Menu 

Menu
  1. 首页
  2. 行业新闻
  3. 变间隔分布波导阵列实现片上光学波前整形

变间隔分布波导阵列实现片上光学波前整形

变间隔分布波导阵列实现片上光学波前整形

图1 变间隔分布波导阵列中光学波前传输

1. 导读

光学波前整形技术是一种高效的光传播操控方法，能对光的振幅和相位进行人为调控。该技术已经在光学成像、激光雷达、光学传感以及光通信等应用中证明了其有效性，将波前整形技术集成到波导体系中，对于集成光子器件具有重要应用价值。但在波导系统中该技术的实现受到了限制，一方面因为通常光学波前与波导结构之间存在较大的尺寸差异；另一方面，实现对光学波前的操控通常需要同时准确控制波前传输的衍射行为和相位分布，而这在波导体系中目前尚缺乏有效的手段。
针对这些问题，近日之江实验室虞绍良博士团队联合浙江大学储涛教授、南京大学胡小鹏教授在Nanophotonics发表最新文章，提出了一套理论设计方案，基于离散系统的衍射机制，控制变间隔波导阵列的衍射系数分布和相位分布，在片上实现了光学波前传输过程中衍射和相位的调控。在理论计算和数值仿真的基础上，制备了氮化硅波导阵列，实验验证了该方案的可行性，成功实现了基于波导体系的光学波前整形。
该研究成果将波前整形的概念引入波导体系，提供了清晰的理论设计方案，为集成光子学中光路由、光信号处理等器件的设计带来了新启发，同时为高密度、可扩展的片上光学器件提供了新的设计思路。

2. 研究背景

波导是集成光子学最重要的基本构成模块之一，将波前整形技术应用于波导体系，对于集成光子器件的应用具有重要价值。通常来说，要实现片上波前整形，需要人为调控光场的衍射并调制其相位。片上衍射调控已经在多种波导系统中得到了全面的研究，例如具有梯度厚度分布的介质波导、弯曲的波导阵列和光子晶体波导等。与此同时，精确的相位补偿设计通常通过梯度折射率（Gradient-index，GRIN）结构来实现，例如亚波长GRIN波导阵列、连续GRIN透镜和梯度超表面。值得注意的是，所有这些工作只实现了其中一种功能，要在波导系统中同时实现光场横向约束（衍射控制）和梯度有效折射率分布（用于调控相位）仍然具有挑战性。
要在波导体系中实现波前整形，波导阵列是一种有前景的解决方案。波导阵列已被证明在集成光子学应用中非常有效，包括成像、激光雷达、量子系统模拟和多端口信息处理等。对波前整形而言，由于光的固有衍射特性，在阵列波导系统中补偿波前相位并在横向（垂直于波导方向）约束波矢是一项具有挑战性的任务。以往在类似光学系统中进行衍射控制的技术通常依赖于调整有效耦合系数或改变光的入射角度；而相位的调控则通常基于不同厚度或者宽度分布的波导阵列实现。对于这些波导体系而言，虽然衍射控制和相位调控其中某一个功能能得到很好的实现，但二者不能兼得，因而很难用于实现高效的光学波前整形。如何在波导阵列体系中解决上述问题，具有重要的科学和应用价值。

3. 创新研究

为解决这一问题，研究人员设计了一种基于变间隔分布的波导阵列控制片上光学波前的新方法。首先他们研究了该变间隔波导阵列中光场的衍射控制。该方法基于耦合模方程，从离散体系的衍射理论出发，通过控制特定的波导间隔分布（见图2a），在波导阵列不同横向位置引入正常和反常衍射（见图2b），实现了对横向波矢的控制，从而能实现光束的精确聚焦、扩展、准直和偏转等功能。此外，间距变化的波导阵列中波导的宽度具有渐变分布，波导阵列的有效折射率具有近似梯度分布，非常适合相位变换，可以实现相位调制和成像的双重功能。仿真结果显示，光在该波导阵列中传输时其行为近似于经过了一个透镜（见图2c）。

变间隔分布波导阵列实现片上光学波前整形

图2 基于变间隔分布的波导阵列设计与仿真结果

随后，研究人员对不同光学波前入射该波导阵列中的传输行为进行了仿真。可以看到，不同相位分布的光学波前经过该波导阵列，其传输行为都可以近似等效为经过了一个透镜（见图3c）。

变间隔分布波导阵列实现片上光学波前整形

图3 变间隔波导阵列中的光学波前传输仿真

在理论与仿真基础上，研究人员在基于氮化硅平台制备了变间隔波导阵列，实验上观测到了与仿真结果一致的现象。在具有不同衍射系数分布的变间隔波导阵列中，光场的聚焦、扩展、准直和偏转都得到了验证（见图4）。该工作基于波导阵列体系，从耦合模理论出发，在波导体系内成功将衍射调控与相位调制同时实现，为片上波前整形提供了新的设计思路。

变间隔分布波导阵列实现片上光学波前整形

图4 变间隔波导阵列的实验观测结果

4. 应用与展望

研究团队提出了变间隔波导阵列的设计思路，系统地研究了间距变化的波导阵列的衍射和相位变换特性，并成功地应用于片上光学波前整形。这些发现表明，间距变化的波导阵列有望成为片上波前整形的重要实现方案，其能够表现出类似于自由空间透镜的行为，为片上信息处理提供了新的选择。此外，波导阵列所固有的可扩展性，使其在高密度集成中具有很好的应用前景，特别适用于具有多个输入/输出端口的应用。
该研究成果以“On-chip wavefront shaping in spacing-varied waveguide arrays”为题在线发表在Nanophotonics。
本文作者分别是Yunfei Niu, Yunlong Niu, Xiaopeng Hu, Yong Hu, Qingyang Du, Shaoliang Yu and Tao Chu, 其中之江实验室钮云飞博士和浙江大学储涛教授为共同通讯作者，之江实验室虞绍良博士、杜清扬博士和南京大学胡小鹏教授悉心指导了本工作。作者对南京大学微纳加工平台黄春玉工程师在样品刻蚀方面的帮助表示感谢。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、之江实验室重点项目、中国博士后科学基金的资助。

免责声明：本文旨在传递更多科研资讯及分享，所有其他媒、网来源均注明出处，如涉及版权问题，请作者第一时间联系我们，我们将协调进行处理，最终解释权归旭为光电所有。

Light人物 | 专访牛津大学Martin Booth教授——谈自适应光学的广泛应用Light人物 | 专访牛津大学Martin Booth教授——谈自适应光学的广泛应用 激光雷达，最新Nature！激光雷达，最新Nature！ Science Advances：实现片上扭角双层光子晶体的光学能带结构测量Science Advances：实现片上扭角双层光子晶体的光学能带结构测量 Leukos中红外超连续谱激光器Leukos超连续激光器选型指导 Adv. Photon. | 综述：光子角动量扭转力学的研究征途Adv. Photon. | 综述：光子角动量扭转力学的研究征途 具有超光滑表面和高分辨率的自组装微透镜阵列具有超光滑表面和高分辨率的自组装微透镜阵列 Leukos微片激光器Leukos微片激光器