撰稿|由课题组供稿
近日，哈尔滨工业大学（深圳）徐科教授、宋清海教授课题组针对片上超构透镜系统的动态调谐需求，提出了一种拓扑优化的功能性加热器结构，并结合硅基超构透镜实现了一种可用于动态聚焦和光束扫描的片上电控可调谐超透镜。所提出的调谐方案可以根据目标波前相位定制加热器的几何形状，并通过电调加热方式来控制平板波导的有效折射率，从而精准调控光束的波前相位，进一步基于制备样品成功演示了宽带范围的动态聚焦和光束扫描功能，实验实现了聚焦光束在面内的二维连续扫描(扫描范围为100 μm×25 μm)。与开关阵列或相控阵相比，该方案所需电极数量显著减少(仅需两对电极)，且制备与标准硅光子工艺完全兼容，具有更广泛和强大的通用性，有望应用于波束整形控制、可重构光开关和片上激光雷达等片上集成系统。该研究成果以“On-chip electrically driven tunable meta-lens for dynamic focusing and beam steering”为题于2023年6月17日在线发表在《Laser & Photonics Reviews》上。
随着人工智能、量子信息及微纳光子学的发展，大规模可集成的片上光学系统因其强大的计算能力和并行信号处理能力，已受到人们的广泛关注。受自由空间超构表面波前调控启发，基于各种超构波导结构的片上衍射光网络正在成为导波操纵的有力工具，已应用于光学计算、成像处理、光束整形等领域。近期，课题组已经围绕相关方向研究实现了高性能交叉波导(Laser Photonics Rev. 2023, 17, 2200674)和超高分辨率微型片上光谱仪(Nano Lett. 2023, 23, 8, 3459-3466)。尽管这些新型片上衍射光网络结构的应用前景广阔，但当前所报道的器件结构都是具有静态功能的无源器件，可调性的缺乏最终将限制其进一步发展，而常规的波导调谐机制应用于片上超构系统尚有缺陷，如基于热光和电光效应的传统调谐方案需要更多的电极和更大的芯片面积；相变材料的制备调控较为复杂，很难与CMOS工艺兼容。
针对以上问题，课题组提出了一种片上可调谐超构透镜的设计方案：由基于亚波长槽型阵列的背靠背超构透镜和拓扑优化的功能性加热器组成 (图1)。其中，背靠背的超透镜组用于准直和聚焦，以实现光束在目标焦点处的聚焦；加热器通过优化几何形状来用作移相器，以精确调控波导局部折射率分布，施加不同电压可以控制光学波前相位，实现焦点沿x轴和y轴方向的移动，从而提供动态聚焦和光束转向能力。
图1. 片上可调谐超透镜的设计方案：(a) 用于动态聚焦和光束控制的片上可调谐超透镜结构示意图；(b)-(c) 硅基超透镜的设计尺寸、相位分布、仿真聚焦光谱和焦点半高宽；(d)-(e) 背靠背超透镜在1550 nm波长的模拟光场和传输效率。
根据硅波导的热光效应推论可知，当波导均匀受热时，加热器轮廓与波前相位线性相关。以动态聚焦功能为例，加热器结构的优化设计过程和仿真性能如图2所示。首先，根据理论计算的目标波前相位设计一种抛物线型的加热器，加热器1和加热器2为互补形状，以实现双向变焦，加热器的宽度和间隔经过设计模拟验证，以保证波导均匀受热；其次，基于有限元法建立三维导热模型，并数值计算外加电功率时的波导温度场；之后，基于硅波导的热光系数计算其折射率场分布；最后，基于求解的折射率场分布，并使用有限时域差分法模拟波前相位。经过对比分析，模拟波前相位与目标值具有很好的一致性，进一步通过仿真验证，透镜焦点在不同电功率下沿x方向有明显移动，调谐效率约为120 nm/mW。
图2. 具有动态聚焦功能的加热器的设计与仿真：(a) 设计的结构布局；(b)-(c) 硅波导层在100 mW电功率时的模拟温度场分布和折射率场分布；(d) 理论计算的目标波前相位(实线)和模拟相位(虚线)对比；(d)-(e) 输入光I6随不同电功率(Heater 1 and Heater 2)的仿真平面光场分布和x-向光强分布。
作为实验验证，课题组在硅光子平台上(SOI)制备了11×11端口的可调谐超透镜样品，制备与表征结果如图3所示。器件在1550 nm处的插入损耗小于1 dB，信道串扰小于-15 dB。电调谐实验表明在0-500 mW的外加电功率下，仅使用两对加热器就可以使聚焦光束移动到以初始焦点为中心的100 μm×25 μm区域内任意位置。同时，通过高速方波电信号驱动(频率为5 kHz、幅度为0-6 V)来表征器件的响应时间为~41.2μs。此外，还实验评估了多个并行输入光状态下的器件性能，多个输入端口的光波几乎不会相互干扰，当改变施加的电功率时，多个输入光的光强顺序移动，并可以很好地聚焦到相应的输出端口。实验结果与数值模拟基本吻合。
图3. 用于动态聚焦和光束扫描的片上可调谐超透镜的制备与表征：(a) 制备的样品；(b)输入光I6随不同电功率在输出端口的光强分布变化；(c) 制备样品随电压的时间响应；(d)-(e) 多个输入光（I3、I5、I7和I9）随不同电功率在输出端口的光强分布变化。
本文提出了一种拓扑优化的功能性加热器结构，并演示了片上电控可调谐超构透镜的动态聚焦和光束扫描功能，最大纵向调谐范围为100μm (~20 nm/mW)，最大横向调谐范围为25μm (~20 nm/mW)。该器件的片上损耗小于1 dB，工作带宽为60nm。所提出的调谐方案设计简单，制备工艺与标准硅光子加工平台完全兼容，并可扩展到任意波前整形，这为片上模场调控、开关网络和可重构光子集成回路等提供了一种新的技术方案，具有重要的应用潜力。
论文第一作者为哈尔滨工业大学（深圳）博士刘英杰（现为燕山大学信息学院副教授），论文通讯作者为哈尔滨工业大学（深圳）徐科教授，哈尔滨工业大学（深圳）为通讯单位。该研究工作得到国家自然科学基金、广东省自然科学基金、河北省省级科技计划、深圳市科创委基础研究项目的支持。
论文链接：
https://doi.org/10.1002/lpor.202300330
刘英杰，燕山大学信息学院青年教师，燕山学者优秀人才A类。2022年博士毕业于哈尔滨工业大学（深圳），主要从事高性能硅光子集成器件及智能化设计等方面研究。以第一作者/通讯作者在Nature Communications、Laser & Photonics Reviews等高水平期刊和OFC等会议发表19篇论文，总引用650余次，申请和授权发明专利7项，成果曾入选2019年度中国光学十大进展，担任Photonics Journal、Optics Letters期刊审稿人。欢迎学术交流（liuyingjie@ysu.edu.cn）。
徐科，哈尔滨工业大学（深圳）电子与信息工程学院教授，博导。曾获IEEE光子学会博士奖，香港青年科学家奖等奖励，入选广东省杰青、深圳市优青。研究方向包括集成光学，硅基光电子学等，以第一/通讯作者在Nature Communications、Nano Letters、Laser & Photonics Reviews等高水平期刊发表论文40余篇，H-index为30，成果入选ESI高被引论文、OFC Top-scored论文、中国光学十大进展。课题组现诚聘博士后，提供有竞争力的薪资待遇、充足的科研支持、优良的工作环境，以及境内外合作交流机会。有意者请联系徐老师（kxu@hit.edu.cn）。
