光纤上的超颖表面和相关方法

摘要

本公开提供了一种用于超薄光学超颖表面(8)的系统和方法，该超薄光学超颖表面具有在光纤小平面(4)上形成的阵列图案，该阵列图案使得能够操纵从其中通过的光，诸如使光聚焦和转向，以及控制光的偏振态。图案可以是非均匀的，以选择性地引导通过超颖表面(8)的光。阵列结构的大小、角度、形状和其他非均匀方面可变。此外，该阵列可以包括可以被电激活和控制以可变地调谐超颖表面(8)特性的材料，从而提高对从其中通过的光进行操纵的能力。这些材料可以包括导体、电介质或在光纤(2)上形成的导体、绝缘体和电介质的复合体。超薄超颖表面(8)和光纤(2)的集成可以为光学成像和传感、光学通信、高功率激光器、光束控制、滤色镜和其他应用提供实际应用。

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年6月19日提交的美国临时专利申请第62/686,765号的优先权权益，其内容通过引用并入本文。

关于联邦资助研究或开发的声明

不适用

附件参考

不适用

发明背景

技术领域

本公开大体上涉及光纤。更具体地，本公开涉及在光纤上形成的超颖表面。

背景技术

光纤是一种用于引导和操纵光并允许高带宽光学传输的低衰减长距离通信的众所周知的有效方式。尽管电介质光波导对于传输光是有效的，但是其功能受到芯部和包层材料(例如Ge掺杂的二氧化硅和二氧化硅玻璃)的电介质性质的限制。通过光纤的光通常是发散的，因此光强度在离开光纤之后显著降低。数值孔径由纤维材料的折射率确定。

除了用于光通信目的外，传统的光纤已经用于光纤激光器、远程和光学传感、光纤成像和内窥镜以及光纤激光手术。然而，在拉制光纤之后，不能改变光纤中的光纤波导的光学性质，诸如相位、振幅、偏振态和模式分布。此外，所传输的光的光斑大小是发散的，并且光斑大小受到电介质芯部的衍射极限的限制。

已经尝试在光纤小平面上制造等离子体/纳米结构用于改变和增强光纤的光学特性，因为结构的元件可以直接与光纤内的良好引导的空间模式相互作用。已经在常规光纤的小平面上用周期性的金属纳米结构(即均匀的狭缝、孔或条)实现了诸如衍射光栅和等离子体传感器的紧凑光学部件。一种在空心光子晶体光纤(PCF)的小平面上将金属结构施加到聚合物膜上的方法已被功能化为纳米等离子体过滤器。该方法提供了与不同类型光纤的集成。然而，这些光纤内等离子体透镜的传输效率低、工作波长窄、制造和设计复杂，从而限制了它们潜在的实际应用。

此外，目前需要一种外部光电装置(例如，铌酸锂调制器)用于光纤信号调制。然而，这些外部调制器庞大且昂贵，并且它们引起显著的插入损耗。一些其它材料已经用于光纤包层中，用于高动态范围和低损耗的光调制，诸如液晶、铁电晶体、磁流体和石墨烯。然而，具有这些材料的结构很难制造，由于弱的光-物质相互作用而具有小的调制范围，具有慢的调制速度，并且需要不同的外部激励，诸如热加热或磁场，其不与光纤系统完全兼容。

发明内容

本公开提供了一种用于超薄光学超颖表面的系统和方法，所述系统和方法具有在光纤小平面上形成的阵列图案，所述阵列图案使得能够操纵从其中通过的光，诸如使光聚焦和转向，以及控制光的偏振状态。图案化可以是非均匀的，以选择性地引导通过超颖表面的光。阵列结构可以在尺寸、角度、形状和其它非均匀方面变化。此外，所述阵列可包括可被电激活和控制以可变地调谐超颖表面特性的材料，从而提高操纵从其中通过的光的能力。该材料可以包括导体、电介质或者在光纤上形成的导体、绝缘体和电介质的复合体。超薄超颖表面和光纤的集成可以在光学成像和传感、光学通信、高功率激光器、光束转向、滤色器和其它应用中提供实际应用。

本公开提供了一种具有小平面的光纤，包括耦合在光纤的小平面上的超颖表面，该超颖表面具有多个超颖表面元件的超颖表面阵列，所述超颖表面元件相对于基准以多个旋转角度布置，其中通过所述光纤的光能够以相应的超颖表面元件的旋转角度通过所述超颖表面元件。

本公开还提供了一种具有小平面的光纤，包括耦合在光纤的小平面上的超颖表面，所述超颖表面具有多个超颖表面元件的超颖表面阵列，来自所述光纤的光能够通过所述超颖表面元件，所述超颖表面被配置为响应于施加的电压来调谐通过所述超颖表面元件的光的特性。

本公开还提供了一种改变从光纤出射的入射光的方法，包括：允许光通过具有在光纤的小平面上形成的多个超颖表面元件的超颖表面；和与即将进入超颖表面元件的光相比，改变通过超颖表面元件的光的特性。

附图说明

该专利或申请文件包含至少一幅以彩色执行的附图。具有彩色附图的本专利或专利申请公开的副本将由专利局在请求和支付必要费用时提供。

图1A是其上形成有超颖表面的说明性光纤的示意性透视图。

图1B是图1A中的超颖表面的一部分的放大示意透视图，示出了超颖表面元件的示例性超颖表面图案。

图1C是图1B中的超颖表面阵列的超颖表面元件的放大示意透视图。

图2是元件的超颖表面阵列的实施方式的示意图，其相对于右旋圆偏振到左旋圆偏振的基准具有说明性的旋转角。

图3是如图1C所示形状的优化的超颖表面元件的实施方式的说明性右旋圆偏振(RCP)到左旋圆偏振(LCP)模拟转换效率的示意图。

图4是对于与超颖表面相距给定焦距的超颖表面元件的示意性旋转角的示意图。

图5是对于与图4中的焦距不同的与超颖表面相距的焦距，超颖表面元件的其它示意性旋转角的示意图。

图6是其上形成有超颖表面的制造的说明性光纤的示意性端视图。

图7是具有第一数值孔径和第一焦距的示例性超颖表面元件的超颖表面阵列的示意图。

图8是具有不同于图7中阵列的数值孔径和焦距的第二数值孔径和第二焦距的超颖表面元件的另一个说明性超颖表面阵列的示意图。

图9是用于测试超颖表面阵列结果和焦距的说明性系统的示意图。

图10是说明由超颖表面聚焦的通过超颖表面的光的实验测试结果的示意图。

图11是当用说明性的超颖表面聚焦时，多个光性质相对于波长的实验测量的示意图。

图12是超颖表面元件的另一个实施方式的示意性透视图。

图13是图12中的超颖表面元件的右旋圆偏振到左旋圆偏振效率相对于波长的示意图。

图14是在给定波长下超颖表面元件的示意性磁场分布的示意图。

图15A是在光纤上的说明性可调谐超颖表面的示意性透视图。

图15B是图15A中的超颖表面的一部分的放大示意性俯视图，示出了可调超颖表面元件的示例性超颖表面图案。

图16是说明性可调谐超颖表面元件的示意性横截面视图。

图17是图表的内嵌图中所示的另一可调谐超颖表面元件的测量相移与施加的偏压的示意图。

图18是示出用施加的电压控制相位和聚焦效应的模拟相位前沿的示意图。

图19A是光纤上的可调谐超颖表面的另一实施方式的示意性透视图。

图19B是图19A中的超颖表面的示意性可调谐超颖表面元件的示意性横截面视图。

图20是示出由在不同波长处施加的偏置电压引起的模拟相移的示意图。

图21是示出由在给定波长处施加的偏置电压引起的模拟相移的示意图。

图22是各种施加电压的光束转向的三种变化的示意图。

图23是对于图22中的三种光束转向变化，在不同衍射角下的三种光强度的示意图。

具体实施方式

上面描述的附图和下面具体结构和功能的书面描述不是为了限制申请人所发明的范围或所附权利要求的范围。相反，提供附图和文字说明是为了教导本领域的任何技术人员如何制造和使用寻求专利保护的发明。本领域技术人员将认识到，为了清楚和理解，并未描述或示出本发明的商业实施方式的所有特征。本领域的技术人员还将认识到，结合本公开的各方面的实际商业实施方式的开发将需要许多具体实施的决定来实现开发者的最终目标用于商业实施方式。这种具体实施的决定可以包括，但可能不限于，遵守系统相关的、商业相关的、政府相关的和其它约束，这些约束可以根据具体实施方式、地点或时间而变化。尽管开发者的努力在绝对意义上可能是复杂和耗时的，但是对于受益于本公开的本领域普通技术人员来说，这种努力将是常规的工作。必须理解的是，本文公开和教导的发明容易受到许多和各种修改和可选形式的影响。单数术语的使用，诸如但不限于：“一”，并不意味着限制项目的数量。此外，系统的各种方法和实施方式可以相互结合以产生所公开的方法和实施方式的变化。单数元件的讨论可以包括复数元件，反之亦然。对至少一个项目的引用可以包括一个或多个项目。而且，实施方式的各个方面可以相互结合使用，以实现本公开的理解的目的。除非上下文另有要求，术语“包含(comprise)”或变体，诸如(comprises/comprising)，应当理解，这意味着至少包括所述元件，或步骤，或元件或步骤组，或其等同物，而不排除更大的数值或任何其它元件或步骤或元件或步骤组或其等同物。该装置或系统可以在多个方向和取向上使用。术语“顶部”、“上部”、“向上”、“底部”、“下部”、“向下”或类似方向术语是指相对于附图和它们所示定向的方向，并且不是相对于固定基准(诸如，商业使用中的地球)绝对的。术语“内”、“向内”、“内部”或类似术语是指朝向组件或部件的中心部分(诸如组件或部件的纵向中心线)的方向，以及术语“外”、“向外”、“外部”或类似术语指背离组件或部件的中心部分的方向。术语“耦接的”、“耦接”、“耦接器”和类似术语在本文被广泛使用，并且可以包括任何用于固定、结合、粘接、紧固、附接、连接、插入其中、形成于其上或其中、通信或其他方式连通，例如机械地、磁性地、电学地、化学地、可操作地、直接地或间接地与中间元件连通，将一个或多个构件连在一起并且可以进一步包括但不限于以整体方式将一个功能构件与另一个功能构件整体地形成。所述耦接可以在任何方向上发生，包括旋转地发生。除非另外特别限定，步骤的顺序可以各种序列发生。本文所述的各种步骤可以与其它步骤组合，与所述步骤相互交插，和/或分成多个步骤。类似地，已经在功能上描述了元件，并且元件可以被实施为单独的部件或者可以被组合成具有多个功能的部件。为了简洁起见，一些元件由设备名称指定，并且将被理解为包括本领域普通技术人员已知的相关部件的系统，并且可能不被具体描述。在说明书和附图中提供了各种实施例，这些实施例执行各种功能，并且在形状、尺寸、描述方面是非限制性的，但是作为说明性结构，其可以如本领域普通技术人员所知的那样在给出本文所包含的教导的情况下进行变化。因此，术语“示例性”的使用是名词“实施例”的形容词形式，且同样是指说明性的结构，而不必是优选的实施方式。具有后缀字母的元件数字，诸如“A”、“B”等，是指具有相似结构或功能的一组相似元件中的不同元件，而没有字母的相应元件数字通常是指一个或多个相似元件。与本申请中公开的元件相对应的权利要求中的任何元件编号都是说明性的，而不是排它性的，因为公开了几个实施方式，它们使用各种元件编号来作为相似的元件。

本公开提供了一种用于超薄光学超颖表面的系统和方法，该超薄光学超颖表面具有在光纤小平面上形成的阵列图案，该阵列图案使得能够操纵从其中通过的光，诸如使光聚焦和转向，以及控制光的偏振状态。图案可以是非均匀的，以选择性地引导通过超颖表面的光。阵列结构可以在尺寸、角度、形状和其它非均匀方面变化。此外，该阵列可包括可被电激活和控制以可变地调谐超颖表面特性的材料，以提高操纵从其中通过的光的能力。该材料可以包括导体、电介质或者在光纤上形成的导体、绝缘体和电介质的复合体。超薄超颖表面和光纤的集成可以在光学成像和传感、光学通信、高功率激光器、光束转向、滤色器和其它应用中提供实际应用。

图1A是其上形成有超颖表面的说明性光纤的示意性透视图。通常，光纤2形成有一个端面，通常称作“小平面(facet)”4。小平面通常垂直于光纤的纵轴。一些光纤形成有沿该光纤延伸的中空通道6，并且被称为光子晶体光纤(“PCF”)或微结构光纤。在实心纤芯PCF中，纤芯10的平均折射率高于微结构周围材料，被称为“包层”，并且由于改进的全内反射，可以在实心纤芯PCF的纤芯中俘获和引导光。由于PCF的独特的孔结构和导向机构，可以通过设计所需的玻璃-空气结构来操纵光学性能。为了说明这里公开的原理，示出并公开了PCF，尽管本发明也可以使用其它光纤。(插入附加的材料讨论)。

可以在光纤2上，特别是在小平面4上，形成超颖表面8。当光通过超颖表面时，通常通过光纤的纤芯10和通过小平面的光12’可以由超颖表面来操纵。(其它端口和通过光纤的光可以使用本文的教导来类似地操作)。超颖表面8可以由至少一部分导电材料形成，诸如金、导电氧化物(诸如透明导电氧化物(“TCO”))、金属氮化物或其它材料，其中一些在本文更详细地描述。超颖表面8包括超颖表面元件18的超颖表面阵列16，其可以是亚波长的。在至少一个实施方式中，可以通过超颖表面阵列16的几何排列形成超颖表面8以在光纤小平面中产生聚焦光。正常快速发散的光可以被操纵和控制，使得它可以变成高强度的、在给定焦距L处的焦点14处的聚焦光。超颖表面元件18可以被配置为控制透射、反射和散射光的相位和幅度，该光最终从形成在小平面上的超颖表面发出，诸如通过穿过超颖表面元件。用于超颖表面阵列的相位延迟的分布可以被表征为

其中r是从超颖表面阵列上的当前位置到中心的距离，f是焦距，λ是工作波长。利用这样的相位分布，入射平面波阵面被转换成在焦距汇聚的球面波阵面。等式(1)中的固定工作波长λ，

超颖表面8可以以独特的方式折射和聚焦光，从而提供了先进的光操纵和新应用开发的机会。超颖表面通常是平坦的，其典型厚度小于100纳米(nm)。诸如棱镜或透镜之类的传统三维光学元件可由平坦、低型面和低成本的超颖表面版本代替。超颖表面能够实现超薄光学部件，诸如包括发散和聚焦透镜的平坦透镜、波片、全息图表面、滤波器和放大器、线性偏振器、在大范围电磁光谱上的轨道角动量操纵和检测装置。通过控制由超颖表面元件施加的相位偏移和幅度变化，超颖表面阵列能够实现各种光学应用，诸如波前工程、辐射图案裁剪、非互易磁光效应、光束转向和非线性超快光开关等。如本文所公开的，超颖表面的一些实施方式可以是可调谐的，使得超颖表面性能特性随着输入而改变，诸如耦合到超颖表面元件的电源。可调谐实施方式可包括导电氧化物和/或金属氮化物材料。在至少一个实施方式中，可调谐元件可包括栅极可调谐导电氧化物超颖表面元件，其使得能够动态电控制反射/折射光的相位和幅度。

图1B是图1A中超颖表面的一部分的放大示意性透视图，示出了超颖表面元件的示例性超颖表面图案。以示例性阵列16形成超颖表面8。可以在具有宽波长范围的光纤中保持通过纤芯的光的连续单模引导，并且主要将光限制在纤芯区域内。超颖表面阵列被设计成对应于纤芯尺寸，以使得以引导纤芯模式通过纤芯的光与整个超颖表面相互作用。阵列可以包括相对于基准30以不同角度定位的超颖表面元件的多个图案，诸如在这种示例性的圆形行中。基准30可以是正交的或径向的，使得相对角度和位置可以在各个超颖表面元件之间区分开。在图1B的特定示例中，第一阵列行20具有一系列相对于基准30处于恒定角位置的超颖表面元件18，而不管其在环中的位置如何。类似地，从第一阵列行20向内形成第二阵列行22，其具有相对于基准30处于恒定角位置但不同于第一阵列行20中的元件的多个超颖表面元件。从第二阵列行22向内形成另一阵列行，即第三阵列行24，其具有相对于基准30处于恒定角位置但不同于第一和第二阵列行中的元件的多个超颖表面元件。在这个实施方式中，阵列行可以朝向超颖表面阵列16的中心以径向间距向内延续，直到到达中心26，该中心也可以包括相对于基准30成某个所需角度(包括0°)的超颖表面元件。所示的实施方式不是限制性的，并且可以包括，例如，不同的元件图案、给定图案内的相对于基准的不同角度而不是恒定角度的元件、不同的尺寸、不同的形状、不同的间距以及其它均匀或不均匀的变化。

图1C是图1B中的超颖表面阵列的超颖表面元件的放大示意性透视图。超颖表面元件18可以形成为在超颖表面8中、穿过超颖表面8或者在超颖表面8上，通常在小平面处具有厚度“t”。在所示的实施方式中，超颖表面元件18形成为穿过超颖表面8的孔，诸如通过蚀刻穿过沉积在光纤纤芯的小平面二氧化硅材料上的金层。超颖表面元件可以具有宽度“w”和长度“l”以及深度“t”，具有沿着元件的某些参考线32的角度θ，诸如相对于基准30的长度(或宽度或其它结构参考)，如本文所讨论的。相邻的超颖表面元件可以具有周期性的间隔“p”。

图2是相对于右旋圆偏振(“RCP”)到左旋圆偏振(“LCP”)偏振的基准具有说明性的角度θ的元件的超颖表面阵列的实施方式的示意图。在该超颖表面阵列16的示例中，超颖表面元件18A的纵轴可用于建立基准30以定义零旋转角θA。超颖表面元件18A可以表示在图1B中的中心28处的超颖表面元件。角度θ的旋转方向决定光将聚焦于RCP到LCP还是LCP到RCP。出于本文的目的，正角度θ对应于逆时针的旋转方向，以从LCP到RCP汇聚光。在下面的示例中，超颖表面元件以负角度θ沿顺时针方向旋转，因此超颖表面阵列从RCP(入射光)到LCP(输出光)聚焦光。向超颖表面元件18A的右侧前进，由元件18B表示的一行超颖表面元件可以以一个对准角θB形成，该对准角θB可以在平行于基准30的线和元件18B的纵轴之间测量。在该实施方式中，角度θB不同于元件18A的角度θA。由元件18C表示的另一行超颖表面元件可以以角度θC形成，该角度可以在平行于基准30的线和元件18C的纵轴之间测量。在该实施方式中，角度θC不同于角度θA或θB。由元件18n表示的附加行的超颖表面元件可以以类似的方式以对准角θn形成。向超颖表面元件18A的左侧前进，由元件18D表示的一行超颖表面元件可以以角度θD形成，该角度可以在平行于基准30的线和元件18D的纵轴之间测量。在该实施方式中，角度θD不同于角度θA。由元件18E表示的另一行超颖表面元件可以以角度θE形成，该角度可以在平行于基准30的线和元件18E的纵轴之间测量。在该实施方式中，角度θE不同于相邻角度θD(以及其它角度)。由元件18n’表示的附加行的超颖表面元件可以以类似的方式以角度θn’形成。可以形成该行，直到该超颖表面阵列完成。元件和行的行数、角度、形状和取向可根据所需的控制类型和对通过超颖表面的光的应用而变化。此外，该纵轴被示出为建立相对于该基准的角度θ的参考。可以使用其它参考线和表面，包括相对于椭球形元件的宽度或长轴或短轴的参考线，以及其它方便的参考线，以限定超颖表面元件之间的角度。此外，如果适当的话，对于控制光的所需效果，角度可以在给定的行内变化。

图3是如图1C所示形状的示例性优化超颖表面元件的示例性右旋圆偏振(RCP)到左旋圆偏振(LCP)模拟转换效率的示意图。该超颖表面元件的模拟转换效率的谐振波长计算为1482.6nm，最大效率为17％。该图表示理论模拟，以确定每个单独谐振超颖表面元件相对于中心的所需旋转角，从而实现对于某些圆偏振入射光的汇聚效果。给定波长的示例性优化超颖表面元件可具有以下参数：长度l为500nm，宽度w为150nm，深度t为40nm，周期性p为600nm。虚线表示用于实验带宽的波长区域。在该示例中，在1430nm处的峰值效率约为17％。在至少一个适用于电信波长的实施方式中，效率为1500nm处的约16.5％至1630nm处的约13％。在给定波长处的峰值可以经优化后用于本文教导所给出的应用。

使用来自Lumerical Solutions,Inc的MODE Solutions软件进行本文讨论的大模场光子晶体光纤的一些模拟。为了模拟，将大模场光子晶体光纤(LMA-25)(NKT Photonics,Inc.)的节距和孔径分别建模为16.4μm和4μm。所用光子晶体光纤的材料的示例是纯石英玻璃。使用计算机模拟技术(CST)微波工作室进行超颖表面的强度分布的模拟。对于单元元件的设计，采用单元边界条件来模拟阵列布置中的传输光谱。为了简化，圆柱透镜被模拟以数字地预测设计的超颖表面的焦距，其中在X和Y方向上分别采用完美匹配层(PML)和周期性边界条件。二氧化硅的介电常数函数用标准的Sellmeier展开式建模。复频率相关的近IR区中金的介电函数可通过具有0.07eV阻尼常数和8.997eV等离子体频率的Lorentz-Drude模型来描述。

图4是对于距超颖表面给定焦距的超颖表面元件的示意性旋转角的示意图。该图示出了图1A中超颖表面阵列16的超颖表面元件18对于0.37的数值孔径(NA)的旋转角θ，该数值孔径被设计成将通过纤芯10的光汇聚成焦点14处的聚焦光束12，在1550nm波长下，焦距L为30um。位于或接近图中间的点4处的零点距离(0μm)处的超颖表面元件可以示出焦点14处光束的中心，诸如在图1B所示的中心28之上。在该点44处，超颖表面元件可以处于零旋转角θ，其可以表示为坐标([位置]，[旋转角])，即坐标(0，0)。当超颖表面元件的距离从中心点44向外移动时，超颖表面元件的旋转角度可以改变，诸如在图4的图示实施方式中绝对值的增加。例如，在距中心-4.8μm的点46’处，其位于中心点44的左侧，超颖表面的元件角度θ将为约-28°，或坐标(-4.8，-28)。在距中心4.8μm的点46处，其位于中心点44的右侧，元件角度θ将为约-28°，或坐标(4.8，-28)。此外，在距中心位置-10μm的点48’处，角度θ将为约-125°，或坐标(-10，-125)。类似地，在距中心位置10μm的点48处，角度θ将是大约-125°，或坐标(10，-125)。在距中心-12.5μm的点50’处，元件角度θ将是约-173°，或坐标(-12.5，-173)。类似地，在距中心12.5μm的点50处，元件角度θ将为约-173°，或坐标(12.5，-173)。

图5是对于与图4中的焦距不同的与超颖表面相距的焦距，超颖表面元件的其它示意性旋转角的示意图。该图示出了图1A中超颖表面阵列16的超颖表面元件18对于0.23的NA的旋转角θ，该NA被设计成在波长1550nm下将光12汇聚成焦距L为50um的聚焦光束。位于或接近图中间的点54处的零点距离(0μm)处的超颖表面元件可以示出焦点处光束的中心。在该点54，超颖表面元件可以处于零旋转角θ，其可以表示为坐标(0，0)。当超颖表面元件的距离从中心点54向外移动时，超颖表面元件的旋转角度可以改变。例如，在距离中心-3.6μm的点56’处，其位于中心点54的左侧，超颖表面元件角度θ约为-26.2°，或坐标(-3.6，-26.2)在距离中心3.6μm的点56处，其位于中心点54的右侧，元件角度θ约为26.2°，或坐标(3.6，-26.2)。此外，在距离中心位置-7.8μm的点58’处，元件角度θ约为-121°，或坐标(-7.8，-121)。类似地，在距离中心位置7.8μm的点58处，元件角度θ约为-121°，或坐标(7.8，-121)。仍此外，在距离中心-9μm的点60’处，元件角度θ约为-161°，或坐标(-9，-161)。类似地，在距离中心位置9μm的点60处，元件角度θ约为-161°，或坐标(9，-161)。在距离中心-9.6μm的点62’处，元件角度θ约为-2.2°，或坐标(-9.6，-2.2)。类似地，在距离中心9.6μm的点62处，元件角度θ约为-2.2°，或坐标(9.6，-2.2)。在距离中心-12μm的点64’处，元件角度θ约为-101°，或坐标(-12，-101)。类似地，在距离中心12μm的点64处，元件角度θ约为-101°，或坐标(12，-101)。

图6是其上形成有超颖表面的制造的说明性光纤的示意性端视图。图7是具有第一数值孔径和第一焦距的示例性超颖表面元件的超颖表面阵列的示意图。图8是具有不同于图7中阵列的数值孔径和焦距的第二数值孔径和第二焦距的超颖表面元件的另一个说明性超颖表面阵列的示意图。光纤的小平面4提供表面以形成其上的超颖表面8。超颖表面8形成在纤芯10上，使得超颖表面阵列16覆盖纤芯。超颖表面阵列16包括多个超颖表面元件18，这些超颖表面元件18可以相对于彼此和相对于超颖表面阵列上的公共参考点以不同的位置和角度布置，诸如在至少一个实施方式中与光纤和/或纤芯的中心对齐的超颖表面的中心。图7示出了在0.37的数值孔径下测试的超颖表面阵列的至少一个实施方式。图8示出了在0.23的数值孔径下测试的金属表面阵列。

图9是用于测试超颖表面阵列结果(包括焦距和其他性质)的说明性系统的示意图。当如此设计时，系统70可用于验证超颖表面的聚焦效果。通常，该系统可以捕获沿着传播方向在距超颖表面的距离处的光强度分布，诸如，在直角坐标系中的z轴扫描。通常，系统70包括光源，诸如激光器72，其可以引导其光通过线性偏振器74和四分之一波片76以产生圆偏振光。然后，圆偏振光可以由物镜78聚焦到光纤2中，作为光12’，其具有纤芯10和输出端面4，其中超颖表面8具有形成在端面4中的超颖表面阵列16，也如图1A所示。通过超颖表面的光12可以由线性台90通过另一物镜80、透镜82、四分之一波片84、线性偏振器86收集，将右旋或左旋圆偏振输出分量在近红外照相机88上成像。为了获得杂乱表面的光强度分布，超颖表面的端面最初聚焦在照相机(Z＝0nm)上。然后拍摄图像，同时以阶梯尺寸如1-2μm而线性地移离端面。实验中，发现总移动距离通常约为50-60μm。

图10是说明由超颖表面聚焦的通过超颖表面的光的实验测试结果的示意图。本文该的聚焦超颖表面的顶行测量结果的一个示例被示出，以示出在1510μm、1550μm和1590μm波长的不同示例下Y轴的强度。底行是超颖表面的模拟强度分布轮廓。聚焦在模拟行中被更清楚地示出，从跨越超颖表面阵列16的初始分布光到汇聚光96到焦距处高强度的聚焦光98，该聚焦光98最终与每个采样波长的顶行中聚焦光92的实际测量强度紧密对应。

图11是当用说明性的超颖表面聚焦时，多个光性质相对于波长的实验测量的示意图。线104表示使用图形左侧的Y轴在不同波长下的焦距测量结果。在非限制性示例中，焦距从约1500-1630μm波长从约25-28μm变化，大部分焦距在27-28μm之间。线106表示使用图形右侧的Y轴在不同波长的相应焦平面上的操作效率。随着波长值的增加，效率趋向于降低，在约1520-1530μm波长下，效率高值略大于16％，到在1630μm波长下，效率低值略大于9％。线108表示半最大值处的全宽度，表示从1500-1630μm波长显示约2.6μm的相对恒定值的聚焦光斑尺寸。

图12是超颖表面小平面4的另一个实施方式的示意性透视图。可以在光纤的小平面4上形成导电介电硅层。可以通过去除元件周围的材料114而形成超颖表面元件18，使得超颖表面8的剩余材料变成从光纤的小平面突出的超颖表面元件。其它实施方式可以包括沉积在二氧化硅上并从二氧化硅表面向上形成的硅层，而不是向下蚀刻除去材料。

图13是图12中的超颖表面元件的右旋圆偏振到左旋圆偏振效率相对于波长的示意图。模拟结构和具有凸出的超颖表面元件18的超颖表面8的RCP-LCP转换效率的偏振效率在约1550nm的波长下为约91％。

图14是在给定波长下超颖表面元件的示意性磁场分布的示意图。如图12所示，介电超颖表面元件的磁场分布示出了共振的磁场112，其中内环被显著地激励向超颖表面元件的中间。

图15A是在光纤上的说明性可调谐超颖表面的示意性透视图。图15B是图15A中的超颖表面的一部分的放大示意性俯视图，示出了可调谐超颖表面元件的示例性超颖表面图案。该说明性实施方式在PCF类型的光纤上提供可调谐(诸如，栅极可调谐)的超颖表面。在至少一个实施方式中，该可调谐超颖表面响应于该电压和性能变化，以在光纤上提供该超颖表面的聚焦特性(以及本文该的其它特性)的主动控制。具有纤芯10的光纤2可以包括沉积在光纤的小平面4上的超颖表面8。超颖表面8包括超颖表面元件18的超颖表面阵列16。在该实施方式中，超颖表面元件18可通过将来自第一导体126的电压与第二导体128上的相应电压漏极一起施加来调谐。一个或多个导体可以耦合到元件导体，诸如元件导体130。

改变超颖表面的性能可以改变光的特性，诸如相位，因此改变光束的焦距、方向和其它性质。可调谐实施方式可以使用，例如但不限于，金属材料、导电氧化物、绝缘体、金属氮化物等用于超颖表面，并且可以类似于MOS型结构。这样的实施方式允许基于可控相位的累积电子分布和可调谐频率来控制光学限制，并且因此影响焦距和其它特性。

TCOs是在可见光和近红外频率下具有高透射率的重掺杂半导体，典型的载流子浓度在10

氮化钛(TiN)属于难熔过渡金属氮化物(TMNs)族，显示出共价化合物(陶瓷)的特性，诸如高熔点(～3000℃)、抗氧化性、热力学稳定性和极高的硬度，以及金属的特性，诸如良好的导热性和导电性。TiN已广泛用于硅超大规模集成电路的金属化方案中，并用作场效应晶体管中的扩散阻挡层、整流和欧姆接触以及栅电极的材料。TiN由于其高载流子浓度而在可见光/NIR频率中显示出金属性质(例如负介电常数)。例如，可以通过使用分子束外延(MBE)和原子层沉积(ALD)技术来制造TiN薄膜作为超颖表面。可以制备亚纳米到几百纳米厚度，载流子浓度为-9.2×10

图16是说明性可调谐超颖表面元件的示意性横截面图。在所示的实施方式中，导电氧化物的第一层142可以沉积在光纤纤芯10上。在一些实施方式中，导电氧化物层可以是TCO材料。可以在导电氧化物层上沉积绝缘层150，诸如氧化铝。可以在绝缘层上沉积金属或其它金属层150。金属层150可根据需要蚀刻或以其它方式形成。在这种情况下，在金属层144的部分之间形成光孔148。可在金属层上沉积另一绝缘层150。另一导电氧化物层146可沉积在绝缘层上。一个或多个电压源可以耦合到该层。例如，第一电压源152可以耦合在导电氧化物层142和金属层144之间。类似地，第二电压源154可以耦合到金属层144和导电氧化物层146。用于每个结构的多个电压源可以通过单独的电压来改变，以用于更多的可调谐选项。

图17是图表的内嵌图中所示的另一可调谐超颖表面元件的测量相移与施加的偏压的示意图。该图表基于上述引用的可调谐超颖表面元件的变化。超颖表面8包括金属反射层160，诸如金，其可以沉积在光纤纤芯(未示出)的二氧化硅上。可以在反射层上沉积导电氧化物162，诸如ITO。可以在导电氧化物层上沉积绝缘层164，诸如氧化铝。可以在绝缘层上沉积另一金属层166，诸如金。层166可以用超颖表面元件图案化以形成本文该的超颖表面阵列。电压源168耦合在导电氧化物层162和金属层166之间。

该图中的图表示出了施加到所构造的可调谐超颖表面元件的电压的影响。在0V时，没有相移，并且超颖表面元件在默认模式工作。当电压施加到可调谐超颖表面元件时，当在给定波长下施加2.5V时的光的相位偏移180°(π)。

图18是示出用施加的电压控制相位和聚焦效应的模拟相位前沿的示意图。图18示出了反射阵列超颖表面的相位性质的模拟，其中超颖表面元件用不同的电压整流栅极。这些结果预测光的相位前沿可以经由施加的电压来整形，因此可以实现具有可调谐焦点的超颖表面透镜。在这个示例中，5.07V的采样电压被施加到点176和174。3.5V、2.69V、2.24V、1.77V和0V电压分别从点172施加到点170。相位前沿图表示出了在0V时在图表末端的点172处没有相移。在5.07V的最大电压下，相移在点174是显著的。

图19A是光纤上的可调谐超颖表面的另一实施方式的示意性透视图。图19B是图19A中的超颖表面的示意性可调谐超颖表面元件的示意性横截面视图。该实施方式示出了另一个栅极可调谐超颖表面阵列。为了模拟的目的，可以在二氧化硅层182上形成超颖表面8，诸如1μm厚。在实际应用中，二氧化硅可以是小平面处的光纤的材料。可由横向间隔开的多个细长超颖表面元件18形成超颖表面阵列16，该多个细长超颖表面元件18可在超颖表面阵列的一端180处接合以在元件上获得均匀电压。光12可以通过超颖表面阵列。在该实施方式中，超颖表面元件18可以包括第一个二氧化硅层182。可以在层182上沉积金属层184，诸如金。绝缘体层186，诸如二氧化铪。可以在绝缘体层186上沉积诸如ITO的介电层188。可在介电层188上沉积另一绝缘体层190。可以在绝缘体层190上沉积另一金属层192。

图20是示出由在1300nm至1700nm波长范围内施加的偏压引起的模拟相移的示意图。通过向图19A和19B所示的可调谐超颖表面阵列施加电压，超颖表面元件的相位可以从-110°至110°大幅度偏移。这些结果预测光的相位前沿可以经由施加的电压来整形，因此将实现具有可调谐焦距的超颖表面透镜。

图21是示出由在给定波长处施加的偏置电压引起的模拟相移的示意图。通过向图19A和19B所示的可调谐超颖表面阵列施加不同的电压，可以观察给定波长的相移。在这个示例中，对于1500nm的波长，4V时的相移为80°。

图22是各种施加电压的光束转向的三种变化的示意图。图23是对于图22中的三种光束转向变化，在不同衍射角下的三个光强度的示意图。从光纤出射的高能光束214可以通过衍射来自诸如图16所示的超颖表面元件的可调谐超颖表面阵列而受益于以各种角度转向光束。外部对准系统，诸如机械转向反射镜和透镜，可以改变光束的角度和方向。然而，这样的对准系统可能是缓慢的、复杂的和庞大的。本发明提供了电子束的电子转向。可调谐超颖表面可以在超快速度(诸如大于10GHz或更高)和功率有效方式(例如每比特小于50fJ)下转向光束或改变光束的焦点。如上所述，可直接在光纤的端面上制作该结构。可调谐材料，诸如TiN，由于其作为难熔金属的性质，能够耐受高强度光而不被损坏。例如，应用可以包括外科激光器和具有高强度光的激光器的其它用途。

在图22所示的顶部变型中(类似于图16所示的超颖表面元件结构)，可以通过在阵列中的增量空间位置处施加电压V1来激励可调谐超颖表面阵列16A的示例，以引起相位变化，诸如π的相位变化，其特征反射具有±1的衍射级。当入射光214到达激励成相位变化状态的超颖表面阵列16A时，光可以作为衍射光216A反射，且衍射光218与入射光214的角度不同。结果在图23的顶部图表中示出。对于这个示例，入射光214处于0°，衍射光216A向入射光的右侧成角度约40°，且衍射光218向衍射入射光的左侧成角度约-40°。

在图22所示的中间变型中，可以通过在增量空间位置220、222、224处施加多个电压V1、V2、V3来激励可调谐超颖表面阵列16B的示例，以在阵列中形成组226，从而在组中的所施加位置处引起增量的相位变化。电压的施加可以在多个组中重复。当入射光214到达被激励成相位变化状态的超颖表面阵列16A时，该光可以作为与入射光214角度不同的衍射光216B以一定角度反射。结果如图23中的中间图表所示。对于这个示例，入射光214处于0°，衍射光216B向入射光的右侧成角度约40°。进一步的变化是不同组的不同电压，该组内的不同电压在相位变化中不形成所示的阶梯形状，诸如弯曲或其它相位成形。

在图22所示的下部变型中，可以通过在增量空间位置220、222、224处施加多个电压V1、V2、V3来激励可调谐超颖表面阵列16C的示例，以在阵列中形成组226，从而在组中的所施加位置处引起增量的相位变化。然而，在该变型中，以增加的长度来施加电压，导致相位变化的形状比中间变型中的形状倾斜更小。电压的施加可以在多个组中重复。当入射光214到达被激励成相位变化状态的超颖表面阵列16C时，该光可以作为与入射光214角度不同的衍射光216C以一定角度反射。结果如图23中的中间图表所示。对于这个示例，入射光214处于0°，衍射光216C向入射光的右侧成角度约20°。

使用来自Lumerical Solutions,Inc.的MODE Solutions软件进行本文讨论的大模场光子晶体光纤的一些模拟。大模场光子晶体光纤(LMA-25)(NKT Photonics,Inc.)的节距和孔径分别为16.4μm和4μm。所用光子晶体光纤的材料的示例是纯二氧化硅玻璃。使用计算机模拟技术(CST)微波工作室进行超颖表面强度分布的模拟。对于单元元件的设计，采用单元边界条件来模拟阵列构型中的透射光谱。为了简化，圆柱透镜被模拟以数字预测设计的超颖表面的焦距，其中在x和y方向上分别采用完美匹配层(PML)和周期性边界条件。二氧化硅的介电常数函数用标准的Sellmeier展开式建模。复频率相关的近IR区中金的介电函数可通过具有0.07eV阻尼常数和8.997eV等离子体频率的Lorentz-Drude模型来描述。

基于大模场光子晶体光纤(LMA-PCF)的端面上的厚度为40nm的超颖表面，通过直接图案化几何相位(诸如Beery相位)来发展超颖表面，该大模场光子晶体光纤(LMA-PCF)由纯二氧化硅指出，具有25±1um的大纤芯直径。圆偏振入射光束在从电信波长范围内的光纤通过之后可以以相当大的聚焦效率聚焦。

为了实验地形成PCF超颖表面，通过磁子溅射在LMA-PCF的端面上沉积厚度为40nm的金层。通过具有30kV的加速电压和100pA的电流的聚焦离子束铣削(FIB)(虽然可以使用其它纳米制造技术，包括例如电子束光刻)来制造超颖表面阵列图案。特别注意对准光纤的中心，使得超颖表面阵列完全覆盖光纤的纤芯。在PCF的小平面上制造的超颖表面的扫描电子显微镜(SEM)图像在图6中示出，并且在图7中示出了NA＝0.37的放大版本，在图8中示出了NA＝0.23的放大版本。使用SEM中获得的尺寸对制造的样品进行的模拟传输表明，共振波长位于1499.3和1490.3nm处，对于NA为0.37和0.23的超颖表面，其最大效率为17％和16.5％，接近于设计结构。

为了验证光纤内超颖表面的聚焦效果，通过用包括图9所示系统的Z扫描设置对沿光传播方向的场强成像来捕获光强度分布。使用所设计的基于几何相位的超颖表面，入射的右旋圆偏振光(RCP)被发射到PCF超颖表面中，左旋圆偏振光(LCP)分量被收集作为输出光。图10示出了在波长范围为1510-1610nm，阶梯为20nm的超颖表面的X-Z平面上的缝合场强分布。可以看出，光密度随着从PCF超颖表面的端面到焦平面的距离增加而增加，从而证明了聚焦效果。所观察的焦距位于约30μm。通过使用从SEM图像获得的超颖表面元件的实际尺寸，测量的光分布与模拟结果显示出良好的一致性。为了确认来自超颖表面的聚焦效果，以与LCP分量相同的方式收集来自输出的RCP分量，并且没有观察到来自RCP输出分量的聚焦，这与基于Berry相位的超颖表面的理论设计一致。

还分析了超颖表面的光学性能。图11示出了焦距与波长的相关性的分析。对于NA为0.37的PCF超颖表面，在1500-1630nm的波长之间，测量的焦距从26.7μm变化到28.0μm，这与模拟结果(即，在相同波长范围内，焦距为28.5μm)很好地相符。尽管未示出，但是对于NA为0.23的超颖表面，在1500-1630nm的工作波长之间，实验焦距从40.0到41.3μm变化，非常类似于40.0到41.0μm的模拟结果。然而，该焦距与理论计算显示出较大的偏移，这主要来自仅在第一菲涅耳区中被划分的实施相位分布。这可以通过增加纤芯尺寸或超颖表面的NA来有效地解决。对于接近设计的两个PCF超颖表面，在1550nm波长处的测量和模拟焦距为28.0和40.0μm。

焦斑的半最大值处的全宽度(FWHM)和NA为0.37的PCF超颖表面的操作效率如图11中下曲线上所示。FWHM被定义为半最大光强度的束腰(beam waist)，其通过用高斯函数拟合焦斑处的光强度的测量横截面而获得。对于NA为0.37的PCF超颖表面，在所测量的波长范围内，所测量的FWHM为2.40-2.63μm。

NA为0.37的PCF超颖表面的操作效率如图11中的中间曲线上所示。操作效率(即来自入射的RCP到输出LCP的聚焦效率)被定义为焦斑处的模式轮廓的光强度与没有金涂层的参考PCF的端面之前的光强度的比率。在1530和1540nm波长下测量PCF超颖表面的16.1％的最大效率。对于NA为0.23的超颖表面，相同波长的最大效率为16.4％(未示出)。工作效率随波长的降低与来自超颖表面元件的模拟RCP到LCP转换效率一致，如图3所示。

出于本文的目的，PCF超颖表面的增强的光学强度被定义为在焦平面处积分在整个光束轮廓上的光强度与在没有超颖表面的LMA-PCF的端面之后的光强度之比。在波长1540nm处，增强的光强度是2.34倍。即使聚焦性能受到操作效率的限制，PCF超颖表面的光强度也比参考光纤的光强度强。所证明的有效的纤维内超颖表面提供了可控的NA、光斑尺寸、和增强的光强度，这可以促进新颖和超紧凑的光纤内光学成像和通信装置应用的发展，诸如用于激光手术的光纤内透镜和光纤内窥镜，用于光纤激光器和光谱学的聚焦元件，以及用于光互连的有效光纤耦合。

在不脱离如权利要求所定义的所公开的本发明的情况下，可以设计利用上述发明的一个或多个方面的其它和进一步的实施方式。例如，在本申请中提供的具有和不具有中空管的不同光纤结构、不同的超颖表面结构和厚度、直径、形状、角度、波长、焦距、材料和其它参数可以变化，并且仅由权利要求的范围限制。

已经在优选和其它实施方式的上下文中描述了本发明，而不是已经描述了本发明的每个实施方式。对该实施方式的明显修改和改变对于本领域普通技术人员是可用的。所公开和未公开的实施方式并不意欲限制或限定申请人所构思的本发明的范围或适用性，而是，按照专利法律，申请人想要完全保护属于所附权利要求范围内的所有这些修改和改进。