用于光纤与片上波导耦合的超表面的设计方法及耦合装置制造方法及图纸

本公开涉及用于光纤与片上波导耦合的超表面的设计方法及耦合装置。在本申请的技术方案中，通过设计光纤端面超表面的纳米结构的参数和排布方式，利用该光纤端面超表面对光纤出射光场进行灵活的波前调控，实现光纤高阶模式

【技术实现步骤摘要】
用于光纤与片上波导耦合的超表面的设计方法及耦合装置


[0001]本公开涉及半导体光学领域，具体涉及一种用于光纤与片上波导耦合的超表面的设计方法及耦合装置。

技术介绍

[0002]现有技术中，通过一种片上模斑转换器实现光纤与片上波导之间的耦合。上述片上模斑转换器主要包括两个相同的锥形波导和Y形结，基于光纤LP
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模式两瓣分离与重组原理，实现了光纤、片上波导的耦合。
[0003]现有技术中的片上模斑转换器需要设置于芯片边缘，即片上波导的端面，通过锥形波导缓慢的模式演化实现两者低损耦合，该器件尺寸>100μm，体积较大，不利于系统的微型化。
[0004]此外，上述片上模斑转换器实现了LP
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TE1模式耦合，并未实现LP
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‑
TE0模式耦合，但目前片上光互连依然以单模波导作为信息载体进行稳定传输，而单模波导仅支持基模(TE0模)，因此仍需要额外的片上模式转换器实现TE1‑
TE0耦合。

技术实现思路

[0005]为了解决现有技术中耦合装置体积大，以及不支持基模的问题，本申请实施例第一方面提供了一种用于光纤与片上波导耦合的超表面的设计方法，其中，在光纤端面与片上波导之间设置所述超表面，用于对所述光纤的出射光场进行波前调控，所述设计方法包括如下步骤：
[0006]步骤S1，确定所述光纤与所述片上波导的模式特性；
[0007]步骤S2，基于所述超表面针对工作波段的透过率和透射相位响应，筛选所述超表面所能够包括的纳米结构；
[0008]步骤S3，基于所述光纤的模式特性，获得所述超表面的相位分布，从而确定所述超表面的所述纳米结构的排列方式。
[0009]可选地，所述超表面的设计步骤还包括：
[0010]步骤S4，对所述步骤S3形成的超表面进行光场传播仿真。
[0011]可选地，所述光纤的模式特性包括光纤一阶线偏振模式下的振幅和相位分布，并且所述光纤的模式特性具有低损耦合需求。
[0012]可选地，所述片上波导的模式特性包括单模波导模式下的振幅和相位分布。
[0013]可选地，其特征在于，所述步骤S2具体包括：
[0014]步骤S21，根据所述工作波段确定所述纳米结构的材料；
[0015]步骤S22，根据
[0016][0017]确定纳米柱高度d，其中，为出射相位，n为材料折射率，λ为工作波段的波长；
[0018]确定纳米结构的排布周期，所述排布周期满足亚波长条件；
[0019]步骤S23，对周期光栅进行光谱响应计算，以获得满足所述透过率和透射相位响应要求的纳米结构参数范围。
[0020]可选地，所述纳米结构需满足2π的相位覆盖要求。
[0021]可选地，所述步骤S2还包括：
[0022]步骤S24，对获得的纳米结构参数范围离散化处理，得到多阶纳米结构对应的几何尺寸、透过率和相位参数。
[0023]可选地，获得8阶纳米柱所对应的几何尺寸、透过率和相位参数。
[0024]可选地，在步骤S23中，通过严格耦合波分析或时域有限差分法对周期光栅进行光谱响应计算。
[0025]可选地，在步骤S3中，获得能够增加光纤
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片上波导模场匹配度的超表面的相位分布，所述模场匹配度满足：
[0026][0027]其中，η为模场匹配度，E1(x,y)为光纤出射场复振幅，E2(x,y)为芯片边缘波导模式复振幅。
[0028]可选地，在步骤S3中，基于：减小光纤出射场的模场尺寸
[0029]或者
[0030]增大波导端模式尺寸
[0031]的原则，获得所述超表面的相位分布。
[0032]可选地，在步骤S3中，获得所述超表面的相位分布包括，在聚焦相位的基础上，在超表面x轴正负方向分别赋予π的相位差，所述相位分布满足：
[0033][0034]其中，为超表面相位，λ为工作波长，f为焦距。
[0035]可选地，在步骤S3中，获得所述超表面的相位分布包括，在聚焦相位的基础上，增加涡旋相位，所述相位分布满足：
[0036][0037][0038]其中，为超表面聚焦相位，θ(x,y)为超表面漩涡相位，λ为工作波长，f为焦距，l为角量子数，θ为空间方位角。
[0039]可选地，所述步骤S4中，对所述相位分布进行多阶离散化后，进行全波仿真，以获取仿真传播结果；
[0040]以角谱间相移作为传递函数，获取所述光场传播；
[0041]所述角谱间相移表示为：
[0042][0043]并且其满足：
[0044][0045]其中，A0(f
x
,f
y
,0)为z＝0平面的频谱或光纤出射端面的频谱；A(f
x
,f
y
,z)为传播平面的频谱。
[0046]本公开第二方面提供了一种耦合装置，包括光纤、片上波导及设置于所述光纤和片上波导之间的超表面，其中，所述超表面根据前述任一项所述的用于光纤与片上波导耦合的超表面的设计方法构成。
[0047]可选地，所述超表面直接形成于所述光纤端面。
[0048]可选地，包括超透镜；所述超透镜包括基底，以及设置于所述基底的所述超表面，所述超透镜设置于所述光纤端面。
[0049]可选地，所述超表面的纳米结构之间无相对旋转角度。
[0050]可选地，所述纳米结构是截面为长方形的柱状体。
[0051]可选地，所述纳米结构排列形成可密堆形状的结构单元；所述结构单元为正方形或正六边形。
[0052]可选地，所述耦合装置的工作波长为1550nm；并且，其中的超表面至少具有如下参数的纳米结构：
[0053]长度205nm至545nm，宽度95nm至460nm，透过率0.914至0.968，相位0.1至0.94。
[0054]可选地，所述超表面的相位分布满足：
[0055][0056]其中，为超表面相位，λ为工作波长，f为焦距；
[0057]或
[0058][0059][0060]其中，为超表面聚焦相位，θ(x,y)为超表面漩涡相位，λ为工作波长，f为焦距，l为角量子数，θ为空间方位角。
[0061]本申请实施例中的技术方案，至少能够实现如下有益效果：
[0062]将光纤与超表面相结合，在光纤端面设计超表面，通过超表面灵活的波前调控实现光纤一阶模式与片上单模波导的耦合。尤其是，能够实现LP
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TE0模式的耦合。超表面是具有亚波长特征尺寸的二维平面结构，厚度只有百纳米左右，因此，基于其的耦合装置体积小，易于实现系统集成化和微型化，能够制成独立的耦合装置，也能够直接形成于光纤的端面。
[0063]此外，由于超表面多自由度高精度任意调控光场的特性，耦合用超表面可以与其他光学功能相结合，并本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于光纤与片上波导耦合的超表面的设计方法，其特征在于，在光纤端面与片上波导之间设置所述超表面，用于对所述光纤的出射光场进行波前调控，所述设计方法包括如下步骤：步骤S1，确定所述光纤与所述片上波导的模式特性；步骤S2，基于所述超表面针对工作波段的透过率和透射相位响应，筛选所述超表面所能够包括的纳米结构；步骤S3，基于所述光纤的模式特性，获得所述超表面的相位分布，从而确定所述超表面的所述纳米结构的排列方式。2.根据权利要求1所述的用于光纤与片上波导耦合的超表面的设计方法，其特征在于，所述超表面的设计步骤还包括：步骤S4，对所述步骤S3形成的超表面进行光场传播仿真。3.根据权利要求1所述的用于光纤与片上波导耦合的超表面的设计方法，其特征在于，所述光纤的模式特性包括光纤一阶线偏振模式下的振幅和相位分布，并且所述光纤的模式特性具有低损耦合需求。4.根据权利要求1所述的用于光纤与片上波导耦合的超表面的设计方法，其特征在于，所述片上波导的模式特性包括单模波导模式下的振幅和相位分布。5.根据权利要求1至4任一项所述的用于光纤与片上波导耦合的超表面的设计方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：步骤S21，根据所述工作波段确定所述纳米结构的材料；步骤S22，根据确定纳米柱高度d，其中，为出射相位，n为材料折射率，λ为工作波段的波长；确定纳米结构的排布周期，所述排布周期满足亚波长条件；步骤S23，对周期光栅进行光谱响应计算，以获得满足所述透过率和透射相位响应要求的纳米结构参数范围。6.根据权利要求5所述的用于光纤与片上波导耦合的超表面的设计方法，其特征在于，所述纳米结构需满足2π的相位覆盖要求。7.根据权利要求5所述的用于光纤与片上波导耦合的超表面的设计方法，其特征在于，所述步骤S2还包括：步骤S24，对获得的纳米结构参数范围离散化处理，得到多阶纳米结构对应的几何尺寸、透过率和相位参数。8.根据权利要求7所述的用于光纤与片上波导耦合的超表面的设计方法，其特征在于，获得8阶纳米柱所对应的几何尺寸、透过率和相位参数。9.根据权利要求5所述的用于光纤与片上波导耦合的超表面的设计方法，其特征在于，在步骤S23中，通过严格耦合波分析或时域有限差分法对周期光栅进行光谱响应计算。10.根据权利要求1所述的用于光纤与片上波导耦合的超表面的设计方法，其特征在于，在步骤S3中，获得能够增加光纤
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片上波导模场匹配度的超表面的相位分布，所述模场匹配度满足：
其中，η为模场匹配度，E1(x,y)为光纤出射场复振幅，E2(x,y)为芯片边缘波导模式复振幅。11.根据权利要求10所述的用于光纤与片上波导耦合的超表面的设计方法，其特征在于，在步骤S3中，基于：减小光纤出射场的模...

【专利技术属性】
技术研发人员：常雨珂，郝成龙，谭凤泽，朱健，
申请(专利权)人：深圳迈塔兰斯科技有限公司，
类型：发明
国别省市：