物理科学与工程学院本科生在光系统与人工智能交叉领域取得进展: 基于绝缘体上铌酸锂的片上电可调波束调控超表面

2022年319日,同济大学2018级物理学试验基地班本科生豆淋源以第一作者身份在Micromachines杂志上发表“基于绝缘体上铌酸锂的片上电可调波束调控超表面”(“On-Chip Optical Beam Manipulation with an Electrically Tunable Lithium-Niobate-on-Insulator Metasurface”)论文,Micromachines 期刊被ScopusSCIE (Web of Science)PubMed等众多数据库收录,主要聚焦微纳结构、设备和系统、应用物理方向的科学和技术。豆淋源于20218月进入程鑫彬教授和王占山教授课题组学习,在魏泽勇副教授的指导下学会了微纳光学基础理论、数值仿真方法,并提出了一种绝缘体上铌酸锂(LNOI)上的超表面,借助该超表面可在LNOI片上实现电可调谐的聚焦、偏折等波束调控功能。论文通讯作者为同济大学精密光学研究所副教授魏泽勇和博士后谢凌云,该研究获得了包括国家自然科学基金和上海市项目以及上海市数字光学前沿科学基地的支持和资助。


研究工作


光子集成芯片相较于电子集成芯片有着信息处理和传送更快,且更加安全、高效等优点,或许能够成为下一代信息革命的技术核心。铌酸锂(LN)由于具有众多优异的性质而备受关注,例如宽带光透过性,较大的折射率,很好的非线性系数和优良的电光效应,LN因此成为很好的集成光子学材料选择。豆淋源利用课题组的电磁场仿真软件Gallop,设计了一种电可调LNOI片上超表面。该超表面由19个周期构成,每个周期正中央有一条长20μm的矩形刻槽,周期宽度为700nm,因而整个器件的宽度不超过15μm,整体结构示意图和横截面如图1所示。


图1 片上超表面结构示意图。a:片上超表面三维结构示意图,波长1550nm的y方向偏振光沿x正方向入射;b:单元结构截面图,LNOI三层结构分别为h=0.5μm,h1=2μm和 h2=1μm,上层LN正中央矩形刻槽宽d=70 nm。

在片上,波长1550nmy方向偏振光沿x正方向传播到超表面时,大部分光会被束缚在矩形刻槽之内,产生类似于波导内的传播。通过对单元刻槽仿真计算得知,在不施加偏压时,等长的矩形刻槽会在每个单元带来等量的相位;当对于每个单元分别施加不同大小的偏压时,其产生的电场会使得构成刻槽波导的LN折射率发生改变,从而使得光穿过每个周期的刻槽波导之后产生相位差异。每个周期上施加的电压是相互独立的,但由于超表面结构的对称性以及实现聚焦功能所需的波前相位的对称性,整个超表面的功能由9个大小不同、可连续调节的偏压控制,Δnomax来代表某种聚焦状态下所有周期中施加的最大偏压带来的LN寻常折射率变化值,超表面的聚焦效果及其动态调节如图2所示。

聚焦电场强度|Ey|2分布情况。a:在不同偏压下片上超表面x-y平面的电场强度|Ey|2分布(z=0),Δnomax代表某种聚焦状态下所有周期中施加的最大偏压带来的LN寻常折射率变化值;by=0z=0剖面的归一化电场强度|Ey|2x坐标的变化,可以明显看到焦距的移动和聚焦效果的改变。


在不改变超表面整体结构的前提下,改变对于不同单元所施加的偏压,还可在片上实现可调的偏振功能。偏折功能的实现要求电磁波波前被调制为线性梯度的相位,仅利用超表面中心9个单元施加线性梯度大小的偏压即可,图3显示了该超表面实现不同角度波束偏折时的片上电场分布|Ey|