置的输出孔1202。输入孔1200(例如，孔口罩)包括以对应于输入光纤450的纤芯的方式成形的多个开口。输出孔1202包括以与输出光纤455的纤芯相对应的方式成形的多个开口。
图9B描绘了用于光学信号操纵装置的多个超表面410的组合相位轮廓1204。在实施例中，90度光学混合器将通过输入光纤450的纤芯传播的两个输入模态A和B转换为四个不同的输出A+B、A–B、A+jB和A–jB。组合相位轮廓1204(例如，由与多个超表面410相关联的多个纳米结构的结构布置确定)被配置为重定向和组合具有不同相位的两个输入模态A+B的不同部分，从而实现在输出孔1202处的期望输出以与输出光纤455耦合。光学混合器的多个超表面410可包括大于或等于四个超表面，以产生组合的相位轮廓1204。
表7提供了在每个输入和输出端口对之间(例如，在输入光纤450和输出光纤455的每个不同的纤芯对之间)的插入损耗的模拟结果。假定零损耗对应于6.02(代表每个输入信号的四分之一均等地分成输出光纤455的四个不同通道中的每一个)，则由多个超表面引起的额外损耗似乎最大为0.4dB。
表7
MCF1\MCF2 1 2 3 4
1 6.18 6.102 6.438 6.188
2 6.114 6.32 6.071 6.382
另外，为了有效地用作90度光学混合器，输出光纤455的信道中的信号之间的相位差应为90度。即，第四输出通道应与第一输出通道具有90度的相位差，而第三输出通道应与第二输出通道具有90度的相位差。图9C描绘了曲线图1206，其描绘了分别在第一、第二、第三和第四输出信道中的输入信号的仿真相对相位。预测第一输出通道具有139.90度的相位，预测第二输出通道具有319.53度的相位，预测第三输出通道具有48.90度的相位，并且预测第四输出通道具有229.716度的相位。这样，所需通道之间的相位差大约为90度，表示成功操作为90度光学混合器。相位差可能取决于工作波长。在实施例中，本文描述的光学信号操纵装置在20nm带宽内达到5度相位差精度。即，本文描述的光学信号操纵装置可以提供在大于或等于85度且小于或等于90度的上述相位差，同时在20nm带宽窗口内操作(例如，大于或等于1540nm且小于或等于1560nm)。
鉴于前面的描述，应当理解，包括多个超表面的光学信号操纵装置可以根据多个超表面的组合相位轮廓在光纤传输系统中起到许多不同的功能。可以通过在空间上改变多个超表面中的每一个中的多个纳米结构的几何参数来构造多个超表面的组合的相位轮廓，以实现所服务的特定功能的任意相位轮廓。可以基于与光学信号操纵装置互动的光学信号的数量和布置以及要对光学信号执行的操作(例如，分割、组合、重新布置)来构造超表面。组合相位轮廓图的可配置性有助于容纳光纤的多种不同布置(例如，单纤芯光纤阵列、多纤芯光纤、光纤电缆或其任意组合)。如本文所述，与执行类似功能的现有装置相比，本文所述的基于超表面的光学信号操纵装置可以相对紧凑(例如，具有小于或等于1mm或小于或等于500μm或小于或等于300μm或小于或等于200μm的整体厚度)。此外，本文所述的光学信号操纵装置可以使用纳米制造技术整体形成，从而提供对所构造的相位轮廓和装置的操作的精确控制。
还应注意到，本文中对“至少一个”部件、要素等等的说明，不应用于产生冠词“一”或“一个”的替代使用应限于单个部件、要素元素等等的推断。
应注意到，本文中以特定方式“配置”以体现特定性质或以特定方式起作用的本公开内容的部件的叙述是结构性叙述，而非预期用途的叙述。更特定而言，本文对部件“配置”的方式的引用表示部件的现有物理条件，并且因此将被视为部件的结构特征的明确叙述。
已经详细描述了本公开内容的主题并且通过参考其特定具体实施例，应当注意到，本文公开的各种细节不应被视为暗示这些细节涉及作为本文描述的各种具体实施例的必要部件的要素，即使在伴随本说明书的每个附图中示出了特定要素的情况下也是如此。此外，显而易见的是，在不脱离本公开内容的范围(包括但不限于在所附权利要求中限定的具体实施例)的情况下，修改和变化是可能的。更特定而言，尽管本公开内容的一些方面在本文中被标识为优选的或特别有利的，但是预期到本公开内容不必限于这些方面。
应注意到，以下权利要求中的一个或多个使用用词“其中”作为过渡用语。出于定义本技术的目的，应注意，此用词在权利要求中作为开放式过渡用语引入，此用语用于引入结构的一系列特征的叙述，并且应当以与更常用的开放式前导用语“包含”来解译。

Claims (23)

1.一种设备，包含：
光纤输入，所述光纤输入包括多个输入光纤芯，所述多个输入光纤芯接收多个输入光学信号；
光学信号操纵装置，所述光学信号操纵装置包括：
输入孔，所述输入孔与所述光纤输入保持间隔开，以便在第一空间布置中接收所述多个输入光学信号；
多个超表面，所述多个超表面中的每个超表面包括多个纳米结构，所述多个纳米结构彼此间隔开小于所述多个输入光学信号的波长；以及
输出孔，其中所述多个超表面操纵所述多个输入光学信号的相位轮廓以生成多个输出光学信号，其中所述多个输出光学信号在所述输出孔处具有不同于所述第一空间布置的第二空间布置；以及
光纤输出，所述光纤输出包括多个输出光纤芯，其中所述光纤输出相对于所述光学信号操纵装置的所述输出孔以保持间隔开，使得所述多个输出光纤芯在所述第二空间布置中接收所述多个输出光学信号，其中所述光学信号操纵装置包括下列的一者：光纤模态混洗器、光纤耦合器、功率分配器或90度光学混合器。
2.如权利要求1所述的设备，其中所述光纤输入包括第一多纤芯光纤，并且所述多个输入光纤芯布置在所述第一多纤芯光纤的公共包层中。
3.如权利要求2所述的设备，其中所述多个输入光纤芯以与所述多个输入光学信号的所述第一空间关系相对应的布置设置在所述公共包层中。
4.如权利要求3所述的设备，其中所述光纤输出包括第二多纤芯光纤，并且所述多个输出光纤芯以与所述多个输出光学信号的所述第二空间关系相对应的布置设置在所述第二多纤芯光纤的公共包层中。
5.如权利要求1所述的设备，其中所述光纤输入包括第一单纤芯光纤阵列，并且所述光纤输出包括第二单纤芯光纤阵列。
6.如权利要求5所述的设备，其中所述第一单纤芯光纤阵列和第二单纤芯光纤阵列包括相同的纤芯间隔。
7.如权利要求1所述的设备，其中所述多个超表面包括第一超表面和第二超表面，所述第一超表面包括基于所述第一空间布置以图案布置的第一多个纳米结构，使得所述第一多个纳米结构改变所述第一超表面和所述第二超表面之间的所述多个输入光学信号的波前倾斜度。
8.如权利要求7所述的设备，其中所述第二超表面在所述第二空间布置中将所述多个输出光学信号朝向所述多个输出光纤芯重定向。
9.一种光纤模态混洗器，包括：
透射基板，包括输入孔，所述输入孔用于从输入光纤接收多个输入光学信号；
多个超表面，所述多个超表面中的至少一个超表面设置在所述透射基板上，所述多个超表面中的每个超表面沿着所述多个输入光学信号通过所述透射基板的传播路径彼此分离，其中：
所述多个输入光学信号与所述多个超表面的每个超表面互动，使得所述多个超表面修改所述多个输入光学信号的相位轮廓以产生多个输出光学信号；
所述多个超表面中的每个超表面包括多个纳米结构，所述多个纳米结构具有结构布置，所述结构布置是基于所述输入光纤的光纤芯的一布置和所述多个输出光学信号的期望空间布置而确定；
多个超表面改变多个输入光学信号的波前倾斜，使得多个输出光学信号在所述输出孔处具有所述期望空间布置；以及
输出孔，所述输出孔用于将所述多个输出光学信号发射到输出光纤，所述输出光纤包括多个光纤芯，用于以所述期望空间布置接收所述多个输出光学信号，其中所述输出光纤的所述多个光纤芯布置的方式与所述输入光纤的多个光纤芯相同。
10.如权利要求9所述的光纤模态混洗器，其中所述多个超表面的组合相位轮廓包括不对称结构。
11.如权利要求9所述的光纤模态混洗器，其中所述多个超表面的组合相位轮廓包括以不对应于所述输入光纤和所述输出光纤的所述光纤芯的所述布置的方式布置的多个特征。
12.如权利要求9所述的光纤模态混洗器，其中所述多个超表面中的每个超表面的所述多个纳米结构彼此间隔开小于所述多个输入光学信号的波长。
13.如权利要求9所述的光纤模态混洗器，其中所述输入光纤和所述输出光纤包括多纤芯光纤。
14.如权利要求9所述的光纤模态混洗器，其中所述输入光纤和所述输出光纤包括单纤芯光纤阵列。
15.一种设备，包含：
输入光纤，所述输入光纤中传播有一输入光学信号；
光纤耦合器，所述光纤耦合器与所述输入光纤保持间隔开，所述光纤耦合器包括：
一个或多个输入孔，所述一个或多个输入孔用于接收输入光学信号；
一个或多个输出孔，所述一个或多个输出孔用于从所述光纤耦合器发射输出光学信号；以及
多个超表面，所述多个超表面沿着在所述一个或多个输入孔和所述一个或多个输出孔之间的所述输入光学信号的传播路径布置，其中：
所述输入光学信号与所述多个超表面中的每个超表面互动，使得所述多个超表面修改所述输入光学信号的相位轮廓，
所述多个超表面中的每个超表面包括多个纳米结构，所述多个纳米结构具有结构布置，所述结构布置是基于所述输入光学信号中的第一光学信号数量、所述输出光学信号中的第二光学信号数量、以及
所述输出光学信号中的所述光学信号之间的期望功率分布来确定；以及
输出光纤，所述输出光纤与所述输出孔保持间隔开，以接收所述输出光学信号。
16.如权利要求15所述的设备，其中所述输入光学信号中的所述第一光学信号数量等于所述输出光学信号中的所述第二光学信号数量。
17.如权利要求16所述的设备，其中所述输入光学信号中的所述第一光学信号数量小于所述输出光学信号中的所述第二光学信号数量。
18.如权利要求17所述的设备，其中所述光纤耦合器用作功率分配器，所述功率分配器将所述输入光学信号分成所述输出光纤的不同光纤芯。
19.如权利要求15所述的设备，其中所述输入光学信号中的所述第一光学信号数量大于所述输出光学信号中的所述第二光学信号数量。
20.如权利要求15所述的设备，其中：
所述光纤输入包括单纤芯光纤，且所述输入光学信号包括一单光学信号；
所述输出光纤包括两个或多个单纤芯光纤；
所述多个超表面中的第一超表面的所述多个纳米结构在结构上被布置为改变输入光学信号的不同部分的波前倾斜，以分离所述不同部分；以及
所述多个超表面中的第二超表面的所述多个纳米结构在结构上被布置为以与所述输出光纤的所述纤芯相对应的布置将分离的不同部分朝向所述输出孔引导。
21.一种设备，包含：
输入光纤，所述输入光纤具有多个传播通过其中的输入光学信号；
90度光学混合装置，所述90度光学混合装置与所述输入光纤保持间隔开，所述90度光学混合装置包括：
多个输入孔，所述多个输入孔用于接收多个输入光学信号；
多个输出孔，所述多个输出孔用于从所述光混合装置发射多个输出光学信号；和
多个超表面，所述多个超表面沿着所述输入光学信号在所述多个输入孔和所述多个输出孔之间的传播路径布置，其中：
多个输入光学信号与多个超表面中的每个超表面互动，使得多个超表面修改所述多个输入光学信号的相位轮廓，
所述多个超表面中的每个超表面包括多个纳米结构，所述多个纳米结构在结构上被布置为组合具有变化的相位差的多个输入信号以生成所述多个输出光学信号，使得所述多个输出光学信号中的每个输出光学信号都包含所述多个输入光学信号的不同组合；以及
输出光纤，所述输出光纤与所述输出孔保持间隔开，以接收所述输出光学信号。
22.如权利要求21所述的设备，其中：
所述多个输入光学信号包括第一信号和参考信号；并且
所述多个超表面将所述第一信号与所述参考信号的四个正交状态混合以生成所述多个输出光学信号。
23.如权利要求22所述的设备，其中所述输入光纤和所述输出光纤中的至少一个包括2×2多纤芯光纤。
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