CN109597160B - 一种基于v形光学天线超构表面的解复用器件及其工作方法 - Google Patents

一种基于v形光学天线超构表面的解复用器件及其工作方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于V形光学天线超构表面的解复用器件及其工作方法，包括基底及设置在基底上的周期性排列的若干个V形天线单元组，若干个V形天线单元组沿X轴依次排列，沿Y轴平行排列，每个V形天线单元组包括6个V形天线，相邻V形天线之间的相位差为π/3，实现0到2π的相位覆盖。本发明解复用器件可以实现针对特定波段多波长光的不同角度偏折。基于广义斯涅尔定律，在1450nm‑1650nm的工作波段中，通过对V形天线的臂长和夹角的调制，在界面处引入相位突变梯度，实现异常折射。通过入射光与界面处的微纳天线阵列相互作用，可以实现0‑2π范围内的线性极化转换透射相移的灵活调制，以及对不同波长光不同角度的色散。

Description

一种基于V形光学天线超构表面的解复用器件及其工作方法
技术领域
本发明涉及超构材料及集成光子器件技术领域，尤其涉及一种基于V形光学天线超构表面的解复用器件及其工作方法。
背景技术
超构材料(metamaterials)是指自然界中不存在的，具有天然材料所不具备的超常物理特性的人工复合结构或复合材料，一般具有例如完美吸收、负折射率等超常物理特性。
光学色散是光学中非常具有研究价值的一部分，其在光信息处理等方面具有重要作用。传统光学元器件对于光束波前的调制是通过光束经过元器件时产生的连续相位延迟的积累实现的，光学元器件尺寸通常较大，且天然材料的介电常量是受限的。
超构表面是一种基于亚波长微细结构制备的厚度小于波长的层状材料，它是一种结合了光学与纳米技术的新概念，可以通过亚波长的微细结构实现对电磁波偏振、振幅、相位、极化方式等多种特性的调控，与传统光学元器件相比，具有轻薄、易集成、低损耗等优势，在光学色散、等离子体传感、聚焦/成像器件等技术领域具有较高的应用潜力。
现有的解复用器件存在体积大、成本高、不易集成和难以规模化应用等问题，难以满足目前数据中心、互联网感知节点等大规模应用需求。
发明内容
针对现有技术不足，本发明从微纳天线的单元结构以及阵列形式的设计出发,提供了一种V形光学天线超构表面解复用器件，本发明超构表面由周期性排列的V形天线组成，实现了针对特定波段不同波长光束的角度色散。
本发明还提供了上述基于V形光学天线超构表面的解复用器件的工作方法。
本发明的技术方案为：
一种基于V形光学天线超构表面的解复用器件,包括基底及设置在所述基底上的周期性排列的若干个V形天线单元组，若干个V形天线单元组沿X轴依次排列，沿Y轴平行排列，X轴为解复用器件的较长边，Y轴为解复用器件的较长边的相邻边，每个V形天线单元组包括6个V形天线，相邻V形天线之间的相位差为π/3，实现0到2π的相位覆盖。本发明解复用器件可以实现针对特定波段多波长光的不同角度偏折。
基于广义斯涅尔定律，在1450nm-1650nm的工作波段中，通过对V形天线的臂长和夹角的调制，在界面处引入相位突变梯度，实现异常折射。通过入射光与界面处的微纳天线阵列相互作用，可以实现0-2π范围内的线性极化转换透射相移的灵活调制，以及对不同波长光不同角度的色散。
入射光电磁波经过V形天线后，通过与超构表面处的等离子体波相互作用可以实现对入射光振幅和相位的调制，通过调节V形天线臂长h和夹角α，可以使散射电磁波获得不同的相位响应，从而可以实现在0-2π范围内的取值。
根据本发明优选的，所述6个V形天线包括依次排列的V形天线1、V形天线2、V形天线3、V形天线4、V形天线5、V形天线6，V形天线1与V形天线4关于X轴对称，V形天线2与V形天线5关于X轴对称，V形天线3与V形天线6关于X轴对称。
根据本发明优选的，V形天线1的夹角为45°时，V形天线1的臂长为0.28—0.3um；V形天线2的夹角为90°时，V形天线2的臂长为0.26—0.28um；V形天线3的夹角为135°时，V形天线3的臂长为0.22—0.24um；每个V形天线包括两个连接的臂，两个臂之间形成夹角。
进一步优选的，V形天线1的夹角为45°时，V形天线1的臂长为0.294um；V形天线2的夹角为90°时，V形天线2的臂长L为0.265um；V形天线3的夹角α为135°时，V形天线3的臂长L为0.235um。
上述数据通过对单个天线的仿真选取，针对入射光可以实现较为准确的相位调制，且具有较为相似的振幅。
根据本发明优选的，所述V形天线的臂宽w为40—60nm，所述V形天线的厚度h为50—70nm。
进一步优选的，所述V形天线的臂宽w为50nm，所述V形天线的厚度h为60nm。所述臂宽和厚度通过对单个天线的仿真选取，针对入射光可以实现较为准确的相位调制。
根据本发明优选的，所述V形天线的材质为金膜。
根据本发明优选的，相邻两个V形天线单元组之间的距离为500-600nm。
进一步优选的，相邻两个V形微纳天线单元组之间的距离为550nm。
根据本发明优选的，相邻两个V形天线之间的距离为500-600nm。
进一步优选的，相邻两个V形天线之间的距离为550nm。可以在避免天线间的相互串扰的同时保证单元组长度最短。
根据本发明优选的，所述基底的材质二氧化硅，相对介电常数为3.9。
上述基于V形光学天线超构表面的解复用器件的工作方法，包括步骤如下：
(1)1450nm-1650nm工作波段的宽带光源垂直入射到V形光学天线超构表面，与V形天线处等离子波相互作用产生相位与振幅响应；
(2)根据广义Snell定律，不同波长的光产生不同的散射偏折角度，在不同的角度探测到不同波长的光，实现光信号的解复用。
本发明的有益效果为：
1、本发明周期性V形微纳天线阵列超构表面,通过调制V形金属天线的臂长及夹角实现对入射光波前的调制，最终实现了0-2π范围内的线性极化转换透射相移的灵活调制，以及对不同波长光不同角度的色散。
2、与实现光束色散的传统光学元器件相比,该超构表面具有轻薄、易集成等优点，在光学通信、光学信息解复用等领域有重要的应用价值。
3、本发明将微纳天线超表面应用于解复用器件，为超小尺寸集成解复用器件提供了基础保障。
4、本发明采用V形微纳天线超构表面实现多波长色散，并结合需求，将一般情况下的8个V形天线为一单元组简化为6个天线为一单元组，在实现0-2π全相位覆盖的同时缩小了单元组长度，更利于集成。
附图说明
图1为本发明超构表面单个V形天线的结构示意图；
图2为本发明超构表面阵列示意图
图3为本发明超构表面工作示意图；
图4为本发明超构表面一个V形天线单元组的V形天线仿真示意图；
图5(a)为本发明超构表面在波长为1450nm的线性极化平面波垂直入射时的透射场X极化电场分布仿真结果；
图5(b)为本发明超构表面在波长为1500nm的线性极化平面波垂直入射时的透射场X极化电场分布仿真结果；
图5(c)为本发明超构表面在波长为1550nm的线性极化平面波垂直入射时的透射场X极化电场分布仿真结果；
图5(d)为本发明超构表面在波长为1600nm的线性极化平面波垂直入射时的透射场X极化电场分布仿真结果；
图5(e)为本发明超构表面在波长为1650nm的线性极化平面波垂直入射时的透射场X极化电场分布仿真结果；
图6为本发明波长与偏折角度的关系示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种基于V形光学天线超构表面的解复用器件,如图2所示，包括基底及设置在基底上的周期性排列的若干个V形天线单元组，解复用器件为矩形，每个V形天线单元组沿X轴依次排列，沿Y轴平行排列，X轴为解复用器件的较长边，Y轴为解复用器件的较长边的相邻边(器件具体可根据具体需求调整)，每个V形天线单元组包括6个V形天线，单个V形天线的结构示意图如图1所示。相邻V形天线之间的相位差为π/3，实现0到2π的相位覆盖。本发明解复用器件可以实现针对特定波段多波长光的不同角度偏折。
基于广义斯涅尔定律，在1450nm-1650nm的工作波段中，通过对V形天线的臂长和夹角的调制，在界面处引入相位突变梯度，实现异常折射。通过入射光与界面处的微纳天线阵列相互作用，可以实现0-2π范围内的线性极化转换透射相移的灵活调制，以及对不同波长光产生不同角度的色散。
入射光经过V形天线后，通过与超构表面处的等离子体波相互作用可以实现对入射光振幅和相位的调制，通过调节V形天线臂长h和夹角α，可以使散射电磁波获得不同的相位响应，从而可以实现在0-2π范围内的取值。
实施例2
根据实施例1所述的一种基于V形光学天线超构表面的解复用器件,其区别在于，
6个V形天线包括依次排列的V形天线1、V形天线2、V形天线3、V形天线4、V形天线5、V形天线6，V形天线1与V形天线4关于X轴对称，V形天线2与V形天线5关于X轴对称，V形天线3与V形天线6关于X轴对称。
V形天线1的夹角为45°时，V形天线1的臂长为0.28um；V形天线2的夹角为90°时，V形天线2的臂长为0.26um；V形天线3的夹角为135°时，V形天线3的臂长为0.22um；每个V形天线包括两个连接的臂，两个臂之间形成夹角。
实施例3
根据实施例1所述的一种基于V形光学天线超构表面的解复用器件,其区别在于，
V形天线1的夹角为45°时，V形天线1的臂长为0.3um；V形天线2的夹角为90°时，V形天线2的臂长为0.28um；V形天线3的夹角为135°时，V形天线3的臂长为0.24um；每个V形天线包括两个连接的臂，两个臂之间形成夹角。
实施例4
根据实施例1所述的一种基于V形光学天线超构表面的解复用器件,其区别在于，
V形天线1的夹角为45°时，V形天线1的臂长为0.294um；V形天线2的夹角为90°时，V形天线2的臂长L为0.265um；V形天线3的夹角α为135°时，V形天线3的臂长L为0.235um。
上述数据通过对单个天线的仿真选取，针对入射光可以实现较为准确的相位调制，且具有较为相似的振幅。
如图4所示，为所设计的多波长色散超构表面单个V形天线单元组仿真示意图，线性偏振入射光波长分别1450nm、1500nm、1550nm、1600nm和1650nm，沿Y轴方向偏振，沿Z轴方向入射。超构表面通过V形天线的臂长和角度的调制实现对0-2π范围内的线性极化转换透射相移的灵活调制，以及对多波长光不同角度的分散。
根据所需的V形天线超构表面的工作波段设计多波长色散超构表面。基于广义菲涅尔定律，先依据工作频段优化设计V形天线单元,再通过调节V形天线的臂长和角度，实现一个周期天线对0-2π范围内的线极化转换透射相移调制,由天线阵列根据所需尺寸组成超构表面，最终实现超构表面对多波长入射光不同角度的分散。
图5(a)为本发明超构表面在波长为1450nm的线性极化平面波垂直入射时的透射场X极化电场分布仿真结果；图5(b)为本发明超构表面在波长为1500nm的线性极化平面波垂直入射时的透射场X极化电场分布仿真结果；图5(c)为本发明超构表面在波长为1550nm的线性极化平面波垂直入射时的透射场X极化电场分布仿真结果；图5(d)为本发明超构表面在波长为1600nm的线性极化平面波垂直入射时的透射场X极化电场分布仿真结果；图5(e)为本发明超构表面在波长为1650nm的线性极化平面波垂直入射时的透射场X极化电场分布仿真结果；可以看出：1450nm、1500nm、1550nm、1600nm和1650nm波长的光入射时，其X极化电场分布偏折角度分别为26.26°、27.26°、28.24°、29.21°和30.15°，与理论计算值相符。
图6为本发明波长与偏折角度的关系示意图。
实施例5
根据实施例1-4所述的一种基于V形光学天线超构表面的解复用器件,其区别在于，
V形天线的臂宽w为40—60nm，V形天线的厚度h为50—70nm。
V形天线的材质为金膜。
相邻两个V形天线单元组之间的距离为500-600nm。
相邻两个V形天线之间的距离为500-600nm。
基底的材质二氧化硅，相对介电常数为3.9。
实施例6
根据实施例1-5所述的一种基于V形光学天线超构表面的解复用器件,其区别在于，
V形天线的臂宽w为50nm，V形天线的厚度h为60nm。通过对单个天线的仿真选取，针对入射光可以实现较为准确的相位调制。
相邻两个V形微纳天线单元组之间的距离为550nm。
相邻两个V形天线之间的距离为550nm。在避免天线间的相互串扰的同时保证单元组长度最短。
基底的材质二氧化硅，相对介电常数为3.9。
实施例7
上述实施例1-6任一基于V形光学天线超构表面的解复用器件的工作方法，如图3所示，包括步骤如下：
(1)1450-1650nm工作波段的宽带光源垂直入射到V形光学天线超构表面，与V形天线处等离子波相互作用产生相位与振幅响应。
(2)根据广义Snell定律，不同波长的光产生不同的散射偏折角度，可以在不同的角度探测到不同波长的光，实现光信号的解复用。
尽管已描述了本发明的优选实施例,但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念,则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以,所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然,本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样,倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内,则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (11)

1.一种基于V形光学天线超构表面的解复用器件,其特征在于，包括基底及设置在所述基底上的周期性排列的若干个V形天线单元组，若干个V形天线单元组沿X轴依次排列，沿Y轴平行排列，每个V形天线单元组包括6个V形天线，相邻V形天线之间的相位差为π/3，实现0到2π的相位覆盖；
所述6个V形天线包括依次排列的V形天线一、V形天线二、V形天线三、V形天线四、V形天线五、V形天线六，V形天线一与V形天线四关于X轴对称，V形天线二与V形天线五关于X轴对称，V形天线三与V形天线六关于X轴对称；
V形天线一的夹角为45°时，V形天线一的臂长为0.28—0.3um；V形天线二的夹角为90°时，V形天线二的臂长为0.26—0.28um；V形天线三的夹角为135°时，V形天线三的臂长为0.22—0.24um；每个V形天线包括两个连接的臂，两个臂之间形成夹角。
2.根据权利要求1所述的一种基于V形光学天线超构表面的解复用器件,其特征在于，V形天线一的夹角为45°时，V形天线一的臂长为0.294um；V形天线二的夹角为90°时，V形天线二的臂长L为0.265um；V形天线三的夹角α为135°时，V形天线三的臂长L为0.235um。
3.根据权利要求1所述的一种基于V形光学天线超构表面的解复用器件,其特征在于，解复用器件为矩形，X轴为解复用器件的较长边，Y轴为解复用器件的较长边的相邻边。
4.根据权利要求1所述的一种基于V形光学天线超构表面的解复用器件,其特征在于，所述V形天线的臂宽w为40—60nm，所述V形天线的厚度h为50—70nm。
5.根据权利要求1所述的一种基于V形光学天线超构表面的解复用器件,其特征在于，所述V形天线的臂宽w为50nm，所述V形天线的厚度h为60nm。
6.根据权利要求1所述的一种基于V形光学天线超构表面的解复用器件,其特征在于，所述V形天线的材质为金膜。
7.根据权利要求1所述的一种基于V形光学天线超构表面的解复用器件,其特征在于，相邻两个V形天线单元组之间的距离为500-600nm。
8.根据权利要求1所述的一种基于V形光学天线超构表面的解复用器件,其特征在于，相邻两个V形天线单元组之间的距离为550nm。
9.根据权利要求1所述的一种基于V形光学天线超构表面的解复用器件,其特征在于，相邻两个V形天线之间的距离为500-600nm。
10.根据权利要求1所述的一种基于V形光学天线超构表面的解复用器件,其特征在于，相邻两个V形天线之间的距离为550nm。
11.权利要求1-10任一所述基于V形光学天线超构表面的解复用器件的工作方法，其特征在于，包括步骤如下：
(1)1450nm-1650nm工作波段的宽带光源垂直入射到V形光学天线超构表面，与V形天线处等离子波相互作用产生相位与振幅响应；
(2)根据广义Snell定律，不同波长的光产生不同的散射偏折角度，在不同的角度探测到不同波长的光，实现光信号的解复用。
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