基于单向辐射共振态的强度平坦相移器

1. 导读

光学相移器可用于信号调制、波前操纵、光束控制等，是高速光通信、激光雷达、光子计算等关键应用亟需的器件。传统光学相移器一般利用热光或电光效应改变材料折射率来产生动态的相位调制，或通过调控几何结构分布实现静态相位控制。传统相移器调制效率低、插损大、不利于集成。虽然光学谐振态可提升相位调制效率，但同时会伴随强度的剧烈变化，不利于很多应用场景。

针对这些问题，北京大学彭超副教授团队在Nanophotonics上发表最新文章，提出了一种几乎完美的强度平坦相移器。此相移器基于高度定向发射的光学谐振态，即单向辐射共振态（UGR态）。在无损情况下，理论上可实现强度和相位响应完全分离；在实际工艺误差带来损耗的情况下，仍可实现强度响应平坦的相位调制。理论和实验表明在该方案在当前工艺水平下具有可行性。

基于单向辐射共振态的强度平坦相移器作为一种基础光学器件，潜在应用领域极为广泛，可作为光学相控阵、平面超透镜、光学天线中的核心组件，也可用于三维投影、激光雷达、光学探测与传感等领域。

2. 研究背景

传统光学相移器一般利用热光或者电光效应改变材料折射率，进而来改变光的相位，往往存在调制速度慢、调制效率低的缺陷。将光学谐振态与相移器协同工作可显著提升调制效率。在光学谐振腔中，光子寿命与共振态的品质因数Q有关。品质因数越高、光与物质相互作用越强、调制效率越高。然而，高Q谐振态带来强烈的相移的同时，也往往伴随强度的剧烈变化，对许多应用场景非常不利。如何分离相移器的幅度与相位响应，成为一个关键的问题。

3. 创新研究

针对上述问题，研究人员从单向辐射共振态出发，运用时域耦合模理论（TCMT）计算其强度与相位变化。具体来说，入射光和谐振态之间的相互作用可TCMT理论4端口模型描述，如图1所示。

图1 单向辐射的激发和辐射

具体来说，入射光的一部分不与谐振态耦合而直接透射或反射输出；而另一部分激发谐振态并产生与波长相关的辐射。考虑到单向辐射共振态只朝向一侧表面辐射，如图所示，即端口4上的辐射通道被关闭，因此辐射只能朝向端口2。因此，端口4上只有直接反射而没有谐振辐射，其反射谱由多层平板自身决定，在波长变化下表现为平坦特性。端口2上包含了直接透射和谐振辐射两部分。虽然谐振辐射与波长相关，但从能量守恒角度看，由于反射谱是平坦的，透射谱应同反射谱一样平坦，就好像谐振态“不存在”一样。

团队通过理论推导和数值仿真对上述原理进行了验证，如图2（a）（b）所示。为了更贴合实际器件，制备过程中的平整度和孔倾斜角度非理想也被考虑其中。工艺非理想带来非辐射损耗, 这会引起强度曲线“凹陷”而变的不甚平坦，如图2（c）（d）所示。为了直观表述损耗与凹陷的关系，团队研究了非辐射品质因子与归一化凹陷深度的关系，如图2（e）所示。估算当前工艺水平下实现8000的非辐射品质因子具有可行性，对应归一化凹陷深度仅为0.1——即谐振失谐功率不平坦性仅为10%。团队搭建了共焦观测系统和迈克尔逊干涉系统对上述现象进行了观测。通过对反射与透射的强度与相位进行测量，在实验上验证了上述结果。

图2 从数值模拟（粗线）和 TCMT 表征 UGR 附近的反射率和透射率理论（窄线）

图3 共焦观测系统测量的实验结果与理论结果的对比

4. 应用与展望

团队提出并展示了一类新型的强度平坦相移器，其充分利用了单向辐射共振态的定向辐射特性，可理论上实现幅度和相位的独立调控；且在考虑实际工艺非理想性下仍能保持足够的强度平坦性，为提升各种光电器件性能铺平道路，在三维投影、平面超透镜光学、光学相控阵、激光雷达等领域具有可期的前景。

该研究成果以“Observation of intensity flattened phase shifting enabled by unidirectional guided resonance”为题在线发表在Nanophotonics。

本文作者分别是Zixuan Zhang（张子璇）, Xuefan Yin（尹雪帆）, Zihao Chen（陈子豪）, Feifan Wang（王非凡）, Weiwei Hu（胡薇薇）和Chao Peng（彭超）*，其中博士研究生张子璇为第一作者，彭超副教授为通讯作者，胡薇薇教授为共同作者。研究团队隶属于北京大学电子学系和区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室。以上研究工作得到国家自然科学基金、教育部纳光电子前沿科学中心和鹏城实验室支持。