基于超表面的多芯光纤自由空间耦合器

逍遥设计自动化

引言
随着数据流量呈指数级增长，传统单模光纤（SMF）通信系统正接近容量极限。采用多芯光纤（MCF）实现空分复用（SDM）通过多个核心进行并行数据传输，为解决"容量瓶颈"提供了有效方案。然而，实现SMF与MCF之间的高效耦合仍面临挑战。本文介绍新型基于超表面的自由空间耦合器，提供了紧凑且可扩展的SMF-MCF耦合解决方案[1]。
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% L# ?7 p, ]8 B$ P5 b工作原理与设计
超表面耦合器由玻璃基底两侧的两个图案化表面构成。如论文图1所示，来自输入SMF阵列的光首先遇到前表面超表面，进行光束偏转。光束随后在基底中传播，到达后表面超表面，在此进行波形重塑以实现与MCF核心的最佳耦合。

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图1：超表面耦合器工作原理示意图，展示了SMF阵列光束经前表面超表面偏转、后表面超表面重塑后与MCF耦合的过程

& m: v$ m. n! H7 p设计中采用了伴随优化这一反向设计技术来确定两个超表面的最优相位分布。这种方法可以在保持低损耗和低串扰的同时，实现任意输入输出光纤排列的映射。设计过程中，首先基于输出场与目标MCF模式的重叠定义目标函数。通过正向和反向场传播计算梯度，进而迭代更新超表面相位图案以最大化耦合效率。

优化后的相位分布通过非晶硅（a-Si）纳米柱阵列实现。每个纳米柱作为亚波长光学元件，通过其直径确定特定的相移。纳米柱几何结构经过精心设计，在1310nm工作波长下提供完整的2π相位覆盖，同时保持高透射效率。
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制造工艺
$ L8 {" k: \( D5 V) K: E! U6 n如论文图16所示，制造工艺采用标准半导体加工技术。首先在熔融石英基底两面沉积a-Si薄膜，然后使用光刻和剥离工艺在两个表面制作金对准标记，确保前后超表面精确对准。采用电子束光刻定义关键的纳米柱图案，以实现所需的亚波长结构分辨率。随后通过反应离子刻蚀将图案转移到a-Si层。

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( x7 P! u3 C6 U0 C) B$ V图2：超表面耦合器制造工艺流程图，展示了沉积、图案化和刻蚀等步骤

在处理背面时，需要涂覆临时保护层保护已完成的正面。两面完成后去除保护层。整个工艺兼容晶圆级制造，可实现多器件并行制造，相比传统耦合方法具有显著的产能和可扩展性优势。
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实验结果
, F! J4 ^3 w* T- q' b为展示平台的通用性，研制了两种4核耦合器设计。耦合器A将线性1×4 SMF阵列映射到线性MCF排列，而耦合器B将相同输入转换为2×2方形MCF排列。论文图3展示了两种设计的优化相位图案，前表面超表面呈现对应每个输入光束的透镜状图案，而后表面则显示出模式重塑所需的更复杂结构。
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图3：两种耦合器设计的前后表面超表面相位分布，展示前表面的透镜状图案和后表面的复杂重塑图案

1 V6 L6 Q& Y$ q7 P1 x8 X! g性能表征显示出优异结果。器件在O波段（1260-1360 nm）的插入损耗低至1.2 dB，最差串扰优于-40.1 dB。模式相关损耗为0.1-0.2 dB，偏振相关损耗低于0.1 dB。这些结果通过论文图6所示的测量装置获得，该装置可全面表征模式分布和耦合性能。

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图4：用于表征模式分布和测量插入损耗/串扰的实验装置
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! |" N, t! Y3 @8 |- C% U) c损耗分析与未来改进
测量的插入损耗主要来自两个因素。透射损耗约为0.6-0.7 dB，源于超表面界面的反射。相位误差贡献了额外0.8 dB的损耗，这来自制造缺陷和纳米柱库设计的固有限制。

0 h4 @+ V. u3 R  I# O8 I$ f多种方法可用于降低这些损耗。添加折射率匹配层可以最小化界面反射，优化制造工艺可以提高纳米柱几何控制精度。考虑相邻纳米柱间相互作用的更复杂设计方法可以进一步提升性能。此外，在超表面设计中引入色散补偿技术可以扩展工作带宽。
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通过仿真验证了更先进的设计。宽带4核设计在整个O波段的理论插入损耗低于0.7 dB，19核设计则证明了该方法对更高核数的可扩展性。
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结论
: k) M, T% X( K基于超表面的自由空间耦合器在SMF-MCF耦合技术方面实现了重要进展。通过结合晶圆级制造兼容性、紧凑结构和灵活设计方法，这些器件为实现基于MCF的SDM系统提供了实用方案。目前器件展示了约1.2 dB的插入损耗，设计和制造技术的持续发展表明可以实现亚分贝性能。该平台结合了通用性、可制造性和优异性能，将推动下一代光通信系统的发展。

, d* j& D' E2 K' m- Q: C参考文献
[1] J. Oh et al., "Metasurfaces for Free-Space Coupling to Multicore Fibers," Journal of Lightwave Technology, vol. 42, no. 7, pp. 2385-2396, April 1, 2024, doi: 10.1109/JLT.2023.3335334.
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