【摘 要】
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近年来,随着微纳加工技术的不断成熟,以超表面和微纳光波导为代表的光学微结构在亚波长尺度上对光的极限控制能力得到了越来越广泛的关注。各类基于光学微结构的新型光学元件,可以通过局域地改变光场的振幅、相位和偏振等物理维度,实现对空间光场的高效控制;而各类片上光子集成器件,则可以通过引入光学微结构,实现对导波光的阶数、偏振等光模场性质的控制,进而实现片上光信息的传输、互联和处理。但是,许多微纳光子器件尚未
【基金项目】
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国家自然科学基金（No.11674118）
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近年来,随着微纳加工技术的不断成熟,以超表面和微纳光波导为代表的光学微结构在亚波长尺度上对光的极限控制能力得到了越来越广泛的关注。各类基于光学微结构的新型光学元件,可以通过局域地改变光场的振幅、相位和偏振等物理维度,实现对空间光场的高效控制;而各类片上光子集成器件,则可以通过引入光学微结构,实现对导波光的阶数、偏振等光模场性质的控制,进而实现片上光信息的传输、互联和处理。但是,许多微纳光子器件尚未完全发掘微结构的光场控制潜力,存在器件功能不够丰富、性能不够理想等问题。本文着眼于艾里束产生和片上光模场控制两个具体应用场景,研究利用光学微结构实现高效、多维光场控制,具体内容如下:一、基于超表面的艾里束产生研究。提出了基于惠更斯超表面的高效艾里波束发生器,实现振幅和相位同时调制的艾里波束高效产生:设计了能同时支持电偶极和磁偶极共振的惠更斯超表面单元,并将该种单元用于构成艾里波束发生器,加工制备了器件样件并实验验证其性能。研究了基于超表面的紧凑宽带片上艾里光束发射器:依据全息法,设计了基于浅刻蚀超表面的导波光驱动艾里光束发射器,数值仿真展示器件在1480～1580 nm范围内可将导波转化为空间艾里光束的能力。二、基于等离激元超表面的片上光模场控制研究。提出了基于等离激元超表面的超紧凑、宽带的横磁模式可通过的硅波导偏振器:通过在硅波导顶部设置具有梯度长度的金纳米棒构成的超表面结构,波导中的横电模式高效耦合到超表面支持表面波模式并被完全吸收,而横磁模式几乎不受影响;设计了在1550 nm波长消光比约27.7d B而尺寸仅为2.4×0.34μm~2的波导偏振器。提出了超表面耦合器阵列的结构,利用多组超表面将空间光耦合到双波导或多波导系统中的目标超模:以双波导中的偏振路由和多波导中的拓扑边缘、界面模式产生两个实际应用为例设计并仿真了超耦合器阵列。三、模式杂化辅助的片上光模场转换研究。提出了将模式杂化原理与基于哈密顿量跃变演化的模阶数转换相结合的模偏振转换方案:利用模式杂化将模偏振转换问题转化为模阶数转换问题,并基于结合跃变的哈密顿量演化,设计并实验验证了手性偏振转换器和非手性偏振旋转器。提出实现片上任意阶数横磁模与任意阶数横电模相互转换的方法:结合模式杂化与基于超表面的模阶数转换,设计并数值模拟了3阶及以下横电模和横磁模相互转换的器件,实验验证了针对横电和横磁基模的偏振旋转器的性能。
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