[发明专利]光纤上的超颖表面和相关方法

说明书

本公开提供了一种用于超薄光学超颖表面(8)的系统和方法，该超薄光学超颖表面具有在光纤小平面(4)上形成的阵列图案，该阵列图案使得能够操纵从其中通过的光，诸如使光聚焦和转向，以及控制光的偏振态。图案可以是非均匀的，以选择性地引导通过超颖表面(8)的光。阵列结构的大小、角度、形状和其他非均匀方面可变。此外，该阵列可以包括可以被电激活和控制以可变地调谐超颖表面(8)特性的材料，从而提高对从其中通过的光进行操纵的能力。这些材料可以包括导体、电介质或在光纤(2)上形成的导体、绝缘体和电介质的复合体。超薄超颖表面(8)和光纤(2)的集成可以为光学成像和传感、光学通信、高功率激光器、光束控制、滤色镜和其他应用提供实际应用。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年6月19日提交的美国临时专利申请第62/686,765号的优先权权益，其内容通过引用并入本文。

关于联邦资助研究或开发的声明

不适用

附件参考

不适用

发明背景

技术领域

本公开大体上涉及光纤。更具体地，本公开涉及在光纤上形成的超颖表面。

背景技术

光纤是一种用于引导和操纵光并允许高带宽光学传输的低衰减长距离通信的众所周知的有效方式。尽管电介质光波导对于传输光是有效的，但是其功能受到芯部和包层材料(例如Ge掺杂的二氧化硅和二氧化硅玻璃)的电介质性质的限制。通过光纤的光通常是发散的，因此光强度在离开光纤之后显著降低。数值孔径由纤维材料的折射率确定。

除了用于光通信目的外，传统的光纤已经用于光纤激光器、远程和光学传感、光纤成像和内窥镜以及光纤激光手术。然而，在拉制光纤之后，不能改变光纤中的光纤波导的光学性质，诸如相位、振幅、偏振态和模式分布。此外，所传输的光的光斑大小是发散的，并且光斑大小受到电介质芯部的衍射极限的限制。

已经尝试在光纤小平面上制造等离子体/纳米结构用于改变和增强光纤的光学特性，因为结构的元件可以直接与光纤内的良好引导的空间模式相互作用。已经在常规光纤的小平面上用周期性的金属纳米结构(即均匀的狭缝、孔或条)实现了诸如衍射光栅和等离子体传感器的紧凑光学部件。一种在空心光子晶体光纤(PCF)的小平面上将金属结构施加到聚合物膜上的方法已被功能化为纳米等离子体过滤器。该方法提供了与不同类型光纤的集成。然而，这些光纤内等离子体透镜的传输效率低、工作波长窄、制造和设计复杂，从而限制了它们潜在的实际应用。

此外，目前需要一种外部光电装置(例如，铌酸锂调制器)用于光纤信号调制。然而，这些外部调制器庞大且昂贵，并且它们引起显著的插入损耗。一些其它材料已经用于光纤包层中，用于高动态范围和低损耗的光调制，诸如液晶、铁电晶体、磁流体和石墨烯。然而，具有这些材料的结构很难制造，由于弱的光-物质相互作用而具有小的调制范围，具有慢的调制速度，并且需要不同的外部激励，诸如热加热或磁场，其不与光纤系统完全兼容。

发明内容

本公开提供了一种用于超薄光学超颖表面的系统和方法，所述系统和方法具有在光纤小平面上形成的阵列图案，所述阵列图案使得能够操纵从其中通过的光，诸如使光聚焦和转向，以及控制光的偏振状态。图案化可以是非均匀的，以选择性地引导通过超颖表面的光。阵列结构可以在尺寸、角度、形状和其它非均匀方面变化。此外，所述阵列可包括可被电激活和控制以可变地调谐超颖表面特性的材料，从而提高操纵从其中通过的光的能力。该材料可以包括导体、电介质或者在光纤上形成的导体、绝缘体和电介质的复合体。超薄超颖表面和光纤的集成可以在光学成像和传感、光学通信、高功率激光器、光束转向、滤色器和其它应用中提供实际应用。