用于集成光学的二维麦克斯韦鱼眼透镜- 大数跨境

两江科技评论

2018-12-14

导读：以色列魏茨曼科学研究所研究团队在光通信硅芯片上设计、制造并测试了麦克斯韦鱼眼透镜。麦克斯韦鱼眼透镜由布拉格反射镜包围的平面波导制成，成功地在刻蚀和光刻步骤中制造了这种器件并展示了其主要成像特性。这种制

导读

以色列魏茨曼科学研究所U. Leonhardt教授研究团队在用于光通信硅芯片上设计、制造并测试了麦克斯韦鱼眼透镜。麦克斯韦鱼眼透镜由布拉格反射镜包围的平面波导制成，成功地在刻蚀和光刻步骤中制造了这种器件并展示了其主要成像特性。这种制造技术可推广到集成光学中需要光滑和锐利结构的其他微光学元件。相关研究成果以《Two-Dimensional Maxwell Fisheye for Integrated Optics》为题，发表在近期的《Physical Review Applied》上。

文章作者：O.Bitton，R. Bruch and U. Leonhardt

背景

小型化仪器在通信系统中的使用持续增长，且广泛应用于多个领域，极大地吸引了研究人员和开发工程师的注意。小型化仪器——光耦合器、连接器、光束准直器和分束器等，主要使用集成微光学元件，如球透镜和渐变折射率透镜。然而，传统微光学元件的性能主要受离轴偏斜光线引起的像差的限制。另一方面，球形梯度折射率（GRIN）透镜，其折射率剖面是径向对称的，没有光轴，因此没有光轴偏斜光线。GRIN具有各种成像功能，最早的GRIN透镜是球面对称透镜，麦克斯韦鱼眼透镜（MFE）。

大约150年前，物理学家麦克斯韦提出了一种圆形透镜，它的中心最厚，在边缘处逐渐变薄。麦克斯韦认为，这种透镜应该会展现出迷人的光学行为：当光线穿过这样的透镜时，会绕着完美的圆圈行进，创造出非同寻常的弯曲光路。这样一个透镜类似于鱼的眼睛，从此，他设想的这种透镜结构在物理学中被称为麦克斯韦鱼眼透镜。麦克斯韦鱼眼透镜是一种绝对式（absolute）的光学元件，旨在为透镜提供完美的点对点成像。它可以应用于特定条件下的完美成像，也适用于无像差和无串扰的片上光通信，并且表现出有趣的量子效应。

1986年，首次采用改进的悬浮聚合技术制造了三维麦克斯韦鱼眼透镜。Ilyas和Gal使用多孔硅制造了抛物线型GRIN平面微透镜。采用了离子交换法和液滴法在光学玻璃上制造了麦克斯韦鱼眼透镜。二维麦克斯韦鱼眼透镜具有很大的吸引力，因为它们可用于红外线光通信的硅芯片上集成光学器件或用于可见光通信的氮化镓或金刚石集成光学器件。这种透镜由硅光子学中的介电纳米结构制成，但由于纳米结构上的反向散射而未表现出麦克斯韦鱼眼透镜理想的成像特性。

创新研究

研究人员利用硅平面波导制造了质量非常优异的麦克斯韦鱼眼透镜，并展示了其聚焦特性。麦克斯韦鱼眼透镜具有高质量性能的关键是在光刻和刻蚀步骤中制作了光滑和锐利的结构，这篇文章对这一研究成果进行了详细的论述。这一技术也可以应用于其他需要组合光滑和锐利结构器件的制造。特别地，它可以用在硅光子学中实现共形变换光学。在这种情况下，波导高度的变化可以产生所需的折射率分布，布拉格反射镜可以作为反射器。变换光学最简单的应用是光学器件的形状可根据要求调整，从而可实现隐形和幻觉光学。其他更复杂的应用包括用于照明光源的倍增或组合，波导的急剧弯曲而不会造成显着的损耗，促进高度定向的辐射，以及几乎完美的隐身。