一种片上和自由空间复用的全息超表面的设计方法

本发明涉及光学、集成光子学和光通信信息加密领域，具体涉及一种片上和自由空间复用的全息超表面的设计方法。

背景技术：

1、大多数超表面由自由空间光驱动，利用自由空间光的波长、偏振，入射角度等自由度以实现光束偏转、聚焦和全息等功能，这使得它在芯片上难以进一步集成。同时小型化和通用光子系统的持续趋势要求以更紧凑、多功能、可配置和cmos兼容的方式实现更复杂的器件功能，这对传统光子集成电路提出了新的挑战。而纳米制造技术的不断提高，为片上超表面提供了技术支持。超表面与波导相结合能够为光子集成器件注入新的自由度，实现更复杂的功能。

2、目前已有的片上超表面研究主要是利用迂回相位(detourphase)的调控机理进行片上全息显示，或者将迂回相位与几何相位(pb phase)相结合来实现片上复用，但这些调控机理相对单一，且几何相位决定了超表面只能工作在圆极化光下，这一定程度上限制了片上超表面的应用。

技术实现思路

1、本发明提供了一种片上和自由空间复用的全息超表面的设计方法，基于片上及自由空间超表面的全息显示方法，能够解决片上超表面应用受限问题，并提供一种新的超表面全息显示复用思路，通过结合迂回相位和共振相位原理能够实现在同一波长下的三通道全息复用。

2、本发明提供一种片上片外超表面的设计方法，将构成超表面的纳米块单元结构的结构参数作为第一相位影响因素，将超表面的纳米块单元结构之间相对距离作为第二相位影响因素，结合两种相位影响因素对超表面纳米块单元的几何结构及相对位置进行排布设计，使得超表面在波导入射光及自由空间入射光下在自由空间指定位置能产生不同的目标全息图。

3、一种片上和自由空间复用的全息超表面的设计方法，包括以下步骤：

4、1)、设计超表面的结构；

5、2)、计算超表面中硅纳米块在片上输入光源和自由空间输入光源下的共振相位响应分布及透过率分布；

6、步骤2)中，计算超表面中硅纳米块在片上输入光源和自由空间输入光源下的共振相位响应分布及透过率分布，具体包括：

7、在片上输入光源和自由空间输入光源的同一工作波长下，通过时域有限差分方法计算具有不同几何尺寸的硅纳米块在片上输入光源下的共振相位响应谱、在超表面中光波导层内传输的透过率分布以及在不同极化的自由空间输入光源下的共振相位响应谱和透过率分布；

8、3)、设计不同全息图案，输入到gs(gerchberg-saxton)算法中，得到全息图像对应的超表面的相位分布，生成3个超表面的相位分布；

9、4)、根据步骤2)得到的共振相位响应分布及透过率分布以及步骤3)得到的超表面的相位分布来确定超表面上所有硅纳米块的几何尺寸和相对位置；

10、5)根据步骤4.1)获得的超表面上所有硅纳米块的几何尺寸和步骤4.4)获得的超表面上所有硅纳米块的相对位置确定片上和自由空间复用的全息超表面的结构，完成设计。

11、步骤1)中，所述超表面包括二氧化硅衬底、设置在所述二氧化硅衬底上的光波导层以及设置在所述光波导层上的单原子非晶硅纳米块结构阵列，所述单原子非晶硅纳米块结构阵列包括若干个具有相同高度、在片上不同排布位置的硅纳米块。

12、步骤1)中，所述的光波导层为氮化硅光波导层或铌酸锂光波导层。

13、步骤2)中，不同极化为x线性极化和y线性极化。

14、步骤4)中，根据步骤2)得到的共振相位响应分布及透过率分布以及步骤3)得到的超表面的相位分布来确定超表面上所有硅纳米块的几何尺寸和相对位置，具体包括：

15、4.1)首先利用共振相位原理，将步骤3)得到的3个超表面的相位分布中的2个与步骤2)中得到的在不同极化的自由空间输入光源下的共振相位响应谱相对应，并保证最后得到的硅纳米块对应的透过率都大于80％，确定超表面上所有硅纳米块的几何尺寸；

16、4.2)步骤4.1)获得的超表面上所有硅纳米块的几何尺寸与步骤2)获得的具有不同几何尺寸的硅纳米块在片上输入光源下的共振相位响应谱相对应，得到片上输入光源下的超表面共振相位分布；

17、4.3)将步骤3)得到的3个超表面的相位分布中剩下的1个与步骤4.2)得到的片上输入光源下的超表面共振相位分布相减，得到片上输入光源下的超表面迂回相位分布；

18、4.4)利用迂回相位原理，通过输入步骤4.3)获得的片上输入光源下的超表面迂回相位分布计算得到超表面上所有硅纳米块的相对位置。

19、与现有技术相比，本发明具有如下优点：

20、一、本发明中，将构成超表面的纳米块单元的结构参数作为第一相位影响因素，将超表面的纳米块单元结构之间相对距离作为第二相位影响因素，结合两种相位影响因素对超表面纳米块单元的几何结构及相位位置进行排布设计，使得超表面在波导入射光及自由空间入射光下在自由空间指定位置产生不同的目标全息相位，从而实现片上片外的三通道全息复用。

21、二、本发明创新性地提出一种结合共振相位和迂回相位设计超表面的方法，能够在同一波长下，实现波导和自由空间入射下的三通道全息复用效果。

22、二、本发明在波导上方放置的单原子纳米块拓展了光场调控的自由度，所设计的周期和单元几何尺寸均为亚波长尺度，能够保证远场的高分辨率全息成像。

23、三、本发明波导和自由空间入射均为同一波长，采用较少的自由度来实现多通道的全息复用，且达到几乎无串扰的效果，成像清晰，有望应用于光学信息加密等领域。

24、四、工艺简单，设备小型化，易于集成。

技术特征：

1.一种片上和自由空间复用的全息超表面的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的片上和自由空间复用的全息超表面的设计方法，其特征在于，步骤1)中，所述超表面包括二氧化硅衬底、设置在所述二氧化硅衬底上的光波导层以及设置在所述光波导层上的单原子非晶硅纳米块结构阵列，所述单原子非晶硅纳米块结构阵列包括若干个具有相同高度、在片上不同排布位置的硅纳米块。

3.根据权利要求1所述的片上和自由空间复用的全息超表面的设计方法，其特征在于，步骤1)中，所述的光波导层为氮化硅光波导层或铌酸锂光波导层。

4.根据权利要求1所述的片上和自由空间复用的全息超表面的设计方法，其特征在于，步骤2)中，计算超表面中硅纳米块在片上输入光源和自由空间输入光源下的共振相位响应分布及透过率分布，具体包括：

5.根据权利要求1所述的片上和自由空间复用的全息超表面的设计方法，其特征在于，步骤2)中，不同极化为x线性极化和y线性极化。

6.根据权利要求1所述的片上和自由空间复用的全息超表面的设计方法，其特征在于，步骤4)中，根据步骤2)得到的共振相位响应分布及透过率分布以及步骤3)得到的超表面的相位分布来确定超表面上所有硅纳米块的几何尺寸和相对位置，具体包括：

技术总结
本发明公开了一种片上和自由空间复用的全息超表面的设计方法，包括：设计超表面的结构；计算超表面中硅纳米块在片上输入光源和自由空间输入光源下的共振相位响应分布及透过率分布；设计不同全息图案，输入到GS算法中，得到全息图像对应的超表面的相位分布，生成3个超表面的相位分布；根据共振相位响应分布及透过率分布以及步骤3)得到的超表面的相位分布来确定超表面上所有硅纳米块的几何尺寸和相对位置，确定片上和自由空间复用的全息超表面的结构，完成设计。本发明能够解决片上超表面应用受限问题，并提供一种新的超表面全息显示复用思路，通过结合迂回相位和共振相位原理能够实现在同一波长下的三通道全息复用。

技术研发人员：李雯雯,马蔚,熊波,储涛
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15