在光子集成技术飞速发展的今天，如何精准操控光的传播路径，让光在微小的芯片上完成复杂的光学任务，成为了科研人员不懈探索的目标。近日，来自伊朗大不里士大学的研究团队在《Scientific Reports》期刊上发表了一项突破性研究，他们设计的相位和振幅梯度波导耦合超表面[1]，能将芯片上的导波光场随心所欲地塑造成各种所需的自由空间模式，为集成光学领域开辟了崭新的道路。
要想在光子集成芯片（PICs）上实现高性能的光学成像、通信或传感功能，首先面临的挑战就是如何让光在芯片内外高效地“进出”，即芯片上的光波导需要高效的“光耦合器”。传统的光耦合技术主要基于边缘耦合和表面光栅方法。然而，这些方法往往不够灵活，只能在特定角度下工作，而且耦合效率低，导致大量光能量浪费。更关键的是，这些方法难以满足现代PICs对紧凑性和多功能性的需求。
超表面作为一种由亚波长单元构成的超薄结构，近年来在光场调控领域展现出了惊人的潜力。通过调控每个亚单元对光的相位、振幅等特性，能够实现传统光学元件难以完成的功能，比如全息成像、光束偏转等。但遗憾的是，大多数超表面研究都局限于自由空间光的相互作用，难以直接与片上器件集成。
（一）硅基超表面-波导耦合系统的拓扑结构
论文提出了一种全硅基超表面涂层一维波导结构，如图1所示，其核心单元为“超胞（super-cell）”，每个超胞由三根硅棒组成，沿波导轴向排列。这种设计的精妙之处在于：通过硅棒的几何参数（长度、宽度、高度）调控，实现对导波的相位积累（βx）与超胞诱导相位（φs(x)）的叠加，从而构建出任意光场分布的相位函数φ(x)=βx+φs(x)。
图1硅基超表面涂覆一维光波导的主要拓扑结构
硅棒被放置在波导的顶部，使用3D时域有限差分（FDTD）求解器（Ansys Lumerical FDTD模拟套件）对其散射行为进行数值模拟，结果如图2所示。所施加的TE00模式激发硅条的电偶极子和磁偶极子本征模式，而它们的叠加使得硅棒可以实现2π的相位覆盖范围，这就为精确调控光场相位奠定了基础。
图2波导上硅棒Ey和Hx的场分布
（二）振幅梯度补偿
研究团队发现，导波在波导中传播时会产生衰减，导致末端光场振幅降低，进而影响聚焦效果。为此，他们提出了“振幅梯度”设计方法：通过优化不同位置硅棒的几何参数，使散射光振幅随导波衰减规律递增，实现能量的均匀分配。
图3的参数扫描结果显示，硅棒的长度（lx）与高度（lz）对散射光的相位与振幅影响显著。团队选取三组相位差为2π/3、振幅相近的硅棒参数（如图3中白色圆圈标记），构建了具有振幅补偿功能的超表面。这一设计将耦合效率从传统方法的8%提升至16%，同时将聚焦光斑的半高宽（FWHM）缩小至893nm，接近衍射极限。
图3硅棒长度（lx）和高度（lz）参数扫描中模拟相移的色图。对于（a）ly=750nm（b）ly=1000nm（c）ly=1200nm的振幅；对于（d）ly=750nm（e）ly=1000nm（f）ly=1200nm的相移。
（一）金属透镜概念验证
为验证设计理论，团队设计了一款焦距f=7500nm、工作波长1550nm的硅基金属透镜。该透镜由17组超胞分为三段排列：第一段5组（Λ₁=1100nm）、第二段4组（Λ₂=1000nm）、第三段8组（Λ₃=850nm）。
图4与图5的对比实验显示，初始设计因未补偿振幅衰减，聚焦效果不佳；而引入振幅梯度后，电场分布在焦平面（Z=7500nm）呈现清晰的聚焦光斑，强度分布半高宽从2.8μm优化至893nm。这一结果直接证明了相位-振幅双梯度设计的有效性。
图4所提出的波导驱动超透镜的初始值的归一化电场强度分布
图5所提出的波导驱动超透镜的最终值的归一化电场强度分布
（二）宽带光束偏斜特性
在1450nm至1600nm波长范围内，团队研究了金属透镜的聚焦偏移特性。图6的实验数据表明，随着波长增加，焦点位置向波导输入端偏移，这与理论预测的相位函数（如下图）完全一致。值得注意的是，该结构在1550nm附近的带宽内仅产生极小的光束偏斜，验证了其在宽波段应用中的稳定性。
相位函数
图6超透镜分别在λ=1450nm、1550nm及1600nm处的电场强度分布
1.效率与损耗的双重优化
全硅基结构：摒弃传统金属-硅混合结构，避免等离子体效应导致的能量损耗，将耦合效率提升至16%，为同类技术的两倍。
背向散射抑制：通过硅棒参数优化，几乎消除了光场向波导的背向散射，进一步提高能量利用率。
2.片上集成的适配性
该结构完全兼容标准硅光子学工艺，可通过电子束光刻（EBL）与化学气相沉积（PECVD）实现多层硅棒的精确加工，为大规模片上集成提供了工艺可行性。
在该篇论文中，基于所提出的结构，获得了16%的效率。这种效率的提高可能是由于两个原因：第一，所提出的仅基于硅的纳米棒结构，第二，文中提出的幅度梯度的想法。另外，文章中的设计方法可以很容易地扩展到各种功能的片上光学元件。此外，在这种方法中，通过在硅波导上空间排列硅棒阵列，还可以实现更先进的应用，如导波驱动全息图，光子集成光谱仪，固态激光雷达，遥感等。
参考文献：
[1]Tanhayivash Y, Soofi H, Nikmehr S. Phase and amplitude gradient waveguide coupled metasurfaces[J]. Scientific Reports, 2025, 15(1): 1-11.
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