超构表面集成的特种光纤器件及其光场的可调谐研究

In this project, the aim is to combine metasurface and multicore fiber technology, explore compact Lab-on-fiber in a multicore fiber based on metasurface formed by metallic and dielectric nanostructures on fiber tips, and realize active light manipulation. We summary the effects of nanostructures on the optical field from the fiber tips and study excitation of metasurface modes by the guide mode in fiber, and obtain the optimal design by adjusting the geometrical parameters of nanostructures and their spatial arrangement. We investigate the fundamental theory and technology of active beam shaping in metasurface integrated multicore fiber devices. The multiple freedom manipulation and the key fabrication technology are fully studied in multicore fiber devices based on hybrid metasurfaces. Consequently, the active manipulation of anomalous beam, wave front and polarization state can be realized. The proposed compact metasurface integrated multicore all-fiber devices require no strict spatial collimation and coupling and can avoid the affect of oblique incidence on device performance. The devices have many advantages including low energy consumption, active manipulation, high integration, flexible operation, and system stability, etc. The study of metasurface integrated multicore all-fiber devices is important for us to have our own intellectual property, wide applications in optics, in-fiber integrated optics and some related fields. Therefore, the project is very significant to develop novel fiber devices and metasurfaces.

本项目旨在将超构表面与多芯光纤技术相结合，在特种光纤端面进行金属和介质材料的微纳结构设计，基于超构表面研究多芯光纤微小型实验室，实现光场的动态调控，有望应用到特殊光场产生、新型光纤传感、多信息相干处理等领域。总结微纳谐振子设计对光纤端面出射场的调制规律，研究光纤的传导模式对超构材料的激发，获得最优的结构设计；研究多芯光纤的多通道信号对超构表面光场的主动调控，探索复合超构表面对光纤光场的多自由度调控，实现异常折射、波前、偏振态等的动态操控。本项目提出的多芯光纤微纳器件，不需要严格的空间准直、耦合光路，消除入射光倾斜入射对器件性能的影响，具有低能耗、动态调谐、集成度高、系统稳定等特点。因此，开展超构表面集成的多芯光纤微纳器件的研究，获得具有我国自主知识产权的纤维集成光学器件，必将获得广泛应用，对于促进我国新型光纤器件技术和超构表面的发展具有十分重要的意义。

目前光纤器件集成度低，功能单一，不利于发展多功能化的光纤探针。本项目致力于高效、动态调控、高集成度的光纤超构表面器件的研究。.1）采用纤端大面积真实结构的仿真与二氧化硅基底上周期边界条件下单元谐振结构的仿真相结合的方法，研究光纤集成超表面结构的可调焦透镜。所设计的纤端全介质超表面透镜在较大的调焦范围内仍然具备较好的聚焦效果。.2）在光纤端面设计了矩形和V型孔构成的梯度相位超构表面，运用CST电磁仿真软件对矩形纳米孔结构的周期结构进行仿真计算分析，并通过FDTD Solutions软件模拟整个光纤端面覆盖超构表面的光束特性，在光通信波段实现了光纤端面的异常折射现象，分析单元间距对超构表面的影响。.3）为了克服金属超构材料的固有损耗，我们研究了光纤端面的全介质超构表面，并且分析了能量驻波和偏振驻波情况下偏振态的动态调控。超构材料能够实现100%的偏振转换效率。随着相位差的变化，两束出射光均可由右旋偏振光变为左旋偏振光。.4）研究了8个V型天线构成的超构材料，将其置于两束正交偏振光形成偏振驻波中，改变两相干光之间的相位差，就可以实现正常折射光和异常折射光的偏振态从左旋经过线偏振、再到右旋的调控。该研究为光纤集成的双通道偏振调控提供了思路。 .5）为了实现高效率的光纤集成超构表面，简化多层结构的复杂性，我们首先研究了新的双层惠更斯表面实现方案及机理。设计了一种惠更斯超构表面，实现效率为66%的光束偏转的功能。.6）设计了一个金属超构表面，利用同向的双信号光相干调控超构表面的特性，改变两束光间的相位差能够调控输出光的散射模式，正常折射光和异常折射光都可以被相位差调控。.7）研究了双芯光纤的相位调制器，解决了双芯光纤的耦合、侧抛，相位调制器具有快速的开关响应，为双芯光纤端面集成超构表面的研究奠定了基础。..本项目发表相关SCI论文12篇，申请发明专利3项，授权发明专利6项，国际会议邀请报告2次，张贴报告3次，参加了Meta2019等国际、国内会议。开展本项目的研究工作，对可调谐光纤器件的设计与应用具有借鉴意义，可以获得具有我国自主知识产权的光纤新器件，对于促进我国新型光纤器件技术的发展具有十分重要的意义。