[发明专利]基于超表面材料的光混频器及其制备方法

权利要求书

1.一种基于超表面材料的光混频器，其特征在于：该光混频器包括一个圆偏振光分束器(1)和两个相同的混频器：第一混频器A、第二混频器B，每个混频器包括一个空间光分束器(2)、4个移相器(3)和4个方形透镜(4)，所述圆偏振光分束器(1)、空间光分束器(2)和移相器(3)均采用超表面材料制成，超表面材料分为若干个均匀的单元格，每个单元格均包括二氧化硅基底和在二氧化硅基底上周期性分布的硅纳米砖阵列，硅纳米砖阵列的转角按一定规律周期排布，每个周期分布的硅纳米砖阵列包含若干均匀分布的朝向不同的长方体硅纳米砖；

圆偏振光分束器(1)使一束随机偏振态的入射光分解为两束旋向相反的圆偏光，实现左旋圆偏光和右旋圆偏光的分离；

空间光分束器(2)使每束入射圆偏光一分为四，在远场形成一定衍射角的均匀点阵；

移相器(3)使分束后的信号光和本振光产生0°、90°、180°或270°相对相差；

方形透镜(4)将信号光和本振光分别耦合入光纤(5)，实现相对相位差90°相干光输出；

信号光S与本振光L经圆偏振光分束器(1)后，均分解为两束旋向相反的圆偏光，相同旋向的信号光和本振光进入同一个混频器，经过分束、移相，实现相干混频，耦合入光纤(5)，第一混频器A输出信号光和本振光的左旋圆偏光分量：S₁+L₁、S₁+jL₁、S₁-L₁、S₁-jL₁；第二混频器B输出信号光和本振光的右旋圆偏光分量：S₂+L₂、S₂+jL₂、S₂-L₂、S₂-jL₂，最终实现S₁+L₁、S₁+jL₁、S₁-L₁、S₁-jL₁、S₂+L₂、S₂+jL₂、S₂-L₂、S₂-jL₂八个具有相对相位差的相干光输出。

2.如权利要求1所述的基于超表面材料的光混频器，其特征在于：所述长方体硅纳米砖的长、宽、高均为亚波长；光波射入长方体硅纳米砖时，长方体硅纳米砖的长轴和短轴方向产生相位延迟，且保持振幅一致，即每一个长方体硅纳米砖等效为一个微型的相位延迟器。

3.如权利要求2所述的基于超表面材料的光混频器，其特征在于：所述圆偏振光分束器(1)是由硅纳米砖阵列周期排布构成的闪耀光栅。

4.如权利要求3所述的基于超表面材料的光混频器，其特征在于：所述相位延迟器的相位延迟为π时，实现半波片的相位调控功能；半波片的琼斯矩阵是α为硅纳米砖长轴在硅纳米砖坐标系中的方向角，入射光波为圆偏振光时，入射光波的琼斯矢量为：±代表旋向，i为虚数单位，出射光波为：经过硅纳米砖出射的光波变成旋向相反的圆偏光，且附加了一个±2α的相位延迟；只需改变硅纳米砖的转角，即可实现对入射光波连续的相位调制。

5.如权利要求4所述的基于超表面材料的光混频器，其特征在于：所述圆偏振光分束器(1)的每个单元格包括若干个沿x方向连续旋转的硅纳米砖，单元格在x方向上长度为P_x，在y方向上长度为P_y，P_x由光栅常数确定，P_y＝C，C为正方形单元格的边长，硅纳米砖的方向角α由所在位置坐标x确定，满足当单元格在x和y方向上周期性重复时，构成一个相位光栅，光栅常数d＝P_x，此光栅其他衍射级次完全消失，只留下m＝±1级，分别是不同旋向的圆偏光，结合光栅方程dsinθ＝mλ，θ为出射光束的衍射角，λ为入射光的波长，m为衍射级次，当m＝±1时，出射光束的衍射角θ由光栅常数d唯一确定：