[发明专利]基于片上集成麦克斯韦半鱼眼透镜的超宽带模斑转换器

权利要求书

1.一种基于片上集成麦克斯韦半鱼眼透镜的超宽带模斑转换器，其特征在于，包括：片上集成的麦克斯韦半鱼眼透镜、设置于麦克斯韦半鱼眼透镜圆心一侧的过渡区以及硅波导，该硅波导包括：第一波导和第二波导，其中：第一波导作为输入端设置于过渡区的外侧，第二波导作为输出端位于麦克斯韦半鱼眼透镜相对过渡区的圆周一侧；

所述的超宽带模斑转换器，通过微电子CMOS兼容工艺制备得到，包括：采用顶层硅厚220nm，掩埋层厚3μm的SOI基底进行器件的制备，使用电子束曝光光刻技术，将光栅、麦克斯韦半鱼眼透镜和波导定义在光刻胶上，而后进行显影和多步刻蚀并刻蚀70nm以形成光栅，部分浅刻蚀160nm以形成纳米柱阵列构成透镜和输出波导，全刻蚀220nm以形成220nm厚的波导，在刻蚀步骤完成后，使用等离子体增强化学气相沉积法沉积1μm厚的SiO₂包层；

所述的麦克斯韦半鱼眼透镜具有径向的填充因子分布，折射率分布满足：其中：n_max为中心最大折射率，R_lens为麦克斯韦半鱼眼透镜的半径，R为距离麦克斯韦半鱼眼透镜中心的径向距离；

所述的麦克斯韦半鱼眼透镜中的最大折射率与最小折射率关系为n_max＝2n_min，其中：n_min为麦克斯韦半鱼眼透镜中的最小折射率值，n_max为麦克斯韦半鱼眼透镜中的最大折射率值。

2.根据权利要求1所述的基于片上集成麦克斯韦半鱼眼透镜的超宽带模斑转换器，其特征是，所述的麦克斯韦半鱼眼透镜为上下包层结构，其中：上下包层均为二氧化硅的硅超材料层，该硅超材料层为梯度填充因子的硅纳米棒天线阵列结构。

3.根据权利要求1所述的基于片上集成麦克斯韦半鱼眼透镜的超宽带模斑转换器，其特征是，所述的第一波导为矩形结构，其宽度小于等于麦克斯韦半鱼眼透镜的的直径。

4.根据权利要求1或3所述的基于片上集成麦克斯韦半鱼眼透镜的超宽带模斑转换器，其特征是，所述的第二波导为矩形结构，第一波导与第二波导的宽度比选为16：1。

5.根据权利要求1所述的基于片上集成麦克斯韦半鱼眼透镜的超宽带模斑转换器，其特征是，所述的麦克斯韦半鱼眼透镜具体为各向异性透镜，所以等效材料折射率在平面方向为：在垂直方向为：其中：n_meta(R)、n_Si和分别为等效材料、硅和二氧化硅的折射率，δ(R)＝πr²/p²为纳米棒的填充因子，r为纳米柱的半径。

6.根据权利要求1～5中任一所述麦克斯韦半鱼眼透镜的应用，其特征在于，在室温环境下，使用激光器输入光源，经过偏振控制器，倾斜的光纤透镜和片上的光栅，将光耦合进放置在垂直耦合台上的硅芯片，通过麦克斯韦半鱼眼透镜后的光被光栅耦合出芯片进入输出部分的光纤中，输出光信号经耦合器，一路输入进可读数光功率计，另一路输入进扫谱功率计，对准光后，计算机控制扫谱功率计进行扫谱，最终得到光信号的谱图。