本發(fā)明涉及光學(xué)、集成光子學(xué)和光通信領(lǐng)域，具體涉及一種結(jié)合超表面的雙層結(jié)構(gòu)垂直耦合器件及其設(shè)計方法。

背景技術(shù)：

1、光柵作為光通信領(lǐng)域中的一項關(guān)鍵器件，其提供了集成密度高、分布限制小的優(yōu)勢，目前被用于晶圓級測試和多纖芯光纖封裝領(lǐng)域中。為了避免二階布拉格反射的影響，保證光柵的耦合效率，通常光柵都是面向一定光纖傾角設(shè)計的。入射光本身具有橫向波矢的分量，這避免了其他衍射級次和目標(biāo)衍射級次產(chǎn)生同樣的響應(yīng)，從而增加光柵的耦合效率。然而，這使得在進行光柵作為器件端口的封裝時，需要進行光纖端面傾角的制作。為避免這種額外的加工需求，提出了垂直耦合光柵的設(shè)計需求。

2、超表面能夠?qū)崿F(xiàn)光相位和幅度的任意調(diào)控，其能夠?qū)崿F(xiàn)光的偏振旋轉(zhuǎn)、聚焦和全息等功能。近些年來，超表面為硅基光電子器件提供了新的助力，設(shè)計了片上聚焦器件、波分復(fù)用器件等新型集成光學(xué)器件。其中超表面也為垂直耦合光柵提供了新的設(shè)計，減少了光柵的模板轉(zhuǎn)換路徑長度，進一步推進了光柵的小型化，以提高其集成密度。將超表面和硅基光電子器件結(jié)合，能為器件設(shè)計提供新的自由度，以改善器件性能和提供更多自由度。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供了一種結(jié)合超表面的雙層結(jié)構(gòu)垂直耦合器件及其設(shè)計方法，通過超表面的偏折給垂直入射光源引入橫向波矢分量，改變垂直入射下的波矢匹配條件，從而避免二階布拉格反射的對光柵耦合的影響。通過將超表面集成在硅基波導(dǎo)光柵的包層結(jié)構(gòu)上，避免二階布拉格反射實現(xiàn)高效率的垂直耦合。其中，超表面通過引入相位梯度實現(xiàn)垂直入射光束的偏折，具體為通過改變超表面單元的幾何參數(shù)實現(xiàn)這種相位分布。硅光柵為單刻蝕結(jié)構(gòu)，光柵的前幾個周期包括亞波長光柵結(jié)構(gòu)改善光柵的模式匹配，光柵的結(jié)構(gòu)參數(shù)通過定向優(yōu)化算法進行優(yōu)化。將超表面集成在單刻蝕硅光柵的包層上，得到雙層垂直耦合器件的完整結(jié)構(gòu)。

2、一種結(jié)合超表面的雙層結(jié)構(gòu)垂直耦合器件的設(shè)計方法，包括以下步驟：

3、1)、設(shè)計超表面的單元結(jié)構(gòu)和耦合波導(dǎo)光柵的單元結(jié)構(gòu)；

4、2)、計算多個超表面的單元結(jié)構(gòu)在自由空間輸入光源下的共振相位響應(yīng)分布及透過率分布；

5、3)、多個耦合波導(dǎo)光柵的單元結(jié)構(gòu)組合形成耦合波導(dǎo)光柵，將耦合波導(dǎo)光柵利用粒子群優(yōu)化算法得到光柵的均勻初始結(jié)構(gòu)和光源的傾斜入射角度；

6、4)、根據(jù)步驟2)得到的共振相位響應(yīng)分布和透過率分布、以步驟3)得到的光源的傾斜入射角度為目標(biāo)，設(shè)計偏折超表面；

7、5)、根據(jù)步驟3)利用光柵的均勻初始結(jié)構(gòu)和光源的傾斜入射角度，利用定向優(yōu)化算法對光柵的均勻初始結(jié)構(gòu)進行切趾設(shè)計，得到切趾光柵；

8、6)、根據(jù)步驟4)得到的偏折超表面和步驟5)得到的切趾光柵，確定結(jié)合超表面的雙層結(jié)構(gòu)垂直耦合器件的結(jié)構(gòu)。

9、步驟1)中，所述超表面的單元結(jié)構(gòu)包括二氧化硅包層以及設(shè)置在所述二氧化硅包層上的硅納米塊。

10、步驟2)中，通過時域有限差分方法計算多個超表面的單元結(jié)構(gòu)在自由空間輸入光源下的共振相位響應(yīng)分布及透過率分布。

11、步驟3)中，所述的耦合波導(dǎo)光柵為單步刻蝕光柵，所述的耦合波導(dǎo)光柵包括多個耦合波導(dǎo)光柵的單元結(jié)構(gòu)，耦合波導(dǎo)光柵的單元結(jié)構(gòu)包括亞波長光柵結(jié)構(gòu)和直光柵結(jié)構(gòu)。

12、步驟4)中，設(shè)計偏折超表面，具體包括：

13、4.1)根據(jù)目標(biāo)波長和步驟3)中光源的傾斜入射角度選擇偏折超表面的單元個數(shù)，得到偏折超表面單元的相位梯度及幾何分布；

14、4.2)根據(jù)步驟2)中共振相位響應(yīng)分布和透過率分布選擇超表面的單元結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)，使得單元在接近設(shè)計的相位分布的同時，選擇最高的透射率，得到超表面的單元結(jié)構(gòu)的周期性排列，即為偏折超表面。

15、步驟5)中，根據(jù)步驟3)利用光柵的均勻初始結(jié)構(gòu)和光源的傾斜入射角度，約定最小線寬，利用定向優(yōu)化算法對光柵的均勻初始結(jié)構(gòu)進行切趾設(shè)計，得到切趾光柵。

16、步驟6)中，根據(jù)步驟4)得到的偏折超表面和步驟5)得到的切趾光柵，確定結(jié)合超表面的雙層結(jié)構(gòu)垂直耦合器件的結(jié)構(gòu)，具體包括：

17、根據(jù)步驟5)得到的切趾光柵作為底層，將步驟4)得到的偏折超表面垂直堆疊在切趾光柵上，確定結(jié)合超表面的雙層結(jié)構(gòu)垂直耦合器件的結(jié)構(gòu)。

18、進一步優(yōu)選，一種結(jié)合超表面的雙層結(jié)構(gòu)垂直耦合器件的設(shè)計方法，包括以下步驟：

19、1)設(shè)計超表面的單元結(jié)構(gòu)；

20、2)通過時域有限差分方法計算超表面的單元結(jié)構(gòu)在自由空間輸入光源下的共振相位響應(yīng)分布及透過率分布；

21、3)將耦合波導(dǎo)光柵的結(jié)構(gòu)利用粒子群優(yōu)化算法得到光柵的均勻初始結(jié)構(gòu)，包括光柵的周期、占空比和光源的傾斜入射角度等結(jié)構(gòu)參數(shù)；

22、4)根據(jù)步驟2)得到的共振相位響應(yīng)分布及透過率分布以及步驟3)得到的超表面的相位分布來確定超表面上所有硅納米塊的幾何尺寸和相對位置；

23、5)根據(jù)步驟3)獲得初始光柵結(jié)構(gòu)和入射光源角度，利用定向優(yōu)化算法對光柵進行切趾設(shè)計，得到硅波導(dǎo)層光柵，得到包括周期、光柵占空比和亞波長光柵占空比等結(jié)構(gòu)參數(shù)。

24、6)根據(jù)步驟4)和步驟5)中的偏折超表面和切趾光柵，確定垂直耦合器件的結(jié)構(gòu)。

25、步驟1)中，所述超表面包括二氧化硅襯底、設(shè)置在所述二氧化硅襯底上的光波導(dǎo)層以及設(shè)置在所述光波導(dǎo)層上的單原子非晶硅納米塊結(jié)構(gòu)陣列，所述單原子非晶硅納米塊結(jié)構(gòu)陣列包括若干個具有相同高度、在片上不同排布位置的硅納米塊。

26、步驟1)中，所述超表面單元為設(shè)置在二氧化硅襯底上的硅納米柱，所述的硅納米柱為非晶硅。

27、步驟3)中，硅光柵為單步刻蝕光柵，利用高斯光源和粒子群算法，優(yōu)化均勻光柵固定光源角度下的耦合效率。

28、步驟4)中，步驟4)中，根據(jù)步驟3)得到的光柵耦合角度選擇超表面周期長度及單元個數(shù)，具體包括：

29、4.1)根據(jù)目標(biāo)波長和步驟3)中偏折角度選擇偏折超表面的單元個數(shù)，得到偏折超表面單元的相位梯度及幾何分布；

30、4.2)根據(jù)步驟2)中超表面單元的相位響應(yīng)和透射率分布選擇超表面的單元幾何參數(shù)，使得該單元在接近設(shè)計的相位分布的同時，選擇最高的透射率，將得到的超表面單元結(jié)構(gòu)周期性排列得到偏折超表面結(jié)構(gòu)。

31、步驟5)中，根據(jù)步驟3)得到的均勻光柵結(jié)構(gòu)，約定最小線寬，利用定向優(yōu)化算法優(yōu)化傾斜角度入射下的耦合效率。

32、步驟6)中，根據(jù)步驟5)得到單步刻蝕硅耦合光柵作為底層，將步驟4)得到的偏折超表面垂直堆疊在耦合光柵上，得到最終的垂直耦合器件。

33、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點：

34、一、本發(fā)明創(chuàng)新性地提出了一種新型結(jié)構(gòu)，將超表面集成在硅波導(dǎo)光柵上，為波導(dǎo)光柵的設(shè)計提供了新的自由度。

35、二、本發(fā)明創(chuàng)新性地提出利用相位梯度設(shè)計超表面用于解決垂直耦合光柵的二階布拉格反射問題。通過引入相位梯度，為垂直入射的光源引入橫向波矢分量，使得光柵在垂直入射的條件下避免耦合光的雙向傳輸，從而提高垂直耦合光柵的耦合效率。

36、三、本發(fā)明超表面和光柵通過包層實現(xiàn)解耦合，超表面和硅波導(dǎo)光柵之間的包層厚度大于一個波長，實現(xiàn)兩種結(jié)構(gòu)之間的解耦合。

37、四、工藝穩(wěn)定，設(shè)備小型化，易于集成。