CN116540377A - 一种电控变焦的片上集成超透镜 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种电控变焦的片上集成超透镜，属于光电子器件与集成技术领域，包括基于槽型波导阵列的超透镜结构和基于金属电阻的电控加热器结构；其中，所述基于槽型波导阵列的超透镜结构用于实现片上光束聚焦，所述基于金属电阻线的电控加热器结构通过设计电阻线的几何形状来精准控制波导的温度，从而实现波导局部有效折射率的调控，最终通过对加热器施加不同电功率来实现聚焦光束的前后移动。本发明仅需两个加热器即可实现片上聚焦光束的变焦功能，显著减少电极数量，电控方案简单，且该方案与标准硅光子工艺平台完全兼容，有望集成应用于波束整形、片上交换开关网络和可重构光子集成系统。
Description
技术领域
本发明属于光电子器件与集成技术领域，具体涉及一种电控变焦的片上集成超透镜。
背景技术
光电子器件与片上集成技术的发展极大地促进其在光通信、信号处理、成像和量子信息等领域的应用。各种各样的光子结构已被证明可以与平面波导内的传播光束相互作用并对其进行操纵。近期，基于亚波长槽型波导阵列的片上超透镜结构在光学计算、成像处理和人工智能等方面显示出巨大的潜力。而动态调谐机制，尤其是变焦功能是片上超透镜系统应用的关键步骤。目前已经报道的片上超透镜的可调谐机制包括电光效应、热光效应和相变材料。然而，基于热光和电光效应的常规可调谐透镜需要更多的调控电极和更大的尺寸面积；相变材料的制造和控制工艺复杂，很难与复杂金属氧化物半导体(CMOS)工艺兼容。
发明内容
鉴于以上现有技术的缺点，本发明公开了一种电控变焦的片上集成超透镜，仅需两个加热器结构即可实现片上聚焦光束的变焦功能，解决了现有片上集成超透镜变焦方案和结构的调控电极过多，尺寸大，制备和调控工艺复杂等问题。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种电控变焦的片上集成超透镜，包括基于槽型波导阵列的超透镜结构和基于金属电阻的电控加热器结构；所述电控变焦的片上集成超透镜结构由上到下包括电极层、上包层、波导层、下包层、基底层；其中，所述基于槽型波导阵列的超透镜结构在波导层。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述基于槽型波导阵列的超透镜结构用于实现片上光束聚焦，所述基于金属电阻的电控加热器结构通过设计电阻线的几何形状来精准控制波导的温度，从而实现波导局部有效折射率的调控，最终通过对加热器施加不同电功率来实现聚焦光束的前后移动。
本发明技术方案的进一步改进在于：基于金属电阻的电控加热器结构包括两个独立级联的加热器结构，分别为加热器一和加热器二，分别调控用于实现焦距的变长和变短，两者功能叠加实现聚焦光束的前后移动。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述加热器结构是由电阻线弯曲折叠形成的矩形分布，矩形的整体宽度由基于槽型波导阵列的超透镜的直径决定，矩形的宽度大于等于直径的透镜；矩形的整体长度由功耗需求与焦距的调节范围需求决定，矩形的整体长度越长，功耗需求越低，焦距调节范围越大。
本发明技术方案的进一步改进在于：加热器一的折叠型电阻线的宽度从中心向边缘分别被定义为w1、w2、…、wi，i为正整数，加热器一实现焦距变长功能，加热器一加热波导后起到凹透镜的作用，根据凹透镜的所需相位公式和加热相位变化公式要相等的要求，从而计算出加热器一的折叠型电阻线的宽度分布，加热器二实现焦距变短功能，加热器二加热波导后起到凸透镜的作用，根据凸透镜的所需相位公式和加热相位变化公式要相等的需求，从而计算出加热器二的折叠型电阻线的宽度分布。
本发明技术方案的进一步改进在于：凹透镜的所需相位公式为凸透镜的所需相位公式为/>加热相位变化公式为/>其中λ为所述器件的工作波长，λ＝1.55μm，nslab,eff为所述器件的波导有效折射率，f为所述器件的透镜焦距，y为所述器件从中心到边缘沿着y轴的长度距离，Δnslab,eff为所述器件的波导有效折射率随温度的变化值，L为加热器的长度L＝L1＝L2＝200μm，α为归一化系数，w为加热器折叠型电阻线的宽度；
对于焦距变长功能
求解出宽度分布为
于焦距变长功能
求解出宽度分布为
本发明技术方案的进一步改进在于：加热器一的电阻线宽度沿y轴方向从中心往边缘逐渐减小，加热器二的电阻线宽度沿y轴方向从中心往边缘逐渐增大。
本发明技术方案的进一步改进在于：通过调整不同位置电阻线的宽度，从而控制该位置电阻线的电阻值，通过施加电功率控制该位置的波导温度，进而实现波导局部有效折射率的调控，最终影响聚焦光束的波前分布，实现焦距的变化。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述波导层和基底层材料为硅，上包层和下包层材料为二氧化硅，所述基于金属电阻线的电控加热器的材料选自金、银、铜、氮化钛电阻材料。
作为本发明的进一步改进，所述基于槽型波导阵列的超透镜的工作波段、直径和焦距参数可以根据设计需求自行定义。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本申请将基于槽型波导阵列的超透镜结构设置在波导层，所述基于金属电阻线的电控加热器结构数值设置在电极层，电极层和波导层之间有一层上包层，既可以保证波导层中的光束和电极层的金属电阻不相互作用，又能保证电极层金属电阻线的电驱动产生热量并传递到波导层，导致波导的温度升高。采用此技术方案，当光束在波导层通过基于槽型波导阵列的超透镜结构聚焦时，所述基于金属电阻线的电控加热器结构通过设计电阻线的几何形状来精准控制波导的温度，从而实现波导局部有效折射率的调控，最终通过对加热器施加不同电功率来实现聚焦光束的前后移动。
相对于现有的技术，本发明仅需两个加热器即可实现片上聚焦光束的变焦功能，显著减少电极数量，简化电控方案，且器件制备误差容忍度大，器件尺寸小，与标准硅光子工艺平台完全兼容。该结构为片上超透镜结构的变焦调控提供了一种新方案，是一项发展片上集成光芯片技术的重要而有意义的工作。
本发明的器件制作工艺与标准硅光子工艺平台完全兼容，制备简单，制备误差容忍度大，这使得器件易于集成和扩展，可广泛应用于可重构片上光子集成系统。
附图说明
图1为本发明实施例的一种电控变焦的片上集成超透镜的三维结构示意图和y-z截面结构示意图；
图2为本发明实施例的电控变焦的片上集成超透镜的平面结构示意图；
图3为本发明实施例的两个加热器结构和参数示意图；
图4为本发明实施例的两个加热器的电阻线从中心到边缘的宽度分布；
图5为本发明实施例的波导层在两个加热器分别施加100mW电功率情况下的模拟温度分布图；
图6为本发明实施例的波导层在两个加热器分别施加100mW电功率情况下的模拟光场分布图；
图7为本发明实施例的波导层在两个加热器分别施加0-500mW电功率情况下的光强沿x轴的移动；
其中，1、加热器一，2、加热器二，3、超透镜结构，4、轴线，5、焦点，6、电极层，7、上包层，8、波导层，9、下包层，10、基底层。
具体实施方式
下面对本发明的较优的实施例作进一步的详细说明。
如图1和2所示，本实施例为一种电控变焦的片上集成超透镜。所述电控变焦的片上集成超透镜器件由上到下包括电极层6、上包层7、波导层8、下包层9、基底层10。具体而言，所述电控变焦的片上集成超透镜构建在绝缘体上的硅平台SOI上，波导层8和基底层10材料为硅，上包层7和下包层9材料为二氧化硅。整个器件通过标准硅光子流片工艺即可完成制作。其中，所述基于槽型波导阵列的超透镜结构在波导层8，由宽度相同、长度渐变的周期性槽型波导阵列构建。所述超透镜的透镜直径D设置为150μm，焦距f设置为350μm。所述的基于金属电阻线的电控加热器结构在电极层6，电极层6和波导层8之间有一层上包层7，既可以保证波导层8中的光束和电极层6的金属电阻不相互作用，又能保证电极层金属电阻线的电驱动产生热量并传递到波导层8，导致波导的温度升高。
如图3所示，所述基于金属电阻线的电控加热器结构其包括两个独立级联的加热器结构，加热器一和加热器二，分别调控用于实现焦距的变长和变短，两者功能叠加从而实现聚焦光束的前后移动。所述每个独立的加热器结构是由电阻线弯曲折叠形成的矩形分布，矩形的整体宽度由基于槽型波导阵列的超透镜的直径决定，矩形的宽度大于等于直径的透镜，如具体实施例W1＝W2＝D＝150μm，矩形的整体长度由功耗需求与焦距的调节范围需求决定，矩形的整体长度越长，功耗需求越低，焦距调节范围越大，如具体实施例，矩形的整体长度L1＝L2＝200μm。
加热器一的折叠型电阻线的宽度从中心向边缘分别被定义为w1、w2、…、wi(i为正整数)。为了实现焦距变长功能，加热器一加热波导后起到凹透镜的作用，根据凹透镜的所需相位公式和加热相位变化公式要相等的要求，从而计算出加热器一的折叠型电阻线的宽度分布。加热器二的折叠型电阻线的宽度从中心向边缘分别被定义为v1、v2、…、vi(i为正整数)。为了实现焦距变短功能，加热器二加热波导后起到凸透镜的作用，根据凸透镜的所需相位公式和加热相位变化公式要相等的需求，从而计算出加热器二的折叠型电阻线的宽度分布。凹透镜的所需相位公式为凸透镜的所需相位公式为加热相位变化公式为/>其中λ为所述器件的工作波长(λ＝1.55μm)，nslab,eff为所述器件的波导有效折射率，f为所述器件的透镜焦距，y为所述器件从中心到边缘沿着y轴的长度距离，Δnslab,eff为所述器件的波导有效折射率随温度的变化值，L为加热器的长度(L＝L1＝L2＝200μm)，α为归一化系数，w为加热器折叠型电阻线的宽度。
对于焦距变长功能
求解出宽度分布为
于焦距变长功能
求解出宽度分布为
图4为本发明实施例计算的两个加热器的电阻线从中心到边缘的宽度分布，加热器一的电阻线宽度沿y轴方向从中心往边缘逐渐减小，加热器二的电阻线宽度沿y轴方向从中心往边缘逐渐增大。
图5和图6为本发明实施例的波导层在两个加热器分别施加100mW电功率情况下的模拟温度分布图和模拟光场分布图，根据波导折射率变化与温度变化成线性正比关系，加热器一在100mW电功率情况下的中心温度低，两侧边缘温度高，即波导的中心折射率低，两侧边缘射率高，起到凹透镜的作用，此时超透镜的焦距变长；加热器二在100mW电功率情况下的中心温度高，两侧边缘温度低，即波导的中心折射率高，两侧边缘射率低，起到凸透镜的作用，此时超透镜的焦距变短。
图7为本发明实施例的波导层在两个加热器分别施加0-500mW电功率情况下的光强沿x轴的移动。采用三维有限时域差分(3D FDTD)方法对该器件进行仿真分析。当光束在波导层通过基于槽型波导阵列的超透镜结构聚焦时，通过对加热器一和加热器二施加不同电功率(0mW、100mW、200mW、300mW、400mW、500mW)来实现聚焦光束的前后移动，可以看到焦点5的光强沿着轴线4方向(x轴)前后移动。仅需两个加热器成功实现了片上聚焦光束的变焦功能，显著减少电极数量，简化电控方案，且该器件制备工艺简单，制备误差容忍度大，可广泛应用于可重构片上光子集成系统。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种电控变焦的片上集成超透镜，其特征在于：由上到下分为电极层(6)、上包层(7)、波导层(8)、下包层(9)和基底层(10)，电控变焦的片上集成超透镜包括基于槽型波导阵列的超透镜结构和基于金属电阻的电控加热器结构，所述基于槽型波导阵列的超透镜结构(3)设置在波导层(8)，所述基于金属电阻线的电控加热器结构数值设置在电极层(6)。
2.根据权利要求1所述的一种电控变焦的片上集成超透镜，其特征在于：电控变焦的片上集成超透镜构建在绝缘体上的硅平台SOI上，所述基于槽型波导阵列的超透镜结构(3)用于实现片上光束聚焦，所述基于金属电阻的电控加热器结构通过设计电阻线的几何形状来精准控制波导的温度，从而实现波导局部有效折射率的调控，最终通过对加热器施加不同电功率来实现聚焦光束的前后移动。
3.根据权利要求1所述的一种电控变焦的片上集成超透镜，其特征在于：基于金属电阻的电控加热器结构包括两个独立级联的加热器结构，分别为加热器一(1)和加热器二(2)，分别调控用于实现焦距的变长和变短，两者功能叠加实现聚焦光束的前后移动。
4.根据权利要求2所述的一种电控变焦的片上集成超透镜，其特征在于：所述加热器结构是由电阻线弯曲折叠形成的矩形分布，矩形的整体宽度由基于槽型波导阵列的超透镜的直径决定，矩形的宽度大于等于直径的透镜；矩形的整体长度由功耗需求与焦距的调节范围需求决定，矩形的整体长度越长，功耗需求越低，焦距调节范围越大。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种电控变焦的片上集成超透镜，其特征在于：加热器一(1)的折叠型电阻线的宽度从中心向边缘分别被定义为w1、w2、…、wi，i为正整数，加热器一(1)实现焦距变长功能，加热器一(1)加热波导后起到凹透镜的作用，根据凹透镜的所需相位公式和加热相位变化公式要相等的要求，从而计算出加热器一(1)的折叠型电阻线的宽度分布，加热器二(2)实现焦距变短功能，加热器二(2)加热波导后起到凸透镜的作用，根据凸透镜的所需相位公式和加热相位变化公式要相等的需求，从而计算出加热器二(2)的折叠型电阻线的宽度分布。
6.根据权利要求5所述的一种电控变焦的片上集成超透镜，其特征在于：凹透镜的所需相位公式为凸透镜的所需相位公式为加热相位变化公式为/>其中λ为所述器件的工作波长，λ＝1.55μm，nslab,eff为所述器件的波导有效折射率，f为所述器件的透镜焦距，y为所述器件从中心到边缘沿着y轴的长度距离，Δnslab,eff为所述器件的波导有效折射率随温度的变化值，L为加热器的长度L＝L1＝L2＝200μm，α为归一化系数，w为加热器折叠型电阻线的宽度；
对于焦距变长功能
求解出宽度分布为
于焦距变长功能
求解出宽度分布为
7.根据权利要求6所述的一种电控变焦的片上集成超透镜，其特征在于：加热器一(1)的电阻线宽度沿y轴方向从中心往边缘逐渐减小，加热器二(2)的电阻线宽度沿y轴方向从中心往边缘逐渐增大。
8.根据权利要求5所述的一种电控变焦的片上集成超透镜，其特征在于：通过调整不同位置电阻线的宽度，从而控制该位置电阻线的电阻值，通过施加电功率控制该位置的波导温度，进而实现波导局部有效折射率的调控，最终影响聚焦光束的波前分布，实现焦距的变化。
9.根据权利要求1所述的一种电控变焦的片上集成超透镜，其特征在于：所述波导层(8)和基底层(10)材料为硅，上包层(7)和下包层(9)材料为二氧化硅，所述基于金属电阻线的电控加热器的材料选自金、银、铜、氮化钛电阻材料。
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| CN202310622053.6A CN116540377A (zh) | 2023-05-30 | 2023-05-30 | 一种电控变焦的片上集成超透镜 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310622053.6A CN116540377A (zh) | 2023-05-30 | 2023-05-30 | 一种电控变焦的片上集成超透镜 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116540377A true CN116540377A (zh) | 2023-08-04 |
Family
ID=87454301
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310622053.6A Pending CN116540377A (zh) | 2023-05-30 | 2023-05-30 | 一种电控变焦的片上集成超透镜 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117055236A (zh) * | 2023-10-11 | 2023-11-14 | 成都万应微电子有限公司 | 光扩束系统及光电设备 |
-
2023
- 2023-05-30 CN CN202310622053.6A patent/CN116540377A/zh active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117055236A (zh) * | 2023-10-11 | 2023-11-14 | 成都万应微电子有限公司 | 光扩束系统及光电设备 |
| CN117055236B (zh) * | 2023-10-11 | 2023-12-19 | 成都万应微电子有限公司 | 光扩束系统及光电设备 |
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