[发明专利]一种基于超表面的片上光自旋控制型双波导耦合系统

说明书

本发明属于微纳光学与片上光学技术领域，具体为一种基于超表面的片上光自旋控制型双波导耦合系统。本发明由复合相位超表面和两个SPP波导集合组成；复合相位超表面是由人工原子组成的二维阵列，人工原子是反射式MIM三层构型，上层金属结构层为一圆工字型开口环；两个自由度构造两套相互独立的超表面相位分布，使得超表面在左旋光与右旋光自旋的圆偏振光入射下，激发SPP，并把它们聚焦到左右两个不同位置的焦点上；本发明以复合相位超表面作为桥梁，将入射光高效地转化为聚焦的SPP并耦合进入光波导，并通过切换入射光的自旋，实现耦合波导的切换；本发明为片上光学器件的耦合与激发提供了一种高效率、可调节、易集成的实现方案。

技术领域

本发明属于微纳光学与片上光学技术领域，具体涉及一种片上光波导耦合系统。

背景技术

传统的光学系统一般由激光源、透镜组、偏振片、探测器等不同功能的分立空间光学器件组成，存在尺寸大、功能局限、稳定性差等问题。从上世纪60年代开始，伴随着集成电路的发展，“集成光学”的概念也被提出并得到了长足的发展。所谓集成光学或者集成光子学，就是把光源、探测器、波导等各种有源或无源光学器件集成到一块衬底上成为一个完整片上光学系统的技术，相比于传统光学系统，这种片上系统具有能耗低、响应快、高度集成的优点。随着微纳加工技术的发展，集成光子学器件的尺寸也可以越做越小，但是多数的集成光子学器件还是基于介质体系，因此受限于衍射极限的限制，器件尺寸多数还是在波长量级，这限制了器件的进一步小型化。不同于介质体系中的传输模式，表面等离激元(SPP)是一种存在于金属与介质交界面上的近场光学模式，具有亚波长分辨率和局域场增强的特点。因此，基于SPP模式的片上光学系统可以进一步把光学器件的尺寸做到亚波长量级，从而提高系统集成度，并且利用局域场增强特性还可以实现更强的片上光与物质相互作用。

实际上，片上光学系统往往需要同外界空间进行光信号的耦合，比如我们常常需要把自由空间光作为输入，耦合进入片上光路。但是，由于传输光模式与片上光学模式之间存在很大的模式体积或者波矢的失配，因此，如何实现外界空间光到片上光学系统的高效耦合还存在很大挑战。在以往的应用中，曾有人利用微纳拉锥光纤对准片上器件，通过输送的光纤倏逝波来耦合片上器件中的光学模式，耦合效率可达90％，但是这种方法却难以进行系统集成。实际上，人们通常采用渐变的锥形光栅作为耦合器，把入射光导引进入波导等片上光学器件，抑或通过直接照射器件端面的方式进行耦合，但是这些方法均存在衍射或者散射模式过多的问题，因此耦合效率较低。

超表面，作为一种新型的平面光场调控器件，有望解决上述片上光学器件的高效耦合难题。超表面是由一系列亚波长人工原子(meta-atom)按照一定的二维宏观序列排列而成的。在外界光的照射下，每个工原子可以看作一个次波源向外辐射，因此，根据惠更斯原理，我们就可以通过调控局域位置处的人工原子参数来调节其辐射相位响应，从而实现对电磁波近远场的高效调控。例如，如果超表面的反射相位梯度小于光在真空中的总波矢k₀，则可以实现异常反射、聚焦等功能，而当反射相位梯度大于k₀，并具有二维的抛物线型分布，可以把入射光转化为SPP模式，并产生片上聚焦的效果。

然而，到目前为止，对超表面的研究只是局限在电磁场波前的一些简单操控上面，如何实现超表面系统与片上光学系统的集成仍然有待探索与设计。

发明内容

本发明的目的在于提供一种全新的高效率、易集成、多功能的片上光波导耦合系统。

本发明设计的片上光波导耦合系统，是一种基于超表面的片上光自旋控制型双波导耦合系统，具体以一个复合相位超表面作为桥梁，将入射光高效地转化为聚焦的SPP并耦合进入光波导，并通过切换入射光的自旋，实现耦合波导的切换。