【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及光学器件领域，具体涉及一种非线性效应增强的超表面及其制备方法。
技术介绍
1、近年来，移动通信和光子计算技术沿着光子集成芯片模块、光逻辑计算芯片、光人工智能芯片的路线迅速发展，其未来趋势是向着可编程光子集成电路进发。在推广光子计算的技术应用上，还需要实现高效的非线性逻辑运算元件、并行高速光电转换器件以及成本合理的光子寄存器、存储器等一系列技术研发。非线性光子芯片技术还可以与光量子技术进行有机结合，从而进一步推动这些前沿领域的技术发展。
2、片上全光逻辑门是光通信和光互连系统中的关键器件，对于光分组交换、光信号再生、光计算以及完备的光子神经网络等高速全光信号处理功能的实现具有重要意义。当前光逻辑和光计算主要利用光器件内部的非线性效应来实现。
3、由非线性光-物质相互作用实现的一系列重要功能与光的非对称性控制有关。通过耦合波导微谐振器可形成相对紧凑的光子芯片，产生具有非对称光学响应的等离基元非线性元表面。介质材料的亚波长谐振器组成的超薄平面阵列可以对光进行任意调控，通过使用具有高长径比的微纳柱状结构，可以支持其内部电磁场的高阶复合米氏共振模式，从而可以提高亚波长光子学中非线性转换过程的效率。
4、根据当前署名专利技术人的工作发现，上述超表面的功能依赖于在多个波长距离范围内产生的几何相位梯度，与之相关的研究技术依赖于在空间维度上大于几个光波长尺寸的元器件，这将阻碍将这类光子器件进行密集集成，也就很难像半导体芯片中对电子元件集成那样，对此类光器件进行大规模的紧凑集成。此外，对于发展全光子
技术实现思路
1、专利技术目的：本专利技术的目的是提供一种非对称非线性效应增强的全介质超表面及其制备方法，至少部分地解决
技术介绍
中的问题。
2、技术方案：根据本专利技术的第一方面，一种非对称非线性效应增强的全介质超表面，包括：
3、基底层；
4、设置于所述基底层表面的光学谐振器阵列层，所述光学谐振器阵列层包括由双层介质薄膜加工而成的多个亚波长天线单元，每个天线单元由厚度为h1的顶层天线和厚度为h2的底层天线构成，顶层天线位于底层天线表面，h1和h2不相等，两层天线都为直径为d的圆柱形，天线单元的排列方式为二维方形周期点阵，周期为p，所述h1、h2、d、p被设计为使得光学谐振器中磁偶极子、电偶极子模式根据泵浦光的前向和后向入射方向分别呈现选择性增强和抑制的响应状态；以及
5、设置于所述光学谐振器阵列层表面的折射率匹配层。
6、优选地，所述h1、h2、d、p通过包括以下步骤的设计方法得到：
7、s1、设立几何参数组x＝(h1,h2,d,p)，在仿真软件中建立光学谐振器的模型，并设立周期性边界条件，设计数器count＝1；
8、s2、从所需的工作波长范围内平均分布的n个波长值中选择第count个波长作为入射光波长；
9、s3、设定入射光为平面波，在正向和反向两个方向下照射，分别计算该模型在入射光照射下的线性响应与电场分布，根据电场分布求得光学谐振器的消光截面，对消光截面进行多极子展开，分别求出电偶极子ed和磁偶极子md的系数；
10、s4、令计数器count增1，如此时count>n，则跳转至步骤s5，否则跳转至步骤s2；
11、s5、根据上述步骤，获得不同入射光波长情况下，入射光分别为正向和反向入射情况时，电偶极子和磁偶极子的系数谱线组，分析其符合非对称选择条件s的质量因子q，所述非对称选择条件s为正向入射时md增强、ed抑制，反向入射时md抑制、ed增强，所述质量因子q为系数谱线组符合选择条件s的程度；
12、s6、在几何参数组构成的高维参数空间，根据s1-s5步骤进行全局优化，获得最佳质量因子所对应的最优几何参数组xbest。
13、优选地，所述折射率匹配层包括硅油层和盖玻片，所述硅油层填充于天线阵列的间隔中并完全覆盖天线阵列，所述盖玻片设置于所述硅油层上。
14、优选地，所述超表面还包括侧间隔支架，所述侧间隔支架由厚度大于天线阵列高度的薄片组成，位于阵列两侧，支撑盖玻片并提供使硅油浸润天线阵列的空间。
15、优选地，形成所述基底层的材料包括红外透明的玻璃态材料。
16、优选地，形成所述顶层天线的材料的折射率在工作波长范围内大于3，晶体结构符合所需非线性n次谐振波的对称性要求，形成所述底层天线的材料的折射率在工作波长范围内小于顶层材料并大于基底层材料的折射率。
17、根据本专利技术的第二方面，一种非对称非线性效应增强的全介质超表面的制备方法，包括以下步骤：
18、提供基底层，进行基底层清洁；
19、在基底层表面制备底层材料薄膜，在底层材料表面形成顶层材料层，构成双层介质材料层，在双层介质材料层上加工刻蚀形成光学谐振器阵列层；
20、在光学谐振器阵列层两侧添加侧间隔支架；
21、在光学谐振器阵列层上滴加硅油，使其完全覆盖阵列并充分浸润，真空处理除去气泡；
22、在侧间隔支架上放置盖玻片，并斜向从一侧与硅油接触，直至完全贴合。
23、优选地，双层介质材料层通过以下方法形成：
24、在基底层抛光表面，通过等离子增强的化学气相沉积法沉淀出指定厚度的底层天线材料薄膜；
25、在底层天线材料表面，通过等离子增强的化学气相沉积法沉淀出指定厚度的顶层天线材料薄膜，构成双层介质材料层。
26、优选地，光学谐振器阵列层通过以下方法形成：
27、在双层介质材料层表面旋涂一层聚甲基丙烯酸甲酯光刻胶，在热板上烘烤去除溶质；
28、使用电子束光刻技术在光刻胶转移所需的图案，在设定配比的甲基异丁基酮：异丙醇混合溶液中进行显影；
29、在光刻胶上通过电子束蒸发沉积铬掩膜，在热丙酮中进行处理后，将结构图案从光刻胶层转移到铬掩膜上；
30、使用电感耦合等离子体反应离子蚀刻法将结构图案从铬掩膜转移到双层介质材料层上，再用铬蚀刻液去除铬掩膜。
31、有益效果：
32、本专利技术提供的非对称非线性效应增强的全介质超表面，通过对顶层天线厚度h1、底层天线厚度h2、微纳圆柱天线直径d和亚波长谐振器阵列周期p的优化设计，使得光学谐振器中磁偶极子(md)模式根据泵浦光的前向和后向入射方向分别呈现增强和抑制的响应状态，从而使得该非线性调制的超表面具备对光信号的非对称性增强功能。本专利技术提供的非线性调制超表面具有对谐波光信号的类二极管功能，具有非对称对比度高、集成度高等特点。根据本专利技术的工作有希望实现更加有效率的光子激活函数器件，从而推动光神经网络、全光人工智能等芯片的研发进展，并间接地推动新型高效的新一代移动通信技术的发展。
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1.一种非对称非线性效应增强的全介质超表面，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的超表面，其特征在于，所述h1、h2、D、P通过包括以下步骤的设计方法得到：
3.根据权利要求1所述的超表面，其特征在于，所述折射率匹配层包括硅油层和盖玻片，所述硅油层填充于天线阵列的间隔中并完全覆盖天线阵列，所述盖玻片设置于所述硅油层上。
4.根据权利要求3所述的超表面，其特征在于，所述超表面还包括侧间隔支架，所述侧间隔支架由厚度大于天线阵列高度的薄片组成，位于阵列两侧，支撑盖玻片并提供使硅油浸润天线阵列的空间。
5.根据权利要求1所述的超表面，其特征在于，形成所述基底层的材料包括红外透明的玻璃态材料。
6.根据权利要求1所述的超表面，其特征在于，形成所述顶层天线的材料的折射率在工作波长范围内大于3，晶体结构符合所需非线性n次谐振波的对称性要求，形成所述底层天线的材料的折射率在工作波长范围内小于顶层材料并大于基底层材料的折射率。
7.根据权利要求1所述的超表面，其特征在于，所述基底层厚度为200～1000μm；所述顶层天线
8.一种根据权利要求1-7中任一项所述的非对称非线性效应增强的全介质超表面的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，双层介质材料层通过以下方法形成：
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，光学谐振器阵列层通过以下方法形成：
...【技术特征摘要】
1.一种非对称非线性效应增强的全介质超表面，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的超表面，其特征在于，所述h1、h2、d、p通过包括以下步骤的设计方法得到：
3.根据权利要求1所述的超表面，其特征在于，所述折射率匹配层包括硅油层和盖玻片，所述硅油层填充于天线阵列的间隔中并完全覆盖天线阵列，所述盖玻片设置于所述硅油层上。
4.根据权利要求3所述的超表面，其特征在于，所述超表面还包括侧间隔支架，所述侧间隔支架由厚度大于天线阵列高度的薄片组成，位于阵列两侧，支撑盖玻片并提供使硅油浸润天线阵列的空间。
5.根据权利要求1所述的超表面，其特征在于，形成所述基底层的材料包括红外透明的玻璃态材料。
6.根据权利要求1所述的超表面，其特征在于，形成所述顶...
【专利技术属性】
技术研发人员：汪磊，张在琛，朱秉诚，党建，吴亮，陈绩，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：
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