本發(fā)明涉及光通信領(lǐng)域，具體是涉及一種基于金屬材料的微結(jié)構(gòu)類陣列波導(dǎo)光柵及其實(shí)現(xiàn)方法。

背景技術(shù)：

WDM(Wavelength Division Multiplexing，波分復(fù)用)技術(shù)是允許在一根光纖上面?zhèn)鬏敹嗦废嗷オ?dú)立的波長(zhǎng)帶，這樣便可提供多路通道和高得多的通信容量，使得通信容量隨可復(fù)用波長(zhǎng)的數(shù)目成倍的增長(zhǎng)。在光纖通信中，波分復(fù)用系統(tǒng)中經(jīng)歷著從點(diǎn)到點(diǎn)系統(tǒng)到透明光網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)變，經(jīng)歷著從以往的電光轉(zhuǎn)換到全光交換的裝變，DWDM(Dense Wavelength Division Multiplexing，密集波分復(fù)用)已成為當(dāng)今光纖通信的首選技術(shù)，尤其在長(zhǎng)距離、骨干網(wǎng)中已獲得廣泛的應(yīng)用。

AWG(Arrayed Waveguide Grating，陣列波導(dǎo)光柵)器件是一種角色散型無(wú)源器件，它基于PLC(Planar Light-wave Circuit，平面光回路)技術(shù)。與其它波分復(fù)用器件相比，AWG器件具有設(shè)計(jì)靈活、插入損耗低、濾波性能好、長(zhǎng)期穩(wěn)定、易與光纖耦合等優(yōu)點(diǎn)。

此外，AWG還比較容易與光放大器、半導(dǎo)體激光器等有源器件結(jié)合，實(shí)現(xiàn)單片集成，因此AWG成為DWDM光網(wǎng)絡(luò)中最理想的器件，是當(dāng)今研究熱點(diǎn)。AWG波分復(fù)用器是光通信密集波分復(fù)用系統(tǒng)的關(guān)鍵器件，在功能上它可以用作波分復(fù)用解復(fù)用、光路分插復(fù)用、光交叉連接、波長(zhǎng)路由及波長(zhǎng)檢測(cè)；在性能上具有波長(zhǎng)間隔小、信道數(shù)多、輸出平坦、插入損耗小、串?dāng)_低、信號(hào)畸變小、誤碼率低、結(jié)構(gòu)緊湊、利于集成、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。

中國(guó)市場(chǎng)的光通信芯片主要依賴外國(guó)供應(yīng)商。因此，找到中國(guó)自己的AWG芯片設(shè)計(jì)或者替代方案是非常重要的。

目前金屬的微小表面結(jié)構(gòu)技術(shù)大多聚集在基礎(chǔ)研究階段，波長(zhǎng)主要在中紅外和可見光波段。國(guó)內(nèi)外在光通信平臺(tái)上少有研究金屬微小表面結(jié)構(gòu)技術(shù)的，基本沒有應(yīng)用在光通信上。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了克服上述背景技術(shù)的不足，提供一種基于金屬材料的微結(jié)構(gòu)類陣列波導(dǎo)光柵及其實(shí)現(xiàn)方法，能夠在近紅外的光通信波長(zhǎng)上，通過金屬表面微結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)不同波長(zhǎng)的光信號(hào)復(fù)用及解復(fù)用。

本發(fā)明提供一種基于金屬材料的微結(jié)構(gòu)類陣列波導(dǎo)光柵，該光柵應(yīng)用在近紅外波段的光通信波長(zhǎng)上，該光柵包括光纖準(zhǔn)直器陣列、透鏡組合、分光光柵、金屬表面微結(jié)構(gòu)，金屬表面微結(jié)構(gòu)包括若干超小表面子結(jié)構(gòu)，輸入光信號(hào)經(jīng)過光纖準(zhǔn)直器陣列后，被光纖準(zhǔn)直器陣列準(zhǔn)直成平行光，該平行光經(jīng)過透鏡組合，被沿著不同方向擴(kuò)束，再經(jīng)過分光光柵，被分為單通道的不同波長(zhǎng)的信號(hào)，并且經(jīng)過相應(yīng)透鏡組合，匯聚到金屬表面微結(jié)構(gòu)進(jìn)行光切換；金屬表面微結(jié)構(gòu)的表面帶有周期的梯度變化，稱為梯度超小表面；金屬表面微結(jié)構(gòu)的梯度超小表面對(duì)入射光提供梯度的相位突變，將正入射電磁波完全反射到所設(shè)計(jì)的光返回角度上，通過角度改變，進(jìn)行切光以及轉(zhuǎn)換；最后不同波長(zhǎng)的光被切換并沿著不同通道，反射回到光纖準(zhǔn)直器陣列中去，實(shí)現(xiàn)陣列波導(dǎo)光柵的功能；

當(dāng)近紅外光照射到金屬表面微結(jié)構(gòu)的梯度超小表面時(shí)，若干超小表面子結(jié)構(gòu)作為次波源的輻射場(chǎng)，相位各不相同，并呈線性分布，從而形成斜方向的輻射波前，入射光被金屬表面微結(jié)構(gòu)表面異常反射，滿足廣義斯涅耳定律，實(shí)現(xiàn)近紅外光特定方向的反射。

在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，所述金屬表面微結(jié)構(gòu)為方塊“□”型的周期梯度組合，在一個(gè)周期內(nèi)，方塊“□”的長(zhǎng)度、寬度依次遞增或者遞減。

在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，所述金屬表面微結(jié)構(gòu)為飛鏢“L”型的周期旋轉(zhuǎn)組合，在一個(gè)周期內(nèi)，飛鏢的兩個(gè)臂之間的夾角依次遞增或者遞減。

在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，所述金屬表面微結(jié)構(gòu)為字母“H”型的周期梯度組合，在一個(gè)周期內(nèi)，字母“H”的高度依次遞增或者遞減。

在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，所述超小表面子結(jié)構(gòu)包括納米金棒、介質(zhì)層、金反射層，納米金棒位于上表面，介質(zhì)層位于中間，金反射層位于最下方。

在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，每個(gè)超小表面子結(jié)構(gòu)的尺寸都是亞波長(zhǎng)量級(jí)。

本發(fā)明還提供上述基于金屬材料的微結(jié)構(gòu)類陣列波導(dǎo)光柵的實(shí)現(xiàn)方法，包括以下步驟：

S1、計(jì)算空間光系統(tǒng)在金屬表面微結(jié)構(gòu)上的入射光及對(duì)應(yīng)出射光的角度；

S2、根據(jù)計(jì)算的出射光角度，設(shè)計(jì)金屬表面微結(jié)構(gòu)的具體周期大小，使其與空間光系統(tǒng)相適應(yīng)；

S3、組合光路，進(jìn)行封裝測(cè)試，實(shí)現(xiàn)輸入光信號(hào)經(jīng)過光纖準(zhǔn)直器陣列后，被光纖準(zhǔn)直器陣列準(zhǔn)直成平行光，該平行光經(jīng)過透鏡組合，被沿著不同方向擴(kuò)束，再經(jīng)過分光光柵，被分為單通道的不同波長(zhǎng)的信號(hào)，并且經(jīng)過相應(yīng)透鏡組合，匯聚到金屬表面微結(jié)構(gòu)進(jìn)行光切換，金屬表面微結(jié)構(gòu)的梯度超小表面對(duì)入射光提供梯度的相位突變，將正入射電磁波完全反射到所設(shè)計(jì)的光返回角度上，通過角度改變，進(jìn)行切光以及轉(zhuǎn)換；最后不同波長(zhǎng)的光被切換并沿著不同通道，反射回到光纖準(zhǔn)直器陣列中去，實(shí)現(xiàn)陣列波導(dǎo)光柵的功能。

在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，所述金屬表面微結(jié)構(gòu)為方塊“□”型的周期梯度組合，在一個(gè)周期內(nèi)，方塊“□”的長(zhǎng)度、寬度依次遞增或者遞減。

在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，所述金屬表面微結(jié)構(gòu)為飛鏢“L”型的周期旋轉(zhuǎn)組合，在一個(gè)周期內(nèi)，飛鏢的兩個(gè)臂之間的夾角依次遞增或者遞減。

在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，所述金屬表面微結(jié)構(gòu)為字母“H”型的周期梯度組合，在一個(gè)周期內(nèi)，字母“H”的高度依次遞增或者遞減。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)如下：

(1)本發(fā)明中金屬表面微結(jié)構(gòu)是在近紅外的光通信波長(zhǎng)上工作的，這與現(xiàn)有的可見光及中紅外的金屬表面微結(jié)構(gòu)技術(shù)不同。本發(fā)明中基于金屬材料的的微結(jié)構(gòu)類陣列波導(dǎo)光柵在光路上通過準(zhǔn)直器陣列、透鏡和光柵，使光信號(hào)按照不同的波長(zhǎng)水平分布在金屬表面微結(jié)構(gòu)上。本發(fā)明通過直接控制金屬材料的微結(jié)構(gòu)，使不同波長(zhǎng)的入射光通過光路返回到不同的光準(zhǔn)直器陣列中，實(shí)現(xiàn)不同波長(zhǎng)的光信號(hào)從不同準(zhǔn)直器中輸出，最終實(shí)現(xiàn)不同波長(zhǎng)的光信號(hào)的復(fù)用與解復(fù)用，其功能與陣列波導(dǎo)光柵技術(shù)AWG類似。因此，本發(fā)明能夠在近紅外的光通信波長(zhǎng)上，通過金屬表面微結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)不同波長(zhǎng)的光信號(hào)復(fù)用及解復(fù)用。

(2)超小表面子結(jié)構(gòu)包括納米金棒、介質(zhì)層、金反射層，納米金棒位于上表面，介質(zhì)層位于中間，金反射層位于最下方。納米金棒的下方是一層介質(zhì)層，而金材料的反射層位于最底部，納米金棒——介質(zhì)層——金反射層結(jié)構(gòu)能夠使近紅外光在納米金棒和金反射層之間震蕩，以便提高入射光的反射率。經(jīng)軟件仿真計(jì)算，本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)近紅外光特定方向的反射，并且反射效率比較高，接近100％。

(3)本發(fā)明將金屬表面微結(jié)構(gòu)與空間光系統(tǒng)組合，實(shí)現(xiàn)類似AWG的多通道波長(zhǎng)分波功能。根據(jù)惠更斯原理，特定的電磁波波前可以通過設(shè)計(jì)相應(yīng)的梯度超小表面來(lái)實(shí)現(xiàn)，高阻抗超表面可以完全反射電磁波，并且實(shí)現(xiàn)360°范圍的反射相位調(diào)控，因此本發(fā)明在電磁波波前調(diào)控方面具有天然優(yōu)勢(shì)。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例中基于金屬材料的微結(jié)構(gòu)類陣列波導(dǎo)光柵的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為方塊“□”型的金屬表面微結(jié)構(gòu)、原理及反射示意圖。

圖3為飛鏢“L”型的金屬表面微結(jié)構(gòu)、原理及反射示意圖。

圖4為字母“H”型的金屬表面微結(jié)構(gòu)、原理及反射示意圖。

附圖標(biāo)記：101-光纖準(zhǔn)直器陣列，102-透鏡組合，103-分光光柵，104-金屬表面微結(jié)構(gòu)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。

參見圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例提供一種基于金屬材料的微結(jié)構(gòu)類陣列波導(dǎo)光柵，應(yīng)用在近紅外波段的光通信波長(zhǎng)上，該光柵包括光纖準(zhǔn)直器陣列101、透鏡組合102、分光光柵103、金屬表面微結(jié)構(gòu)104，金屬表面微結(jié)構(gòu)104包括若干超小表面子結(jié)構(gòu)，超小表面子結(jié)構(gòu)包括納米金棒、介質(zhì)層、金反射層，其中：納米金棒位于上表面，介質(zhì)層位于中間，金反射層位于最下方。

參見圖1所示，輸入光信號(hào)經(jīng)過光纖準(zhǔn)直器陣列101后，被光纖準(zhǔn)直器陣列101準(zhǔn)直成平行光，參見圖1中光纖準(zhǔn)直器陣列101、透鏡組合102之間的帶箭頭直線所示，該平行光經(jīng)過透鏡組合102，被沿著不同方向擴(kuò)束，再經(jīng)過分光光柵103，被分為單通道的不同波長(zhǎng)的信號(hào)，并且經(jīng)過相應(yīng)透鏡組合102，匯聚到金屬表面微結(jié)構(gòu)104進(jìn)行光切換。金屬表面微結(jié)構(gòu)104的表面帶有周期的梯度變化，稱為梯度超小表面；金屬表面微結(jié)構(gòu)104的梯度超小表面對(duì)入射光提供梯度的相位突變，將正入射電磁波完全反射到所設(shè)計(jì)的光返回角度上，通過角度改變，進(jìn)行切光以及轉(zhuǎn)換；最后不同波長(zhǎng)的光被切換并沿著不同通道，反射回到光纖準(zhǔn)直器陣列101中去，從而實(shí)現(xiàn)AWG的功能。

當(dāng)近紅外光照射到金屬表面微結(jié)構(gòu)104的梯度超小表面時(shí)，若干超小表面子結(jié)構(gòu)作為次波源的輻射場(chǎng)，相位各不相同，并呈線性分布，從而形成斜方向的輻射波前，入射光被金屬表面微結(jié)構(gòu)104表面異常反射，滿足廣義斯涅耳定律。經(jīng)軟件仿真計(jì)算該結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)近紅外光特定方向的反射，并且反射效率比較高、接近100％。

本發(fā)明實(shí)施例還提供上述基于金屬材料的微結(jié)構(gòu)類陣列波導(dǎo)光柵的實(shí)現(xiàn)方法，包括以下步驟：

S1、計(jì)算空間光系統(tǒng)在金屬表面微結(jié)構(gòu)104上的入射光及對(duì)應(yīng)出射光的角度，這是現(xiàn)有技術(shù)；

S2、根據(jù)計(jì)算的出射光角度，設(shè)計(jì)金屬表面微結(jié)構(gòu)104的具體周期大小，使其與空間光系統(tǒng)相適應(yīng)。這種特殊的金屬表面微結(jié)構(gòu)，包括所有周期變化的各類微結(jié)構(gòu)，可以是方塊“□”型的周期梯度組合，參見圖2所示，在一個(gè)周期內(nèi)，方塊“□”的長(zhǎng)度、寬度可以依次遞增，也可以依次遞減；可以是飛鏢“L”型的周期旋轉(zhuǎn)組合，參見圖3所示，在一個(gè)周期內(nèi)，飛鏢的兩個(gè)臂之間的夾角可以依次遞增，也可以依次遞減；還可以是字母“H”型的周期梯度組合，參見圖4所示，在一個(gè)周期內(nèi)，字母“H”的高度依次遞增，也可以依次遞減。

方塊“□”型、飛鏢“L”型、字母“H”型這三種金屬表面微結(jié)構(gòu)，都是周期變化的結(jié)構(gòu)，其表面對(duì)入射光提供梯度的相位突變，并且每個(gè)超小表面子結(jié)構(gòu)的尺寸都是亞波長(zhǎng)量級(jí)。

參見圖2所示，方塊“□”型的金屬表面微結(jié)構(gòu)按照一定的大小規(guī)律逐漸變化，形成一個(gè)小的結(jié)構(gòu)單元，這些小周期單元，再組合成一個(gè)大的周期結(jié)構(gòu)，以便對(duì)所有的入射光子都進(jìn)行反射偏折。同樣，飛鏢“L”型、字母“H”型的金屬表面微結(jié)構(gòu)也是如此。飛鏢“L”型的金屬表面微結(jié)構(gòu)按照兩個(gè)臂之間的夾角周期變化，字母“H”型的金屬表面微結(jié)構(gòu)按照“H”的高度周期變化。納米金棒的下方是一層介質(zhì)層，而金材料的反射層位于最底部，這樣的納米金棒——介質(zhì)層——金反射層結(jié)構(gòu)能夠使近紅外光在納米金棒和金反射層之間震蕩，以便提高入射光的反射率。

S3、組合光路，進(jìn)行封裝測(cè)試，實(shí)現(xiàn)輸入光信號(hào)經(jīng)過光纖準(zhǔn)直器陣列101后，被光纖準(zhǔn)直器陣列101準(zhǔn)直成平行光，參見圖1中光纖準(zhǔn)直器陣列101、透鏡組合102之間的帶箭頭直線所示，該平行光經(jīng)過透鏡組合102，被沿著不同方向擴(kuò)束，再經(jīng)過分光光柵103，被分為單通道的不同波長(zhǎng)的信號(hào)，并且經(jīng)過相應(yīng)透鏡組合102，匯聚到金屬表面微結(jié)構(gòu)104進(jìn)行光切換。金屬表面微結(jié)構(gòu)104的梯度超小表面對(duì)入射光提供梯度的相位突變，將正入射電磁波完全反射到所設(shè)計(jì)的光返回角度上，通過角度改變，進(jìn)行切光以及轉(zhuǎn)換；最后不同波長(zhǎng)的光被切換并沿著不同通道，反射回到光纖準(zhǔn)直器陣列101中去，從而實(shí)現(xiàn)AWG的功能。

本發(fā)明實(shí)施例的原理詳細(xì)闡述如下：

AWG是密集波分復(fù)用系統(tǒng)(DWDM)中的首選技術(shù)。一組具有相等長(zhǎng)度差的陣列波導(dǎo)形成的光柵，具有分波的能力，其原理為：含有多個(gè)波長(zhǎng)的復(fù)用信號(hào)光經(jīng)中心輸入信道波導(dǎo)輸出后，在輸入平板波導(dǎo)內(nèi)發(fā)生衍射，到達(dá)輸入凹面光柵上進(jìn)行功率分配，并耦合進(jìn)入陣列波導(dǎo)區(qū)。因陣列波導(dǎo)端面位于光柵圓的圓周上，所以衍射光以相同的相位到達(dá)陣列波導(dǎo)端面上。經(jīng)陣列波導(dǎo)傳輸后，因相鄰的陣列波導(dǎo)保持有相同的長(zhǎng)度差ΔL，因而在輸出凹面光柵上，相鄰陣列波導(dǎo)的某一波長(zhǎng)的輸出光具有相同的相位差，對(duì)于不同波長(zhǎng)的光，此相位差不同，于是不同波長(zhǎng)的光在輸出平板波導(dǎo)中發(fā)生衍射，并聚焦到不同的輸出信道波導(dǎo)位置，經(jīng)輸出信道波導(dǎo)輸出后，完成了波長(zhǎng)分配即解復(fù)用功能。這一過程的逆過程，即如果信號(hào)光反向輸入，則完成復(fù)用功能，原理相同。

最近，人們提出了特殊的電磁表面概念，通過設(shè)計(jì)非均勻人工微結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)亞波長(zhǎng)尺度下的任意電磁相位分布，根據(jù)惠更斯原理實(shí)現(xiàn)任意波前調(diào)控。根據(jù)惠更斯原理，特定的電磁波波前可以通過設(shè)計(jì)相應(yīng)的梯度超小表面來(lái)實(shí)現(xiàn)，高阻抗超表面可以完全反射電磁波并且實(shí)現(xiàn)360°范圍的反射相位調(diào)控，因此在電磁波波前調(diào)控方面具有天然優(yōu)勢(shì)。

本發(fā)明的出發(fā)點(diǎn)就是將傳統(tǒng)的AWG芯片的功能與特殊的人工微結(jié)構(gòu)結(jié)合，通過控制非均勻人工微結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)亞波長(zhǎng)尺度下的任意電磁相位分布，實(shí)現(xiàn)光的相位控制，以及不同的波長(zhǎng)光的分別輸出——即AWG的類似功能。

電磁波照射到金屬導(dǎo)體上會(huì)發(fā)生鏡面反射，如果在金屬表面加入一層厚度遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)的梯度特異介質(zhì)，它在x處的相對(duì)介電常數(shù)和磁導(dǎo)率用εM(x)，μM(x)表示。分析發(fā)現(xiàn)，如果滿足εM(x)＝μM(x)＝1+ξx/(2k₀d)，系統(tǒng)的反射相位滿足線性分布，反射相位沿x方向的梯度為ξ＝dΦ/dx，k₀是真空中的波矢，d是特異介質(zhì)的厚度。模展開理論計(jì)算及數(shù)值模擬證明，當(dāng)ξ<k₀時(shí)，垂直入射的電磁波會(huì)被超表面斜反射，而當(dāng)ξ增大時(shí)，電磁波的反射角度也跟著增大，這就是梯度超小表面實(shí)現(xiàn)的奇異反射現(xiàn)象。想實(shí)現(xiàn)εM(x)＝μM(x)的梯度超小表面異常困難。若要實(shí)現(xiàn)線性反射相位分布，可以選擇[ε]M(x)＝const，μM(x)或[ε]M(x)，μM(x)＝const的梯度超小表面，這三種模型其本質(zhì)都是為了實(shí)現(xiàn)梯度折射率分布，從而達(dá)到線性反射相位分布?；赱ε]M(x)＝const，μM(x)的模型系統(tǒng)，已經(jīng)有人在微波波段設(shè)計(jì)并制備了三塊梯度超小表面，并且通過數(shù)值模擬和遠(yuǎn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)證明，ξ＝0.4k₀和ξ＝0.8k₀的梯度超小表面會(huì)將正入射電磁波完全反射至23°和53°的方向上。

將這種能控制光束的金屬微小的結(jié)構(gòu)與空間光系統(tǒng)組合起來(lái)，即可以實(shí)現(xiàn)許多不同波長(zhǎng)的光按照不同端口分別輸出。

本發(fā)明所舉的例子只是基于金屬材料的微結(jié)構(gòu)代替陣列波導(dǎo)光柵的設(shè)計(jì)諸多例子的一個(gè)特例，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明實(shí)施例進(jìn)行各種修改和變型，倘若這些修改和變型在本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則這些修改和變型也在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。說(shuō)明書中未詳細(xì)描述的內(nèi)容為本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。