新加坡国立大学李正国教授团队InfoMat：双向梯度的光波导超构透镜助力高密度光子集成电路

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2021年6月30日，科睿唯安(Clarivate)正式发布2021年科技期刊引证报告(Journal Citation Reports)，InfoMat获得首个影响因子--25.405！

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光子集成电路 (PIC) 为用于通信、计算和传感应用的小型化片上光学系统提供了高效的解决方案。在过去的几十年里，光子集成电路 (PIC) 在片上密集集成方面表现出卓越的优势，用于多种先进的应用，包括超灵敏物理和化学传感、高速数据通信、可编程光子学和光子神经网络（PNN）。聚焦是光学系统中必不可少的基本功能。然而，目前在 PIC 中聚焦光的方法是使用长度为数百微米的锥形波导，这导致 PIC 占用空间的浪费。由于 PIC 的密集集成要求，需要在有限的区域内实现高效的光聚。其中主要的参考指标为匹配在亚波长尺度上的超小焦距 (f) 和光斑大小 (s)。

实现紧凑型光聚焦在 PIC 上的直观解决方案是将能够有效聚焦光的传统光学器件小型化。传统透镜有两种实现方法，即梯度几何形状（球面、抛物面或菲涅耳透镜）和梯度折射率分布。然而，由于纳米制程的困难，它们在 PIC 中实施具有一定的挑战性。除此之外，超构材料是另一种有效的解决方案，因为它们具有很强的操纵光的能力，并且可以轻松地在纳米尺度下制造。超构材料是具有亚波长单位单元的人造结构，可以灵活有效地操纵电磁 (EM) 波的幅度、相位和偏振。从而可以用于各种应用，如传输调控、偏振检测、全息图、隐形、逻辑运算、光谱仪、和虚拟现实成像。通过各种调谐方法，超构材料还可以实现对电磁波的动态操纵或通过不同的调谐状态执行多功能元器件。作为一种独特的超构材料形式，超构透镜可以利用不同超构材料单元产生的相位分布来实现聚焦、光束扩展和成像。目前，超构透镜通常是为自由空间光学设计的，只有较少的研究针对光波导结构。

为探索利用波导集成超构透镜实现亚波长尺度的聚焦，新加坡国立大学的李正国教授团队和周光亚教授团队提出了一种双向梯度波导集成超构透镜（BOML），以在亚波长范围内实现超小焦距和光斑。通过将传统透镜设计理念中的几何梯度与折射率梯度融合到超构材料的设计中， BOML能够实现在极小空间下的全相位变化，从而减小焦距和光斑尺寸。 BOML 的器件尺寸仅为 168 平方微米，实现了高效的片上聚焦，并具有破纪录的特征（FOM），即波长与焦距/光斑尺寸的比值（0.268 和 2.83）和数值孔径（1.78）。利用菲涅耳透镜的设计，BOML 的尺寸进一步减少了 55.1%，数值孔径提高到 1.9。模式转换和光束控制的演示效率超过 80%，倾斜范围为 7.2°，为用于光通信、光传感、非线性光学和用于深度学习的神经网络的高密度片上光子系统提供了潜力。

该工作在InfoMat上以题为“Subwavelength on-chip light focusing with bigradient all-dielectric metamaterials for dense photonic integration”在线发表（DOI: 10.1002/inf2.12264）。

我们摘取了文章里的几部分重点给大家做个介绍：

1. 双向梯度波导集成超构透镜示意图和工作原理

图1 BOML 的结构和设计原则。(A) BOML 的 3D 示意图。(B) 双向梯度波导集成超构透镜、(C) 几何梯度波导集成超构透镜（GG-OML） 和 (D) 折射率梯度波导集成超构透镜（GRIN-OML） 的顶部和横截面视图。(E) 由长和宽控制的梯度几何和梯度折射率，(F) GG-OML 和 (G) GRIN-OML。（空心蓝色方块代表相应的狭缝长度。）（H）几何梯度和折射率梯度引起的相移。(I) 作为狭缝宽度和长度的函数穿过狭缝的光的传输。 (J) BOML 通过焦距和传输损耗的优化过程。

2. 双向梯度波导集成超构透镜的设计与优化

图2 优化OML的仿真结果。(A) 二维几何形状/位置与 BOML、(B) GG-OML 和 (C) GRIN-OML 的相位之间的关系。下面条形图中的每个蓝色条代表相应位置的插槽形状。上面的红点代表每个槽对应的相位。(D) 焦平面处电场的归一化强度分布，入射红外光沿着 BOML、(E) GG-OML 和 (F) GRIN-OML 的 +y 传播方向。白线代表焦平面。插图：电场在焦平面上的强度分布。白色虚线框所代表的显示器尺寸为6 μm × 1.5 μm。(G) BOML、(H) GG-OML 和 (I) GRIN-OML 的透射、聚焦效率、焦距和光斑尺寸 (FWHM) 的模拟光谱。

3. 双向梯度波导集成超构透镜的表征和测试

图3 BOML优越性的实验证明。(A) 具有七个输出波导的 BOML的 3D 示意图。(B) 测试系统示意图。(C) 制造的 BOML、(D) GG-OML 和 (E) GRIN-OML 的 SEM 图像。(F-H) 光强在 z = 0.25 μm 处的归一化强度分布和不同焦平面上（8、14、20、30 和 40 μm）的测试数据，（F）BOML（G）GG-OML 和（H) GRIN-OML。十字 (×) 表示来自输出波导的测量数据。(I-K) 电场在 z = 0.25 μm 处的归一化强度分布和不同波长（3.65、3.7、3.75 和 3.8 μm）在 Δy 等于相应焦距时的测试数据，(I) BOML, (J) GG-OML , 和 (K) GRIN-OML

4. 双向梯度波导集成超构透镜的菲涅尔设计

图4 具有菲涅耳设计和基准的 BOML 的仿真验证和实验演示。(A) 二维几何形状/位置与 BOML 与菲涅耳设计的相应相位之间的关系。 (B) 使用菲涅耳设计制造的 BOML 的 SEM 图像。(C) 使用菲涅耳设计的 BOML 的模拟透射光谱、聚焦效率、焦距和光斑尺寸 (FWHM)。(D) 光强在 z = 0.25 μm 处的归一化强度分布以及在不同平面上具有不同 BOML Δy 值（8、14、20、30 和 40 μm）的测试数据，采用菲涅耳设计。 (E) 光强在 z = 0.25 μm 处的归一化强度分布和在不同波长（3.65、3.7、3.75 和 3.8 μm）处的测试数据。 (F) 本工作中设计的 λ/f 和 λ/FWHM之前工作中的相应参数的比较。证明BOML有优越的焦距和光斑。

5. 双向梯度波导集成超构透镜的应用 

图5 以BOML为基础的模式转换器和光路偏折器。

在亚波长结构的帮助下，基于 BOML 的片上模式转换和光束控制的实现为片上光操纵提供了一个新的自由度。尽管半导体 (CMOS) 工艺已发展到 3 纳米的技术节点，但由于缺乏用于在芯片上操纵光的紧凑组件，密集光子集成仍存在多种挑战。BOML 提供了一种宏观的设计方法，用于从可见光到红外的片上聚焦，并随着器件工作频率进行缩放。此外，由于没有引入额外的材料， BOML 的设计理念同意可应用于基于其他介电材料（如 SiN，Ge，AlN等）的波导。此外，该工作还为光路分布的导波器件的可能应用提供了新途径。通过可行的调谐方法，可以通过在缝隙中填充其他具有可切换光学特性的材料来实现动态调制，例如纳米光机电系统、电光材料、和相变材料。

该工作发表在InfoMat（DOI: 10.1002/inf2.12264）上。博士研究生任志豪为论文第一作者。

作者简介：

新加坡国立大学李正国教授团队所属于电子与计算机工程系旗下的智能传感与微机电系统（MEMS）中心。团队以面向新一代的人工智能物联网（AIOT）趋势下的各种智能传感技术为研究核心，开发出多种技术主轴的智能传感平台， 包括但不限于智慧家庭，人机交互， 数字映射， 虚拟/增强现实，人工智能，健康监测，光电传感与计算等。目前已有多篇论文发表在science与nature子刊。该团队长期招收相关方向博士生与博士后研究员。

更多详细信息请参考实验室主页https://www.ece.nus.edu.sg/stfpage/elelc/home.html。

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