一种超表面透镜以及包含该超表面透镜的空间光调制器

技术领域

本发明涉及透镜和调制器，具体为一种超表面透镜以及包含该超表面透镜的空间光调制器。

背景技术

哈佛大学教授Federico Capasso课题组2011年首次提出超表面的概念，并且2016年在《科学》上发表了超表面透镜(Metalens)相关技术的研究，从而使得超表面透镜逐渐走进了光学领域研究人员的视野，超表面透镜利用其平面型亚波长谐振单元来对光波进行波前整形，具备极高的设计灵活性，超越了传统的经组合而成的透镜，实现紧凑和高效的成像，因此超表面透镜在微纳集成光学领域具有极大的应用前景。

目前，由于超表面透镜虽然具有结构紧凑，色差范围小等优点，但是仍然跟传统透镜一样，一旦设计确定，则光学焦距以及数值孔径就无法调节，导致应用领域有一定的局限性，因此，发展平面型电调节超表面透镜具有非常重要的应用价值。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术的不足，本发明目的是提供一种能够控制折射率的超表面透镜，本发明的另一目的是提供一种能够控制光束的空间指向的包含该超表面透镜的空间光调制器。

技术方案：本发明所述的一种超表面透镜，依次包括介质层、导电层和电光调制材料层，电光调制材料层上设置若干互不联通的凹槽，凹槽内填充有金属电极；超表面透镜还包括电源，电源包括若干脉冲电压源，脉冲电压源的正极端与金属电极电性相连，负极端与导电层电性相连并接地，两两相邻的金属电极上加载的脉冲电压源的电压值互不相同。

进一步地，电光调制材料层内还设置凸柱，凸柱设置在凹槽上，凸柱被金属电极包围。凸柱的上表面呈V形或圆形，即凸柱整体呈平卧式V型或圆柱型。凹槽的表面设置用于隔离金属电极与电光调制材料层的第二绝缘层。凸柱可以增强导光时对激光的束缚作用，实现凸柱的光束的空间指向的调制，从而改善透过器件整体的所有光束的空间指向的调制。

进一步地，导电层和电光调制材料层之间设置第一绝缘层。

进一步地，凹槽为I字条形或Z字折形。凹槽的深度为500nm～2μm，宽度为200nm～20μm。凹槽的数量根据需要的金属电极的数量决定。

进一步地，电光调制材料层由铌酸锂或氧化铟锡材料制成。

进一步地，导电层为网格状或长方体形，优选为网格状，网格状的导电层可以提高光束的透过率。导电层的材质为金、钛、铬、氧化锌、石墨烯或氧化铟锡，导电层的厚度为5nm～100nm，介质层的材质为二氧化硅、氮化硅或氧化铝，介质层的厚度为0.5μm～10μm。

一种空间光调制器，包括激光器和上述超表面透镜，超表面透镜设于激光器上。

进一步地，激光器包括发光外延层、n型接触电极和p型接触电极，发光外延层包括堆叠的衬底、n-DBR层、有源层、电流限制层、p-DBR层。n-DBR层和p-DBR层均由多对AlGaAs/GaAs或者AlAs/GaAs构成。

工作原理：通过给金属电极施加不同大小的电压，使得金属电极间的电光调制材料层的光学折射率随着电场强度的变化而改变，实现超表面透镜的电光调制效应，从而实现超表面透镜的光学焦距以及数值孔径的动态调节。当激光器发出的激光穿过超表面透镜，超表面透镜中不同金属电极间的电光调制材料层的折射率变化可以调透过金属电极的相干激光光束的相位，从而实现光束的空间指向的灵活调制。

有益效果：本发明和现有技术相比，具有如下显著性特点：

1、能够通过电调构成超表面透镜的调制材料折射率，实现通过超表面透镜的光束的空间指向、光学焦距以及数值孔径的动态调节。

2、铌酸锂、氧化铟锡制成的电光调制材料层属于无机晶体，由于内部原子排列存在较强的极化效应，从而使得能够电光调制材料层形成自发电偶极矩，当外界施加电场的作用下，电光调制材料层的晶体内部的偶极矩发生偏转趋于一致或者优势取向，从而使得电光调制材料层的光学折射率随着电场强度的变化而改变，从而产生电光调制效应；

3、凸柱可以增强导光时对激光的束缚作用，实现凸柱的光束的空间指向的调制，从而改善透过器件整体的所有光束的空间指向的调制。

附图说明

图1是本发明第一种超表面透镜的结构示意图；

图2是本发明的电光调制材料层3的立体图；

图3是本发明空间光调制器的剖面示意图；

图4是本发明实施例2的凸柱7的立体图；

图5是本发明第二种超表面透镜的结构示意图；

图6是本发明实施例3的导电层2的俯视图；

图7是本发明第三种超表面透镜的结构示意图。

具体实施方式

实施例1

如图1～2，超表面透镜从下往上依次包括：介质层1、导电层2和电光调制材料层3，导电层2为长方体形，隔开介质层1、电光调制材料层3。介质层1的材质为二氧化硅、氮化硅或氧化铝，介质层1的厚度为0.5μm～10μm。导电层2的材质为金、钛、铬、氧化锌、石墨烯或氧化铟锡，导电层2的厚度为5nm～100nm。

电光调制材料层3的上表面形成有若干互不联通的方形的凹槽4，凹槽4中填充有金属电极5。超表面透镜的电源6包括若干脉冲电压源601。脉冲电压源601的正极端与一金属电极5电性相连，所有的脉冲电压源601的负极端均与导电层2电性相连并接地，两两相邻的金属电极5上加载的脉冲电压源601的电压值互不相同。金属电极5上加载脉冲电压源601，可以在电光调制材料层3中形成电场，利用电源给金属电极5施加不同大小的电压，使得金属电极5间的电光调制材料层3的光学折射率随着电场强度的变化而改变，从而能够实现对超表面透镜的物理特性主动调节，可以动态地控制透过该超表面透镜的电磁波的振幅、相位等。

电光调制材料层3的材质可以是铌酸锂(LiNbO

凹槽4的深度为500nm～2μm，凹槽4的宽度为200nm-20μm，所有的凹槽4在电光调制材料层3表面并列排布，凹槽4在电光调制材料层3表面的走向呈I字形(长条形)，凹槽4的数量根据需要的金属电极5的数量决定。凹槽4中填充的金属电极5的材质为铜、铝、钛、镍或金，若干I字形金属电极5可以构成条栅电极，当若干I字形金属电极5被施加不同数值电压的作用下，电光调制材料层3内部的偶极矩发生偏转趋于一致或者优势取向，从而使得电光调制材料层3的光学折射率随着电场强度的变化而改变，实现穿透过去的激光有效的电光调制。凹槽4在电光调制材料层3表面的I字形走向可以替换为Z字型，凹槽4的数量根据需要的金属电极5的数量决定。

如图3，一种空间光调制器包括激光器和上述超表面透镜，超表面透镜设于激光器上。当激光器发出的激光穿过超表面透镜，不同金属电极5间的电光调制材料层3的折射率变化可以调制通过电极的相干激光光束的相位，从而实现光束的空间指向的灵活调制。激光器优选为垂直腔面发射激光器(VESEL)，激光器包括发光外延层10、n型接触电极11和p型接触电极12，发光外延层10包括但不限于堆叠的衬底、n-DBR层、有源层、电流限制层、p-DBR层等等。n-DBR层和p-DBR层均由多对AlGaAs/GaAs或者AlAs/GaAs构成。激光器从p-DBR层的上表面(激光器上表面)射出激光，激光经过超表面透镜中的介质层1、导电层2并透过若干金属电极5间的电光调制材料层3，利用若干互相绝缘的电极间的电信号调节透过电光效应晶体超表面透镜的相干光束的相位，从而控制光束在空间的指向，实现了一种全新的空间光调制器，使其在激光雷达(Lidar)、飞行时间(ToF)传感器、光纤通讯等领域可以有广泛应用。

实施例2

如图4，本实施例其余与实施例1均相同，区别仅仅在于：若干凹槽4是刻蚀电光调制材料层3而得到的，在刻蚀电光调制材料层3的过程中，不完全刻蚀掉凹槽4中的电光调制材料层3，即在每个凹槽4中保留部分电光调制材料层3，保留下来的这部分电光调制材料层3即形成若干凸柱7。凸柱7被金属电极5包围，凸柱7的上表面可以呈圆形，即凸柱7整体呈圆柱型。在凹槽4中保留凸柱7可以增强导光时对激光的束缚作用，实现穿透凸柱7的光束的空间指向的调制，从而改善透过器件整体的所有光束的空间指向的调制。其中，凸柱7的圆形上表面可以替换为V形，即凸柱7整体呈平卧式V型。

实施例3

如图5～6，本实施例其余与实施例1均相同，区别仅仅在于：导电层2为网格状。超表面透镜从下往上依次包括：介质层1、导电层2和电光调制材料层3，刻蚀介质层1以形成网格沟槽，并在该网格沟槽中填充网格状的导电层2，提高光束的透过率。电光调制材料层3的上表面形成有若干互不联通的方形的凹槽4，凹槽4中填充有金属电极5。超表面透镜的电源6包括若干脉冲电压源601。脉冲电压源601的正极端与一金属电极5电性相连，所有的脉冲电压源601的负极端均与导电层2电性相连并接地，两两相邻的金属电极5上加载的脉冲电压源601的电压值互不相同。

实施例4

如图7，本实施例其余与实施例1均相同，区别仅仅在于：超表面透镜还包括第一绝缘层9和第二绝缘层8，第一绝缘层9位于导电层2和电光调制材料层3之间，第一绝缘层9用于隔离导电层2和电光调制材料层3。第二绝缘层8位于凹槽4的底壁和侧壁上以隔离金属电极5和电光调制材料层3，第一绝缘层9和第二绝缘层8的材料可以是二氧化硅，氮化硅，氧化铝等等。第一绝缘层9和第二绝缘层8的厚度都可设为10nm～100nm。电光调制材料层3为半导体，金属电极5或者导电层2直接接触电光调制材料层3可能会引起漏电，所以需要利用第一绝缘层9和第二绝缘层8将金属电极5和导电层2同电光调制材料层3隔绝开，避免了器件层间的漏电，提高了超表面透镜的安全性和可靠性。