基于片上可重构超构表面的光学相控扫描原理和方法研究

On-chip optical phased array has an important application prospect in laser radar, laser communication and other fields. Traditional on-chip optical phased array faces the fundamental scientific problem that the pixel size cannot be smaller than the working wavelength, which leads to its comprehensive performance such as the field of view and efficiency cannot satisfy the requirements of application, and the improvement of these performances are faced with the principle of obstacles. Metasurface is a two-dimensional artificial electromagnetic structure, which has excellent electromagnetic manipulation ability in subwavelength scale, which provides an opportunity to solve the above theoretical obstacles. However, the following key scientific problems still exist when introducing metasurface into the on-chip optical phased array: the electromagnetic manipulation mechanism of the metasurface on-chip has not been proved, and there lack effective mathematical model to guide the design of the metasurface based optical phased array. To solve the problems above, the purpose of this project is to investigate the electromagnetic manipulation mechanism of the metasurface on a chip, construct a mathematical model reflecting its phase control mechanism, explore the design method of optical phased array based on reconfigurable metasurface on a chip, fabricate and test a wide field-of-view beam steering devices. The research results of this project are helpful to understand the general rules of the light field manipulation of the metasurface on-chip, promote the application of the metasurface in the integrated optoelectronic devices, and may play an important role in optical imaging and detection on a chip.

片上光学相控阵在激光雷达、激光通信等领域具有重要的应用前景。传统片上光学相控阵面临像素尺寸无法小于工作波长的科学难题，导致其综合性能如视场范围、能量利用率难以满足应用需求，且进一步提升面临原理性障碍。超构表面是一种二维人工电磁表面结构，具有出色的亚波长尺度电磁调控能力，为解决上述难题提供了契机。然而，将超构表面应用在片上光学相控阵中还存在以下关键科学问题：片上超构表面的电磁调控机制尚不清晰，缺乏有效的数理模型指导片上超构表面相控阵的设计。针对以上问题，本项目旨在厘清片上超构表面的电磁调控机理，构建反映其电磁调控机制的数理模型，探索基于片上可重构超表面的光学相控阵设计方法，完成大视场相控扫描器件的加工与性能测试。本项目的研究成果有助于系统理解片上超构表面光场调控的一般规律，有望推动超构表面在片上集成光电子器件中的应用，在片上激光雷达、片上光学成像、探测等方面发挥重要作用。

片上光学相控阵在激光雷达、激光通信等领域具有重要的应用前景，然而其存在像素尺寸无法小于工作波长的难题，导致其综合性能如视场范围、能量利用率难以满足应用需求，且进一步提升面临原理性障碍。超构表面是一种二维人工电磁表面结构，具有出色的亚波长尺度电磁调控能力，为解决上述难题提供了契机。针对以上问题，本项目从片上超构表面的电磁调控机理、片上超构表面光学相控阵设计方法、片上超构表面光学相控阵动态调控方法、片上相控阵波束扫描器件的加工与测试四个方面开展研究，并取得了系列研究成果。从梯度相位超构表面的波矢匹配理论出发，确立了耦合/辐射单元的设计原则，建立了片上超构表面的电磁调控和空间辐射模型；提出了基于多相移融合超构表面的自旋解耦波前调控方法、位置重叠复用排布方法等，为构建高性能、多功能集成光子器件提供了方法支撑；提出利用金属结构的 SPP 效应和高折射率介质的场束缚效应缩小OPA的像素尺寸，并提出基于非均匀条带结构的集成光波导串扰抑制技术，可以在低串扰条件下将波导阵列的间距从波长量级（~2微米）降低到亚波长尺度（~400nm），从而将片上光波导相控阵的视场提高到全视场范围（±90°）；提出了基于二次相位超构表面的单片式大视场波束扫描方法，实现了±60°以上的大视场波束扫描和偏振成像探测；提出了基于GST相变材料的超快OPA调控方法，通过GST相变材料晶态到非晶态的转变实现10.6μm波长下的±60°波束扫描；完成了工作于1550 nm波长的8通道和16通道光学相控阵（OPA）芯片的设计、流片、封装及测试。通过可重构地改变OPA芯片中微型加热器的输入电压，实现了±11°的波束扫描，调制速率>10KHz，单通道功耗为32.26mW，8通道和16通道的角分辨率分别为3.32°和1.61°；本项目的研究成果有助于系统理解片上超构表面光场调控的一般规律，有望推动超构表面在片上集成光电子器件中的应用，在片上激光雷达、片上光学成像、探测等方面发挥重要作用。相关成果共发表SCI收录研究论文30篇（含特邀综述论文3篇、ESI高被引论文3篇、期刊封面论文3篇），EI收录论文1篇，中文核心期刊论文1篇，会议论文3篇，受理或者授权具有自主知识产权的发明专利13项，培养硕博士研究生10名。