CN106405731B - 基于金属材料的微结构类阵列波导光栅及其实现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于金属材料的微结构类阵列波导光栅及其实现方法，涉及光通信领域。该光栅应用在近红外波段的光通信波长上，该光栅包括光纤准直器阵列(101)、透镜组合(102)、分光光栅(103)、金属表面微结构(104)，金属表面微结构(104)包括若干超小表面子结构，输入光信号经过光纤准直器阵列(101)后，被光纤准直器阵列(101)准直成平行光，该平行光经过透镜组合(102)，被沿着不同方向扩束，再经过分光光栅(103)，被分为单通道的不同波长的信号，并且经过相应透镜组合(102)，汇聚到金属表面微结构(104)进行光切换。本发明能够在近红外的光通信波长上，通过金属表面微结构实现不同波长的光信号复用及解复用。

Description

基于金属材料的微结构类阵列波导光栅及其实现方法
技术领域
本发明涉及光通信领域，具体是涉及一种基于金属材料的微结构类阵列波导光栅及其实现方法。
背景技术
WDM(Wavelength Division Multiplexing，波分复用)技术是允许在一根光纤上面传输多路相互独立的波长带，这样便可提供多路通道和高得多的通信容量，使得通信容量随可复用波长的数目成倍的增长。在光纤通信中，波分复用***中经历着从点到点***到透明光网络的转变，经历着从以往的电光转换到全光交换的装变，DWDM(DenseWavelength Division Multiplexing，密集波分复用)已成为当今光纤通信的首选技术，尤其在长距离、骨干网中已获得广泛的应用。
AWG(Arrayed Waveguide Grating，阵列波导光栅)器件是一种角色散型无源器件，它基于PLC(Planar Light-wave Circuit，平面光回路)技术。与其它波分复用器件相比，AWG器件具有设计灵活、***损耗低、滤波性能好、长期稳定、易与光纤耦合等优点。
此外，AWG还比较容易与光放大器、半导体激光器等有源器件结合，实现单片集成，因此AWG成为DWDM光网络中最理想的器件，是当今研究热点。AWG波分复用器是光通信密集波分复用***的关键器件，在功能上它可以用作波分复用解复用、光路分插复用、光交叉连接、波长路由及波长检测；在性能上具有波长间隔小、信道数多、输出平坦、***损耗小、串扰低、信号畸变小、误码率低、结构紧凑、利于集成、性能稳定等优点。
中国市场的光通信芯片主要依赖外国供应商。因此，找到中国自己的AWG芯片设计或者替代方案是非常重要的。
目前金属的微小表面结构技术大多聚集在基础研究阶段，波长主要在中红外和可见光波段。国内外在光通信平台上少有研究金属微小表面结构技术的，基本没有应用在光通信上。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述背景技术的不足，提供一种基于金属材料的微结构类阵列波导光栅及其实现方法，能够在近红外的光通信波长上，通过金属表面微结构实现不同波长的光信号复用及解复用。
本发明提供一种基于金属材料的微结构类阵列波导光栅，该光栅应用在近红外波段的光通信波长上，该光栅包括光纤准直器阵列、透镜组合、分光光栅、金属表面微结构，金属表面微结构包括若干超小表面子结构，输入光信号经过光纤准直器阵列后，被光纤准直器阵列准直成平行光，该平行光经过透镜组合，被沿着不同方向扩束，再经过分光光栅，被分为单通道的不同波长的信号，并且经过相应透镜组合，汇聚到金属表面微结构进行光切换；金属表面微结构的表面带有周期的梯度变化，称为梯度超小表面；金属表面微结构的梯度超小表面对入射光提供梯度的相位突变，将正入射电磁波完全反射到所设计的光返回角度上，通过角度改变，进行切光以及转换；最后不同波长的光被切换并沿着不同通道，反射回到光纤准直器阵列中去，实现阵列波导光栅的功能；
当近红外光照射到金属表面微结构的梯度超小表面时，若干超小表面子结构作为次波源的辐射场，相位各不相同，并呈线性分布，从而形成斜方向的辐射波前，入射光被金属表面微结构表面异常反射，满足广义斯涅耳定律，实现近红外光特定方向的反射。
在上述技术方案的基础上，所述金属表面微结构为方块“□”型的周期梯度组合，在一个周期内，方块“□”的长度、宽度依次递增或者递减。
在上述技术方案的基础上，所述金属表面微结构为飞镖“L”型的周期旋转组合，在一个周期内，飞镖的两个臂之间的夹角依次递增或者递减。
在上述技术方案的基础上，所述金属表面微结构为字母“H”型的周期梯度组合，在一个周期内，字母“H”的高度依次递增或者递减。
在上述技术方案的基础上，所述超小表面子结构包括纳米金棒、介质层、金反射层，纳米金棒位于上表面，介质层位于中间，金反射层位于最下方。
在上述技术方案的基础上，每个超小表面子结构的尺寸都是亚波长量级。
本发明还提供上述基于金属材料的微结构类阵列波导光栅的实现方法，包括以下步骤：
S1、计算空间光***在金属表面微结构上的入射光及对应出射光的角度；
S2、根据计算的出射光角度，设计金属表面微结构的具体周期大小，使其与空间光***相适应；
S3、组合光路，进行封装测试，实现输入光信号经过光纤准直器阵列后，被光纤准直器阵列准直成平行光，该平行光经过透镜组合，被沿着不同方向扩束，再经过分光光栅，被分为单通道的不同波长的信号，并且经过相应透镜组合，汇聚到金属表面微结构进行光切换，金属表面微结构的梯度超小表面对入射光提供梯度的相位突变，将正入射电磁波完全反射到所设计的光返回角度上，通过角度改变，进行切光以及转换；最后不同波长的光被切换并沿着不同通道，反射回到光纤准直器阵列中去，实现阵列波导光栅的功能。
在上述技术方案的基础上，所述金属表面微结构为方块“□”型的周期梯度组合，在一个周期内，方块“□”的长度、宽度依次递增或者递减。
在上述技术方案的基础上，所述金属表面微结构为飞镖“L”型的周期旋转组合，在一个周期内，飞镖的两个臂之间的夹角依次递增或者递减。
在上述技术方案的基础上，所述金属表面微结构为字母“H”型的周期梯度组合，在一个周期内，字母“H”的高度依次递增或者递减。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
(1)本发明中金属表面微结构是在近红外的光通信波长上工作的，这与现有的可见光及中红外的金属表面微结构技术不同。本发明中基于金属材料的的微结构类阵列波导光栅在光路上通过准直器阵列、透镜和光栅，使光信号按照不同的波长水平分布在金属表面微结构上。本发明通过直接控制金属材料的微结构，使不同波长的入射光通过光路返回到不同的光准直器阵列中，实现不同波长的光信号从不同准直器中输出，最终实现不同波长的光信号的复用与解复用，其功能与阵列波导光栅技术AWG类似。因此，本发明能够在近红外的光通信波长上，通过金属表面微结构实现不同波长的光信号复用及解复用。
(2)超小表面子结构包括纳米金棒、介质层、金反射层，纳米金棒位于上表面，介质层位于中间，金反射层位于最下方。纳米金棒的下方是一层介质层，而金材料的反射层位于最底部，纳米金棒——介质层——金反射层结构能够使近红外光在纳米金棒和金反射层之间震荡，以便提高入射光的反射率。经软件仿真计算，本发明能够实现近红外光特定方向的反射，并且反射效率比较高，接近100％。
(3)本发明将金属表面微结构与空间光***组合，实现类似AWG的多通道波长分波功能。根据惠更斯原理，特定的电磁波波前可以通过设计相应的梯度超小表面来实现，高阻抗超表面可以完全反射电磁波，并且实现360°范围的反射相位调控，因此本发明在电磁波波前调控方面具有天然优势。
附图说明
图1是本发明实施例中基于金属材料的微结构类阵列波导光栅的结构示意图。
图2为方块“□”型的金属表面微结构、原理及反射示意图。
图3为飞镖“L”型的金属表面微结构、原理及反射示意图。
图4为字母“H”型的金属表面微结构、原理及反射示意图。
附图标记：101-光纤准直器阵列，102-透镜组合，103-分光光栅，104-金属表面微结构。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。
参见图1所示，本发明实施例提供一种基于金属材料的微结构类阵列波导光栅，应用在近红外波段的光通信波长上，该光栅包括光纤准直器阵列101、透镜组合102、分光光栅103、金属表面微结构104，金属表面微结构104包括若干超小表面子结构，超小表面子结构包括纳米金棒、介质层、金反射层，其中：纳米金棒位于上表面，介质层位于中间，金反射层位于最下方。
参见图1所示，输入光信号经过光纤准直器阵列101后，被光纤准直器阵列101准直成平行光，参见图1中光纤准直器阵列101、透镜组合102之间的带箭头直线所示，该平行光经过透镜组合102，被沿着不同方向扩束，再经过分光光栅103，被分为单通道的不同波长的信号，并且经过相应透镜组合102，汇聚到金属表面微结构104进行光切换。金属表面微结构104的表面带有周期的梯度变化，称为梯度超小表面；金属表面微结构104的梯度超小表面对入射光提供梯度的相位突变，将正入射电磁波完全反射到所设计的光返回角度上，通过角度改变，进行切光以及转换；最后不同波长的光被切换并沿着不同通道，反射回到光纤准直器阵列101中去，从而实现AWG的功能。
当近红外光照射到金属表面微结构104的梯度超小表面时，若干超小表面子结构作为次波源的辐射场，相位各不相同，并呈线性分布，从而形成斜方向的辐射波前，入射光被金属表面微结构104表面异常反射，满足广义斯涅耳定律。经软件仿真计算该结构可以实现近红外光特定方向的反射，并且反射效率比较高、接近100％。
本发明实施例还提供上述基于金属材料的微结构类阵列波导光栅的实现方法，包括以下步骤：
S1、计算空间光***在金属表面微结构104上的入射光及对应出射光的角度，这是现有技术；
S2、根据计算的出射光角度，设计金属表面微结构104的具体周期大小，使其与空间光***相适应。这种特殊的金属表面微结构，包括所有周期变化的各类微结构，可以是方块“□”型的周期梯度组合，参见图2所示，在一个周期内，方块“□”的长度、宽度可以依次递增，也可以依次递减；可以是飞镖“L”型的周期旋转组合，参见图3所示，在一个周期内，飞镖的两个臂之间的夹角可以依次递增，也可以依次递减；还可以是字母“H”型的周期梯度组合，参见图4所示，在一个周期内，字母“H”的高度依次递增，也可以依次递减。
方块“□”型、飞镖“L”型、字母“H”型这三种金属表面微结构，都是周期变化的结构，其表面对入射光提供梯度的相位突变，并且每个超小表面子结构的尺寸都是亚波长量级。
参见图2所示，方块“□”型的金属表面微结构按照一定的大小规律逐渐变化，形成一个小的结构单元，这些小周期单元，再组合成一个大的周期结构，以便对所有的入射光子都进行反射偏折。同样，飞镖“L”型、字母“H”型的金属表面微结构也是如此。飞镖“L”型的金属表面微结构按照两个臂之间的夹角周期变化，字母“H”型的金属表面微结构按照“H”的高度周期变化。纳米金棒的下方是一层介质层，而金材料的反射层位于最底部，这样的纳米金棒——介质层——金反射层结构能够使近红外光在纳米金棒和金反射层之间震荡，以便提高入射光的反射率。
S3、组合光路，进行封装测试，实现输入光信号经过光纤准直器阵列101后，被光纤准直器阵列101准直成平行光，参见图1中光纤准直器阵列101、透镜组合102之间的带箭头直线所示，该平行光经过透镜组合102，被沿着不同方向扩束，再经过分光光栅103，被分为单通道的不同波长的信号，并且经过相应透镜组合102，汇聚到金属表面微结构104进行光切换。金属表面微结构104的梯度超小表面对入射光提供梯度的相位突变，将正入射电磁波完全反射到所设计的光返回角度上，通过角度改变，进行切光以及转换；最后不同波长的光被切换并沿着不同通道，反射回到光纤准直器阵列101中去，从而实现AWG的功能。
本发明实施例的原理详细阐述如下：
AWG是密集波分复用***(DWDM)中的首选技术。一组具有相等长度差的阵列波导形成的光栅，具有分波的能力，其原理为：含有多个波长的复用信号光经中心输入信道波导输出后，在输入平板波导内发生衍射，到达输入凹面光栅上进行功率分配，并耦合进入阵列波导区。因阵列波导端面位于光栅圆的圆周上，所以衍射光以相同的相位到达阵列波导端面上。经阵列波导传输后，因相邻的阵列波导保持有相同的长度差ΔL，因而在输出凹面光栅上，相邻阵列波导的某一波长的输出光具有相同的相位差，对于不同波长的光，此相位差不同，于是不同波长的光在输出平板波导中发生衍射，并聚焦到不同的输出信道波导位置，经输出信道波导输出后，完成了波长分配即解复用功能。这一过程的逆过程，即如果信号光反向输入，则完成复用功能，原理相同。
最近，人们提出了特殊的电磁表面概念，通过设计非均匀人工微结构来实现亚波长尺度下的任意电磁相位分布，根据惠更斯原理实现任意波前调控。根据惠更斯原理，特定的电磁波波前可以通过设计相应的梯度超小表面来实现，高阻抗超表面可以完全反射电磁波并且实现360°范围的反射相位调控，因此在电磁波波前调控方面具有天然优势。
本发明的出发点就是将传统的AWG芯片的功能与特殊的人工微结构结合，通过控制非均匀人工微结构来实现亚波长尺度下的任意电磁相位分布，实现光的相位控制，以及不同的波长光的分别输出——即AWG的类似功能。
电磁波照射到金属导体上会发生镜面反射，如果在金属表面加入一层厚度远小于波长的梯度特异介质，它在x处的相对介电常数和磁导率用εM(x)，μM(x)表示。分析发现，如果满足εM(x)＝μM(x)＝1+ξx/(2k0d)，***的反射相位满足线性分布，反射相位沿x方向的梯度为ξ＝dΦ/dx，k0是真空中的波矢，d是特异介质的厚度。模展开理论计算及数值模拟证明，当ξ<k0时，垂直入射的电磁波会被超表面斜反射，而当ξ增大时，电磁波的反射角度也跟着增大，这就是梯度超小表面实现的奇异反射现象。想实现εM(x)＝μM(x)的梯度超小表面异常困难。若要实现线性反射相位分布，可以选择[ε]M(x)＝const，μM(x)或[ε]M(x)，μM(x)＝const的梯度超小表面，这三种模型其本质都是为了实现梯度折射率分布，从而达到线性反射相位分布。基于[ε]M(x)＝const，μM(x)的模型***，已经有人在微波波段设计并制备了三块梯度超小表面，并且通过数值模拟和远场实验证明，ξ＝0.4k0和ξ＝0.8k0的梯度超小表面会将正入射电磁波完全反射至23°和53°的方向上。
将这种能控制光束的金属微小的结构与空间光***组合起来，即可以实现许多不同波长的光按照不同端口分别输出。
本发明所举的例子只是基于金属材料的微结构代替阵列波导光栅的设计诸多例子的一个特例，本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种修改和变型，倘若这些修改和变型在本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则这些修改和变型也在本发明的保护范围之内。说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种基于金属材料的微结构类阵列波导光栅，其特征在于：该微结构类阵列波导光栅应用在近红外波段的光通信波长上，该微结构类阵列波导光栅包括光纤准直器阵列(101)、透镜组合(102)、分光光栅(103)、金属表面微结构(104)，金属表面微结构(104)包括若干超小表面子结构，输入光信号经过光纤准直器阵列(101)后，被光纤准直器阵列(101)准直成平行光，该平行光经过透镜组合(102)，被沿着不同方向扩束，再经过分光光栅(103)，被分为单通道的不同波长的信号，并且经过相应透镜组合(102)，汇聚到金属表面微结构(104)进行光切换；金属表面微结构(104)的表面带有周期的梯度变化，称为梯度超小表面；金属表面微结构(104)的梯度超小表面对入射光提供梯度的相位突变，将正入射电磁波完全反射到所设计的光返回角度上，通过角度改变，进行切光以及转换；最后不同波长的光被切换并沿着不同通道，反射回到光纤准直器阵列(101)中去，实现阵列波导光栅的功能；
当近红外光照射到金属表面微结构(104)的梯度超小表面时，若干超小表面子结构作为次波源的辐射场，相位各不相同，并呈线性分布，从而形成斜方向的辐射波前，入射光被金属表面微结构(104)表面异常反射，满足广义斯涅耳定律，实现近红外光特定方向的反射。
2.如权利要求1所述的基于金属材料的微结构类阵列波导光栅，其特征在于：所述金属表面微结构(104)为方块“□”型的周期梯度组合，在一个周期内，方块“□”的长度、宽度同时递增或者递减。
3.如权利要求1所述的基于金属材料的微结构类阵列波导光栅，其特征在于：所述金属表面微结构(104)为飞镖“L”型的周期旋转组合，在一个周期内，飞镖的两个臂之间的夹角依次递增或者递减。
4.如权利要求1所述的基于金属材料的微结构类阵列波导光栅，其特征在于：所述金属表面微结构(104)为字母“H”型的周期梯度组合，在一个周期内，字母“H”的高度依次递增或者递减。
5.如权利要求1所述的基于金属材料的微结构类阵列波导光栅，其特征在于：所述超小表面子结构包括纳米金棒、介质层、金反射层，纳米金棒位于上表面，介质层位于中间，金反射层位于最下方。
6.如权利要求1所述的基于金属材料的微结构类阵列波导光栅，其特征在于：每个超小表面子结构的尺寸都是亚波长量级。
7.采用如权利要求1所述的基于金属材料的微结构类阵列波导光栅进行光信号解复用的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、计算空间光***在金属表面微结构(104)上的入射光及对应出射光的角度；
S2、根据计算的出射光角度，设计金属表面微结构(104)的具体周期大小，使其与空间光***相适应；
S3、组合光路，进行封装测试，实现输入光信号经过光纤准直器阵列(101)后，被光纤准直器阵列(101)准直成平行光，该平行光经过透镜组合(102)，被沿着不同方向扩束，再经过分光光栅(103)，被分为单通道的不同波长的信号，并且经过相应透镜组合(102)，汇聚到金属表面微结构(104)进行光切换，金属表面微结构(104)的梯度超小表面对入射光提供梯度的相位突变，将正入射电磁波完全反射到所设计的光返回角度上，通过角度改变，进行切光以及转换；最后不同波长的光被切换并沿着不同通道，反射回到光纤准直器阵列(101)中去，实现阵列波导光栅的功能。
8.如权利要求7所述的基于金属材料的微结构类阵列波导光栅进行光信号解复用的方法，其特征在于：所述金属表面微结构(104)为方块“□”型的周期梯度组合，在一个周期内，方块“□”的长度、宽度同时递增或者递减。
9.如权利要求7所述的基于金属材料的微结构类阵列波导光栅进行光信号解复用的方法，其特征在于：所述金属表面微结构(104)为飞镖“L”型的周期旋转组合，在一个周期内，飞镖的两个臂之间的夹角依次递增或者递减。
10.如权利要求7所述的基于金属材料的微结构类阵列波导光栅进行光信号解复用的方法，其特征在于：所述金属表面微结构(104)为字母“H”型的周期梯度组合，在一个周期内，字母“H”的高度依次递增或者递减。
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