基于二维光栅的具有四分之一波相位控制的四端口分束器

《Optics Communications》：Four-Port Beam Splitter with Quarter-Wave Phase Control based on a Two-Dimensional Grating

　　

摘要

本文提出了一种用于四端口分束和偏振相位调制的新型二维反射光栅。该光栅可将入射光分配到目标衍射级次中，具有近乎均匀的衍射效率，同时可在同一衍射级次的TE和TM分量之间引入约90°的相位差。因此，入射的线偏振光可被转换为四束近乎圆偏振的光束。光栅的结构参数通过数值模拟结合NSGA-II多目标优化算法进行了优化。得益于圆柱光栅单元的旋转对称性，四个目标级次的性能可用代表级次表示。在优化条件下，这两个代表级次的衍射效率分别为24.59%和24.66%，表明实现了近乎均匀的四端口分束。相应的TE/TM相位差分别约为90°，绝对值接近90°。该设计为四端口分束和圆偏振光束生成的集成提供了一种可行途径，并为高性能多功能衍射光栅的设计提供了有益参考。

引言

相位调制和偏振控制器件是现代光学和光子系统中的基本组件。通过精确调节光波的相位延迟、偏振态和传播方向，这些器件可以实现波前整形、偏振转换、光束操控和信息调制等多种功能。因此，它们已被广泛应用于光通信[1]、精密测量[2]、激光加工[3]和集成光学[4]等领域。随着相关系统向小型化、轻量化和多功能集成方向的持续发展，依赖多个独立组件级联以实现复杂功能的传统方法逐渐暴露出结构冗余、对准困难和集成度不足等局限性[5]。

在各种偏振控制器件中，波片是通过在两个正交偏振分量之间引入预定相位延迟来调制光偏振态的基本光学元件。当延迟量等于90°时，该器件作为四分之一波片工作，能够实现线偏振光与圆偏振光之间的转换。该功能广泛应用于偏振控制、信号调制和干涉测量[6]、[7]、[8]。在许多实际应用，如光通信、精密计量和多通道光束操控中，光学系统通常不仅需要偏振控制，还要求同时进行分束或通道分离[9]、[10]。然而，传统四分之一波片通常基于自然双折射晶体，其主要功能是通过引入相位延迟来实现偏振态转换[11]、[12]。因此，它们通常需要与额外的分束元件组合使用，从而增加了结构复杂度并阻碍了系统集成。相比之下，衍射光栅天生具备相位调制、分束和偏振选择能力，同时还具有结构紧凑、易于集成以及与微纳加工兼容等优势。因此，它们为多功能集成光学器件提供了一个极具前景的平台[13]、[14]、[15]、[16]。

在此基础上，衍射光栅用于偏振相位控制的潜力日益受到关注。先前的研究表明，光栅结构可以通过形式双折射或导模共振在TE和TM偏振之间引入特定的相位延迟，从而实现类似于四分之一波片的功能。在早期工作中，Kikuta等人提出了一种基于亚波长光栅的消色差四分之一波片，证明周期性结构可以通过人工双折射实现稳定的90°相位延迟[17]。随后，Nordin和Deguzman实现了一种宽带形式双折射四分之一波片，证明了基于光栅的波片在宽带相位调制中的实际可行性[18]。

在相位调制能力的基础上，研究人员进一步探索了在单个平面器件中集成分束功能与四分之一波片延迟行为的可能性。研究表明，这种集成设计在不同类型的微纳光学结构中都是可行的。例如，Ding等人报道了一种具有四分之一波片功能的宽带分束超表面，验证了单层平面器件可以同时实现功率分配和偏振转换[19]。Lopez等人展示了一种具有波片和偏振分束功能的形式双折射多层光栅，表明基于光栅的结构也可以提供偏振相位控制和分束能力[20]。最近，Peng等人提出了一种一维反射分束四分之一波片，表明基于光栅的结构同样可以实现衍射级次间的并发分束和约90°相位延迟[21]。同时，基于光栅的相位延迟器件的理论分析也逐渐取得进展。Li等人引入了简化模式方法来分析设计一维光栅中的TE/TM相位差，证明了一维光栅中的相位延迟机制已经开始建立坚实的理论基础[22]。

与一维结构相比，二维光栅在两个正交方向上都具备衍射控制能力，因此在多通道分束和偏振操控方面具有更大的潜力。现有研究已证明二维光栅可以实现多端口分束和多种形式的偏振选择性，凸显了其在集成光子器件中的良好前景[23]、[24]。此外，二维周期性纳米结构还被探索用于高效多端口光束控制、自参考光学传感和双偏振非互易辐射，进一步证明了它们在操控光的振幅、相位、偏振和传播方向方面的通用性[25]、[26]、[27]。这些进展凸显了二维光栅在多功能光子集成方面的广泛潜力。然而，目前的研究主要集中于提高分束效率或实现偏振分离，而在二维构型中多衍射级次等能量分布与TE和TM偏振相位差操控的协同设计方面关注相对有限。为弥补这一研究空白，本文提出了一种基于二维光栅的四端口分束四分之一波片，旨在同时实现偏振无关的分束和90°相位延迟，从而为多功能集成光子器件提供一种新的设计范式。

结构与材料

为分析光栅的衍射特性，设计了一种二维圆柱形介质-金属光栅结构。该结构由自下而上的四层功能层堆叠而成：反射层、连接层、圆柱光栅层和光栅层。材料选择基于其光学特性和加工兼容性。采用Ag作为反射层以提供高反射率，而SiO?作为支撑层。

优化与结果

为实现目标衍射级次中的均匀四端口分束以及TE和TM偏振之间约90°的相位延迟，采用多目标策略对所述二维反射光栅的结构参数进行了优化。由于本工作研究的二维光栅的几何对称性，当偏振角处于0°到45°范围内时，±1级次的衍射效率……

容差分析

二维微纳光栅通常使用标准纳加工艺制造，如电子束光刻、光刻、反应离子刻蚀和薄膜沉积。然而，在实际制造中，曝光剂量、刻蚀速率、沉积厚度和侧壁轮廓的变化可能导致结构参数偏离其优化值，从而影响衍射耦合、能量分布和TE/TM相位延迟。

结论

本文提出了一种二维反射四端口分束光栅，旨在实现均匀四端口分束和TE/TM相位延迟控制。数值模拟结合NSGA-II多目标优化表明，在1550 nm工作波长下，TE偏振入射时代表级次的衍射效率分别为24.59%和24.66%。相应的TE/TM相位差分别为……

CRediT作者贡献声明

Jin Wang：资源。Yongfang Xie：指导。Minhui Du：撰写——初稿。Changhe Zhou：资源。Wei Jia：撰写——审阅与编辑。Shanwen Zhang：指导。

利益冲突声明

作者声明不存在利益冲突。

资助

国家自然科学基金（U21A20509、62205124、62435019）；广东省珠江人才计划（2023TX07X567）；广东省基础与应用基础研究基金（2025A1515011776）；广州市科技计划项目（2025A04J5213）；广东省珠江人才计划（2019ZT08Z779）。

利益冲突声明

? 作者声明不存在任何可能影响本文报告的已知竞争经济利益或个人关系。

Minhui Du|Yongfang Xie|Jin Wang|Shanwen Zhang|Wei Jia|Changhe Zhou
暨南大学物理与光电工程学院，中国广东广州510632