反射式超构表面空分复用器件及光电子器件

本发明涉及光电子器件领域，具体地，涉及反射式超构表面空分复用器件及光电子器件。

背景技术：

1、光纤通信是利用光波作载波，以光纤作为传输介质的通信方式。光纤的传输容量大、距离远、抗干扰性强、信号衰减小，传输速率远大于电缆和无线电，已成为世界通信中主要传输方式。

2、随着社会发展和技术进步，人们所需求的信息量增大，目前单芯单模光纤的传输容量已经接近极限，而多芯光纤能够以空分复用的概念提高单根光纤单位面积上的集成密度，因此，空分复用/解复用器件成为了未来的重要发展方向。在空分复用的过程中涉及到光纤不同纤芯之间的高效耦合，一般通过光纤束熔融拉锥、在块状介质中用激光直写体波导或基于空间光路等方法实现。但这些方式均具有体积较大的缺点，不利于集成光子器件场合，另外制造工艺都较为复杂，难以保证各通道的均匀性。

3、超构表面作为一种近年来迅速发展的技术，可以很好的简化复杂的三维光学结构。超构表面是一种通过周期性排列离散的亚波长结构所形成的二维阵列，通过选取合适的材料、改变微结构的结构参数，能够实现对特定波长的电磁波的振幅、相位、偏振等特性的调制。随着例如离子束刻蚀、电子束曝光等微结构的加工工艺已经日趋成熟，超构表面器件的加工精度不断提高，并以其独特的平面结构、极高的调制精度和设计灵活性受到了人们的关注。目前超构表面器件的性能已经能够与传统光学器件媲美，甚至在一些特殊应用场合具有超越传统器件的性能。由于超表面体积小、重量轻、设计灵活等优势，很适合应用到光纤通信的场合。

技术实现思路

1、针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种反射式超构表面空分复用器件及光电子器件，通过在基底一侧加工生成经过精确设计的超构表面和另一侧的反射镜来调制进入和离开器件的光场，使得输入光纤中的光信号可以传输到接收光纤对应位置的纤芯中。该技术可以实现小型化、平面化的空分复用器件，并可以通过改变超构表面结构来提高整体的耦合效率，或适配不同的输入输出纤芯数量。以适用于四芯光纤到四根单模光纤的超构表面扇入扇出器件为例，器件大小635微米*127微米，厚度仅为600毫米左右。

2、根据本发明提供的一种反射式超构表面空分复用器件，包括基底、超构表面以及反射镜，超构表面位于基底的一侧，且超构表面的位置分别与输入端光纤和输出端光纤位置相对应，反射镜位于基底的另一侧；反射镜将光场反射回到超构表面，超构表面优化光场从输入端到输出端的传播结果。

3、优选的，超构表面是一种由亚波长尺度的微结构在二维以周期性排列形成阵列，超构表面通过微结构对进入和离开该器件的光信号的调制作用。

4、优选的，超构表面对从输入光纤入射的光场进行调控，待光束在基底中传播至下一个表面经反射镜反射回后，超构表面对其进行二次调控，使入射光束最终传播至需要耦合的纤芯位置，且转换成满足需要的光纤中的模式。

5、优选的，超构表面包括第一超构表面和第二超构表面，第二超构表面分布于第一超构表面周边；

6、第一超构表面初步调制使光场经过反射后指向对应输出端光纤纤芯位置，第二超构表面进一步地将光场能量汇聚到光纤的纤芯中。

7、优选的，第一超构表面的直径为40-45微米。

8、优选的，第二超构表面的直径为120-130微米。

9、优选的，输入端光纤和输出端光纤的数量相等或不相等。

10、优选的，超构表面的微结构包括但不限于圆柱结构，微结构的结构形态满足对工作波长的光波调制需求。

11、优选的，反射镜的材料采用取得高反射率的材料或具有高反射特性的复合介质膜。

12、本发明还提供了一种光电子器件，包括反射式超构表面空分复用器件。

13、与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

14、(1)本发明中超构表面单元可以调制输入端纤芯出射的光场，控制其传播进入需要耦合的输出端纤芯；而超构表面空分复用器件无需对现有的光纤参数进行重新设计，可以根据市场上已被广泛应用的产品的参数进行针对性的设计、制造、加工及大规模流片，具有广泛的适用性和灵活性；同时，本发明为平面结构，厚度可以在1毫米以下，应用时可以直接插入一组光纤(或光集成器件)一侧，实现方便快捷的集成，并且由于该器件为非接触式，因此不会带来损伤端面的风险，方便后续的封装，也可以极大系统的体积；

15、(2)本发明中的超构表面，可以通过仿真计算优化得到高性能低损耗的调制效果，并且可以根据实际情况的需要进行灵活、精确的功能设计，以满足在不同场合的应用；另外由于超构表面的调制原理，生产制造过程中误差带来的影响也能够得到降低；因此，采用超构表面的策略加工方便，可以在提高调制精度的同时简化生产制造流程，降低成本，并实现大规模的生产；

16、(3)本发明中的超构表面虽然加工在基底一侧，但由于反射层的存在，光场仍然能够受到两次调制，调制效果远优于单层超构表面器件；工作时输入端与器件间的距离也可以让光纤端面的出射光发散扩大，增加了调制面积，解决了由于光纤纤芯过小无法直接进行精细光场调制的困难，通过反射前后的一组超构表面单元进行共同调制，可以有效实现10微米以下的单模光纤纤芯之间的连接；

17、(4)本发明中的超构表面单元可以采用不同的微结构调制策略，例如采用不同材料以适应不同工作波长下的应用场景，可以针对不同的输入偏振状态实现不同的输出响应，也可以采用更加复杂的复合结构实现消色差等更多功能。

技术特征：

1.一种反射式超构表面空分复用器件，其特征在于，包括基底、超构表面以及反射镜，所述超构表面位于所述基底的一侧，且所述超构表面的位置分别与输入端光纤和输出端光纤位置相对应，所述反射镜位于所述基底的另一侧；所述反射镜将光场反射回到超构表面，所述超构表面优化光场从输入端到输出端的传播结果。

2.根据权利要求1所述的反射式超构表面空分复用器件，其特征在于，所述超构表面是一种由亚波长尺度的微结构在二维以周期性排列形成阵列，所述超构表面通过微结构对进入和离开该器件的光信号的调制作用。

3.根据权利要求2所述的反射式超构表面空分复用器件，其特征在于，所述超构表面对从所述输入光纤入射的光场进行调控，待光束在所述基底中传播至下一个表面经所述反射镜反射回后，所述超构表面对其进行二次调控，使入射光束最终传播至需要耦合的纤芯位置，且转换成满足需要的光纤中的模式。

4.根据权利要求3所述的反射式超构表面空分复用器件，其特征在于，所述超构表面包括第一超构表面和第二超构表面，所述第二超构表面分布于所述第一超构表面周边；

5.根据权利要求4所述的反射式超构表面空分复用器件，其特征在于，所述第一超构表面的直径为40-45微米。

6.根据权利要求4所述的反射式超构表面空分复用器件，其特征在于，所述第二超构表面的直径为120-130微米。

7.根据权利要求1所述的反射式超构表面空分复用器件，其特征在于，所述输入端光纤和所述输出端光纤的数量相等或不相等。

8.根据权利要求2所述的反射式超构表面空分复用器件，其特征在于，所述超构表面的微结构包括但不限于圆柱结构，所述微结构的结构形态满足对工作波长的光波调制需求。

9.根据权利要求1所述的反射式超构表面空分复用器件，其特征在于，所述反射镜的材料采用取得高反射率的材料或具有高反射特性的复合介质膜。

10.一种光电子器件，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的反射式超构表面空分复用器件。

技术总结
本发明提供了一种涉及光电子器件领域的反射式超构表面空分复用器件及光电子器件，包括基底、超构表面以及反射镜，超构表面位于基底的一侧，且超构表面的位置分别与输入端光纤和输出端光纤位置相对应，反射镜位于基底的另一侧；反射镜将光场反射回到超构表面，超构表面优化光场从输入端到输出端的传播结果。本发明在空分复用场合，以多芯光纤的复用/解复用过程为例，通过超构表面的调控，可以用单层超构表面和薄膜反射层，在短距离内实现多芯光纤与单模光纤之间的耦合。

技术研发人员：杜江兵,赵鹏九,何祖源
受保护的技术使用者：上海交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/5/6