Lumerical | 利用硅基超表面实现相位与振幅双梯度调控
在光子集成技术飞速发展的今天，如何精准操控光的传播路径，让光在微小的芯片上完成复杂的光学任务，成为了科研人员不懈探索的目标。近日，来自伊朗大不里士大学的研究团队在《Scientific Reports》期刊上发表了一项突破性研究，他们设计的相位和振幅梯度波导耦合超表面[1]，能将芯片上的导波光场随心所欲地塑造成各种所需的自由空间模式，为集成光学领域开辟了崭新的道路。传统光耦合技术的困境要想在光子集成芯片（PICs）上实现高性能的光学成像、通信或传感功能，首先面临的挑战就是如何让光在芯片内外高效地“进出”，即芯片上的光波导需要高效的“光耦合器”。传统的光耦合技术主要基于边缘耦合和表面光栅方法。然而，这些方法往往不够灵活，只能在特定角度下工作，而且耦合效率低，导致大量光能量浪费。更关键的是，这些方法难以满足现代PICs对紧凑性和多功能性的需求。超表面作为一种由亚波长单元构成的超薄结构，近年来在光场调控领域展现出了惊人的潜力。通过调控每个亚单元对光的相位、振幅等特性，能够实现传统光学元件难以完成的功能，比如全息成像、光束偏转等。但遗憾的是，大多数超表面研究都局限于自由空间光的相互作用，难以直接与片上器件集成。相位-振幅双梯度超表面的理论突破（一）硅基超表面-波导耦合系统的拓扑结构论文提出了一种全硅基超表面涂层一维波导结构，如图1所示，其核心单元为“超胞（super-cell）”，每个超胞由三根硅棒组成，沿波导轴向排列。这种设计的精妙之处在于：通过硅棒的几何参数（长度、宽度、高度）调控，实现对导波的相位积累（βx）与超胞诱导相位（φs(x)）的叠加，从而构建出任意光场分布的相位函数φ(x)=βx+φs(x)。图1硅基超表面涂覆一维光波导的主要拓扑结构硅棒被放置在波导的顶部，使用3D时域有限差分（FDTD）求解器（Ansys Lumerical FDTD模拟套件）对其散射行为进行数值模拟，结果如图2所示。所施加的TE00模式激发硅条的电偶极子和磁偶极子本征模式，而它们的叠加使得硅棒可以实现2π的相位覆盖范围，这就为精确调控光场相位奠定了基础。图2波导上硅棒Ey和Hx的场分布（二）振幅梯度补偿研究团队发现，导波在波导中传播时会产生衰减，导致末端光场振幅降低，进而影响聚焦效果。为此，他们提出了“振幅梯度”设计方法：通过优化不同位置硅棒的几何参数，使散射光振幅随导波衰减规律递增，实现能量的均匀分配。图3的参数扫描结果显示，硅棒的长度（lx）与高度（lz）对散射光的相位与振幅影响显著。团队选取三组相位差为2π/3、振幅相近的硅棒参数（如图3中白色圆圈标记），构建了具有振幅补偿功能的超表面。这一设计将耦合效率从传统方法的8%提升至16%，同时将聚焦光斑的半高宽（FWHM）缩小至893nm，接近衍射极限。图3硅棒长度（lx）和高度（lz）参数扫描中模拟相移的色图。对于（a）ly=750nm（b）ly=1000nm（c）ly=1200nm的振幅；对于（d）ly=750nm（e）ly=1000nm（f）ly=1200nm的相移。实验验证：从金属透镜到宽带性能的系统性验证（一）金属透镜概念验证为验证设计理论，团队设计了一款焦距f=7500nm、工作波长1550nm的硅基金属透镜。该透镜由17组超胞分为三段排列：第一段5组（Λ₁=1100nm）、第二段4组（Λ₂=1000nm）、第三段8组（Λ₃=850nm）。图4与图5的对比实验显示，初始设计因未补偿振幅衰减，聚焦效果不佳；而引入振幅梯度后，电场分布在焦平面（Z=7500nm）呈现清晰的聚焦光斑，强度分布半高宽从2.8μm优化至893nm。这一结果直接证明了相位-振幅双梯度设计的有效性。图4所提出的波导驱动超透镜的初始值的归一化电场强度分布图5所提出的波导驱动超透镜的最终值的归一化电场强度分布（二）宽带光束偏斜特性在1450nm至1600nm波长范围内，团队研究了金属透镜的聚焦偏移特性。图6的实验数据表明，随着波长增加，焦点位置向波导输入端偏移，这与理论预测的相位函数（如下图）完全一致。值得注意的是，该结构在1550nm附近的带宽内仅产生极小的光束偏斜，验证了其在宽波段应用中的稳定性。相位函数图6超透镜分别在λ=1450nm、1550nm及1600nm处的电场强度分布技术优势1.效率与损耗的双重优化全硅基结构：摒弃传统金属-硅混合结构，避免等离子体效应导致的能量损耗，将耦合效率提升至16%，为同类技术的两倍。背向散射抑制：通过硅棒参数优化，几乎消除了光场向波导的背向散射，进一步提高能量利用率。2.片上集成的适配性该结构完全兼容标准硅光子学工艺，可通过电子束光刻（EBL）与化学气相沉积（PECVD）实现多层硅棒的精确加工，为大规模片上集成提供了工艺可行性。总结与展望在该篇论文中，基于所提出的结构，获得了16%的效率。这种效率的提高可能是由于两个原因：第一，所提出的仅基于硅的纳米棒结构，第二，文中提出的幅度梯度的想法。另外，文章中的设计方法可以很容易地扩展到各种功能的片上光学元件。此外，在这种方法中，通过在硅波导上空间排列硅棒阵列，还可以实现更先进的应用，如导波驱动全息图，光子集成光谱仪，固态激光雷达，遥感等。参考文献：[1]Tanhayivash Y, Soofi H, Nikmehr S. Phase and amplitude gradient waveguide coupled metasurfaces[J]. Scientific Reports, 2025, 15(1): 1-11.- END - 来源：摩尔芯创
