CN216622743U

CN216622743U - 具有能量禁带的超表面光学器件及光学设备

Info

Publication number: CN216622743U
Application number: CN202220205197.2U
Authority: CN
Inventors: 孙磊; 邱兵
Original assignee: SHphotonics Ltd
Current assignee: SHphotonics Ltd
Priority date: 2022-01-21
Filing date: 2022-01-21
Publication date: 2022-05-27
Anticipated expiration: 2032-01-21
Also published as: US20230236359A1

Abstract

本公开提供一种超表面光学器件及光学设备。超表面光学器件包括：衬底；以及位于衬底上的纳米结构层，纳米结构层包括多个光子晶体单元，每个光子晶体单元包括在衬底上排列的多个纳米结构单元，多个纳米结构单元被排列使得在该光子晶体单元的平行于衬底的横截面中形成能量禁带，能量禁带环绕横截面的中心区域。

Description

具有能量禁带的超表面光学器件及光学设备

技术领域

本公开涉及超表面技术领域，特别是涉及一种超表面光学器件及光学设备。

背景技术

超表面是指一种尺寸小于工作波长的人工二维材料。超表面的基本结构单元通常为纳米或微米结构单元，其尺寸小于工作波长，处于纳米或微米量级。超表面可实现对电磁波偏振、振幅、相位、极化方式、传播模式等特性的灵活有效调控。

超表面具有超轻超薄的性质，基于超表面制作的超表面光学器件，相比于传统光学器件，具有光学性能优异，体积小、可集成度高等优势，在未来的便携式小型化设备例如增强现实穿戴设备、虚拟现实穿戴设备、移动终端镜头等应用上前景广阔。

实用新型内容

本公开实施例提供了一种超表面光学器件及光学设备。

根据本公开的一个方面，提供一种超表面光学器件，包括：衬底；以及位于所述衬底上的纳米结构层，所述纳米结构层包括多个光子晶体单元，每个光子晶体单元包括在所述衬底上排列的多个纳米结构单元，所述多个纳米结构单元被排列使得在该光子晶体单元的平行于所述衬底的横截面中形成能量禁带，所述能量禁带环绕所述横截面的中心区域。

根据本公开的另一个方面，提供一种光学设备，包括前述任一实施例的超表面光学器件。

根据本公开的一个或多个实施例，多个纳米结构单元按一定规则排列所构成的光子晶体单元可以在平行于衬底的横截面中形成能量禁带，能量禁带可以限制光在该能量禁带环绕的光子晶体单元横截面中心区域内传播，因此光子晶体单元可以实现传统超表面光学器件中的超结构(例如，纳米柱)的功能，即限制光主要在其内部传播。由于光子晶体单元的这种能量禁带的特性，还允许其横截面中心区域材料的折射率小于该光子晶体单元周围的介质保护材料的折射率，从而提供一种不同于传统超表面器件的新型超表面器件。

根据在下文中所描述的实施例，本公开的这些和其它方面将是清楚明白的，并且将参考在下文中所描述的实施例而被阐明。

附图说明

在下面结合附图对于示例性实施例的描述中，本公开的更多细节、特征和优点被公开，在附图中：

图1是传统超表面光学器件的结构示意图；

图2是传统超表面光学器件的工作原理示意图；

图3是本公开一些实施例的超表面光学器件的结构示意图；

图4A-4E是本公开一些实施例的光子晶体单元的结构俯视图；

图5A-5B是本公开一些实施例的光子晶体单元的结构侧视图；

图6A-6B是本公开一些实施例的超表面光学器件的结构示意图；

图7是本公开一些实施例的光学设备的结构示意图。

具体实施方式

在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本公开的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。

将理解的是，尽管术语第一、第二、第三等等在本文中可以用来描述各种元件、部件、区、层和/或部分，但是这些元件、部件、区、层和/或部分不应当由这些术语限制。这些术语仅用来将一个元件、部件、区、层或部分与另一个元件、部件、区、层或部分相区分。因此，下面讨论的第一元件、部件、区、层或部分可以被称为第二元件、部件、区、层或部分而不偏离本公开的教导。

诸如“在…下面”、“在…之下”、“较下”、“在…下方”、“在…之上”、“较上”等等之类的空间相对术语在本文中可以为了便于描述而用来描述如图中所图示的一个元件或特征与另一个(些)元件或特征的关系。将理解的是，这些空间相对术语意图涵盖除了图中描绘的取向之外在使用或操作中的器件的不同取向。例如，如果翻转图中的器件，那么被描述为“在其他元件或特征之下”或“在其他元件或特征下面”或“在其他元件或特征下方”的元件将取向为“在其他元件或特征之上”。因此，示例性术语“在…之下”和“在…下方”可以涵盖在…之上和在…之下的取向两者。诸如“在…之前”或“在…前”和“在…之后”或“接着是”之类的术语可以类似地例如用来指示光穿过元件所依的次序。器件可以取向为其他方式(旋转90度或以其他取向)并且相应地解释本文中使用的空间相对描述符。另外，还将理解的是，当层被称为“在两个层之间”时，其可以是在该两个层之间的唯一的层，或者也可以存在一个或多个中间层。

本文中使用的术语仅出于描述特定实施例的目的并且不意图限制本公开。如本文中使用的，单数形式“一个”、“一”和“该”意图也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。将进一步理解的是，术语“包括”和/或“包含”当在本说明书中使用时指定所述及特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其群组的存在或添加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其群组。如本文中使用的，术语“和/或”包括相关联的列出项目中的一个或多个的任意和全部组合，并且短语“A和B中的至少一个”是指仅A、仅B、或A和B两者。

将理解的是，当元件或层被称为“在另一个元件或层上”、“连接到另一个元件或层”、“耦合到另一个元件或层”或“邻近另一个元件或层”时，其可以直接在另一个元件或层上、直接连接到另一个元件或层、直接耦合到另一个元件或层或者直接邻近另一个元件或层，或者可以存在中间元件或层。相反，当元件被称为“直接在另一个元件或层上”、“直接连接到另一个元件或层”、“直接耦合到另一个元件或层”、“直接邻近另一个元件或层”时，没有中间元件或层存在。然而，在任何情况下“在…上”或“直接在…上”都不应当被解释为要求一个层完全覆盖下面的层。

本文中参考本公开的理想化实施例的示意性图示(以及中间结构)描述本公开的实施例。正因为如此，应预期例如作为制造技术和/或公差的结果而对于图示形状的变化。因此，本公开的实施例不应当被解释为限于本文中图示的区的特定形状，而应包括例如由于制造导致的形状偏差。因此，图中图示的区本质上是示意性的，并且其形状不意图图示器件的区的实际形状并且不意图限制本公开的范围。

除非另有定义，本文中使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本公开所属领域的普通技术人员所通常理解的相同含义。将进一步理解的是，诸如那些在通常使用的字典中定义的之类的术语应当被解释为具有与其在相关领域和/或本说明书上下文中的含义相一致的含义，并且将不在理想化或过于正式的意义上进行解释，除非本文中明确地如此定义。

如本文使用的，术语“衬底”可以表示经切割的晶圆的衬底，或者可以指示未经切割的晶圆的衬底。类似地，术语芯片和裸片(die)可以互换使用，除非这种互换会引起冲突。应当理解，术语“层”包括薄膜，除非另有说明，否则不应当解释为指示垂直或水平厚度。

应当理解的是，在本文中，类似于短语“多个A的参数B不完全相同”的措辞是指多个A被有意地设计使得由制造工艺形成的多个A具有不完全相同的参数B。因此，这些不完全相同的参数B不应解释为是由于制造工艺的误差导致的结果，并且反之亦然。例如，“多个纳米结构单元在垂直于衬底的方向上的尺寸不完全相同”是指多个纳米结构单元被设计为具有不同的垂直尺寸，这种垂直尺寸的差异并非由于制造工艺的误差或测量误差引起。

图1示出了传统超表面光学器件100的结构示意图。如图1所示，传统超表面光学器件100由衬底102、排列在衬底102上的多个纳米结构单元(例如纳米柱)108以及保护多个纳米结构单元的介质保护材料106构成。其中，多个纳米结构单元108具有亚波长的尺寸，因此能够实现在局部位置对相应工作波长的光进行调制。当光经过传统超表面光学器件100时，纳米结构单元108的阵列可以对光的偏振、振幅、相位、极化方式、传播模式等特性进行灵活有效的调控。并且，多个纳米结构单元108可以具有不同的尺寸、形状以及排列周期。介质保护材料106被布置为包围多个纳米结构单元108，以对其进行保护和支持。在传统超表面光学器件100中，多个纳米结构单元108的材料折射率大于介质保护材料106的折射率，从而使得经过多个纳米结构单元108的光主要在其内部传播。

图2示出了传统超表面光学器件的工作原理示意图。如图2所示，当入射光220射入传统超表面光学器件时，一部分光会经过衬底202射入多个纳米结构单元208，一部分光会经过衬底202射入介质保护材料206。由于多个纳米结构单元208的材料折射率大于介质保护材料206的折射率，射入多个纳米结构单元208的光将主要在多个纳米结构单元208内部进行传播，而未射入多个纳米结构单元208的光将直接穿过介质保护材料206。以这样的方式，传统超表面光学器件可以通过其上的多个具有不同有效折射率的纳米结构单元208对入射光220进行局部调制，改变入射光220的偏振、振幅、相位、极化方式、传播模式等特性。在图2的示例中，原本波有平面波前210的入射光220在经过超表面光学器件后，可以得到具有曲面波前212的出射光222，从而实现了对光的波前进行调制。

然而，发明人经过研究发现，在传统超表面光学器件中，多个纳米结构单元材料折射率和介质保护材料的折射率需要满足一定的要求，即多个纳米结构单元的材料折射率需要大于周围介质保护材料的折射率，才能实现射入多个纳米结构单元的光主要在多个纳米结构单元内部传播，因此在一定程度上限制了超表面光学器件中多个纳米结构单元材料和介质保护材料的选择。

为了解决上述问题，本公开实施例提供了一种超表面光学器件及包括该超表面光学器件的光学设备。在该超表面光学器件中，包含了由多个纳米结构单元按一定规则排列所构成的光子晶体单元，这些光子晶体单元可以在其平行于衬底的横截面中形成能量禁带，该能量禁带可以限制光主要在该能量禁带所环绕的光子晶体单元横截面中心区域内传播，而不需要满足光子晶体单元横截面中心区域材料的折射率大于周围介质保护材料的折射率这一要求。

在本公开实施例中，超表面光学器件包括衬底以及位于衬底上的纳米结构层，纳米结构层包括多个光子晶体单元，每个光子晶体单元包括在衬底上排列的多个纳米结构单元，多个纳米结构单元被排列使得在该光子晶体单元的平行于衬底的横截面中形成能量禁带，能量禁带环绕横截面的中心区域。

如图3所示，本公开一些实施例提供的超表面光学器件300包括衬底302和位于衬底302上的纳米结构层304(大虚线框内的部分)。纳米结构层304中包括多个光子晶体单元310。根据本公开的一些实施例，这些光子晶体单元310可以是相同的。根据本公开的另一些实施例，这些光子晶体单元310可以是不完全相同的。多个光子晶体单元310在衬底302上阵列排布。根据本公开的一些实施例，这些光子晶体单元310可以是以恒定的周期排列的。根据本公开的另一些实施例，这些光子晶体单元310可以是以非恒定的周期排列的。每个光子晶体单元310包括在衬底302上排列的多个纳米结构单元308。每个光子晶体单元310被覆盖在衬底302上的介质保护材料所包围，介质保护材料可以给多个光子晶体单元310提供保护和支持。介质保护材料的材料类型不限，例如，可以包括单晶硅、多晶硅、非晶硅、碳化硅、二氧化钛、氮化硅、锗、二氧化铪及III-V族化合物半导体中的至少一种。其中，III-V族化合物是元素周期表中III族的硼，铝，镓，铟和V族的氮，磷，砷，锑形成的化合物，例如磷化镓、氮化镓、砷化镓、磷化铟等。

以下参照图4A介绍本公开实施例中光子晶体单元400A的结构。光子晶体单元400A包括多个纳米结构单元408，其结构尺寸小于工作波长，通常处于纳米量级，也可以处于微米量级。多个纳米结构单元408在衬底402上的正投影的形状均为圆形，并且这些圆形正投影具有相同的半径。相邻纳米结构单元408之间存在间隔d2，该间隔d2可以被广泛地理解为相邻纳米结构单元408之间的最小距离。纳米结构单元408的排列周期P2可以被广泛地理解为相邻纳米结构单元408各自几何中心之间的间距。多个纳米结构单元408按照一定的规则排列，以使得在光子晶体单元400A的横截面上形成能量禁带。光在传播时难以穿过这些能量禁带，因此即使光子晶体单元400A横截面上的中心区域412的材料折射率小于周围介质保护材料的折射率，光也主要在这些能量禁带所环绕的中心区域412内传播。多个纳米结构单元408在光子晶体单元400A内的排列图案不限，例如可以是矩形图案、三角形图案、菱形图案、六边形图案、随机排列图案等中的一种。

在本公开的一些实施例中，在每个光子晶体单元中，多个纳米结构单元可以以恒定的周期排列。如图4A所示，光子晶体单元400A中，多个纳米结构单元408的排列周期P2保持不变。当不同的光子晶体单元中的多个纳米结构单元具有不同的恒定周期值时，这些光子晶体单元将具有不同的有效折射率。

在本公开的另一些实施例中，在每个光子晶体单元中，多个纳米结构单元可以以非恒定的周期排列。如图4C所示，在光子晶体单元400C中，多个纳米结构单元408的排列周期P2是个变化的值。将光子晶体单元中的多个纳米结构单元以非恒定的周期排列，可以改变该光子晶体单元的结构，从而可以改变该光子晶体单元的有效折射率(相对于多个纳米结构单元以恒定周期排列的情况)。

在本公开的另一些实施例中，在每个光子晶体单元中，多个纳米结构单元可以被配置为满足以下至少一项：多个纳米结构单元在衬底上的正投影的形状不完全相同。如图4D所示，在光子晶体单元400D中，多个纳米结构单元408在衬底上的正投影方向上的形状可以是圆形、椭圆形、矩形、六边形、三角形、扇形等，并且可以是其他不对称的形状。多个纳米结构单元在衬底上的正投影的尺寸不完全相同。如图4B所示，在光子晶体单元400B中，多个纳米结构单元408在衬底上的圆形正投影可以具有不同的半径，另一些示例中也可以是多个纳米结构单元408在衬底上的椭圆正投影具有不相同的半长轴、半短轴，矩形正投影、六边形正投影具有不相同的边长等。多个纳米结构单元在垂直于衬底的方向上的尺寸不完全相同。如图5A所示，在光子晶体单元500A中，多个纳米结构单元508在垂直于衬底502的方向上可以具有不同的高度。多个纳米结构单元中的相邻纳米结构单元之间的间隔不完全相同。如图4C所示，在光子晶体单元400C中，多个纳米结构单元408之间的间隔d2是个变化的值。多个纳米结构单元在衬底上的正投影的取向不完全相同。如图4E所示，在光子晶体单元400E中，多个纳米结构单元408在衬底上的正投影可以相对于某个参考方向呈不同的角度。多个纳米结构单元的中心轴线相对于衬底的角度不完全相同。如图5B所示，在光子晶体单元500B中，多个纳米结构单元508的中心轴线520对于衬底502的角度α可以是不同的取值。多个纳米结构单元的材料不完全相同。例如，多个纳米结构单元的材料可以是单晶硅、多晶硅、非晶硅、碳化硅、二氧化钛、氮化硅、锗、二氧化铪及III-V族化合物半导体等中的两种及以上。当一个光子晶体单元内的多个纳米结构单元按上述规则排列时，可以改变该光子晶体单元内的所形成的能量禁带，从而实现对该光子晶体单元的有效折射率进行调制。因此当光穿过多个具有不同有效折射率的光子晶体单元后，可以得到受不同有效折射率调制的波前。

在本公开的另一些实施例中，在每个光子晶体单元中，多个纳米结构单元在衬底上的正投影的形状相同，多个纳米结构单元在所述衬底上的正投影的尺寸相同，多个纳米结构单元在垂直于所述衬底的方向上的尺寸相同，多个纳米结构单元中的相邻纳米结构单元之间的间隔相同，多个纳米结构单元在所述衬底上的正投影的取向相同，多个纳米结构单元的中心轴线相对于所述衬底的角度相同，并且多个纳米结构单元的材料相同。当一个光子晶体单元内的多个纳米结构单元按上述规则排列时，可以降低光子晶体单元的制造工艺复杂度，减少生产成本。

在本公开的一些实施例中，在不冲突的情况下，纳米结构层中的多个光子晶体单元可以是上述各种配置的组合。在一些示例中，多个光子晶体单元可以都是同一种类型的光子晶体单元。在这种情况下，可以降低超表面光学器件的制造工艺复杂度，减少生产成本。此时如果这些光子晶体单元的周期改变，当光经过该超表面光学器件后可以得到不同于入射光波前的经调制的出射光波前。

在另一些示例中，多个光子晶体单元可以包括不同类型的光子晶体单元，例如包括至少一个第一光子晶体单元和至少一个第二光子晶体单元，第二光子晶体单元在以下至少一方面与第一光子晶体单元不同：纳米结构单元在衬底上的正投影的形状；纳米结构单元在衬底上的正投影的尺寸；纳米结构单元在垂直于衬底的方向上的尺寸；相邻纳米结构单元之间的间隔；纳米结构单元排列周期；纳米结构单元在衬底上的正投影的取向；纳米结构单元的中心轴线相对于衬底的角度；纳米结构单元在衬底上的排列图案以及纳米结构单元的材料。当第二光子晶体单元与第一光子晶体单元中的纳米结构单元在垂直于衬底的方向上的尺寸不相同时(也就是说第二光子晶体单元与第一光子晶体单元的高度不同)，光在第二光子晶体单元中的行程不同于光在第一光子晶体单元中的行程，因此使得出射光具有不同的相位。而当第二光子晶体单元与第一光子晶体单元在除高度以外的参数方面不同时，第二光子晶体单元与第一光子晶体单元具有不同的有效折射率。在这种情况下，当光经过超表面光学器件时将被具有不同有效折射率的多个光子晶体单元调制，从而得到受不同有效折射率调制的波前。

在本公开的一些实施例中，第一光子晶体单元例如可以是图4A至图5B中所示的光子晶体单元400A至500B中的一种，并且第二光子晶体单元例如可以是图4A至图5B中所示的光子晶体单元400A至500B中的另一种。

继续参考图3，介绍纳米结构层304中多个光子晶体单元310的排列方式。多个光子晶体单元310在衬底302上的排列周期P1可以被广泛地理解为相邻光子晶体单元310各自几何中心之间的间距。相邻光子晶体单元310之间的间隔d1可以被广泛地理解为相邻光子晶体单元310之间的最小距离。

在本公开的一些实施例中，纳米结构层中的多个光子晶体单元可以在衬底上以恒定的周期排列。如图3所示，多个光子晶体单元310的排列周期P1是恒定的。此时，如果多个光子晶体单元310包含不同的光子晶体单元类型，当光穿过多个光子晶体单元310后，可以得到受不同有效折射率调制的波前。

在本公开的另一些实施例中，纳米结构层中的多个光子晶体单元可以在衬底上以非恒定的周期排列。例如，图3中的多个光子晶体单元310的排列周期P1是变化的。在这种情况下，当光穿过多个光子晶体单元310后，可以得到不同于入射光波前的经调制的出射光波前。

多个光子晶体单元在衬底上的排布方式不限。多个光子晶体单元在衬底上的排布方式可以基于超表面光学器件的具体应用进行相应的设计。在本公开的一些实施例中，多个光子晶体单元在衬底上呈阵列排布，包括但不限于极坐标系下的阵列排布、矩形阵列排布、三角形阵列排布、六边形阵列排布等。在本公开的另一些实施例中，多个光子晶体单元在衬底上沿圆的周向方向依次排布。当多个光子晶体单元包含不同类型的光子晶体单元时，可以在衬底上沿圆的周向方向依次嵌套排布由不同类型光子晶体单元构成的区域。如图6A所示，超表面光学器件600A中，衬底602上的由不同类型光子晶体单元构成的多个区域610沿圆的周向方向依次嵌套排布。多个区域610在圆的周向上可以具有不同的圆心角。在本公开的另一些实施例中，多个光子晶体单元在衬底上沿圆的径向方向依次排布。当多个光子晶体单元包含不同类型的光子晶体单元时，可以在衬底上沿圆的径向方向依次嵌套排布由不同类型光子晶体单元构成的区域。如图6B所示，超表面光学器件600B中，衬底602上的由不同类型光子晶体单元构成的多个区域610沿圆的径向方向依次嵌套排布。多个区域610在圆的径向上可以具有不同的宽度。

在本公开的一些实施例中，光子晶体单元内的多个纳米结构单元可以为纳米柱，即凸出于衬底的柱形结构。替代地或附加地，光子晶体单元内的多个纳米结构单元还可以为纳米孔，即在纳米结构层中形成的多个孔结构，该多个孔结构中可以填充例如空气。

在本公开的一些实施例中，衬底背离光学介质层的表面和/或衬底朝向光学介质层的表面可以覆盖有反射层。在一些实施例中，反射层可以完全覆盖在排列纳米孔的衬底的一侧，并且处在包含纳米孔的光学介质层和衬底之间。在另一些实施例中，反射层可以完全覆盖在衬底的另一面，即完全覆盖在未排列纳米孔的衬底的一侧。

反射层的类型不限。在一些实施例中，反射层可以是上述具有较高反射率的金属反射层、电介质反射层和金属-电介质反射层中的一种。通过添加这些具有较高反射率的反射层，本公开中的超表面光学器件可以用作反射部件，将经多个纳米孔进行局部调制的光反射回去，而不是让这些经过局部调制的光穿过超表面光学器件。

在另一些实施例中，反射层可以是光栅或介质材料层。此时，当光射入本公开中的超表面光学器件后，既不会全部透射，也不会全部反射，而是一部分光透射穿过超表面光学器件，一部分光被反射回来。透射光和反射光的比例可以根据实际使用需求进行调整。在一些示例中，可以是80％的光发生透射，20％的光发生反射。在另一些示例中，可以是20％的光发生透射，80％的光发生反射。在又一些示例中，可以是50％的光发生透射，50％的光发生反射。当反射层是光栅时(光栅被介质材料包围以使其表面平整，且反射层可以包括多层光栅)，可以通过改变光栅的折射率、每层光栅之间的材料折射率、每层光栅的厚度等调整透射光和反射光的比例。当反射层是介质材料层时，可以通过改变介质材料层与衬底的材料折射率差值来调整透射光和反射光的比例。

在本公开实施例中，衬底的材料类型不限，例如，可以包括诸如玻璃、石英、聚合物及塑料中的任意一种。纳米结构层的材料类型不限，例如，可以包括单晶硅、多晶硅、非晶硅、碳化硅、二氧化钛、氮化硅，锗、二氧化铪及III-V族化合物半导体中的至少一种。其中，III-V族化合物是元素周期表中III族的硼，铝，镓，铟和V族的氮，磷，砷，锑形成的化合物，例如磷化镓、氮化镓、砷化镓、磷化铟等。

本公开实施例还提供一种光学设备。如图7所示，光学设备700包括超表面光学器件710。超表面光学器件710可以采取前述任一实施例描述的超表面光学器件的形式。光学设备700的具体产品类型不限，例如可以为增强现实穿戴设备、虚拟现实穿戴设备、移动终端等的镜头，或者光谱仪、显微镜、望远镜等等。由于超表面光学器件710的光学性能得到改善，因此，光学设备700也具有较佳的光学性能。

本说明书提供了能够用于实现本公开的许多不同的实施方式或例子。应当理解的是，这些不同的实施方式或例子完全是示例性的，并且不用于以任何方式限制本公开的保护范围。本领域技术人员在本公开的说明书的公开内容的基础上，能够想到各种变化或替换，这些都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应以所附权利要求所限定的保护范围为准。

Claims

1.一种超表面光学器件，其特征在于，包括：

衬底；以及

位于所述衬底上的纳米结构层，所述纳米结构层包括多个光子晶体单元，每个光子晶体单元包括在所述衬底上排列的多个纳米结构单元，所述多个纳米结构单元被排列使得在该光子晶体单元的平行于所述衬底的横截面中形成能量禁带，所述能量禁带环绕所述横截面的中心区域。

2.根据权利要求1所述的超表面光学器件，其特征在于，所述多个光子晶体单元包括至少一个第一光子晶体单元和至少一个第二光子晶体单元，所述第二光子晶体单元在以下至少一方面与所述第一光子晶体单元不同：

纳米结构单元在所述衬底上的正投影的形状；

纳米结构单元在所述衬底上的正投影的尺寸；

纳米结构单元在垂直于所述衬底的方向上的尺寸；

相邻纳米结构单元之间的间隔；

纳米结构单元排列周期；

纳米结构单元在所述衬底上的正投影的取向；

纳米结构单元的中心轴线相对于所述衬底的角度；

纳米结构单元在所述衬底上的排列图案；和

纳米结构单元的材料。

3.根据权利要求2所述的超表面光学器件，其特征在于，在每个第一光子晶体单元中，所述多个纳米结构单元以非恒定的周期排列。

4.根据权利要求2所述的超表面光学器件，其特征在于，在每个第一光子晶体单元中，所述多个纳米结构单元满足以下至少一项：

所述多个纳米结构单元在所述衬底上的正投影的形状不完全相同；

所述多个纳米结构单元在所述衬底上的正投影的尺寸不完全相同；

所述多个纳米结构单元在垂直于所述衬底的方向上的尺寸不完全相同；

所述多个纳米结构单元中的相邻纳米结构单元之间的间隔不完全相同；

所述多个纳米结构单元在所述衬底上的正投影的取向不完全相同；

所述多个纳米结构单元的中心轴线相对于所述衬底的角度不完全相同；和

所述多个纳米结构单元的材料不完全相同。

5.根据权利要求2所述的超表面光学器件，其特征在于，在每个第二光子晶体单元中，所述多个纳米结构单元以非恒定的周期排列。

6.根据权利要求2所述的超表面光学器件，其特征在于，在每个第二光子晶体单元中，所述多个纳米结构单元满足以下至少一项：

所述多个纳米结构单元的材料不完全相同。

7.根据权利要求1所述的超表面光学器件，其特征在于，所述多个光子晶体单元在所述衬底上以非恒定的周期排列。

8.根据权利要求7所述的超表面光学器件，其特征在于，在每个光子晶体单元中，所述多个纳米结构单元满足以下至少一项：

所述多个纳米结构单元的材料不完全相同。

9.根据权利要求1所述的超表面光学器件，其特征在于：

所述多个光子晶体单元在所述衬底上呈阵列排布；或者

所述多个光子晶体单元在所述衬底上沿圆的周向方向依次排布；或者

所述多个光子晶体单元在所述衬底上沿圆的径向方向依次排布。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的超表面光学器件，其特征在于，所述多个纳米结构单元包括纳米柱和/或纳米孔。

11.根据权利要求1至9中任一项所述的超表面光学器件，其特征在于，所述衬底背离所述纳米结构层的表面和/或所述衬底朝向所述纳米结构层的表面覆盖有反射层。

12.一种光学设备，其特征在于，包括：根据权利要求1至11任一项所述的超表面光学器件。