在光子集成技術(shù)飛速發(fā)展的今天，如何精準(zhǔn)操控光的傳播路徑，讓光在微小的芯片上完成復(fù)雜的光學(xué)任務(wù)，成為了科研人員不懈探索的目標(biāo)。近日，來(lái)自伊朗大不里士大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)在《Scientific Reports》期刊上發(fā)表了一項(xiàng)突破性研究，他們?cè)O(shè)計(jì)的相位和振幅梯度波導(dǎo)耦合超表面[1]，能將芯片上的導(dǎo)波光場(chǎng)隨心所欲地塑造成各種所需的自由空間模式，為集成光學(xué)領(lǐng)域開(kāi)辟了嶄新的道路。
要想在光子集成芯片（PICs）上實(shí)現(xiàn)高性能的光學(xué)成像、通信或傳感功能，首先面臨的挑戰(zhàn)就是如何讓光在芯片內(nèi)外高效地“進(jìn)出”，即芯片上的光波導(dǎo)需要高效的“光耦合器”。傳統(tǒng)的光耦合技術(shù)主要基于邊緣耦合和表面光柵方法。然而，這些方法往往不夠靈活，只能在特定角度下工作，而且耦合效率低，導(dǎo)致大量光能量浪費(fèi)。更關(guān)鍵的是，這些方法難以滿足現(xiàn)代PICs對(duì)緊湊性和多功能性的需求。
超表面作為一種由亞波長(zhǎng)單元構(gòu)成的超薄結(jié)構(gòu)，近年來(lái)在光場(chǎng)調(diào)控領(lǐng)域展現(xiàn)出了驚人的潛力。通過(guò)調(diào)控每個(gè)亞單元對(duì)光的相位、振幅等特性，能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)光學(xué)元件難以完成的功能，比如全息成像、光束偏轉(zhuǎn)等。但遺憾的是，大多數(shù)超表面研究都局限于自由空間光的相互作用，難以直接與片上器件集成。
（一）硅基超表面-波導(dǎo)耦合系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
論文提出了一種全硅基超表面涂層一維波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，如圖1所示，其核心單元為“超胞（super-cell）”，每個(gè)超胞由三根硅棒組成，沿波導(dǎo)軸向排列。這種設(shè)計(jì)的精妙之處在于：通過(guò)硅棒的幾何參數(shù)（長(zhǎng)度、寬度、高度）調(diào)控，實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)波的相位積累（βx）與超胞誘導(dǎo)相位（φs(x)）的疊加，從而構(gòu)建出任意光場(chǎng)分布的相位函數(shù)φ(x)=βx+φs(x)。
圖1硅基超表面涂覆一維光波導(dǎo)的主要拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
硅棒被放置在波導(dǎo)的頂部，使用3D時(shí)域有限差分（FDTD）求解器（Ansys Lumerical FDTD模擬套件）對(duì)其散射行為進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果如圖2所示。所施加的TE00模式激發(fā)硅條的電偶極子和磁偶極子本征模式，而它們的疊加使得硅棒可以實(shí)現(xiàn)2π的相位覆蓋范圍，這就為精確調(diào)控光場(chǎng)相位奠定了基礎(chǔ)。
圖2波導(dǎo)上硅棒Ey和Hx的場(chǎng)分布
（二）振幅梯度補(bǔ)償
研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)波在波導(dǎo)中傳播時(shí)會(huì)產(chǎn)生衰減，導(dǎo)致末端光場(chǎng)振幅降低，進(jìn)而影響聚焦效果。為此，他們提出了“振幅梯度”設(shè)計(jì)方法：通過(guò)優(yōu)化不同位置硅棒的幾何參數(shù)，使散射光振幅隨導(dǎo)波衰減規(guī)律遞增，實(shí)現(xiàn)能量的均勻分配。
圖3的參數(shù)掃描結(jié)果顯示，硅棒的長(zhǎng)度（lx）與高度（lz）對(duì)散射光的相位與振幅影響顯著。團(tuán)隊(duì)選取三組相位差為2π/3、振幅相近的硅棒參數(shù)（如圖3中白色圓圈標(biāo)記），構(gòu)建了具有振幅補(bǔ)償功能的超表面。這一設(shè)計(jì)將耦合效率從傳統(tǒng)方法的8%提升至16%，同時(shí)將聚焦光斑的半高寬（FWHM）縮小至893nm，接近衍射極限。
圖3硅棒長(zhǎng)度（lx）和高度（lz）參數(shù)掃描中模擬相移的色圖。對(duì)于（a）ly=750nm（b）ly=1000nm（c）ly=1200nm的振幅；對(duì)于（d）ly=750nm（e）ly=1000nm（f）ly=1200nm的相移。
實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：從金屬透鏡到寬帶性能的系統(tǒng)性驗(yàn)證
（一）金屬透鏡概念驗(yàn)證
為驗(yàn)證設(shè)計(jì)理論，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一款焦距f=7500nm、工作波長(zhǎng)1550nm的硅基金屬透鏡。該透鏡由17組超胞分為三段排列：第一段5組（Λ?=1100nm）、第二段4組（Λ?=1000nm）、第三段8組（Λ?=850nm）。
圖4與圖5的對(duì)比實(shí)驗(yàn)顯示，初始設(shè)計(jì)因未補(bǔ)償振幅衰減，聚焦效果不佳；而引入振幅梯度后，電場(chǎng)分布在焦平面（Z=7500nm）呈現(xiàn)清晰的聚焦光斑，強(qiáng)度分布半高寬從2.8μm優(yōu)化至893nm。這一結(jié)果直接證明了相位-振幅雙梯度設(shè)計(jì)的有效性。
圖4所提出的波導(dǎo)驅(qū)動(dòng)超透鏡的初始值的歸一化電場(chǎng)強(qiáng)度分布
圖5所提出的波導(dǎo)驅(qū)動(dòng)超透鏡的最終值的歸一化電場(chǎng)強(qiáng)度分布
（二）寬帶光束偏斜特性
在1450nm至1600nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)，團(tuán)隊(duì)研究了金屬透鏡的聚焦偏移特性。圖6的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，隨著波長(zhǎng)增加，焦點(diǎn)位置向波導(dǎo)輸入端偏移，這與理論預(yù)測(cè)的相位函數(shù)（如下圖）完全一致。值得注意的是，該結(jié)構(gòu)在1550nm附近的帶寬內(nèi)僅產(chǎn)生極小的光束偏斜，驗(yàn)證了其在寬波段應(yīng)用中的穩(wěn)定性。
相位函數(shù)
圖6超透鏡分別在λ=1450nm、1550nm及1600nm處的電場(chǎng)強(qiáng)度分布
1.效率與損耗的雙重優(yōu)化
全硅基結(jié)構(gòu)：摒棄傳統(tǒng)金屬-硅混合結(jié)構(gòu)，避免等離子體效應(yīng)導(dǎo)致的能量損耗，將耦合效率提升至16%，為同類(lèi)技術(shù)的兩倍。
背向散射抑制：通過(guò)硅棒參數(shù)優(yōu)化，幾乎消除了光場(chǎng)向波導(dǎo)的背向散射，進(jìn)一步提高能量利用率。
2.片上集成的適配性
該結(jié)構(gòu)完全兼容標(biāo)準(zhǔn)硅光子學(xué)工藝，可通過(guò)電子束光刻（EBL）與化學(xué)氣相沉積（PECVD）實(shí)現(xiàn)多層硅棒的精確加工，為大規(guī)模片上集成提供了工藝可行性。
在該篇論文中，基于所提出的結(jié)構(gòu)，獲得了16%的效率。這種效率的提高可能是由于兩個(gè)原因：第一，所提出的僅基于硅的納米棒結(jié)構(gòu)，第二，文中提出的幅度梯度的想法。另外，文章中的設(shè)計(jì)方法可以很容易地?cái)U(kuò)展到各種功能的片上光學(xué)元件。此外，在這種方法中，通過(guò)在硅波導(dǎo)上空間排列硅棒陣列，還可以實(shí)現(xiàn)更先進(jìn)的應(yīng)用，如導(dǎo)波驅(qū)動(dòng)全息圖，光子集成光譜儀，固態(tài)激光雷達(dá)，遙感等。
參考文獻(xiàn)：
[1]Tanhayivash Y, Soofi H, Nikmehr S. Phase and amplitude gradient waveguide coupled metasurfaces[J]. Scientific Reports, 2025, 15(1): 1-11.
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