基于亚波长结构的片上大视场超透镜

　　从传统光子器件的出现并发展，到亚波长结构光子器件的设计及应用，经历了一个漫长的研究过程。在传统光学器件中，透镜作为最具代表性的器件，在传统光学系统中得到了广泛的应用。随着集成光学器件的飞速发展，笨重且弯曲的传统光学透镜已无法满足片上光学系统趋于小型化、轻量化和集成化的要求。人们将研究方向转到微纳光学，利用亚波长结构的超透镜具有超薄的特性，开始研究和制造亚波长结构的光学器件以满足应用需求。 

　　金属纳米条作为一种常见的亚波长结构，其结构简单，易于加工制备，并在亚波长尺度上对电磁波的相位和振幅具有调制特性。为了设计片上大视场聚焦器件，需要对金属纳米条关于相位和振幅调控特性进行分析。根据等效介质理论可知，如图1所示将金属纳米条阵列放置于绝缘硅波导（SOI）上可以改变整体结构的等效折射率，并且等效折射率会随着纳米条几何参数的变化而变化。 

　　图1 置于SOI上的金属纳米条阵列结构示意图 (a) SOI上的金属纳米条阵列整体结构图 (b)图(a)中虚线框部分结构俯视图。 (c)图(a)中虚线框部分结构的截面图。 

　　为了验证金属纳米条的相位和振幅调制特性，仿真模拟了SOI上单个金属纳米条对硅波导内传输光相位和振幅的影响。同时，为了更好地描述引入金属纳米条后传输光相位和振幅的变化，在同等条件下对未放置纳米条的SOI进行了仿真。结果如图2(c)和(d)所示，纳米条的引入可以改变传输光在硅波导中的相位和振幅分布。具体而言，有纳米条的硅波导中传输光相位与无纳米条波导的相比，出现了明显的相位延迟。通过仿真结果进一步证明了通过改变金属带的几何参数来实现对于硅波导中传输光相位的调控。 

　　图2 (a)排列在SOI上金属纳米条阵列的单元结构；(b)无金属纳米条单元结构；(a)和(b)分别为SOI上放置金属纳米条和不放置金属纳米条时电场y分量的强度分布(上)和相位分布(下)；(c)表示(a)和(b)中黑色虚线处的相位分布 

　　为了详细地研究金属纳米条对硅波导内传输光的相位及振幅调制情况，利用仿真软件对放置在SOI上的金属纳米条的几何参数进行了扫描分析。入射光束以1550 nm波长的TE偏振光沿x轴正方向入射。仿真结果如图3所示，硅波导中传输光的相位及振幅随着纳米条的几何参数的变化而变化。进一步研究分析发现，当将金属纳米条的宽度固定为0.3 μm，可以通过改变纳米条的长度获得一个0-2π范围内线性变化相位，如图3 (b)和(c)所示。金属纳米条对波导中传输光相位的线性调制特性是片上大视场透镜设计的基础。 

　　图3 （a）倾斜入射时SOI单元结构的电场y分量强度分布；（b）相位扫描图；(c)将纳米条宽度固定在0.3 μm时相位与纳米条长度的关系；(d)振幅扫描图；(e)将纳米条宽度固定在0.3 μm时振幅与纳米条长度的关系 

　　根据二次相位原理可知，传输光的相位服从二次分布可以实现角度聚焦。为了实现波导内传输光的相位分布服从二次型，首先需要将二次相位以2π为单位进行量化处理，然后量化后相位寻找对应长度的纳米条，最后将纳米条放置于SOI上的相应位置上，构成了如图4所示片上大视场聚焦超透镜。为了滤除不经过金属纳米条覆盖区域传输光的干扰，在平板硅波导的上下边缘蚀刻两个倾斜的空气槽。 

 图4 基于亚波长结构的片上大视场超透镜（a）结构示意图；（b）大视场聚焦原理 

　　为了具体评估所设计的片上大视场超透镜性能，通过利用仿真软件FDTD对设计的超透镜光学性能进行了仿真计算并分析。数值模拟结果如图5(a)所示，所设计的超透镜在TE波入射时出射光束会发生聚焦的现象，并且仿真的焦距与设计的焦距几乎完全一致，从而证明了设计方法的合理性和可行性。此外，为了更具体地说明所设计的超透镜对波导中入射光场的调制作用，需要分析了超透镜对传输光的振幅和相位特性的影响。如图5(b)所示，可以明显地发现由于受超透镜电磁调控的作用，波导中传输光之间发生适当地干涉从而导致离轴光向中心轴弯曲，并产生逐渐的相移。 

　　图5 设计焦距为30μm大视场平面聚焦超透镜数值模拟结果 (a)y分量电场强度分布；(b) y分量电场的相位和实部 

　　改变入射光的倾斜角度仿真并验证所设计的超透镜片上大视场聚焦的功能。仿真测试的结果如图6所示，当入射角度改变时，超透镜可以实现聚焦且焦点位于同一焦平面上。根据仿真结果可知，所设计的超透镜可以在倾斜入射的情况下实现传输光的片上聚焦，具有宽阔的视场(~120°)。值得注意的是，片上超透镜的聚焦效率和半高全宽(FWHM)也会随着入射角的变化而变化(如图6(b))。如图6(b)所示，当入射光的入射角度为0°度时，超透镜的聚焦效率峰值为68%。此外，图6(c)显示了焦点在y方向上的位置会随着入射角的变化而变化，焦点位置的平移对称性完美地反映了斜入射光束的旋转效应。 

　　这种超薄片上大视场超透镜在片上传感、成像和信息处理等领域具有较大的应用前景。并且这种器件的设计方法为新型片上器件和集成光学的发展开辟了一条新的途径。目前该项工作研究成果已经发表在AIP Aadvances期刊上。 

　　图6 大视场超透镜聚焦性能数值模拟与分析 (a) 不同入射角；(b)聚焦效率和FWHM；(c)在不同角度入射光下(a)图中红虚线上的强度分布