首页 > 论文 > 光通信研究 > 43卷 > 6期(pp:38-41)

基于硅基超表面材料的光功率分配技术研究(特邀)

Study on Optical Power Splitting Technique based on Silicon Metasurfaces(Invited)

  • 摘要
  • 论文信息
  • 参考文献
  • 被引情况
  • PDF全文
分享:

摘要

超表面材料在与光场相互作用时表现出独特的光学特性和许多有趣的物理现象,基于此材料制作的光电子功能器件对光场的调控能力有望被提升至新高。文章以光纤通信系统中的光功率分配应用为实例,提出了一种基于硅基超表面材料的新型光功率分配方案。首先,通过优化设计硅基超表面的单元结构,使其在1 458~1 593 nm波长范围内的相位偏振转化效率超过90%,而无偏振转化的效率则控制在1.2%以下; 其次,研究了相邻硅纳米砖之间的光场耦合效应,将其对相位精度的影响降至最低; 最后,利用优化设计的硅纳米砖结构,实现了4种不同的光功率分配方式,并通过仿真加以验证。设计和仿真结果表明,基于硅基超表面材料的光功率分配技术具有结构紧凑、效率高、偏振不敏感、宽带响应、设计灵活、制造上与半导体制造工艺兼容等突出优点,有望成为未来超密、任意、智能功率分配的首选技术途径。

Abstract

In the interaction with the light field, metasurfaces show unique optical properties and many interesting physical phenomena. It is expected that the ability of manipulating the optical wave can be improved by using metasurfaces based optoelectronic devices. In this paper, a new type of optical power splitting scheme based on silicon-based metasurfaces is proposed in optical fiber communication system. The results show that the cross-polarization conversion efficiency with phase delay exceeds 90% while the useless co-polarization conversion efficiency can be compressed into 1.2% within wavelength range of 1 458~1 593 nm by optimizing the unit nanostructure of the silicon-based metasurfaces. In addition, the coupling effect between the adjacent silicon nanobricks is studied in order to reduce their influences on the phase precision. Finally, four different optical power splitting patterns are realized and verified by simulations. The proposed optical power splitting technique based on metasurfaces has the advantages of compact size, high efficiency, polarization-state insensitive, broadband response, flexible design, and compatibility with semiconductor manufacturing process, which can achieve ultra-dense, arbitrary, and intelligent power distribution for the optical communications in the future.

Newport宣传-MKS新实验室计划
补充资料

中图分类号:TN253

DOI:10.13756/j.gtxyj.2017.06.006

所属栏目:特邀稿件

基金项目:国家自然科学基金资助项目(11374235, 11574240, 11774273); 湖北省杰青人才项目(2016CFA034); 武汉邮电科学研究院光纤通信技术和网络国家重点实验室开放基金资助项目(OCTN-201605); 中央高校基本业务费资助项目(2042017kf0235); 武汉市青年科技晨光计划资助项目(2017050304010324)

收稿日期:2017-09-29

修改稿日期:--

网络出版日期:--

作者单位    点击查看

王宇:武汉大学 电子信息学院,武汉 430072
陶金:武汉邮电科学研究院 光纤通信技术和网络国家重点实验室,武汉 430074
刘子晨:武汉邮电科学研究院 光纤通信技术和网络国家重点实验室,武汉 430074
尤全:武汉邮电科学研究院 光纤通信技术和网络国家重点实验室,武汉 430074
杨奇:武汉邮电科学研究院 光纤通信技术和网络国家重点实验室,武汉 430074
刘勇:武汉大学 电子信息学院,武汉 430072武汉大学 空间信息智能感知国测局工程技术研究中心,武汉 430072
毛庆洲:武汉大学 测绘遥感信息工程国家重点实验室,武汉 430079
吴伟标:武汉大学 电子信息学院,武汉 430072
何平安:武汉大学 电子信息学院,武汉 430072武汉大学 空间信息智能感知国测局工程技术研究中心,武汉 430072
李松:武汉大学 电子信息学院,武汉 430072武汉大学 空间信息智能感知国测局工程技术研究中心,武汉 430072
郑国兴:武汉大学 电子信息学院,武汉 430072武汉邮电科学研究院 光纤通信技术和网络国家重点实验室,武汉 430074武汉大学 空间信息智能感知国测局工程技术研究中心,武汉 430072

联系人作者:郑国兴(gxzheng@whu.edu.cn)

备注:王宇(1994-),男,湖北麻城人。硕士,主要研究方向为超表面光学。

【1】Chong K E, Staude I, James A, et al. Polarization-independent Silicon Metadevices for Efficient Optical Wavefront Control [J]. Nano Letters, 2015, 15(8): 5369-5374.

【2】Yu N, Genevet P, Kats M A, et al. Light Propagation with Phase Discontinuities: Generalized Laws of Reflection and Refraction [J]. Science, 2011, 334(6054): 333-337.

【3】Lin D, Fan P, Hasman E, et al. Dielectric Gradient Metasurface Optical Elements [J]. Science, 2014, 345(6194): 298-302.

【4】Khorasaninejad M, Crozier K B. Silicon Nanofin Grating as a Miniature Chirality-Distinguishing Beam-Splitter [J]. Nature Communications, 2014, (5): 5386-5390.

【5】Li Z, Zheng G, He P A, et al. All-Silicon Nanorod-based Dammann Gratings [J]. Optics Letters, 2015, 40(18): 4285-4288.

【6】Khorasaninejad M, Chen W T, Devlin R C, et al. Metalenses at Visible Wavelengths: Diffraction-Limited Focusing and Subwavelength Resolution Imaging [J]. Science, 2016, 352(6290): 1190-1194.

【7】Aieta F, Genevet P, Kats M A, et al. Aberration-Free Ultrathin Flat Lenses and Axicons at Telecom Wavelengths based on Plasmonic Metasurfaces [J]. Nano Letters, 2012, 12(9): 4932-4936.

【8】Yu N, Capasso F. Flat Optics with Designer Metasurfaces [J]. Nature Materials, 2014, 13(2): 139-150.

【9】Zheng G, Mühlenbernd H, Kenney M, et al. Metasurface Holograms Reaching 80% Efficiency [J]. Nature Nanotechnology, 2015, 10(4): 308-312.

【10】Li Z, Kim I, Zhang L, et al. Dielectric Meta-Holograms Enabled with Dual Magnetic Resonances in Visible Light [J]. ACS Nano, 2017,11(9): 9382-9389.

【11】Wen D, Yue F, Li G, et al. Helicity Multiplexed Broadband Metasurface Holograms [J]. Nature Communications, 2015, (6): 8241-8247.

【12】Ni X, Kildishev A V, Shalaev V M. Metasurface Holograms for Visible Light [J]. Nature Communications, 2013, (4): 2807-2812.

【13】Huang L, Chen X, Mühlenbernd H, et al. Three-Dimensional Optical Holography Using a Plasmonic Metasurface [J]. Nature Communications, 2013, (4): 2808-2815.

【14】李子乐.一种透射式硅纳米阵列光分束器:中国, 2015200962548 [P]. 2015-02-11.

【15】Zhao Q, Kang L, Du B, et al. Experimental Demonstration of Isotropic Negative Permeability in a Three-Dimensional Dielectric Composite [J]. Physical Review Letters, 2008, 101(2): 027402.

【16】Gerchberg R W. A Practical Algorithm for the Determination of the Phase from Image and Diffraction Plane Pictures [J]. Optik, 1972, (35): 237-246.

【17】Zheng G, Liu G, Kenney M G, et al. Ultracompact High-Efficiency Polarising Beam Splitter based on Silicon Nanobrick Arrays [J]. Optics Express, 2016, 24(6): 6749-6757.

【18】Zheng G, Wu W, Li Z, et al. Dual Field-of-View Step-zoom Metalens [J]. Optics Letters, 2017, 42(7): 1261-1264.

引用该论文

WANG Yu,TAO Jin,LIU Zi-chen,YOU Quan,YANG Qi,LIU Yong. Study on Optical Power Splitting Technique based on Silicon Metasurfaces(Invited)[J]. Study On Optical Communications, 2017, 43(6): 38-41

王宇,陶金,刘子晨,尤全,杨奇,刘勇,毛庆洲,吴伟标,何平安,李松,郑国兴. 基于硅基超表面材料的光功率分配技术研究(特邀)[J]. 光通信研究, 2017, 43(6): 38-41

您的浏览器不支持PDF插件,请使用最新的(Chrome/Fire Fox等)浏览器.或者您还可以点击此处下载该论文PDF