基于逆向设计的超表面透镜锥型波导及其波前整形方法.pdf

(19)国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN115903130A(43)申请公布日2023.04.04(21)申请号202211498280.4(22)申请日2022.11.28(71)申请人之江实验室地址311121浙江省杭州市余杭区之江实验室南湖总部(72)发明人侯茂菁马蔚骆瑞琦刘冠东(74)专利代理机构北京志霖恒远知识产权代理有限公司11435专利代理师戴莉(51)Int.Cl.G02B6/122(2006.01)G02B6/124(2006.01)G02B27/00(2006.01)G02B27/09(2006.01)权利要求书1页说明书5页附图2页(54)发明名称基于逆向设计的超表面透镜锥型波导及其波前整形方法(57)摘要本发明公开了一种基于逆向设计的超表面透镜锥型波导及其波前整形方法，该波导包括输入多模波导端，超表面透镜区域，锥形区域以及输出单模波导端。超表面透镜区域和紧凑的锥形区域通过拓扑优化逆向设计，连接在光信号输入端和输出端之间，光信号经过超表面透镜区域聚焦到锥形区域从输出端输出。本发明基于水平集方法对器件进行拓扑优化逆向设计，利用片上超表面透镜实现了短距离的聚焦，大大地缩短了锥形区域的长度，且插损仅不到1db。本发明主要结合超表面透镜的聚焦效应和逆向设计的优化方法，通过对片上集成光的调控，为在芯片上实现波前整形提供了新的方式，进一步迈向更小型化更紧凑的集成光学器件。CN115903130ACN115903130A权利要求书1/1页1.基于逆向设计的超表面透镜锥型波导，其特征在于，包括：用于传输光信号的输入多模波导端、超表面透镜区域、用于聚焦的锥形区域和用于传输光波的输出单模波导端，所述超表面透镜区域和所述锥形区域被均匀地划分为若干个单元结构并通过拓扑优化逆向设计连接在所述输入多模波导端和输出单模波导端之间；波信号由所述输入多模波导端输入，通过逆向设计的所述超表面透镜区域聚焦到所述锥形区域，经所述单模波导端输出。2.如权利要求1所述的基于逆向设计的超表面透镜锥型波导，其特征在于：所述超表面透镜区域和所述锥形区域的设计方法具体为：根据传统超表面透镜的原理通过相位分布公式确定超透镜聚焦所需要的空间相位，得到满足聚焦相位分布要求的每个单元结构，从而获得初始的结构参数，在初始的结构参数的基础上通过逆向设计进一步优化结构参数。3.如权利要求1所述的基于逆向设计的超表面透镜锥型波导，其特征在于：所述超表面透镜区域和所述锥形区域根据硅基微纳制造工艺不同的精度来划分为不同大小N×N的单元结构，再通过拓扑逆向设计优化结构形状。4.如权利要求1所述的基于逆向设计的超表面透镜锥型波导，其特征在于：所述超表面透镜区域和所述锥形区域被均匀划分成的每个单元结构材料属性为空气或者硅材料，通过调控所述超表面透镜区域中的每个单元结构的材料属性状态来调控目标器件的性能。5.如权利要求1所述的基于逆向设计的超表面透镜锥型波导，其特征在于：所述超表面透镜区域和所述锥形区域逆向设计所采用的优化方法包括基于梯度的优化算法、基于非梯度的优化算法以及基于深度学习的数据驱动算法。6.如权利要求5所述的基于逆向设计的超表面透镜锥型波导，其特征在于：所述基于梯度的优化算法包括伴随法、水平集法；所述基于非梯度的优化算法包括遗传算法、粒子群算法、二元搜索算法、模拟退火算法。7.如权利要求1所述的基于逆向设计的超表面透镜锥型波导，其特征在于：所述超紧凑片上超表面透镜锥型波导采用SOI工艺制造，制造工艺包括光刻、电子束曝光、聚焦离子束刻蚀、纳米压印。8.一种基于权利要求1‑7任一项所述的超表面透镜锥型波导的波前整形方法：其特征在于，包括如下步骤：S1、将超表面透镜区域和所述锥形区域均匀地划分为若干个单元结构；S2、根据输入多模波导端连接的传统光波导器件的参数，通过传统超表面透镜的原理并依据相位分布公式确定超透镜聚焦所需要的空间相位，得到满足聚焦相位分布要求的每个单元结构，从而获得初始的结构参数；S3、在初始的结构参数的基础上通过逆向设计进一步优化结构参数；S4、通过调控所述超表面透镜区域中的每个单元结构的材料属性状态来调控目标器件的性能；S5、将输入多模波导端、逆向设计的超表面透镜区域和锥形区域、输出单模波导端依次相连集成在硅光芯片上；S6、将传统光波导器件与多模波导端相连，依次通过所述的逆向设计的超表面透镜区域和锥形区域，实现波前整形，最后经所述的输出单模波导端输出光信号。2CN115903130A说明书1/5页基于逆向设计的超表面透镜锥型波导及其波前整形方法技术领域[0001]本发明涉及微纳光学及光学芯片集成领域，尤其是涉及一种基于逆向设计的超表面透镜锥型波导及其波前整形方法。背景技术[0002]超表面（Metasurface），又称二维超材料（