【技术实现步骤摘要】
本公开属于超构材料领域，具体涉及一种一维零折射率超构波导结构及其设计方法。
技术介绍
1、大部分超构材料是由亚波长单元结构以周期或准周期形式排列的复合材料。通过工程设计超构材料的结构，其可呈现出自然界中不存在或不易获得的材料性质，包括负折射率、零折射率、光波段的磁响应等。目前，超构材料主要用于隐身、传感、成像、波束扫描和全息成像等领域。零折射率超构材料具有一系列极端的光学性质，包括无限大的波长和相速度、零空间相位变化等。基于这些光学性质，零折射率超构材料可以实现一些潜在应用，包括片上超耦合、宽边连续波束扫描和扩展型超辐射。零折射率超构材料的极端光学性质和潜在应用使之兼具基础科学意义和工程应用价值。
2、2017年，来自美国哈佛大学的eric mazur教授课题组截取了二维平板零折射率超构材料中的一行，在通信波段实现了无相位变化的零折射率波导。然而，由于构成零折射率波导的两个电磁模式(电单极子和磁偶极子)位于光学连续域中，不满足全内反射条件，因此在面内和面外两个方向都和自由空间有较大的能量耦合，由此造成了极大的传输损耗。为了抑制该传输损耗，eric mazur教授课题组的研究人员在零折射率波导的两侧添加了光子带隙材料。该材料不能支持光学模式的传播，因此可以作为片上的反射镜来抑制从零折射率波导中辐射出的光波。但是光子带隙材料的引入也限制了零折射率波导的灵活性，无法在芯片上实现自由弯曲。
3、此外，本申请人的科研团队已提出一种具有低损耗的零折射率超构材料及设计方法(专利号：zl201910724822.7)，该
技术实现思路
1、本公开的目的是为了克服已有技术的不足之处，提出一种低损耗的一维零折射率超构波导结构，从而大幅提高零折射率材料的灵活性，使得多种基于零折射率材料的集成光学元器件成为可能。本公开利用光学束缚态实现低损耗零折射率超构波导，通过建立单元结构的几何参数和本征模式品质因数之间的关系，最大程度降低零折射率超构波导的损耗。同时无需光子带隙材料，可大幅减少零折射率超构波导所占的芯片面积。此外，本专利技术可基于绝缘硅和与cmos兼容的平面加工工艺来制备，具有工艺成熟、成本较低的优势，适合规模化量产。
2、为实现上述目的，本公开提供的技术方案如下：
3、本公开第一方面提供的一种一维零折射率超构波导结构，包括：
4、一维零折射率超构波导，用于传输光信号，且在传输过程中保持光信号的相位信息不变，所述一维零折射率超构波导包括沿光信号传输方向呈周期性排列的多个结构单元，各结构单元均分别包括第一介质柱和两个相同的第二介质柱，两个所述第二介质柱对称地设置在所述第一介质柱的两侧，且与所述第一介质柱形成圆弧形交界面，各介质柱的高度相等，且满足能将电磁场完全束缚在相应结构单元的高度范围内的要求，所述第一介质柱的长度和宽度以及所述第二介质柱的椭圆长半轴和椭圆短半轴应满足能将电磁场完全束缚在相应结构单元的宽度范围内的要求；和
5、衬底，用于支撑所述一维零折射率超构波导，并与其产生折射率差从而形成光学模式。
6、在一些实施例中，所述一维零折射率超构波导中的各结构单元依次无间隙排布，且单个结构单元中的第一介质柱与第二介质柱无间隙排布。
7、在一些实施例中，所述第一介质柱选用硅、氮化硅、氧化钛、铌酸锂、氮化铝、金刚石或三五族化合物半导体材料制成。
8、在一些实施例中，所述第二介质柱选用比所述第一介质柱的折射率低且能支持相应的光学模式的半导体材料。
9、在一些实施例中，所述衬底选用比所述第一介质柱的折射率低且能支持相应的光学模式的半导体材料。
10、在一些实施例中，所有结构单元中所述第一介质柱与其两侧的所述第二介质柱的交界面在芯片平面内的投影呈鱼骨形。
11、本公开第二方面提供的一种根据本公开第一方面任一实施例所述的一维零折射率超构波导结构的设计方法，包括：
12、通过有限元分析方法，建立所述一维零折射率超构波导结构的物理模型，所述物理模型由在三维坐标系xyz的x方向呈周期排布的多个结构单元构成，各结构单元沿z向的结构参数即高度均相等；
13、在设定的激励光波长附近和设定的激励光极化方向条件下，初始化各结构单元的周期和高度，并调节各结构单元的宽度、椭圆长半轴和椭圆短半轴使所述物理模型在波矢空间中位于布里渊区中心的电单极子模式和磁偶极子模式频率简并在一起；
14、通过调节各结构单元的椭圆短半轴，得到电单极子的本征模式q值和所述结构单元的椭圆短半轴之间的关系，选择一个结构单元的椭圆短半轴rb*使得电单极子的本征模式q值达到目标值；
15、通过调节各结构单元的宽度和椭圆长半轴，得到电单极子的本征模式q值与所述结构单元的宽度和椭圆长半轴之间的关系，选择一组结构单元的宽度b*和椭圆长半轴ra*使得电单极子的本征模式q值达到最高值；
16、通过调节各结构单元的高度，得到磁偶极子的本征模式q值和所述结构单元的高度之间的关系，固定其它几何参数时，选择一个结构单元的高度h*使得磁偶极子的本征模式q值达到目标值；
17、等比放大或缩小所述物理模型中各结构单元的周期a、宽度b*、椭圆长半轴ra*、椭圆短半轴rb*和高度h*，使得所述物理模型的磁偶极子和电单极子简并在设计频率处。
18、在一些实施例中，所述物理模型设定的参数还包括电磁边界条件。
19、在一些实施例中，所述电单极子的本征模式q值的目标值由设定的损耗指标决定。
20、在一些实施例中，所述电单极子的本征模式q值和所述磁偶极子的本征模式q值均通过本征模式求解器求解得到。
21、本公开具有以下特点及有益效果：
22、本公开提供的一种一维零折射率超构波导结构及其设计方法：通过调节超构波导单元结构的周期、宽度、椭圆长半轴、椭圆短半轴和高度参数，实现面内侧向和面外竖直方向的光学相干相消，即光学连续域中的束缚态，从而降低超构波导的传输损耗并摆脱光子带隙材料的空间束缚。该方法提高了零折射率材料的灵活性，同时减少零折射率材料所占的芯片面积，使得多种集成光学元器件都可以在零折射率波导平台上实现。
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1.一种一维零折射率超构波导结构，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的一维零折射率超构波导结构，其特征在于，所述一维零折射率超构波导中的各结构单元依次无间隙排布，且单个结构单元中的第一介质柱与第二介质柱无间隙排布。
3.根据权利要求1所述的一维零折射率超构波导结构，其特征在于，所述第一介质柱选用硅、氮化硅、氧化钛、铌酸锂、氮化铝、金刚石或三五族化合物半导体材料制成。
4.根据权利要求1所述的一维零折射率超构波导结构，其特征在于，所述第二介质柱选用比所述第一介质柱的折射率低且能支持相应的光学模式的半导体材料。
5.根据权利要求1所述的一维零折射率超构波导结构，其特征在于，所述衬底选用比所述第一介质柱的折射率低且能支持相应的光学模式的半导体材料。
6.根据权利要求1～5中任意一项所述的一维零折射率超构波导结构，其特征在于，所有结构单元中所述第一介质柱与其两侧的所述第二介质柱的交界面在芯片平面内的投影呈鱼骨形。
7.一种根据权利要求1～6中任一项所述一维零折射率超构波导结构的设计方法，其特征在于，包括：p>
8.根据权利要求7所述的设计方法，其特征在于，所述物理模型设定的参数还包括电磁边界条件。
9.根据权利要求7所述的设计方法，其特征在于，所述电单极子的本征模式Q值的目标值由设定的损耗指标决定。
10.根据权利要求7所述的设计方法，其特征在于，所述电单极子的本征模式Q值和所述磁偶极子的本征模式Q值均通过本征模式求解器求解得到。
...【技术特征摘要】
1.一种一维零折射率超构波导结构，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的一维零折射率超构波导结构，其特征在于，所述一维零折射率超构波导中的各结构单元依次无间隙排布，且单个结构单元中的第一介质柱与第二介质柱无间隙排布。
3.根据权利要求1所述的一维零折射率超构波导结构，其特征在于，所述第一介质柱选用硅、氮化硅、氧化钛、铌酸锂、氮化铝、金刚石或三五族化合物半导体材料制成。
4.根据权利要求1所述的一维零折射率超构波导结构，其特征在于，所述第二介质柱选用比所述第一介质柱的折射率低且能支持相应的光学模式的半导体材料。
5.根据权利要求1所述的一维零折射率超构波导结构，其特征在于，所述衬底选用比所述第一介质柱的折射率低且能支持...
【专利技术属性】
技术研发人员：李杨，董甜，王剑威，戴天祥，马安琦，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：
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