Nat.Nanotech.：相位梯度超穎表面控制波導模式的傳播耦合

【引言】

光子集成電路為光信息處理提供了基礎，但是該類光子集成器件仍存在可靠性和高集成的問題。將光波導和梯度超穎表面結構相結合，將會有助於上述問題的解決，目前對於二維材料光學結構或超穎表面的研究熱點是對自由空間中的光波前的控制，對於利用相位梯度超穎表面控制波導模式的傳播和耦合任然知之甚少。

【成果簡介】

近日，來自美國哥倫比亞大學助理教授余楠方（通訊作者）等人研究發現，由等離激元或者介電天線的相控陣列組成的梯度超穎表面在亞微米波長間隔內通過強烈的光散射可以用來控制導波。基於上述理論，該團隊實驗設計出波導模式轉換器，偏振旋轉器，以及支持非對稱光功率傳輸的波導器件。實驗證明文中提出的梯度超穎表面將為為小型，寬頻，低損耗的光子集成器件的研究和發展奠定了基礎。

【圖文導讀】

圖1 超穎表面引起的非對稱波導模式耦合的單向相位梯度示意圖

圖（a）在傳播的正方向，入射基波導模式在梯度超穎表面的相互作用下可以耦合成更高級別的TE或TM模式

圖（b）在反方向入射基波導模式和表面波耦合，沿著等離激元超穎表面的傳播，光子能量被完全吸收

圖2 梯度超穎表面波導的非對稱光功率傳輸

圖（a）波導器件結構示意圖

圖（b,c）波導器件在全波長範圍內的模擬結果

圖（d）坡印廷矢量強度的空間分布，由於定向模式轉換呈現出高度不對稱的光功率流，黑色虛線表示天線陣列的位置

圖（e）在一個較寬的波長範圍內，相反方向上的光功率傳輸譜呈現了高度的不對稱性

圖（f,g）在反方向上，模式變化是傳播距離的函數，耦合模式的理論曲線也和全波模擬的結果有很好的定量一致性

圖3 實驗驗證梯度超穎表面波導的非對稱光功率傳輸

圖（a） 波導器件的結構示意圖

圖（b）兩個梯度超穎表面的波導器件表面的SEM圖

圖（c）在不同波長下器件輸出埠處的紅外照片，結果顯示左右兩個波導具有了高度的非對稱功率傳輸

圖（d）實驗結果與理論模擬的擬合

圖4 基於梯度超穎表面的近紅外波導模式轉換器和偏振旋轉器

圖（a）器件模擬的結果，三個模式轉換器的長度（從上到下）分別為7.5μm，12μm，7.5微米，相應器件的峰值傳輸效率分別為65%，36%，71%

圖（b）模式轉換的純度是波長的函數，圖中曲線表明器件可以在較寬的波長範圍內運行

圖5 實驗驗證中紅外波導模式轉換器

圖（a）TE00-TM00模式轉換器件的的SEM圖

圖（b）TE00-TM00模式轉換器測量的遠場發射圖形，圖中表明TM偏振分量具有單波瓣，TE偏振分量很弱

圖（c）TE00-TM10模式轉換器件的SEM圖

圖（d）TE00-TM10模式轉換器測量的遠場發射圖形,圖中表明 TM偏振有兩個波瓣，TE偏振的弱遠場

圖（e）TE00-TM10 模式轉換器件的SEM圖

圖（f）TE00-TM10模式轉換器測量的遠場發射圖形, 非對稱的遠場是由於波導輸出面的缺陷造成的。

圖6 基於介電超穎表面的電磁波導模式轉換器

圖（a）在入射波長為1.55μm情況下，器件的模擬結果

圖（b）TE00-TM10波導模式轉換器的的SEM圖

圖（c,d）b圖的高精度放大局部SEM圖

圖（e）在一個有相同幾何尺寸的波導器件作為TE00-TM00波導轉換器波導的輸出埠測量得到的TM和TE分量

圖（f）TE00-TM00波導轉換器的輸出埠測量得到的TM和TE分量，結果顯示該器件可以在較寬的波長範圍內運行，而且和單純的波導器件有著相似的能量傳輸譜線

【小結】

文中利用梯度超穎表面所實現的功能對於光子集成器件和系統應用將會起到很大的作用，比如波導模式轉換器可以用來模式分離，極化分離等，這會大大提高信道容量。從波導模式到表面波的轉換也可以用來作為寬頻集成吸收體，這對於片內生物感測器和小型集成光子探測器的研究和應用起到關鍵作用。

文獻鏈接：Controlling propagation and coupling of waveguide modes using phase-gradient metasurfaces（Nat. Nanotech., 2017, DOI: 10.1038/nnano.2017.50）（見下方「閱讀原文」）

材料人

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