Nat. Nanotech. ：相位梯度超颖表面控制波导模式的传播耦合
【引言】
光子集成电路为光信息处理提供了基础，但是该类光子集成器件仍存在可靠性和高集成的问题。将光波导和梯度超颖表面结构相结合，将会有助于上述问题的解决，目前对于二维材料光学结构或超颖表面的研究热点是对自由空间中的光波前的控制，对于利用相位梯度超颖表面控制波导模式的传播和耦合任然知之甚少。
【成果简介】
近日，来自美国哥伦比亚大学助理教授余楠方（通讯作者）等人研究发现，由等离激元或者介电天线的相控阵列组成的梯度超颖表面在亚微米波长间隔内通过强烈的光散射可以用来控制导波。基于上述理论，该团队实验设计出波导模式转换器，偏振旋转器，以及支持非对称光功率传输的波导器件。实验证明文中提出的梯度超颖表面将为为小型，宽带，低损耗的光子集成器件的研究和发展奠定了基础。
【图文导读】
图1 超颖表面引起的非对称波导模式耦合的单向相位梯度示意图
图（a）在传播的正方向，入射基波导模式在梯度超颖表面的相互作用下可以耦合成更高级别的TE或TM模式
图（b）在反方向入射基波导模式和表面波耦合，沿着等离激元超颖表面的传播，光子能量被完全吸收
图2 梯度超颖表面波导的非对称光功率传输
图（a）波导器件结构示意图
图（b,c）波导器件在全波长范围内的仿真结果
图（d）坡印廷矢量强度的空间分布，由于定向模式转换呈现出高度不对称的光功率流，黑色虚线表示天线阵列的位置
图（e）在一个较宽的波长范围内，相反方向上的光功率传输谱呈现了高度的不对称性
图（f,g）在反方向上，模式变化是传播距离的函数，耦合模式的理论曲线也和全波模拟的结果有很好的定量一致性
图3 实验验证梯度超颖表面波导的非对称光功率传输
图（a） 波导器件的结构示意图
图（b）两个梯度超颖表面的波导器件表面的SEM图
图（c）在不同波长下器件输出端口处的红外照片，结果显示左右两个波导具有了高度的非对称功率传输
图（d）实验结果与理论仿真的拟合
图4 基于梯度超颖表面的近红外波导模式转换器和偏振旋转器
图（a）器件仿真的结果，三个模式转换器的长度（从上到下）分别为7.5μm，12μm，7.5微米，相应器件的峰值传输效率分别为65%，36%，71%
图（b）模式转换的纯度是波长的函数，图中曲线表明器件可以在较宽的波长范围内运行
图5 实验验证中红外波导模式转换器
图（a）TE00-TM00模式转换器件的的SEM图
图（b）TE00-TM00模式转换器测量的远场发射图形，图中表明TM偏振分量具有单波瓣，TE偏振分量很弱
图（c）TE00-TM10模式转换器件的SEM图
图（d）TE00-TM10模式转换器测量的远场发射图形,图中表明 TM偏振有两个波瓣，TE偏振的弱远场
图（e）TE00-TM10 模式转换器件的SEM图
图（f）TE00-TM10模式转换器测量的远场发射图形, 非对称的远场是由于波导输出面的缺陷造成的。
图6 基于介电超颖表面的电磁波导模式转换器
图（a）在入射波长为1.55μm情况下，器件的仿真结果
图（b）TE00-TM10波导模式转换器的的SEM图
图（c,d）b图的高精度放大局部SEM图
图（e）在一个有相同几何尺寸的波导器件作为TE00-TM00波导转换器波导的输出端口测量得到的TM和TE分量
图（f）TE00-TM00波导转换器的输出端口测量得到的TM和TE分量，结果显示该器件可以在较宽的波长范围内运行，而且和单纯的波导器件有着相似的能量传输谱线
【小结】
文中利用梯度超颖表面所实现的功能对于光子集成器件和系统应用将会起到很大的作用，比如波导模式转换器可以用来模式分离，极化分离等，这会大大提高信道容量。从波导模式到表面波的转换也可以用来作为宽带集成吸收体，这对于片内生物传感器和小型集成光子探测器的研究和应用起到关键作用。
文献链接：Controlling propagation and coupling of waveguide modes using phase-gradient metasurfaces（Nat. Nanotech., 2017, DOI: 10.1038/nnano.2017.50）
本文由材料人电子电工学术组hxxurui供稿，材料牛整理编辑。
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