近日，哈爾濱工業(yè)大學(xué)(深圳)徐科教授、宋清海教授課題組，提出一種基于像素編碼的片上數(shù)字型超構(gòu)透鏡，因其靈活的設(shè)計(jì)自由度而具備強(qiáng)大的光場調(diào)控能力。該工作以折疊級聯(lián)的方式構(gòu)建了高度緊湊的色散元件，結(jié)合重構(gòu)算法實(shí)現(xiàn)了片上集成的高分辨率光譜儀。文章提出的數(shù)字型超構(gòu)透鏡可顯著提升面內(nèi)光束聚焦、準(zhǔn)直和偏轉(zhuǎn)能力。所設(shè)計(jì)的級聯(lián)折疊型超構(gòu)透鏡組能夠很好地解決傳統(tǒng)色散光譜儀尺寸和分辨率互為矛盾的問題。結(jié)合重構(gòu)算法，該器件以100 μm ×100 μm的緊湊尺寸在近紅外波段超過35 nm的波長范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了0.14 nm的分辨率，并且可以完成任意光譜的重構(gòu)和解析。該光譜儀完全通過標(biāo)準(zhǔn)硅光工藝制造，在系統(tǒng)級集成和CMOS兼容性方面具有優(yōu)勢。所提出的超構(gòu)透鏡結(jié)構(gòu)還可移植到氮化硅或其他光子集成平臺，以輕松擴(kuò)展到可見光或中紅外波長等波段，為成像、光學(xué)計(jì)算等其他應(yīng)用提供有力的光場調(diào)控方案。該研究成果以“Folded digital meta-lenses for on-chip spectrometer”為題于2023年4月11日在線發(fā)表在《Nano Letters》上。
隨著物聯(lián)網(wǎng)、消費(fèi)電子等應(yīng)用領(lǐng)域的不斷發(fā)展，對光譜儀的小型化提出了更高的要求。近40年里，光譜儀的微型化技術(shù)經(jīng)歷了從基于分立器件技術(shù)到集成光學(xué)技術(shù)的發(fā)展，逐漸趨于低成本和片上集成化。近年來，受到自由空間超構(gòu)表面波前調(diào)控的啟發(fā)，基于超構(gòu)波導(dǎo)的一些平面內(nèi)衍射光網(wǎng)絡(luò)正在成為片上光波操縱的有力工具。目前已報道的片上超構(gòu)系統(tǒng)都是基于各單元長度不等的傳輸陣列，結(jié)構(gòu)規(guī)則簡單但設(shè)計(jì)自由度受限，導(dǎo)致系統(tǒng)集成度和功能的局限性。如何突破設(shè)計(jì)自由度的限制，是提升片上超構(gòu)表面光場調(diào)控能力以及拓展應(yīng)用的關(guān)鍵。借助超構(gòu)表面強(qiáng)大的光學(xué)操控能力，有望突破傳統(tǒng)片上光譜儀分辨率和器件尺寸相互制約的矛盾。
為了解決設(shè)計(jì)自由度受限的問題，文章提出了一種基于像素編碼的數(shù)字型超構(gòu)表面。基本思想為求解超構(gòu)表面目標(biāo)相位分布。為降低算力消耗，我們將目標(biāo)區(qū)域劃分為多個單元，通過逆向設(shè)計(jì)對每個單元圖案分別進(jìn)行編碼，在平面任意區(qū)域?qū)崿F(xiàn)任意相位響應(yīng)。與數(shù)字型超構(gòu)波導(dǎo)在局部區(qū)域內(nèi)的原位控制不同，本文提出的數(shù)字型超構(gòu)表面可以整體操縱面內(nèi)波衍射及其在整個平板區(qū)域內(nèi)的傳播。這種特性使該結(jié)構(gòu)能夠設(shè)計(jì)連續(xù)大相位梯度的高色散數(shù)字型超構(gòu)透鏡，允許光束在緊湊的尺寸內(nèi)實(shí)現(xiàn)聚焦、準(zhǔn)直和大角度彎曲等類似幾何光學(xué)透鏡的功能。具體設(shè)計(jì)原理如圖1所示。
圖1. 基于數(shù)字型超構(gòu)表面的超構(gòu)透鏡逆向設(shè)計(jì)原理。(a)超構(gòu)透鏡在1550 nm處的光彎曲 (θ=45°)和聚焦(f = 19.5 μm)的射線光學(xué)演示。(b)透鏡的理想相位輪廓曲線(φ)，可視為45°彎曲相位曲線 (φ1)和聚焦相位曲線(φ2)的疊加。I:計(jì)算的絕對相位，II:對應(yīng)的菲涅耳相位。(c)每個單元的優(yōu)化器件圖案和對應(yīng)的理想相位曲線(φ)。(d) 計(jì)算出的理想相位掩模(黑色實(shí)線)與所設(shè)計(jì)超構(gòu)透鏡的模擬相位響應(yīng)(紅色虛線)之間的比較。(e)所設(shè)計(jì)單個超構(gòu)透鏡的模擬光場分布。(f)模擬超構(gòu)透鏡的焦點(diǎn)AI不同波長下沿x'軸的偏移。插圖為不同波長下焦點(diǎn)的橫截面光場分布圖。
要實(shí)現(xiàn)更高的波長分辨率，需要累積色差和增加光程。為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)效果，本文設(shè)計(jì)并制備了一種基于五層折疊超構(gòu)透鏡的光譜儀，器件尺寸僅為100 μm×100 μm。該器件的模擬光場和實(shí)測結(jié)果如圖2所示。圖2(a)中的五層超構(gòu)透鏡功能不同，透鏡I用于準(zhǔn)直擴(kuò)束輸入光同時轉(zhuǎn)折光路，透鏡II-IV則承擔(dān)著累積色散和波長分束的作用。受到讀出波導(dǎo)間距的限制，此時該器件直接讀出的分辨率約為1 nm (圖2(d))。為了進(jìn)一步提高光譜儀性能以及器件的制備容差，在色散分光的基礎(chǔ)上引入了光譜重構(gòu)算法。
圖2. 基于五層折疊超構(gòu)透鏡的光譜儀。(a)五層折疊超構(gòu)透鏡光譜儀在1550 nm處的模擬光場分布。(b)器件尺寸為100 μm×100 μm的光譜儀顯微鏡圖像。插圖:超構(gòu)透鏡和輸出波導(dǎo)陣列的局部電鏡圖像。(c)器件實(shí)測的輸出強(qiáng)度與輸入波長的映射圖。(d)兩個相鄰輸出通道11和12的透射光譜，通道間距約為1 nm。(e)譜相關(guān)函數(shù)C(δλ)的半高半寬δλ為0.108 nm，與光譜儀的估計(jì)分辨率相對應(yīng)。
為了體現(xiàn)光譜儀的性能，構(gòu)造了幾種不同類型的預(yù)編程光譜來測試光譜儀的性能。重構(gòu)光譜見圖3。結(jié)果表明，結(jié)合重構(gòu)算法后，該光譜儀的光譜分辨率提升至0.14 nm(圖3(a))，整體工作帶寬覆蓋1530 nm-1565 nm，且性能在邊帶依舊保持穩(wěn)定(圖3(c))。此外，對于同時具有寬高斯背景和窄帶單峰特征的復(fù)雜頻譜(圖3(d))，本文提出的片上光譜儀依舊能與商用光譜儀保持良好的一致性。
圖3. 使用基于五個折疊超構(gòu)透鏡的片上光譜儀進(jìn)行光譜重建(實(shí)線表示重建光譜，虛線表示商用光譜儀測試結(jié)果)。(a)兩條相隔約0.14 nm的窄光譜線的重建光譜。(b)距離約20.61 nm的雙峰重建光譜。(c)在工作帶寬上分別重建7處不同波長的窄帶光譜。(d)寬帶光源入射的重建光譜。
此文提出的基于數(shù)字型超構(gòu)透鏡的片上光譜儀在超過35 nm的波長范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了0.14 nm的分辨率。整體尺寸僅為100 μm ×100 μm，最小特征尺寸為120 nm，可通過標(biāo)準(zhǔn)硅光工藝大規(guī)模制造。該設(shè)計(jì)方案具有可移植性，使用氮化硅或其他集成平臺，基于超構(gòu)透鏡的光譜儀可以擴(kuò)展到可見光或中紅外波長。目前器件的數(shù)據(jù)讀出依賴于片外功率計(jì)，可以通過集成片上光電探測器陣列來改善。此外，片上數(shù)字型超構(gòu)透鏡作為一種功能強(qiáng)大的片上光場調(diào)控器件，在成像、光計(jì)算等領(lǐng)域也有應(yīng)用潛力。
