基於金屬材料的微結構類陣列波導光柵及其實現方法與流程
2023-09-27 06:15:00 1
本發明涉及光通信領域，具體是涉及一種基於金屬材料的微結構類陣列波導光柵及其實現方法。
背景技術：
WDM(Wavelength Division Multiplexing，波分復用)技術是允許在一根光纖上面傳輸多路相互獨立的波長帶，這樣便可提供多路通道和高得多的通信容量，使得通信容量隨可復用波長的數目成倍的增長。在光纖通信中，波分復用系統中經歷著從點到點系統到透明光網絡的轉變，經歷著從以往的電光轉換到全光交換的裝變，DWDM(Dense Wavelength Division Multiplexing，密集波分復用)已成為當今光纖通信的首選技術，尤其在長距離、骨幹網中已獲得廣泛的應用。
AWG(Arrayed Waveguide Grating，陣列波導光柵)器件是一種角色散型無源器件，它基於PLC(Planar Light-wave Circuit，平面光迴路)技術。與其它波分復用器件相比，AWG器件具有設計靈活、插入損耗低、濾波性能好、長期穩定、易與光纖耦合等優點。
此外，AWG還比較容易與光放大器、半導體雷射器等有源器件結合，實現單片集成，因此AWG成為DWDM光網絡中最理想的器件，是當今研究熱點。AWG波分復用器是光通信密集波分復用系統的關鍵器件，在功能上它可以用作波分復用解復用、光路分插復用、光交叉連接、波長路由及波長檢測；在性能上具有波長間隔小、信道數多、輸出平坦、插入損耗小、串擾低、信號畸變小、誤碼率低、結構緊湊、利於集成、性能穩定等優點。
中國市場的光通信晶片主要依賴外國供應商。因此，找到中國自己的AWG晶片設計或者替代方案是非常重要的。
目前金屬的微小表面結構技術大多聚集在基礎研究階段，波長主要在中紅外和可見光波段。國內外在光通信平臺上少有研究金屬微小表面結構技術的，基本沒有應用在光通信上。
技術實現要素：
本發明的目的是為了克服上述背景技術的不足，提供一種基於金屬材料的微結構類陣列波導光柵及其實現方法，能夠在近紅外的光通信波長上，通過金屬表面微結構實現不同波長的光信號復用及解復用。
本發明提供一種基於金屬材料的微結構類陣列波導光柵，該光柵應用在近紅外波段的光通信波長上，該光柵包括光纖準直器陣列、透鏡組合、分光光柵、金屬表面微結構，金屬表面微結構包括若干超小表面子結構，輸入光信號經過光纖準直器陣列後，被光纖準直器陣列準直成平行光，該平行光經過透鏡組合，被沿著不同方向擴束，再經過分光光柵，被分為單通道的不同波長的信號，並且經過相應透鏡組合，匯聚到金屬表面微結構進行光切換；金屬表面微結構的表面帶有周期的梯度變化，稱為梯度超小表面；金屬表面微結構的梯度超小表面對入射光提供梯度的相位突變，將正入射電磁波完全反射到所設計的光返回角度上，通過角度改變，進行切光以及轉換；最後不同波長的光被切換並沿著不同通道，反射回到光纖準直器陣列中去，實現陣列波導光柵的功能；
當近紅外光照射到金屬表面微結構的梯度超小表面時，若干超小表面子結構作為次波源的輻射場，相位各不相同，並呈線性分布，從而形成斜方向的輻射波前，入射光被金屬表面微結構表面異常反射，滿足廣義斯涅耳定律，實現近紅外光特定方向的反射。
在上述技術方案的基礎上，所述金屬表面微結構為方塊「□」型的周期梯度組合，在一個周期內，方塊「□」的長度、寬度依次遞增或者遞減。
在上述技術方案的基礎上，所述金屬表面微結構為飛鏢「L」型的周期旋轉組合，在一個周期內，飛鏢的兩個臂之間的夾角依次遞增或者遞減。
在上述技術方案的基礎上，所述金屬表面微結構為字母「H」型的周期梯度組合，在一個周期內，字母「H」的高度依次遞增或者遞減。
在上述技術方案的基礎上，所述超小表面子結構包括納米金棒、介質層、金反射層，納米金棒位於上表面，介質層位於中間，金反射層位於最下方。
在上述技術方案的基礎上，每個超小表面子結構的尺寸都是亞波長量級。
本發明還提供上述基於金屬材料的微結構類陣列波導光柵的實現方法，包括以下步驟：
S1、計算空間光系統在金屬表面微結構上的入射光及對應出射光的角度；
S2、根據計算的出射光角度，設計金屬表面微結構的具體周期大小，使其與空間光系統相適應；
S3、組合光路，進行封裝測試，實現輸入光信號經過光纖準直器陣列後，被光纖準直器陣列準直成平行光，該平行光經過透鏡組合，被沿著不同方向擴束，再經過分光光柵，被分為單通道的不同波長的信號，並且經過相應透鏡組合，匯聚到金屬表面微結構進行光切換，金屬表面微結構的梯度超小表面對入射光提供梯度的相位突變，將正入射電磁波完全反射到所設計的光返回角度上，通過角度改變，進行切光以及轉換；最後不同波長的光被切換並沿著不同通道，反射回到光纖準直器陣列中去，實現陣列波導光柵的功能。
在上述技術方案的基礎上，所述金屬表面微結構為方塊「□」型的周期梯度組合，在一個周期內，方塊「□」的長度、寬度依次遞增或者遞減。
在上述技術方案的基礎上，所述金屬表面微結構為飛鏢「L」型的周期旋轉組合，在一個周期內，飛鏢的兩個臂之間的夾角依次遞增或者遞減。
在上述技術方案的基礎上，所述金屬表面微結構為字母「H」型的周期梯度組合，在一個周期內，字母「H」的高度依次遞增或者遞減。
與現有技術相比，本發明的優點如下：
(1)本發明中金屬表面微結構是在近紅外的光通信波長上工作的，這與現有的可見光及中紅外的金屬表面微結構技術不同。本發明中基於金屬材料的的微結構類陣列波導光柵在光路上通過準直器陣列、透鏡和光柵，使光信號按照不同的波長水平分布在金屬表面微結構上。本發明通過直接控制金屬材料的微結構，使不同波長的入射光通過光路返回到不同的光準直器陣列中，實現不同波長的光信號從不同準直器中輸出，最終實現不同波長的光信號的復用與解復用，其功能與陣列波導光柵技術AWG類似。因此，本發明能夠在近紅外的光通信波長上，通過金屬表面微結構實現不同波長的光信號復用及解復用。
(2)超小表面子結構包括納米金棒、介質層、金反射層，納米金棒位於上表面，介質層位於中間，金反射層位於最下方。納米金棒的下方是一層介質層，而金材料的反射層位於最底部，納米金棒——介質層——金反射層結構能夠使近紅外光在納米金棒和金反射層之間震蕩，以便提高入射光的反射率。經軟體仿真計算，本發明能夠實現近紅外光特定方向的反射，並且反射效率比較高，接近100％。
(3)本發明將金屬表面微結構與空間光系統組合，實現類似AWG的多通道波長分波功能。根據惠更斯原理，特定的電磁波波前可以通過設計相應的梯度超小表面來實現，高阻抗超表面可以完全反射電磁波，並且實現360°範圍的反射相位調控，因此本發明在電磁波波前調控方面具有天然優勢。
附圖說明
圖1是本發明實施例中基於金屬材料的微結構類陣列波導光柵的結構示意圖。
圖2為方塊「□」型的金屬表面微結構、原理及反射示意圖。
圖3為飛鏢「L」型的金屬表面微結構、原理及反射示意圖。
圖4為字母「H」型的金屬表面微結構、原理及反射示意圖。
附圖標記：101-光纖準直器陣列，102-透鏡組合，103-分光光柵，104-金屬表面微結構。
具體實施方式
下面結合附圖及具體實施例對本發明作進一步的詳細描述。
參見圖1所示，本發明實施例提供一種基於金屬材料的微結構類陣列波導光柵，應用在近紅外波段的光通信波長上，該光柵包括光纖準直器陣列101、透鏡組合102、分光光柵103、金屬表面微結構104，金屬表面微結構104包括若干超小表面子結構，超小表面子結構包括納米金棒、介質層、金反射層，其中：納米金棒位於上表面，介質層位於中間，金反射層位於最下方。
參見圖1所示，輸入光信號經過光纖準直器陣列101後，被光纖準直器陣列101準直成平行光，參見圖1中光纖準直器陣列101、透鏡組合102之間的帶箭頭直線所示，該平行光經過透鏡組合102，被沿著不同方向擴束，再經過分光光柵103，被分為單通道的不同波長的信號，並且經過相應透鏡組合102，匯聚到金屬表面微結構104進行光切換。金屬表面微結構104的表面帶有周期的梯度變化，稱為梯度超小表面；金屬表面微結構104的梯度超小表面對入射光提供梯度的相位突變，將正入射電磁波完全反射到所設計的光返回角度上，通過角度改變，進行切光以及轉換；最後不同波長的光被切換並沿著不同通道，反射回到光纖準直器陣列101中去，從而實現AWG的功能。
當近紅外光照射到金屬表面微結構104的梯度超小表面時，若干超小表面子結構作為次波源的輻射場，相位各不相同，並呈線性分布，從而形成斜方向的輻射波前，入射光被金屬表面微結構104表面異常反射，滿足廣義斯涅耳定律。經軟體仿真計算該結構可以實現近紅外光特定方向的反射，並且反射效率比較高、接近100％。
本發明實施例還提供上述基於金屬材料的微結構類陣列波導光柵的實現方法，包括以下步驟：
S1、計算空間光系統在金屬表面微結構104上的入射光及對應出射光的角度，這是現有技術；
S2、根據計算的出射光角度，設計金屬表面微結構104的具體周期大小，使其與空間光系統相適應。這種特殊的金屬表面微結構，包括所有周期變化的各類微結構，可以是方塊「□」型的周期梯度組合，參見圖2所示，在一個周期內，方塊「□」的長度、寬度可以依次遞增，也可以依次遞減；可以是飛鏢「L」型的周期旋轉組合，參見圖3所示，在一個周期內，飛鏢的兩個臂之間的夾角可以依次遞增，也可以依次遞減；還可以是字母「H」型的周期梯度組合，參見圖4所示，在一個周期內，字母「H」的高度依次遞增，也可以依次遞減。
方塊「□」型、飛鏢「L」型、字母「H」型這三種金屬表面微結構，都是周期變化的結構，其表面對入射光提供梯度的相位突變，並且每個超小表面子結構的尺寸都是亞波長量級。
參見圖2所示，方塊「□」型的金屬表面微結構按照一定的大小規律逐漸變化，形成一個小的結構單元，這些小周期單元，再組合成一個大的周期結構，以便對所有的入射光子都進行反射偏折。同樣，飛鏢「L」型、字母「H」型的金屬表面微結構也是如此。飛鏢「L」型的金屬表面微結構按照兩個臂之間的夾角周期變化，字母「H」型的金屬表面微結構按照「H」的高度周期變化。納米金棒的下方是一層介質層，而金材料的反射層位於最底部，這樣的納米金棒——介質層——金反射層結構能夠使近紅外光在納米金棒和金反射層之間震蕩，以便提高入射光的反射率。
S3、組合光路，進行封裝測試，實現輸入光信號經過光纖準直器陣列101後，被光纖準直器陣列101準直成平行光，參見圖1中光纖準直器陣列101、透鏡組合102之間的帶箭頭直線所示，該平行光經過透鏡組合102，被沿著不同方向擴束，再經過分光光柵103，被分為單通道的不同波長的信號，並且經過相應透鏡組合102，匯聚到金屬表面微結構104進行光切換。金屬表面微結構104的梯度超小表面對入射光提供梯度的相位突變，將正入射電磁波完全反射到所設計的光返回角度上，通過角度改變，進行切光以及轉換；最後不同波長的光被切換並沿著不同通道，反射回到光纖準直器陣列101中去，從而實現AWG的功能。
本發明實施例的原理詳細闡述如下：
AWG是密集波分復用系統(DWDM)中的首選技術。一組具有相等長度差的陣列波導形成的光柵，具有分波的能力，其原理為：含有多個波長的復用信號光經中心輸入信道波導輸出後，在輸入平板波導內發生衍射，到達輸入凹面光柵上進行功率分配，並耦合進入陣列波導區。因陣列波導端面位於光柵圓的圓周上，所以衍射光以相同的相位到達陣列波導端面上。經陣列波導傳輸後，因相鄰的陣列波導保持有相同的長度差ΔL，因而在輸出凹面光柵上，相鄰陣列波導的某一波長的輸出光具有相同的相位差，對於不同波長的光，此相位差不同，於是不同波長的光在輸出平板波導中發生衍射，並聚焦到不同的輸出信道波導位置，經輸出信道波導輸出後，完成了波長分配即解復用功能。這一過程的逆過程，即如果信號光反向輸入，則完成復用功能，原理相同。
最近，人們提出了特殊的電磁表面概念，通過設計非均勻人工微結構來實現亞波長尺度下的任意電磁相位分布，根據惠更斯原理實現任意波前調控。根據惠更斯原理，特定的電磁波波前可以通過設計相應的梯度超小表面來實現，高阻抗超表面可以完全反射電磁波並且實現360°範圍的反射相位調控，因此在電磁波波前調控方面具有天然優勢。
本發明的出發點就是將傳統的AWG晶片的功能與特殊的人工微結構結合，通過控制非均勻人工微結構來實現亞波長尺度下的任意電磁相位分布，實現光的相位控制，以及不同的波長光的分別輸出——即AWG的類似功能。
電磁波照射到金屬導體上會發生鏡面反射，如果在金屬表面加入一層厚度遠小于波長的梯度特異介質，它在x處的相對介電常數和磁導率用εM(x)，μM(x)表示。分析發現，如果滿足εM(x)＝μM(x)＝1+ξx/(2k0d)，系統的反射相位滿足線性分布，反射相位沿x方向的梯度為ξ＝dΦ/dx，k0是真空中的波矢，d是特異介質的厚度。模展開理論計算及數值模擬證明，當ξ<k0時，垂直入射的電磁波會被超表面斜反射，而當ξ增大時，電磁波的反射角度也跟著增大，這就是梯度超小表面實現的奇異反射現象。想實現εM(x)＝μM(x)的梯度超小表面異常困難。若要實現線性反射相位分布，可以選擇[ε]M(x)＝const，μM(x)或[ε]M(x)，μM(x)＝const的梯度超小表面，這三種模型其本質都是為了實現梯度折射率分布，從而達到線性反射相位分布。基於[ε]M(x)＝const，μM(x)的模型系統，已經有人在微波波段設計並製備了三塊梯度超小表面，並且通過數值模擬和遠場實驗證明，ξ＝0.4k0和ξ＝0.8k0的梯度超小表面會將正入射電磁波完全反射至23°和53°的方向上。
將這種能控制光束的金屬微小的結構與空間光系統組合起來，即可以實現許多不同波長的光按照不同埠分別輸出。
本發明所舉的例子只是基於金屬材料的微結構代替陣列波導光柵的設計諸多例子的一個特例，本領域的技術人員可以對本發明實施例進行各種修改和變型，倘若這些修改和變型在本發明權利要求及其等同技術的範圍之內，則這些修改和變型也在本發明的保護範圍之內。說明書中未詳細描述的內容為本領域技術人員公知的現有技術。