硅基人工微结构超表面波导耦合器.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910357092.1 (22)申请日 2019.04.29 (71)申请人 浙江大学 地址 310058 浙江省杭州市西湖区余杭塘 路866号 (72)发明人 何赛灵董红光龚晨晟 (74)专利代理机构 杭州求是专利事务所有限公 司 33200 代理人 林松海 (51)Int.Cl. G02B 6/10(2006.01) G02B 6/126(2006.01) G02B 6/24(2006.01) (54)发明名称 一种硅基人工微结构超表面波导耦合器 (57)摘要 本发明公。

2、开了一种硅基人工微结构超表面 波导耦合器， 包括基底、 二氧化硅层、 顶层， 顶层 包括左侧的人工微结构超表面和右侧的波导， 人 工微结构超表面置于光波导端口的一侧； 入射光 垂直向下照射， 在人工微结构超表面获得相位延 迟， 引入了额外的表面横向波矢， 表面横向波矢 与波导工作模式的有效横向波矢相等， 满足波导 耦合的波矢匹配条件， 从而将垂直入射的光耦合 到波导中单向传播。 本发明通过设计硅基人工微 结构超表面， 使垂直入射的线偏振光高效地耦合 进入光波导， 并使其在光波导内单向传播， 抑制 了光波导中光反向耦合入自由空间的过程， 进一 步提高了空间光到光波导的耦合效率； 能够与现 有的C。

3、MOS加工工艺兼容， 极大的降低了成本， 具 有广泛的市场前景。 权利要求书1页 说明书4页 附图2页 CN 110068889 A 2019.07.30 CN 110068889 A 1.一种硅基人工微结构超表面的波导耦合器， 其特征在于， 包括基底、 二氧化硅层、 顶 层， 顶层包括左侧的人工微结构超表面和右侧的波导， 人工微结构超表面置于光波导端口 的一侧； 入射光垂直向下照射， 在人工微结构超表面获得相位延迟， 引入了额外的表面横向 波矢， 表面横向波矢与波导工作模式的有效横向波矢相等， 满足波导耦合的波矢匹配条件， 从而将垂直入射的光耦合到波导中单向传播。 2.如权利要求1所述的波导。

4、耦合器， 其特征在于， 所述的人工微结构超表面为周期性结 构， 每个周期中包括N个结构单元， N3， 每个结构单元包含一个硅块。 3.如权利要求2所述的波导耦合器， 其特征在于， 所述的人工微结构超表面， 通过改变 结构单元的宽度和硅块的宽度， 调整入射光带来的相位延迟。 4.如权利要求2所述的波导耦合器， 其特征在于， 所述的人工微结构超表面， 通过改变 结构单元的排布， 获得以梯度形式分布的相位延迟。 5.如权利要求2所述的波导耦合器， 其特征在于， 所述的硅块的高度和波导厚度相同。 6.如权利要求2所述的波导耦合器， 其特征在于， 所述的硅块的切面为矩形， 包括但不 限于圆柱形、 矩形柱。

5、。 7.如权利要求1所述的波导耦合器， 其特征在于， 所述的入射光的波长 范围是400 nm 10 m。 8.如权利要求1所述的波导耦合器， 其特征在于， 所述的相位延迟为02 。 权利要求书 1/1 页 2 CN 110068889 A 2 一种硅基人工微结构超表面波导耦合器 技术领域 0001 本发明属于光信息传输及光学芯片集成领域， 尤其涉及一种硅基人工微结构超表 面波导耦合器。 背景技术 0002 光波导结构是片上光集成的重要组成部分之一。 为了实现光纤系统和集成光波导 的交互， 人们设计了各式各样的耦合器， 例如光栅耦合器、 棱镜耦合器和边缘耦合器。 然而 这几种耦合器都面临着许多问。

6、题， 比如光在耦合进入波导的同时也会从波导反向耦合到空 间中， 这极大地限制了耦合效率。 此外， 由于光栅与棱镜都属于空间对称结构， 为了实现耦 合光沿着波导单向传播， 入射光束不能垂直于耦合器表面， 而是通常与波导面的垂线有一 个夹角倾斜入射， 这抬高了系统封装和集成的成本， 并增大了其与光源集成的难度。 0003 人工微结构超表面由大量具有特殊散射或共振特性的亚波长结构单元按照一定 的规律排列在二维平面上构建而成， 具有调控入射电磁波(包括光波)的偏振、 相位、 场强或 色散特性的能力。 通过设计单元结构并合理的将其组合排布， 人们能够实现对光的各种特 性进行更灵活的调控， 而且硅基的人工。

7、微结构超表面同时具有与互补金属氧化物半导体 (CMOS)工艺兼容、 尺寸小、 通讯波段透明、 抗辐射等优点。 因此人工微结构超表面被成功地 应用于多种光子器件中， 例如超薄透镜1、 波导模式转换器2等， 然而尚没有被用于构建 波导耦合器。 0004 1Chen W T,Zhu AY,Khorasaninejad M,et al.Immersion Meta-Lenses at Visible Wavelengths for Nanoscale ImagingJ.Nano Letters,2017,17(5):3188 3194. 0005 2Li Z,Kim M-H,Wang C,et al.。

8、Controlling propagation and coupling of waveguide modes using phase-gradient metasurfacesJ.Nature Nanotechnology, 2017. 发明内容 0006 为了克服现有技术的不足， 本发明的目的是提供一种硅基人工微结构超表面波导 耦合器， 将沿垂直于波导方向向下入射的光波耦合入光波导中并沿单一方向传播。 0007 本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下： 0008 一种硅基人工微结构超表面的波导耦合器， 包括基底、 二氧化硅层、 顶层， 顶层包 括左侧的人工微结构超表面和右侧的波导， 人工。

9、微结构超表面置于光波导端口的一侧； 入 射光垂直向下照射， 在人工微结构超表面获得相位延迟， 引入了额外的表面横向波矢， 表面 横向波矢与波导工作模式的有效横向波矢相等， 满足波导耦合的波矢匹配条件， 从而将垂 直入射的光耦合到波导中单向传播。 0009 所述的人工微结构超表面为周期性结构， 每个周期中包括N个结构单元， N3， 每 个结构单元包含一个硅块。 说明书 1/4 页 3 CN 110068889 A 3 0010 所述的人工微结构超表面， 通过改变结构单元的宽度和硅块的宽度， 调整入射光 带来的相位延迟。 0011 所述的人工微结构超表面， 通过改变结构单元的排布， 获得以梯度形式。

10、分布的相 位延迟。 0012 所述的硅块的高度和波导厚度相同。 0013 所述的硅块的切面为矩形， 包括但不限于圆柱形、 矩形柱。 0014 所述的入射光的波长 范围是400nm 10 m。 0015 所述的相位延迟为02 。 0016 本发明有益效果如下： 0017 本发明通过设计硅基人工微结构超表面， 使垂直入射的线偏振光高效地耦合进入 光波导， 并使其在光波导内单向传播； 0018 本发明使用硅基人工微结构超表面， 抑制了光波导中光反向耦合入自由空间的过 程， 进一步提高了空间光到光波导的耦合效率； 0019 能够与现有的CMOS加工工艺兼容， 极大的降低了成本， 具有广泛的市场前景。 。

11、附图说明 0020 图1为硅基人工微结构超表面波导耦合器截面结构示意图； 0021 图2为硅基人工微结构超表面波导耦合器俯视图； 0022 图3为硅基人工微结构超表面单元结构示意图； 0023 图4为硅基人工微结构超表面波导耦合器工作时电场分布图； 0024 图中， 人工微结构超表面1、 光源2、 基底3、 二氧化硅层4、 波导5。 具体实施方式 0025 下面结合附图对本发明作进一步阐述。 0026 如图1、 2所示， 一种硅基人工微结构超表面的波导耦合器， 包括基底3、 二氧化硅层 4、 顶层， 顶层包括左侧的人工微结构超表面1和右侧的波导5， 人工微结构超表面置于光波 导端口的一侧； 入。

12、射光2垂直射入人工微结构超表面获得相位延迟， 引入了额外的表面横向 波矢， 表面横向波矢与波导工作模式的有效横向波矢相等， 满足波导耦合的波矢匹配条件， 从而将垂直入射的光耦合到波导5中单向传播。 0027 人工微结构超表面1为周期性结构， 每个周期中包括N个结构单元， 其中N3， 单元 结构如图3所示， 每个结构单元包含一个硅块。 0028 如图3所示， 每个单元结构中硅块的切面为矩形。 0029 为了便于加工， 上述硅块的高度和波导厚度相同。 0030 通过改变结构单元的宽度和硅块的宽度， 调整入射光带来的相位延迟， 此相位延 迟可以通过电磁全波仿真方式获取。 0031 通过调整结构单元的。

13、宽度和硅块的宽度， 每个单元结构给入射光带来的相位延迟 取值可以覆盖02 的范围。 0032 选取具有特定结构单元宽度和硅块宽度的单元结构组， 将其沿x方向依次排列， 使 其带来的相位延迟沿x方向按照梯度形式分布。 说明书 2/4 页 4 CN 110068889 A 4 0033 在上述的设计过程中， 入射到此硅基人工微结构超表面的波导耦合器的光的波长 为 ， 其范围是400nm 10 m。 0034 下面我们将使用两个实施例对其进行进一步说明。 0035 实施例1一种硅基人工微结构超表面波导耦合器的设计 0036 在可见光到中红外范围内， 即波长在400nm:10 m范围内选择需要的工作波。

14、长 ， 根 据波矢匹配条件由相应波导工作模式的等效折射率neff计算出人工微结构超表面所需要提 供的横向波矢kx， 根据广义的斯涅耳定律， 界面折射公式可以写成： 0037 0038 其中ni为入射介质的折射率， 在垂直入射的情况下， 入射角 i0 。 为了满足波导 耦合的波矢匹配条件， 人工微结构超表面需要提供的相位梯度应当满足如下表达式： 0039 0040 在以每N(N3)个结构单元为一个大周期结构中(采用是四边形结构的周期排 列)， 由于每个大周期结构的相位变化为2 ， 因此人工微结构超表面每个结构单元的总宽度 i与其提供的相位梯度有如下关系： 0041 0042 由于真空中的波矢可以。

15、写为k02 / ， 结合公式(2)和公式(3)， 可以得到每个结 构单元的总宽度i所需满足的关系式可以表达为： 0043 0044 如图1所示， 入射线偏振光沿Z轴负方向传播， 垂直照射人工微结构超表面， 超表面 以每N(N3)个结构单元为一个大周期结构， 大周期总长度为pm1+2.+N， 根据公 式(4)计算得到每个结构单元的总宽度i所需满足的条件。 0045 人工微结构超表面为周期性结构， 每个周期中包括N个结构单元， 其中N3， 单元 结构如图3所示， 每个结构单元包含一个硅块。 本实例中硅块为长条形， 如图3所示， 其厚度 为t， 宽度为Lx。 通过改变结构单元的总宽度i和其中条形硅块。

16、的宽度Lx， 可以调整单元给 入射光带来的相位延迟， 获得02 范围内的相位延迟。 选取一组共N个单元总宽度参数和 硅块宽度参数， 分别记做1N和Lx1LxN， 对应的相位延迟分别为1N。 其中沿波导 传播方向(以下称为x方向)的每两个相邻单元给入射光带来的相位延迟的差值相同， 均为 (2 /N)， 即i+1-i1-N2 /N,(i1,2,.,N-1)。 从而构成公式(3)所描述的相位 梯度。 通过这种方式我们获得了以横向N个单元结构构成的单元组为大周期的硅基人工微 结构超表面。 这样， 在人工微结构超表面上， 引入了额外的表面横向波矢kx2 /pm， 当这个 额外的表面横向波矢kx与波导工作。

17、模式的有效横向波矢keffneff(2 / )相等时， 则满足 了波导耦合的波矢匹配条件， 能够将垂直入射的光高效地耦合到波导中。 0046 然后， 将设计的硅基人工微结构超表面置于光波导的一侧， 使用光纤从上方垂直 说明书 3/4 页 5 CN 110068889 A 5 射入具有y偏振的入射光， 则可以观察到入射光经过本耦合器进入光波导并在光波导内单 向传播。 0047 实施例2工作在1550nm的硅基人工微结构超表面波导耦合器 0048 根据上述设计方法， 设计一个基于人工微结构超表面的波导耦合器， 工作波长在 1550nm， 实现将垂直入射的线偏振光单向耦合到360nm厚的硅波导中。 。

18、波导的下包层为二氧 化硅(折射率为1.44)， 背景材料空气。 并进行相关仿真验证。 0049 通过计算可以得到一个波导模式的等效折射率neff1.45， 超表面选取以每N3 个结构单元为一个大周期结构。 由公式(4)可得每个大周期的总长度为1070nm。 通过使用数 值方法计算出具有不同总宽度和硅块宽度的单元结构带来的相位延迟， 然后根据公式相位 梯度条件可以选取如下三个尺寸的结构单元： (1191nm， L150nm)、 (2359nm， L2 159nm)、 (3520nm， L3485nm)， 对应的相位延迟依次为0 、 93 、 147 。 其构成的横向相位 延迟梯度为360 /1070nm， 由公式(2)可得额外的表面横向波矢kx1.45k0， 其中k0为真空中 的波矢大小， 可见这个额外的表面横向波矢kx与波导工作模式的有效横向波矢接近， 满足 了波导耦合的波矢匹配条件。 当入射光沿垂直于波导平面的方向入射时， 经过此硅基人工 微结构超表面耦合器时的电场分布如图4所示， 可以观察到入射光被高效地耦合进入了波 导中并向右单向传播， 具有很高的实用价值。 说明书 4/4 页 6 CN 110068889 A 6 图1 图2 说明书附图 1/2 页 7 CN 110068889 A 7 图3 图4 说明书附图 2/2 页 8 CN 110068889 A 8 。