基于泄露波超表面的片上光力器件及其调控方法

1.本公开涉及微纳光学、集成光子学技术领域，尤其涉及一种基于泄露波超表面的片上光力器件及其调控方法。


背景技术：

2.自20世纪70年代出现以来，光镊已被广泛应用于生命科学、纳米科技等领域，由于其具有非接触、低损伤和适用范围广等特性，是操纵微型物体的首选非接触技术。传统的光镊使用高数值孔径透镜来产生稳定的梯度捕获势，或者利用两个反向排列光纤来捕获物体，这两种方法对光场的控制都很有限，而且不适合大规模的片上集成。在实际应用中，片上光镊因尺寸小、重量轻、成本低的优势具有很大的吸引力。
3.超表面可实现对入射光的振幅、相位、偏振等灵活的调控，具有强大的光场操控能力，其二维平面结构克服超材料三维结构加工难度大等问题，为光镊的集成化、小型化提供了可能。但是大多数超表面都是工作在自由空间，难以集成到单个光学芯片上，不能实现了导波耦合到自由空间发射的转换，也不能与其他片上微型器件兼容，因而在一定程度上具有应用的难度。


技术实现要素：

4.鉴于上述问题，本发明提供了一种基于泄露波超表面的片上光力器件及其调控方法，以解决上述技术问题。
5.本公开的一个方面提供了一种基于泄露波超表面的片上光力器件，包括：基底层；波导层，设于所述基底层上，用于传输光；超表面层，设于所述波导层上；所述超表面层包括至少一个纳米柱单元结构阵列，用于通过调整所述纳米柱单元结构阵列中的各个纳米柱单元结构的旋转角度，聚焦从所述波导层泄露的光。
6.根据本公开的实施例，所述纳米柱单元结构的截面为长方形或椭圆形。
7.根据本公开的实施例，若所述纳米柱单元结构的截面为长方形，其截面的长度与宽度之比大于1；若所述纳米柱单元结构的截面为椭圆形，其截面的长轴与短轴之比大于1。
8.根据本公开的实施例，所述截面的长度或长轴为50纳米-10微米。
9.根据本公开的实施例，所述纳米柱单元结构的高度为50纳米至10微米。
10.根据本公开的实施例，所述超表面层的工作波长为300纳米至10微米。
11.根据本公开的实施例，所述基底层的制备材料包括半导体、绝缘体及聚合物材料中的一种或多种；波导层的制备材料包括二氧化硅、氮化硅、硅、铌酸锂及氮化铝中的一种或多种；超表面层的制备材料包括硅、氮化硅、铌酸锂及氮化铝中的一种或多种。
12.本公开另一方面提供了一种调控方法，应用于如第一方面任意一项所述的基于泄露波超表面的片上光力器件，包括：基于纳米柱单元结构的旋转角度与光在所述纳米柱单元结构中的相位的映射关系，调节纳米柱单元结构阵列内各纳米柱单元结构的旋转角度，使纳米柱单元结构阵列聚焦从波导层泄露的光。
13.根据本公开的实施例，所述方法包括：当所述纳米柱单元结构阵列的数量为多个时，改变入射光波长，调节各所述纳米柱单元结构阵列，使各所述纳米柱单元结构阵列分别聚焦所述波动层泄露的光，形成多个焦点。
14.根据本公开的实施例，所述方法包括：当所述纳米柱单元结构阵列的数量为多个时，调节各所述纳米柱单元结构阵列，使各所述纳米柱单元结构阵列共同聚焦所述波动层泄露的光，形成一个焦点。
15.在本公开实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：
16.本公开实施例所提供的基于泄露波超表面的片上光力结构，实现了直接从芯片上到自由空间发射的功能，并产生了高数值孔径聚焦光束，解决了传统物镜体积大、重量重的问题，也解决了自由空间超表面光镊结构无法在芯片上集成的问题。因此，具有更低成本、更易于集成化与小型化的优势，也能够与芯片上其他微型器件相兼容。
17.同时，波导上超表面纳米单元结构阵列由长宽固定的不同旋向纳米柱构成，单元结构简单，并且可以与传统cmos工艺相兼容，具有工艺难度小、刻蚀一致性好、良品率高的特点。
18.此外，通过改变超表面纳米单元结构阵列排布，可以使得从超表面层发射出来了的聚焦光束可以单独聚焦，也可以多束聚焦光束聚焦于同一点，增加了光镊捕获粒子的自由度。
附图说明
19.为了更完整地理解本公开及其优势，现在将参考结合附图的以下描述，其中：
20.图1示意性示出了本公开实施例提供的一种基于泄露波超表面的片上光力器件的三维结构示意图；
21.图2示意性示出了本公开实施例提供的另一种基于泄露波超表面的片上光力器件的示意图；
22.图3示意性示出了根据本公开实施例的波导上超表面结构的俯视平面图；
23.图4示意性示出了根据本公开实施例的波导上超表面结构的一纳米柱单元结构(长方形)的旋转角和相位之间的关系图；
24.图5a、图5b和图5c示意性示出了本公开实施例中模拟的te0模式向x正方向以980纳米的波长入射时，在x-z平面的归一化电场强度分布；
25.图6a与图6b示意性示出了本公开实施例中te0模式向x正方向分别以930纳米与1030纳米的波长入射时，在x-z平面的归一化电场强度分布。
26.附图标记说明：
27.1-基底层；2-波导层；3-超表面层；4-纳米柱单元结构。
具体实施方式
28.以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免
不必要地混淆本公开的概念。
29.在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
30.在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
31.本公开实施例提供的一种基于泄露波超表面的片上光力器件包括：基底层；波导层，设于基底层上，用于传输光；超表面层，设于波导层上。其中，超表面层包括至少一个纳米柱单元结构阵列，用于通过调整纳米柱单元结构阵列中的各个纳米柱单元结构的旋转角度，聚焦从波导层泄露的光。
32.可选地，基底层的制备材料包括半导体、绝缘体及聚合物材料中的一种或多种；波导层的制备材料包括二氧化硅、氮化硅、硅、铌酸锂及氮化铝中的一种或多种；超表面层的制备材料包括硅、氮化硅、铌酸锂及氮化铝中的一种或多种。
33.本公开另一方面还提供了一种调控方法，应用于上述基于泄露波超表面的片上光力器件。该方法包括：基于纳米柱单元结构的旋转角度与光在纳米柱单元结构中的相位的映射关系，改变入射光波长，调节纳米柱单元结构阵列内各纳米柱单元结构的旋转角度，使纳米柱单元结构阵列聚焦从波导层泄露的光。
34.下面通过一些具体实施例对本公开提供的基于泄露波超表面的片上光力器件及调控方法进行具体说明。
35.在本公开其中一个实施例中，参考图1，当纳米柱单元结构阵列的数量为多个时，可以通过调节各纳米柱单元结构阵列的旋转角度，使各纳米柱单元结构阵列分别聚焦波导层泄露的光，形成多个焦点。
36.在本公开另一个实施例中，参考图2，当纳米柱单元结构阵列的数量为多个时，可以通过调节各纳米柱单元结构阵列的旋转角度，使各纳米柱单元结构阵列共同聚焦波导层泄露的光，形成一个焦点。
37.图1示意性示出了本公开实施例提供的一种基于泄露波超表面的片上光力器件的三维结构示意图。
38.如图1所示，在本公开实施例提供的基于泄露波超表面的片上光力器件的一种三维结构中，包括：多个超表面层，超表面层位于氮化硅材料的y分束波导上方；y分束波导，厚度为400纳米，位于二氧化硅衬底上方；二氧化硅衬底厚度约为500微米。超表面层设置有基于几何相位原理分布的纳米硅柱单元结构阵列，硅折射率大于氮化硅，在波导里面传输的光有部分通过硅柱泄露出来，从而具有向自由空间发射的功能。
39.在本实施例中，通过改变纳米柱单元结构阵列中的每个纳米柱单元结构的分布旋转角实现改变出射光的相位，使每个超表面结构层单独聚焦。
40.图2示意性示出了本公开实施例提供的另一种基于泄露波超表面的片上光力器件的示意图。
41.如图2所示，在本公开实施例提供的基于泄露波超表面的片上光力器件的另一种三维结构，通过改变纳米柱单元结构阵列中的每个纳米柱单元结构的分布旋转角实现改变
出射光的相位，可以使不同超表面层将发射多束光束聚焦于同一点。
42.图3示意性示出了本公开实施例的波导上超表面层的俯视平面图。
43.如图3所示，超表面结构是由一系列不同旋向的硅柱构成。可选地，纳米柱单元结构的截面可以为长方形或椭圆形。若纳米柱单元结构的截面为长方形，其截面的长度与宽度之比大于1；若纳米柱单元结构的截面为椭圆形，其截面的长轴与短轴之比大于1。截面的长度或长轴为50纳米-10微米。纳米柱单元结构的高度为50纳米至10微米。例如，硅柱的高度可以为450纳米，截面长可以为250纳米，宽可以为130纳米。
44.图4示意性示出了根据本公开实施例的波导上超表面结构的一纳米柱单元结构(长方形)的旋转角和相位之间的关系图。
45.如图4所示，长方形旋转角从0变到180度，可实现相位从0到360度变化，即实现对从超表面出射光波波前的完全调控。
46.超表面硅柱排列由超表面的相位公式决定，首先确定每一个超表面聚焦焦斑在三维空间上的坐标(x0，y0，f)，通过改变坐标(x0，y0，f)来实现聚焦光束单独聚焦功能或者多束聚焦光束聚焦于同一点功能。
47.根据超透镜双曲相位公式，若要实现聚焦功能，超表面上出射的光的相位轮廓则需满足如下公式：
[0048][0049]
其中，为从超表面上出射的光的聚焦相位；(x，y)为对应纳米柱单元结构中心在超表面层结构上的位置坐标，(x0，y0)为对应焦斑中心在以超表面层为x-y平面的投影坐标；λd为超表面设计的工作波长；f为整个超表面层的焦距。
[0050]
根据上述公式，可以通过改变(x0，y0，f)值来调节从超表面层泄露出来的聚焦光束的焦斑的位置坐标。从每一块超表面泄露出来的聚焦光束的焦斑在空间上可以相交，也可以不相交，因此可以通过改变每一块超表面纳米单元结构阵列排布，实现超表面层的聚焦光束可以单独聚焦，也可以多束聚焦光束聚焦于同一点。即图1与图2所示的基于泄露波超表面的片上光力器件可以实现。
[0051]
由于光是从波导层泄露到超表面层，波导内传输的模式(例如te0)在传播过程会有相位积累，此相位满足如下公式：
[0052][0053]
其中：为光在波导内的传输相位，n
eff
为波导内的有效折射率，λd为超透镜设计的工作波长，δx为光在波导内的传输路程(假设光在波导内沿x方向传播，并以+x方向为正方向)。
[0054]
因此，超表面上长方形硅柱阵列需要满足如下相位：
[0055][0056]
其中，为光在所述纳米柱单元结构中的相位，为光从超表面层出射的聚焦相位，为光在波导内的传输相位，(x，y)为所述纳米柱单元结构的中心在所述超表面层结构上的位置坐标，(x0，y0)为所述纳米柱单元结构的焦斑中心在所述超表面层上投影的位置坐
标，λd为所述超表面层的工作波长，f为所述超表面层的焦距，n
eff
为所述波导的有效折射率，δx为光在所述波导内的传输路程。
[0057]
进一步地，根据公式(3)与图4所示相位和硅柱单元旋转角的对应关系，通过matlab等数据处理软件，进行理想相位和硅柱单元能提供的相位进行匹配，并通过硅柱单元的相位和旋转角对应关系(图4所示)，进一步可以确定超表面上硅柱阵列中每一个纳米柱单元结构中心在超表面层(图3)结构上的位置坐标和旋转角。从而实现图1与图2所示的基于泄露波超表面的片上光力器件。
[0058]
在本实施例中，超表面层的工作波长为300纳米至10微米。
[0059]
图5a、图5b、图5c示意性示出了本公开实施例中模拟的te0模式向x正方向以980纳米的波长入射时，在x-z平面的归一化电场强度分布。通过图5a、图5b、图5c证实通过精细排布超表面纳米单元结构阵列，可以调控从波导泄露出的聚焦光束的焦斑在空间出现的位置。从而证明图1与图2所示的基于泄露波超表面的片上光力器件可以实现。
[0060]
图5a示意性示出了根据本公开实施例的超表面结构可以将波导内传输的光发射出来，并可以通过精细排布超表面纳米单元结构阵列，使得泄露出的聚焦光束逆着传播方向，向波导层左斜上方聚焦。并且超表面结构数值孔径高达0.91，聚焦焦斑的位置坐标为(-15微米，0，9微米)。
[0061]
图5b示意性示出了根据本公开实施例的超表面结构，可以将波导内传输的光发射出来，并可以通过精细排布超表面纳米单元结构阵列，使得泄露出的聚焦光束逆着传播方向垂直于传播方向，向波导层正上方聚焦。并且超表面结构数值孔径高达0.91，聚焦焦斑的位置坐标为(0，0，9微米)。
[0062]
图5c示意性示出了根据本公开实施例的超表面结构可以将波导内传输的光发射出来，并可以通过精细排布超表面纳米单元结构阵列，使得泄露出的聚焦光束逆着传播方向顺着于传播方向，向波导层右斜上方聚焦。并且此超表面结构数值孔径高达0.91，聚焦焦斑的位置坐标为(10微米，0，9微米)。
[0063]
图6a与图6b示意性示出了本公开实施例中te0模式向x正方向分别以930纳米与1030纳米的波长入射时，在x-z平面的归一化电场强度分布(此时超表面结构是针对980纳米波长设计，即在980纳米入射时，在垂直于波导上方9微米聚焦，在980纳米入射时的效果如图5b所示)。从图6a与图6b中可以看出：改变入射光波长(增大波长或者减小波长)，均能实现出射的光束汇聚效果的改变，因此，基于泄露波超表面的片上光力器件可以通过改变入射光波长(增大波长或者减小波长)，实现出射的光束汇聚效果的改变。
[0064]
本领域技术人员可以理解，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本公开中。特别地，在不脱离本公开精神和教导的情况下，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本公开的范围。
[0065]
尽管已经参照本公开的特定示例性实施例示出并描述了本公开，但是本领域技术人员应该理解，在不背离所附权利要求及其等同物限定的本公开的精神和范围的情况下，可以对本公开进行形式和细节上的多种改变。因此，本公开的范围不应该限于上述实施例，而是应该不仅由所附权利要求来进行确定，还由所附权利要求的等同物来进行限定。

技术特征：
1.一种基于泄露波超表面的片上光力器件，其特征在于，包括：基底层；波导层，设于所述基底层上，用于传输光；超表面层，设于所述波导层上；所述超表面层包括至少一个纳米柱单元结构阵列，用于通过调整所述纳米柱单元结构阵列中的各个纳米柱单元结构的旋转角度，聚焦从所述波导层泄露的光。2.根据权利要求1所述的基于泄露波超表面的片上光力器件，其特征在于，所述纳米柱单元结构的截面为长方形或椭圆形。3.根据权利要求1所述的基于泄露波超表面的片上光力器件，其特征在于，若所述纳米柱单元结构的截面为长方形，其截面的长度与宽度之比大于1；若所述纳米柱单元结构的截面为椭圆形，其截面的长轴与短轴之比大于1。4.根据权利要求1所述的基于泄露波超表面的片上光力器件，其特征在于，所述截面的长度或长轴为50纳米-10微米。5.根据权利要求1所述的基于泄露波超表面的片上光力器件，其特征在于，所述纳米柱单元结构的高度为50纳米至10微米。6.根据权利要求1所述的基于泄露波超表面的片上光力器件，其特征在于，所述超表面层的工作波长为300纳米至10微米。7.根据权利要求1所述的基于泄露波超表面的片上光力器件，其特征在于，所述基底层的制备材料包括半导体、绝缘体及聚合物材料中的一种或多种；波导层的制备材料包括二氧化硅、氮化硅、硅、铌酸锂及氮化铝中的一种或多种；超表面层的制备材料包括硅、氮化硅、铌酸锂及氮化铝中的一种或多种。8.一种调控方法，应用于如权利要求1至7任意一项所述的基于泄露波超表面的片上光力器件，其特征在于，包括：基于纳米柱单元结构的旋转角度与光在所述纳米柱单元结构中的相位的映射关系，改变入射光波长，调节纳米柱单元结构阵列内各纳米柱单元结构的旋转角度，使纳米柱单元结构阵列聚焦从波导层泄露的光。9.根据权利要求8所述的调控方法，其特征在于，所述方法包括：当所述纳米柱单元结构阵列的数量为多个时，调节各所述纳米柱单元结构阵列，使各所述纳米柱单元结构阵列分别聚焦所述波导层泄露的光，形成多个焦点。10.根据权利要求8所述的调控方法，其特征在于，所述方法包括：当所述纳米柱单元结构阵列的数量为多个时，调节各所述纳米柱单元结构阵列，使各所述纳米柱单元结构阵列共同聚焦所述波导层泄露的光，形成一个焦点。

技术总结
本公开提供了一种基于泄露波超表面的片上光力器件，包括：基底层；波导层，设于基底层上，用于传输光；超表面层，设于波导层上；超表面层包括至少一个纳米柱单元结构阵列，用于通过调整纳米柱单元结构阵列中的各个纳米柱单元结构的旋转角度，聚焦从波导层泄露的光。该超表面层结构简单，实现了直接从芯片上到自由空间发射的功能，并产生了高数值孔径聚焦光束，解决了传统物镜体积大及重量重等问题，具有更低成本、更易于集成化与小型化的优势。该方法还提供了一种调控方法，实现的聚焦光束的单独聚焦或多束聚焦光束聚焦于同一点。单独聚焦或多束聚焦光束聚焦于同一点。单独聚焦或多束聚焦光束聚焦于同一点。


技术研发人员：申超 余钢 毛旭 高晓梅 史建伟 朱汇
受保护的技术使用者：中国科学院半导体研究所
技术研发日：2023.07.05
技术公布日：2023/10/15