1 南京信息工程大学电子与信息工程学院，江苏 南京 210044
2 海南大学应用科技学院，海南 儋州 571737
3 哈尔滨工业大学电子与信息工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001
4 南京航空航天大学航天学院，江苏 南京 210016
5 加拿大国立科学研究院，加拿大 蒙特利尔 H5A1K6
提出了一种新型的多功能超材料滤波器/屏蔽器，其具有双频段极化独立控制、多模式可切换等特点。与传统器件不同的是，所提出的设计能够独立控制横电（TE）或横磁（TM）极化波在不同频段的透射和反射，并且通过设置不同的二极管偏置电压，可以实现4种不同的工作模式。该结构基于等效电路模型，采用多层滤波结构设计，通过在顶层和底层加载PIN二极管实现TE和TM极化波在低频段和高频段的独立控制。在传输模式下，TE和TM波分别在3.6 GHz和4.6 GHz附近得以传输；在屏蔽模式下，该结构可以有效地阻挡入射极化波。每种模式都有非常稳定的工作状态，不会受到其他工作模式的影响。此外，该设计在0°~45°入射范围内具有良好的角度稳定性。这种多模式超材料结构可以应用于天线罩等领域，天线传输信号时能满足对特定极化信号的需求，待机时可以屏蔽信号以减少干扰。
材料 超材料 多模式可切换超材料 极化可独立调控结构 天线罩 光学学报
2023, 43(23): 2316001
1 南京邮电大学电子与光学工程学院、柔性电子（未来技术）学院，江苏 南京 210023
2 南京邮电大学贝尔英才学院，江苏 南京 210023
3 天津大学精密仪器与光电子工程学院，教育部光电信息技术重点实验室，天津 300072
基于三明治结构和绝热耦合器，设计了一种分光比可设计的偏振无关光功分器，对波长为1550 nm的光信号实现所需分光比的功率分配。通过调节三明治结构中间层材料SiNx的折射率，使同一波长下横电（TE）和横磁（TM）偏振模的分光比相等，实现偏振无关，通过改变绝热耦合器波导间隙的不对称性，获得可设计的分光比。运用三维有限时域差分方法，对器件进行建模仿真，最终结果表明：所设计的器件耦合长度仅为7 μm，可设计分光比的最大范围为0.50~0.95，同时支持TE和TM偏振模，插入损耗均低于0.31 dB，分光比容差在±0.01内的带宽可达100 nm，在未来光子集成光路系统中具有潜在的应用价值。
分光比可设计 绝热耦合器 三明治结构 偏振无关 SiNx 激光与光电子学进展
2023, 60(17): 1723001
1 南京邮电大学电子与光学工程学院、柔性电子（未来技术）学院，江苏 南京 210023
2 南京邮电大学贝尔英才学院，江苏 南京 210023
设计了一种基于SiNx填充的定向耦合器（DC）型偏振无关解复用器，用于分离1310 nm和1550 nm两个波长的光信号。采用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）方法调节DC波导间隙内填充的SiNx材料的折射率，使同一波长下横电（TE）偏振模和横磁（TM）偏振模的耦合长度相等，实现器件的偏振无关功能。通过优化波导间隙，调整两个波长光信号所对应的耦合长度比，选择合适的值可使其分别从两个端口输出，实现波长分离功能。运用三维有限时域差分方法进行建模仿真，对器件进行参数优化和性能分析。结果表明：所提出的解复用器的耦合区长度仅为22.8 μm，插入损耗和串扰（CT）分别低至0.05 dB和-21.58 dB，CT小于-10 dB的带宽可达79 nm，且总体容差性良好。所设计的器件在未来的集成光路系统中具有潜在的应用价值。
光学器件 定向耦合器 偏振无关 SiNx 解复用器 光学学报
2022, 42(19): 1923002
1 中国矿业大学教育部地下空间智能控制工程研究中心，江苏 徐州 221116
2 中国矿业大学信息与控制工程学院，江苏 徐州 221116
为了实现高灵敏度的双参量传感，设计了一种对称的全介电超表面结构。在超表面上涂覆气敏薄膜后，会产生标记为dip 1和dip 2的两个Fano共振峰，可用于同时测量折射率和气体体积分数。计算结果表明，dip 1的折射率灵敏度和气体体积分数灵敏度分别为1035 nm/RIU和-0.57 nm/%，dip 2的折射率灵敏度和气体体积分数灵敏度分别为543.6 nm/RIU和-0.87 nm/%。该传感器可用于双参量的高灵敏度测量，且这种对称结构得到的透射谱不受光源偏振角度的影响，提高了传感器对光源的适应性，为环境空间的检测提供了一种新方法。
传感器 偏振无关 Fano共振 超表面 激光与光电子学进展
2022, 59(17): 1728001
1 衢州职业技术学院信息工程学院，浙江 衢州 324100
2 北京工业大学信息学部光电子技术省部共建教育部重点实验室，北京 100124
为了改善金属完美超材料吸收器（PMA）制造成本高，且存在欧姆损耗的状况，同时为了解决PMA对光的偏振态和入射角较为敏感的问题，本文采用低损耗介质材料设计了双通道偏振无关介质窄带PMA，并利用时域有限差分法进行理论分析和验证。研究发现，所本文设计的偏振无关介质窄带PMA无论在横电（TE）还是横磁（TM）偏振态下，它们的吸收波长、吸收效率和半峰全宽都相同。TM和TE偏振能够在同一波长实现窄带宽超高吸收，是因为PMA结构是旋转对称的。PMA之所以会实现双通道窄带宽，是因为在PMA光栅中分别形成了法布里-珀罗腔共振和导模共振，该研究可为将来制备高质量偏振无关介质窄带宽PMA提供新思路。
超材料 吸收效率 偏振无关 双通道 激光与光电子学进展
2022, 59(3): 0316005
1 西安工业大学 光电工程学院，陕西 西安 710021
2 西安应用光学研究所，陕西 西安 710065
基于微纳结构对光波调控实现聚焦与成像的超透镜是目前国际上竞相发展的前沿技术。本文针对目前已报道的近红外超透镜偏振相关、系统复杂以及透过率低等难题，提出了一种偏振无关的近红外超透镜。以低折射率材料SiO2为基底，高折射率材料Si圆形柱为相位调控单元，设计波长为1.31 μm。利用时域有限差分方法分析了近红外超透镜构建单元的光波调控特性，构建了构建单元的相位延迟特性曲线，探究了构建单元周期对光波透过率的影响规律，实现了构建单元的优化设计，并基于波前重构方程，设计出偏振无关的近红外超透镜。数值仿真结果表明：相位调控单元的相位延迟与透过率不仅取决于Si圆形柱半径、高度，而且与单元周期密切相关；基于分析的构建单元光波调控特性，设计的近红外偏振无关超透镜焦距仿真值为19 μm，与设计值较好吻合，透镜透过率达到65%。设计的超透镜不仅体积小、质量轻，而且为平面透镜，因此易于光学系统集成，在激光雷达、激光夜视等技术中展现出广阔的应用前景。
超透镜 偏振无关 近红外 平面透镜 metalens polarization-independent near-infrared plane lens
1 长春理工大学 光电工程学院，吉林 长春 130022
2 长春理工大学 光电测控与光信息传输技术教育部重点实验室，吉林 长春 130022
3 吉林省先进光学设计与制造高校重点实验室，吉林 长春 130022
近些年，超透镜受到了广泛关注。文中提出了一种基于金材料的近红外波段偏振无关型反射超透镜，该超透镜采用MgF2材料作为电介质层，利用FDTD软件实现仿真设计。仿真结果表明：超透镜在不同偏振光入射的情况下具有相同的聚焦效果，入射波长在700~850 nm 的范围内，具有较好的聚焦效果。入射波长在750 ~800 nm范围内单焦点聚焦效果最好。当入射波长为800 nm，该超透镜可以分别实现单焦点和多焦点聚焦，其单焦点、双焦点和三个焦点的焦距分别为9.6、6.6 和 4.7 μm。可以利用该超透镜的特点实现不同的聚焦要求。
偏振无关 超透镜 单焦点 多焦点 polarization-independent metalens one-focus multi-focus 红外与激光工程
2020, 49(6): 20200048
提出了一种基于混合石墨烯-二氧化钒超材料的可切换多功能太赫兹宽带吸收器的有效设计。由于单元结构的对称性,该吸收器在电磁波垂直入射时具有极化不敏感特性,并且在宽入射角范围内仍能保持良好的吸收性能。数值仿真结果表明:利用相变材料二氧化钒独特的从绝缘体到全金属态的过渡特性,通过调节其电导率可以动态地调谐宽频吸收谱的幅值。通过施加外部偏置电压来调整石墨烯的费米能级,可将宽频吸收光谱的峰值吸收率从0.226调整至0.992。通过同时改变两个独立可控的参数(二氧化钒的电导率和石墨烯的费米能级),所提出的器件能够在宽频范围内的透明绝缘介质、全反射器和宽带吸收器之间切换。所设计的系统可扩展至红外和可见光波段,为实现高性能太赫兹设备提供了一种新的设计思路。
材料 超材料 吸收 石墨烯 二氧化钒 极化不敏感
1 School of Optoelectronic Science and Engineering, Soochow University, Suzhou25006, China
2 KeyLab. of Modern Optical Technologies of Education Ministry of China & Key Lab. of Advanced Optical Manufacturing Technologies of Jiangsu Province, Soochow University, Suzhou15006, China
为减小成像光谱仪的偏振敏感度并提高其定量化探测精度，提出一种透射式消偏振二维二元闪耀光栅。它在两个正交方向上都具有周期性槽形单元，每个槽形单元包含7个子周期。每个子周期的介质占空比在两个方向上是独立的，可同时调制TE和TM偏振态的等效折射率，以此优化光栅偏振特性。本文将等效介质理论拓展到二维情况，设计了以熔石英为基底，工作波段为0.6~0.8 μm的高衍射效率消偏振二维二元闪耀光栅。光栅两正交方向周期分别为3.31 μm和0.473 μm。仿真结果表明，在参考波长0.7 μm处TE和TM偏振态衍射效率分别为79.5%和79.6%，0.6~0.8 μm波段范围内TE和TM偏振态衍射效率均高于70%，偏振敏感度低于2.6%。与一维二元闪耀光栅相比，二维二元闪耀光栅具有高衍射效率、低偏振敏感度和易制作的优势。所得结论可用于指导实际应用中透射式二元闪耀光栅的设计，可望在光栅型高光谱成像仪中得到应用。
二元闪耀光栅 消偏振 二维结构 衍射效率 binary blazed grating polarization-independent two-dimensional structure diffraction efficiency
