[发明专利]一种基于SOI的C波段数字化超表面片上集成伦伯透镜

说明书

本发明公开了一种基于SOI的C波段数字化超表面片上集成伦伯透镜，所述伦伯透镜由上至下依次设置为超表面层、顶硅层和衬底层，所述超表面层为由空气孔和正方形硅结构构成的硅层，所述顶硅层为直平板硅波导，所述衬底层为二氧化硅，所述顶硅层与所述衬底层由标准SOI工艺平台制成，所述伦伯透镜通过所述超表面层中空气孔的不均匀分布实现对输入光的聚焦。本发明具有紧凑器件尺寸和宽操作带宽的片上集成伦伯透镜，在光通信、成像、计算和传感有广泛的应用；利用了二维码分布的微纳结构阵列，来调节超材料表面的局域占空比，进而调控波导内部不同区域的有效折射率来实现顶硅层内光的聚焦，而非通过改变材料本身的折射率来实现顶硅层内光的聚焦。

技术领域

本发明涉及一种硅基光电子芯片技术领域，尤其涉及一种基于SOI的C波段数字化超表面片上集成伦伯透镜。

背景技术

伦伯透镜由折射率径向递减的不均匀材料组成，是一种无像差和无彗差的球面透镜。与传统透镜和麦克斯韦鱼透镜不同，伦伯透镜可以将来自无限远不同位置的入射准直光聚焦到球面圆周上的同一焦点，而不会产生任何像差。伦伯透镜已应用于微波范围，实现不同方向的信号的接收，用于多波束通信，或应用于红外甚至可见光波段，将所有方向的光聚焦在透镜周长的焦点上，不同方向的入射光对应不同的焦点，且是无像差，无反射的。如果能够在硅基光子芯片中制造出伦伯透镜，它将成为一种重要的光学器件。

以光信号为载体的硅基光子集成芯片可以实现高速的光信号收发，光速的光信息交互，能完美的解决计算和通信领域面临的问题。且光电子集成芯片的制造工艺与现有的微电子芯片工艺技术相兼容，成本低，功耗小，具有广泛使用的潜力。其中，如果能实现具有紧凑器件尺寸和宽操作带宽的片上集成伦伯透镜，它将在光通信、成像、计算和传感有广泛的应用。但是，由于伦伯透镜梯度折射率分布的厚度映射难以通过灰度电子束光刻或聚焦离子束精确控制，片上伦伯透镜的实现具有很大的挑战性。

为此，我们提出一种基于SOI的C波段数字化超表面片上集成伦伯透镜以此解决上述技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于SOI的C波段数字化超表面片上集成伦伯透镜，解决了现有技术中传统基于材料折射率渐变的体伦伯透镜引入复杂折射率渐变工艺且难以进行硅基集成的难题，如何避免引入复杂折射率渐变工艺，同时可集成在SOI平台上，具有低插损，工作带宽大，设计复杂度低等特点，可应用于基于硅基光电子器件的光通信、成像、计算和传感等系统中的问题。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于SOI的C波段数字化超表面片上集成伦伯透镜，所述伦伯透镜由上至下依次设置为超表面层、顶硅层和衬底层，所述超表面层为由空气孔和正方形硅结构构成的硅层，所述顶硅层为直平板硅波导，所述衬底层为二氧化硅，所述顶硅层与所述衬底层由标准SOI工艺平台制成，所述伦伯透镜通过所述超表面层中空气孔的不均匀分布实现对输入光的聚焦。

进一步地，所述超表面层用于输入光场的调控，所述超表面层为所述硅层嵌入不均匀分布的空气孔形成二维码结构，所述空气孔高度与所述硅层高度相等，所述空气孔沿所述硅层的中心到四周的分布密度逐渐增大，且所述空气孔与所述正方形硅结构构成的等效折射率沿中心到四周的变化规律遵循伦伯透镜折射率分布规律。

进一步地，所述空气孔为正方形。

进一步地，正方形的所述空气孔和所述正方形硅结构的边长均为100nm-200nm。

进一步地，所述顶硅层用于提供被调控光场的输入区域、用于与所述超表面层相互作用和被调控光场后的输出区域，所述顶硅层的上表面与所述超表面层的下表面贴合连接。

进一步地，所述衬底层用于将光场局域在所述顶硅层。

进一步地，所述超表面层的高度为120nm、所述顶硅层的高度为220nm、所述衬底层的高度不小于1.5μm。

本发明的有益效果是：