【摘 要】
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传统的冷原子系统已经很好地展示了在自由空间上对中性原子的冷却与囚禁,并通过操控单个原子甚至原子阵列实现了量子模拟,然而复杂庞大的光学元件难以在实验室环境外得到广泛应用。得益于高集成密度、低成本且可大规模制造的集成光子器件和系统的长足发展,用于小型化冷原子系统的硅基集成光电子器件研究受到了人们广泛的关注。本文基于硅基亚波长结构等效折射率调控特性,设计并制备了面向集成化冷原子系统的模式转换器件,其主要
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传统的冷原子系统已经很好地展示了在自由空间上对中性原子的冷却与囚禁,并通过操控单个原子甚至原子阵列实现了量子模拟,然而复杂庞大的光学元件难以在实验室环境外得到广泛应用。得益于高集成密度、低成本且可大规模制造的集成光子器件和系统的长足发展,用于小型化冷原子系统的硅基集成光电子器件研究受到了人们广泛的关注。本文基于硅基亚波长结构等效折射率调控特性,设计并制备了面向集成化冷原子系统的模式转换器件,其主要的研究内容和创新点如下:（1）针对原子囚禁使用商用透镜组对激光束实现强聚焦并不利于片上集成的问题,本文设计了在近红外波段工作的低发散角的硅亚波长光栅。利用两束低发散角的准直光束,在其叠加区域形成光阱,为片上原子囚禁提供了新的解决方案。采用有限时域差分方法对初始结构进行优化,硅亚波长光栅可以将单模波导内的模场以-4.59°衍射角的方向转换为自由空间的准直光束,远场发散角仅为6.66°。硅亚波长光栅还可以在垂直方向上（0°衍射角）将单模波导内的模场转换为自由空间的准直光束,远场发散角为5.35°,同时基于逐点扫描的原理搭建实验测试平台并测得发散角为9.21°,与理论结果较为吻合。本文还设计了氮化硅亚波长聚焦光栅,可在自由空间内实现聚焦同时其腰斑直径在微米级,为原子囚禁提供了另一种解决方案。提出了一套完整的自动化脚本建模方法,预设自由空间中三组不同的焦点位置,并给出了自由空间内的光场分布,聚焦效率分别为43.8%、49.6%和48%,焦点半高全宽分别为2.81μm、3.04μm和3.12μm。（2）为解决微米级集成波导中的波导模式与自由空间中操纵中性原子的激光束之间存在较大的模式失配的问题,本文理论设计了高效率亚波长结构模式转换器,从而将光场从亚微米波导模式扩展到厘米级自由空间模式。基于亚波长结构等效折射率调控特性,亚波长结构使平板波导在横向具有折射率梯度分布从而形成自聚焦波导。入射光经过自聚焦波导的焦点后可以实现高效绝热的模式扩展。有限时域差分方法仿真表明,采用2.8μm×1.7μm的氮化硅亚波长结构时入射光始终保持单模并进行1200倍的模式扩展,转换效率为84%。该器件工作带宽达到240 nm,且在TE/TM偏振状态下都可工作。为了将高斯平板模式进一步扩展至自由空间,还理论设计了具有高斯轮廓衍射场的纳米孔阵列非均匀光栅。基于有效介质理论,运用自动化脚本建模将具有纳米孔阵列非均匀光栅等效成二维模型,仿真得到半高全宽超过350μm的高斯轮廓的衍射场输出。
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