[发明专利]一种硅基人工微结构超表面波导耦合器

说明书

本发明公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CMOS加工工艺兼容，极大的降低了成本，具有广泛的市场前景。

技术领域

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

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。

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。

[1]Chen W T,Zhu AY,Khorasaninejad M,et al.Immersion Meta-Lenses atVisible Wavelengths for Nanoscale Imaging[J].Nano Letters,2017,17(5):3188–3194.

[2]Li Z,Kim M-H,Wang C,et al.Controlling propagation and coupling ofwaveguide modes using phase-gradient metasurfaces[J].Nature Nanotechnology,2017.

发明内容

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。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

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。

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，N≥3，每个结构单元包含一个硅块。

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。

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。

所述的硅块的高度和波导厚度相同。

所述的硅块的切面为矩形，包括但不限于圆柱形、矩形柱。