[发明专利]基于超表面材料的智能光功率分配器件

说明书

本发明提供了一种基于超表面材料的智能光功率分配器件，其特征在于，包括：由纳米砖单元排列而成，并且能将沿纳米砖单元长短轴方向入射的正交线偏振光分别聚焦到不同位置进行光功率分配的超表面阵列结构，其中，纳米砖单元由介质基底和形成在介质基底上的纳米砖构成，并且介质基底和纳米砖均为亚波长尺寸。本发明所提供的智能光功率分配器件利用传输相位超表面材料的偏振独立特性，对沿纳米砖长短轴方向上的正交光波分别进行相位操控，将沿纳米砖长短轴方向的正交光波分别聚焦到不同位置，从而实现高效的光功率分配。

技术领域

本发明属于微纳光学领域，具体涉及基于超表面材料的智能光功率分配器件。

技术背景

光功率分配器是把光信号分为多路输出的无源光器件。目前的光功率分配器有耦合型分路器和分支型分路器。耦合型分路器是使光信号在特殊的耦合区域发生耦合，并进行再分配的器件。这种器件的分光比难以精确调控、且制作工艺较复杂，成本较高。而分叉光路直接把光信号分为多路输出的器件。分光比通过调整分支角来控制，对于某一种固定的分叉光路器难以实现实时的分光比调控。因此亟待新的方法突破和创新。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种基于超表面材料的智能光功率分配器件，利用传输相位超表面材料的偏振独立特性，对沿纳米砖长短轴方向上的正交光波分别进行相位操控，将沿纳米砖长短轴方向的正交光波分别聚焦到不同位置，从而实现高效的光功率分配。

本发明为了实现上述目的，采用了以下方案：

本发明提供一种基于超表面材料的智能光功率分配器件，其特征在于，包括：由纳米砖单元排列而成，并且能将沿纳米砖单元长短轴方向入射的正交线偏振光波分别聚焦到不同位置进行光功率分配的超表面阵列结构，其中，纳米砖单元由介质基底和形成在介质基底上的纳米砖构成，并且介质基底和纳米砖均为亚波长尺寸。

进一步，本发明提供的基于超表面材料的智能光功率分配器件还可以具有以下特征：在超表面阵列结构中，纳米砖的长度和宽度大小不一，通过平行于x轴方向和y轴方向的不同长度的纳米砖分别控制入射光的相位和透过率，使x方向线偏振光和y方向的线偏振光经纳米砖阵列后分别聚焦到不同位置，从而实现光功率分配。

进一步，本发明提供的基于超表面材料的智能光功率分配器件还可以具有以下特征：纳米砖单元的结构参数采用如下方法得到：

设x轴方向和y轴方向分别为与纳米砖的长轴和短轴相平行的方向，以透射的平行于x轴方向的线偏振光和平行于y轴方向的线偏振光的效率及硅纳米砖单元的相位值组为优化指标；对各相位量化值组以透射效率最高、且与差值绝对值小于预设值作为优化目标，满足该优化目标的结构参数即为对应的结构参数；和分别表示硅纳米砖单元x轴方向和y轴方向的位相值。

以上提及的超表面阵列结构是由硅纳米砖单元排列而成的阵列，硅纳米砖单元由介质基底和介质基底上刻蚀的硅纳米砖构成。硅纳米砖单元中，介质基底和硅纳米砖均为长方体形，介质基底和硅纳米砖的长宽高均为亚波长尺度，介质基底的工作面为正方形。介质基底和其上刻蚀的硅纳米砖的各个面分别相平行，且介质基底和其上刻蚀的硅纳米砖的中心点的连线垂直于介质基底。

超表面阵列结构的长短轴方向分别为长方体形纳米砖单元的长边和短边所对应的方向。超表面阵列结构中，所有介质基底的长宽高相等；所有硅纳米砖的高相等，但长宽不一，应根据相位需求设计。由于具有这样的结构，使得超表面阵列结构具有偏振独立特性，通过硅纳米砖长轴方向的长度(x方向)控制平行于x轴方向的线偏振光的相位和透过率，通过硅纳米砖短轴方向的长度(y方向)控制平行于y轴方向的线偏振光的相位和透过率，从而可使x方向线偏振光和y方向的线偏振光经硅纳米砖阵列后分别聚焦到不同位置，从而实现分光。

上述超表面阵列结构的设计方法，包括：

(1)建立硅纳米砖单元的工作面坐标系，x轴方向和y轴方向分别与介质基底工作面的两组边平行；