一種基于人工微結構超表面的圓偏振光分離器的設計方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于光信息傳輸及光學忍片集成領域，尤其設及一種基于人工微結構超表 面的圓偏振光分離器的設計方法。
【背景技術】
[0002] 隨著信息技術的發展，高清電視、移動互聯網、云計算等技術正深刻地改變著人們 的生活，運些技術的發展無不對信息傳輸效率提出了更高的要求。自從高瑕1965年發明光 纖W來，人類在信息傳輸速率上取得了極大的提高，并在此基礎上發明了波分復用等技術， W提高傳輸容量。而事實上，光子自旋狀態是光子的本征狀態，分為左旋和右旋，兩者相互 正交，如果能在自旋狀態上加 W復用，勢必會極大提高現有的信息傳輸容量。由于缺乏有效 的工具，在均勻空間中很難將線偏振光中的不同自旋狀態的光束分離出來。得益于近年來 人工微結構超表面一一人工制備具有各種特性的結構單元組成的平面一一研究的發展，提 供了 一種方便實用的實現方式。
【發明內容】
[0003] 本發明的目的是提供一種基于人工微結構超表面的圓偏振光分離器的設計方法。
[0004] 本發明解決其技術問題所采用的技術方案包括如下步驟：
[0005] 步驟(1)在600nm~20um的可見光到中紅外的波長帶寬范圍內，選擇需要的工作波 長。入射線偏振光垂直照射人工微結構超表面，根據所需要的左右旋光的出射方向，計算出 在人工微結構超表面上所需要的相位梯度分布，W每四個人工微結構超表面上的結構單元 為一個大周期結構，計算出每個結構單元的周期。
[0006] 根據所需要的左右旋光的出射方向，計算出在人工微結構超表面上所需要的相位 梯度分布。根據廣義Snel 1定律，折射公式表示為：
[0007]
W
[000引其中，λ為入射光束波長，且在均勻空氣中，沿Z軸正方向正入射光束，故nt=m = l， sin(0i)=0。因此得到；
[0009]
授）
[0010] 即通過表面相位梯度分布的變化改變出射光束的偏轉角0t。在人工微結構超表面 上，W四個周期結構為一個大周期結構的設計中，保證每一個大周期的相位變化為360°。設 人工微結構超表面中每一個結構的周期常數為P，則能夠得到：
[00"]
(3)
[001^ 將(3)式帶人(2)式，得到：
[001 引
（4)
[0014] 式(4)中，λ為入射光束波長是已知，確定好出射光的偏轉角θ*，從而計算出人工微 結構超表面上的結構單元的周期。運種周期采用的是四邊形結構的周期排列方式。
[0015] 步驟(2)采用在工作波長損耗低的柱體結構作為人工微結構超表面的基本單元， 將得到的相位梯度分布結合平面上的周期性結構單元確定具體的相位值。
[0016] 在每四個周期結構組成的大周期結構中，相位的排列方式分為X偏振方向和y偏振 方向，兩個偏振方向的相位延遲是相互獨立的，互不影響。且對于任意一個偏振方向，一個 大周期結構的四個周期結構中，相鄰兩個的相位延遲是相同的，另外兩個的相位延遲也是 相同的，它們之間的相位差為180%保證了在一個大周期的結構中，相位梯度的變化為 360°。運樣，在人工微結構超表面上，形成了人為的表面橫向波矢ij，表面橫向波矢累^的 大小表不為：
[0017]
微
[0018] 由于在大周期結構中，兩種結構相位差為180°的原因，使得人工微結構超表面的 相位梯度變化的正負兩個方向上，均存在相位梯度，即波矢^的方向有兩個，同時存在向 左和向右兩個方向的波矢裹^。
[0019] 同樣在自由空間中空氣的折射率為1。入射線偏振光在空氣中的波矢用蠢J表示， 其方向沿光的傳播方向，即Z軸正方向，大小表示為：
[0020]
(6)
[0021] 根據公式(5)、（6)也計算出出射角：
[0022]
(7)
[0023] 將公式(5)、（6)帶入公式(7)可W得到公式(4)。
[0024] 在X和y兩個偏振方向的相位延遲梯度中，它們之間的相位排列在X方向有一個周 期P的空間排列差值。運個空間排列差值保證了出射的光束為左旋和右旋偏振光。
[0025] 當偏振方向與X軸夾角為45°方向的線偏振光入射時，出射光的兩個方向中，左邊 方向的偏振光為左旋偏振光，右邊方向的偏振光為右旋偏振光；當偏振方向與X軸夾角為- 45°方向的線偏振光入射時，出射光的兩個方向中，左邊方向的偏振光為右旋偏振光，右邊 方向的偏振光為左旋偏振光。
[0026] 步驟(3)根據每個基本單元的相位要求設計相應的具體實現結構，最終組合形成 人工微結構超表面。在選取結構單元的材料中，主要考察因素為在工作波段介電常數高且 損耗低，因此其材料包括但不限于娃(Si),錯(Ge)，二氧化鐵(Ti〇2)等一系列符合要求的材 料。同時，其結構單元用柱狀結構實現。包含四邊柱狀，圓柱狀，楠圓柱狀在內的一系列結 構。
[0027] 本發明有益效果如下：
[0028] 本發明通過設計人工微結構超表面，將特定的入射線偏振光調制，并在給定的方 向實現所需得到的自旋光。
[0029] 本發明成功實現了調制自旋光的傳播方向，改變入射線偏振光的偏振方向，使得 左右旋光的出射方向互換。本發明采用了在工作波段損耗低的娃和二氧化娃材料，具有透 過率高、損耗低等特點。
【附圖說明】
[0030] 圖1(a)為通過人工微結構超表面實現透射方向可調的對稱式光子自旋分離示意 圖，入射線偏振光的偏振方向與X軸夾角為45°。
[0031] 圖1(b)為通過人工微結構超表面實現透射方向可調的對稱式光子自旋分離示意 圖，入射線偏振光的偏振方向與X軸夾角為-45°。
[0032] 圖2(a)為人工微結構超表面的相位分布示意圖，入射線偏振光的偏振方向與X軸 夾角為45°。
[0033] 圖2(b)為人工微結構超表面的相位分布示意圖，入射線偏振光的偏振方向與X軸 夾角為-45°。
[0034] 圖3為人人工微結構超表面單元的結構示意圖。
[0035] 圖4為人工微結構超表面的結構示意圖。
[0036] 圖5 (a)為X方向線偏振入射光的出射能量分布圖。
[0037] 圖5 (b)為y方向線偏振入射光的出射能量分布圖。
[0038] 圖6 (a)為X方向線偏振入射光的出射能量方向圖。
[0039] 圖6(b)為y方向線偏振入射光的出射能量方向圖。
[0040] 圖7(a)為X方向線偏振入射光的出射X方向電場圖。
[0041 ]圖7 (b)為y方向線偏振入射光的出射y方向電場圖。
[0042] 圖8 (a)為45°線偏振入射光的左出射方向X方向電場和y方向電場分布圖。
[0043] 圖8 (b)為45°線偏振入射光的右出射方向X方向電場和y方向電場分布圖。
[0044] 圖9 (a)為-45°線偏振入射光的左出射方向X方向電場和y方向電場分布圖。
[0045] 圖9(b)為-45°線偏振入射光的右出射方向X方向電場和y方向電場分布圖。
【具體實施方式】
[0046] 下面結合附圖對本發明作進一步說明。
[0047] -種基于人工微結構超表面的圓偏振光分離器的設計方法，具體包括W下步驟：
[0048] 步驟(1)在600nm~20um的可見光到中紅外的波長帶寬范圍內，選擇需要的工作波 長。入射線偏振光垂直照射人工微結構超表面，根據所需要的左右旋光的出射方向，計算出 在人工微結構超表面上所需要的相位梯度分布，W每四個人工微結構超表面上的結構單元 為一個大周期結構，計算出每個結構單元的周期。
[0049] 如圖1所示，入射線偏振光沿Z軸正方向傳播，垂直照射人工微結構超表面，在所需 得到的電磁場分布平面有左右兩個光斑，分別對應左右旋光，它們與Z軸的夾角Θ*即是旋光 的出射方向。根據廣義Snell定律，折射公式可W表示為：
[(K)加]
0)
[0化1]運里設入射波波長為λ，在均勻空氣中，沿Z軸正方向正入射光束。nt = m = l，sin (θι)=〇。因此得到：
[00對
（巧
[0053] 通過出射光束的偏轉角Θ*可W確定人工微結構超表面上的相位梯度變化。W四個 周期結構為一個大周期結構的設計中，保證每一個大周期的相位變化為360°。設人工微結 構超表面中每一個結構的周期常數為P，則可W得到：
[0054]
(3)
[0化5] 將(3)式帶入(2)式，得到：
[0056]
(4)
[0057] 式(4)中，λ是已知的，確定好出射光Θ*的方向角度，就可W計算出人工微結構超表 面上的結構單元的周期。運種周期采用的是四邊形結構的周期排列方式。
[0058] 步驟(2)在每四個周期結構組成的大周期結構中，相位的排列方式分為X偏振方向 和y偏振方向，兩個偏振方向的相位延遲是相互獨立的，互不影響。且對于任意一個偏振方 向，一個大周期結構的四個周期結構中，