[发明专利]一种基于超表面的芯片激光雷达位相调控的波导结构

说明书

本发明公开了一种超表面的芯片激光雷达位相调控的波导结构，用于解决现有的光栅波导透过率小，不能实现相位调控的问题。该结构由很多高折射率材料的单元结构组成的，这些单元结构构成了很多个电、磁偶极共振，通过相邻粒子之间的相互耦合作用在近红外波段传输光能量。该发明设计通过等效介质理论、材料的掺杂浓度分析和电磁场的边界条件来建立亚波长波导结构的阻抗与其出射相位的关系；构造出合适的结构，通过多次结构优化其结构参数同时实现大角度的相位调控和高能量利用率。

技术领域

本发明涉及亚波长结构材料技术领域，特别涉及一种基于超表面的芯片激光雷达位相调控的波导结构。

背景技术

近年来，超构表面因为其独特的物理性质(极强的各项异性实现对电磁波的调控)引起了科学家们的广泛关注，相位作为电磁波的一种基本参量，因此在基于超表面的研究中位相调控是非常有吸引力的方向之一。目前来看，基于超表面在近红外波段的位相调控技术较少，主要在于实现每个单元结构的独立调控以及加工较为困难。因此，研究基于超表面纳米光波导在近红外波段的位相调控技术具有现实的意义和应用价值，随着集成技术的发展，尤其是基于超表面的片上集成技术的不断进步，将使得基于波导的位相调控技术具有广阔的研究前景。目前，光子通信利用表面等离子极化激元、表面等离子体共振腔之间的耦合和等离子与绝缘体之间的能量传导。尽管等离子体可以在亚波长尺度上束缚很高的能量，但是金属波导的传输会带来很高的传输损耗。在本发明设计中我们寻找了一种可以代替等离子体在亚波长尺度来传输能量的高折射率材料——Si。Si材料的折射率可以达到3.9，为在近红外波段同时操控电偶极子和磁偶极子提供了很好的有利条件。相比于等离子共振，这种材料有两个优势：1)、传输损耗非常小；2)、具有两种基本的偶极子共振(电和磁)。本发明设计提供了一种亚波长尺度的波导设计方法，设计出了亚波长尺度的波导结构，该波导结构由Si纳米结构平行排列构成，实现了近红外波段的能量传输。本发明设计出一种新型的直波导结构，该结构简单，易于实现调控，且能够产生大的位相偏折。

发明内容

本发明设计了一种基于亚波长的新型的波导结构，用于解决现有的Si光栅波导透过率小不能实现相位调控的问题。该结构由很多个平行排列的高折射率材料掺杂Si构成，这些掺杂Si构成了很多个电、磁偶极共振，通过相邻粒子之间的相互耦合作用在近红外波段传输光能量。该发明设计通过等效介质理论、掺杂Si的掺杂浓度分析和电磁场的边界条件来建立亚波长波导结构的阻抗与其出射相位的关系；构造出合适的结构，通过多次结构优化其结构参数同时实现大角度的相位调控和高能量利用率。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：

基于超表面的芯片激光雷达位相调控的波导结构，该波导结构是由多个等大小的圆柱形结构呈链状排列而成，该结构具有电、磁偶极子之间的相互耦合作用，从而实现能量的传输；实现了亚波长结构平行排列而成波导结构，该波导通过纳米结构之间的相互耦合作用传输光子能量；该结构实现了近红外波段的能量传输，具有非常小的能量损耗，通过对单波导进行调控，减小了制作工艺的复杂程度，且易实现大规模集成；实现大角度相位调控，通过改变波导有效折射率，从而高效的实现大角度位相调控。

其中，该波导结构采用掺杂Si材料，可以实现近红外波段能量的高效率传输，传输损耗很小，在波长达到1550nm时能量几乎能够全部通过。

其中，该波导结构对折射率变化非常敏感，通过对单根Si波导直接加热，，从而实现对出射光束较大的位相调控。

本发明具有的有益效果在于：

(1)、提供了一种亚波长尺度的波导结构，不仅可以减小电磁波在波导中传输的损耗，同时可以有效的操控电、磁偶极子的共振。当能量在波导中传输时，通过对该波导结构加热实现对Si材料的折射率改变，继而实现相位延迟。该方法可以有效的应用到激光雷达相控阵中去。

(2)、实现了亚波长结构平行排列而成波导结构，该波导通过纳米结构之间的相互耦合作用传输光子能量。