一种超表面空间光调制器及相关产品
技术领域
本实用新型涉及光学技术领域，特别是涉及一种超表面空间光调制器及相关产品。
背景技术
随着宽带移动设备的快速增长以及物联网小型传感和驱动设备的激增，人们对高速无线通信的需求急剧增长，巨大的无线通信容量需求即将耗尽可用的无线电频谱。在此背景下，由于光无线通信蕴含着巨大的带宽和容量资源，同时又有着较小的覆盖范围，故其在室内高速通信领域受到越来越多的关注。
无线光通信主要可以分为两个技术方向：(1)可见光通信，其一般通过对照明系统的可见光束进行调制实现高速通信；(2)光束控制的红外光通信，其采用定向的红外激光束实现高速通信。
可见光通信技术通常在发光二极管(LED,Light Emitting Diode)照明系统上进行传输数据。其有着诸多不足：(1)由于实际的照明系统中通常包括多个用户设备，因此需要适当的MAC协议来共享可见光通信的容量，这可能导致在较高业务负载下的拥塞问题。(2)此外，使用可见光通信需要打开照明系统，需要消耗较多额外功率，这使得其效率较低，尤其是在白天无需照明的情况下。(3)再者，可见光通信系统中使用的白光LED具有有限的带宽，需要复杂的高频谱效率调制技术来实现Gbit/s级别的高传输速率。
相对的，使用定向激光束的红外光通信系统有着诸多优势：(1)单个光束仅用于单个用户设备，这避免了设备之间的容量共享，可以容易地实现>10Gbit/s的高通信速率，也避免了拥塞问题；(2)通过仅在需要的地方和时间提供光信号，可以更加节能并提供更好的隐私保护；(3)通过使用波长λ>1400nm的红外光束，眼睛安全标准允许的发射功率高达10dBm，这比可见光束的允许功率至少高15dB。再加上定向的激光束，红外光通信的链路功率预算显著高于可见光通信；(4)此外，通过在S+L+C波段 (1460-1625nm，20.9THz的带宽)下工作，可以从成熟光纤电信市场中获得多种光学器件，大大降低了系统成本。
然而，红外无线通信系统中，区域覆盖问题是其主要难点。为了实现区域覆盖，诸如光相控阵天线，闪耀光栅，以及空间选路器加焦平面成像等光束方向控制技术已被广泛研究。上述方案都通过改变光波长实现光束方向控制，即，将不同波长的光对应到空间的不同位置(方向)。
但是，仅以波长作为控制维度局限了光束方向的控制范围。如何扩展光束方向的控制范围成为本领域亟需解决的技术问题。
实用新型内容
基于上述问题，本实用新型提供了一种超表面空间光调制器及相关产品，将偏振作为一种控制光束方向的控制维度，以扩展光束方向的控制范围。
本实用新型实施例公开了如下技术方案：
第一方面，本实用新型提供一种超表面空间光调制器，包括：周期性延拓的多个超单元，所述超单元的延拓方向包括：与所述超表面空间光调制器的主轴平行和/或垂直的方向；
所述超单元对第一偏振态产生在垂直于所述主轴的方向线性变化且覆盖360°的相位响应；所述超单元对第二偏振态产生与镜面相同的相位响应；所述第一偏振态平行于所述超表面空间光调制器的主轴；所述第二偏振态垂直于所述超表面空间光调制器的主轴；
所述超单元，用于对第一偏振态的光进行异常反射和对第二偏振态的光进行正常反射。
可选地，所述超单元包括：多个谐振单元；各所述谐振单元的主轴相互平行，且均与所述超表面空间光调制器的主轴平行；所述超单元中各个谐振单元的排布方向垂直于所述空间光调制器的主轴；
所述谐振单元包括：底层、中间层和顶层；
其中，所述底层为金属地，用于反射光束和谐振耦合；
所述中间层为介质层，用于隔开所述金属地和所述顶层以形成间隙；
所述顶层包括金属块，所述金属块的长轴平行于所述超表面空间光调制器的主轴。
可选地，当所述第一偏振态的光入射至所述谐振单元时，激发间隙等离子体激元GPP，所述GPP在所述金属块的第一对端面构成的谐振腔中谐振；
当所述第二偏振态的光入射至所述谐振单元时，激发所述GPP，所述 GPP在所述金属块的第二对端面构成的谐振腔中谐振；
所述第一对端面包括：所述金属块垂直于所述长轴的两个端面；所述第二对端面包括：所述金属块平行于所述长轴的两个端面。
可选地，各所述谐振单元的共同参数，包括：
所述谐振单元的长度在10nm至1000nm之间；所述谐振单元的长度方向与所述金属块的长轴平行；
所述金属地的厚度大于或等于10nm；
所述介质层的厚度在10nm至1000nm之间；
所述金属块的高度在10nm至1000nm之间。
可选地，所述超单元包括：第一谐振单元和第二谐振单元；所述第一谐振单元的长度与所述第二谐振单元的长度相等，所述第二谐振单元的宽度为所述第一谐振单元的宽度的2倍；所述第二谐振单元的长度与所述第二谐振单元的宽度一致；
所述超单元中所述第一谐振单元的数量大于所述第二谐振单元的数量；其中，所述第一谐振单元的顶层包括长方体结构的金属块；所述第二谐振单元的顶层包括工字型结构的金属块。
可选地，第一谐振单元的参数，还包括：
所述长方体结构的金属块的长度大于或等于0，且小于所述第一谐振单元的长度；
所述长方体结构的金属块的宽度大于或等于0，且小于所述第一谐振单元的宽度。
可选地，所述第二谐振单元的参数，还包括：
所述工字型结构的金属块的第一长度大于0且小于该第二谐振单元的长度；
所述工字型结构的金属块的第二长度大于0且小于所述第一长度的一半；
所述工字型结构的金属块的第一宽度大于0且小于该第二谐振单元的宽度；
所述工字型结构的金属块的第二宽度大于0，且小于或等于所述第一宽度。
可选地，所述超单元具体包括：七种所述第一谐振单元和一个所述第二谐振单元；
七种所述第一谐振单元和所述第二谐振单元在所述第一偏振态时的相对相位响应分别为：0°，45°，90°，135°，180°，225°，270°，315°；
七个所述第一谐振单元和所述第二谐振单元在所述第二偏振态时的相对相位响应分别为：0°，k，k，k，k，k，k，180°；其中，所述k表示任意相位。
可选地，七种第一谐振单元和一个第二谐振单元的共同参数，包括：
谐振单元的长度为500nm；
金属地的厚度为250nm；
介质层的厚度为100nm；
金属块的高度为50nm；
七种所述第一谐振单元的宽度分别为250nm；七种所述第一谐振单元的金属块的宽度分别为90nm；七种所述第一谐振单元的金属块的长度依次增加，分别为：0nm，210nm，252nm，285nm，308nm，340n，420nm；
所述第二谐振单元的宽度为500nm；所述第二谐振单元的金属块的第一宽度为290nm，第二宽度为120nm，第一长度为390nm，第二长度为 100nm。
可选地，所述超单元中，七种第一谐振单元中的数量分别为偶数个；
当所述七种所述第一谐振单元中的数量分别为两个时，所述超单元中的第一谐振单元和第二谐振单元在所述第一偏振态时的相对相位响应排列顺序为：
0°，0°，45°，45°，90°，90°，135°，135°，180°，180°， 225°，225°，270°，270°，315°；每个所述超单元在垂直于所述空间光调制器的主轴方向上相对于相邻的超单元跨越2π相位。
可选地，所述超单元中各所述谐振单元为亚波长谐振单元，入射至所述超单元的光为红外光。
可选地，入射至所述超单元的光的中心波长均为1550nm。
可选地，超单元具体用于按照如下公式对所述第一偏振态的光进行异常反射：
sinθa＝sinθi+λ/Λ
其中，所述Λ为所述超单元的长度，所述λ为所述第一偏振态的光的波长，所述θa为异常反射角，所述θi为入射角。
可选地，谐振单元的顶层和底层采用的金属为金；所述中间层采用的介质为二氧化硅；所述空间光调制器还包括：基底，所述谐振单元的底层形成于所述基底之上。
第二方面，本实用新型提供一种光束方向控制系统，包括：第一方面提供的超表面空间光调制器；还包括：偏振控制元件；
所述偏振控制元件，用于控制入射至所述超表面空间光调制器的光束的偏振态，并将所述光束提供给所述超表面空间光调制器；
所述超表面空间光调制器，用于将所述光束中偏振方向平行于所述超表面空间光调制器的主轴的光进行异常反射，将所述光束中偏振方向垂直于所述超表面空间光调制器的主轴的光进行正常反射。
可选地，系统还包括：空间选路器，用于在光束进入所述偏振控制元件之前所述入射光进行处理，以使所述光束中不同波长的光在所述空间选路器的不同输出位置出射。
可选地，系统还包括：第一透镜，用于将来自所述偏振控制元件的光束折射至所述超表面空间光调制器；
所述超表面空间光调制器的表面包含与所述第一透镜的焦点相重合的点。
第三方面，本实用新型提供一种微波光子滤波器，包括：第一方面提供的超表面空间光调制器；还包括：光源、偏振控制元件、强度调制器、光合路器和光电探测器；
所述光源，用于产生光载波；
所述强度调制器，用于将外加的微波信号调制到所述光载波上，形成调制后的光信号；
所述超表面空间光调制器，用于按照所述光信号的偏振态，将其中偏振方向平行于所述超表面空间光调制器的主轴的光信号进行异常反射，形成第一路反射光信号；并将其中偏振方向垂直于所述超表面空间光调制器的主轴的光信号进行正常反射，形成第二路反射光信号；
所述光合路器，用于接收所述第一路反射光信号和所述第二路反射光信号，将所述第一路反射光信号和第二路反射光信号进行干涉叠加，再将干涉叠加后的光信号提供给所述光电探测器；
所述光电探测器，用于接收所述干涉叠加后的光信号，并进行光电转换。
第四方面，本实用新型提供一种可配置多抽头微波光子滤波器，包括：第一方面提供的超表面空间光调制器；还包括：可调谐激光源、强度调制器、空间选路器、偏振控制元件、线聚焦透镜、反射腔、第二透镜和光电探测阵列；
所述可调谐激光源，用于产生光载波，并控制所述光载波的波长；
所述强度调制器，用于将微波信号调制到所述光载波上形成调制后的光信号，将所述调制后的光信号提供给所述空间选路器；
所述空间选路器，用于对所述调制后的光信号进行处理，以使所述光信号中不同波长的光在所述空间选路器的不同输出位置出射；
偏振控制元件，用于接收所述空间选路器中出射的光束，对其进行偏振调控，以使所述光束的偏振方向与所述超表面空间光调制器的主轴平行；
所述线聚焦透镜，用于对所述偏振控制元件调控的光束进行偏转，向所述超表面空间光调制器出射发散光束；
所述超表面空间光调制器，用于将入射的所述发散光束异常反射至所述反射腔；
所述反射腔，用于将来自所述超表面空间光调制器的光束反射至少一次后输出；
所述第二透镜，用于将所述反射腔输出的光束会聚透射至所述光电探测阵列；
所述光电探测阵列包括多个探测单元，不同所述探测单元的位置不同，分别用于接收入射至不同位置的光信号并进行光电转换；不同所述探测单元分别输出不同相位延迟的微波信号。
第五方面，本实用新型一种激光雷达探测系统，包括：第一方面提供的超表面空间光调制器；还包括：激光雷达、第一接收器和第二接收器；
所述激光雷达，用于向反射源发射探测信号；
所述超表面空间光调制器，用于接收所述反射源反射的回波信号，将所述回波信号中偏振方向平行于所述超表面空间光调制器的主轴的光进行异常反射，将所述回波信号中偏振方向垂直于所述超表面空间光调制器的主轴的光进行正常反射；
所述第一接收器，用于接收所述超表面空间光调制器异常反射的第一光信号；
所述第二接收器，用于接收所述超表面空间光调制器正常反射的第二光信号；
所述第一光信号、所述第二光信号和所述探测信号用于探测所述反射源的信息。
相较于现有技术，本实用新型具有以下有益效果：
在本实用新型中提供的超表面空间光调制器包括：周期性延拓的多个超单元，超单元的延拓方向包括：与超表面空间光调制器的主轴平行和/或垂直的方向。超单元对于偏振方向平行和垂直于超表面空间光调制器主轴的光束具有不同的相位响应，从而分别实现不同的反射效果。具体地，对于偏振方向平行于超表面空间光调制器主轴的光束进行异常反射，即反射角不等于入射角；对于偏振方向垂直于超表面空间光调制器主轴的光束进行正常反射，即反射角等于入射角。由此可见，利用该超表面空间光调制器可以为控制光束方向引入偏振控制维度。利用该超表面空间光调制器，可以扩展光束方向的控制范围。本申请提供的超表面空间光调制器不仅可应用于红外空间光通信，还可应用于激光雷达、微波光子滤波和光交换等诸多领域。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的一种超表面空间光调制器结构的二维示意图；
图2为本申请实施例提供的一种第一谐振单元的三维结构示意图；
图3为本申请实施例提供的一种第二谐振单元的三维结构示意图；
图4为本申请实施例提供的一种超单元中谐振单元的排布示意图；
图5为以图4所示超单元进行周期性延拓形成的超表面空间光调制器示意图；
图6为本申请实施例提供的一种超单元对第一偏振态的相位响应示意图；
图7为本申请实施例提供的一种超单元对第二偏振态的相位响应示意图；
图8为本申请实施例提供的一种超表面空间光调制器实现光束分配的场景示意图；
图9a为本申请实施例提供的一种超表面空间光调制器的异常反射角和入射角的变化关系；
图9b为本申请实施例提供的一种超表面空间光调制器的异常反射与正常反射的夹角和入射角的变化关系；
图10为本申请实施例提供的一种光束方向控制系统的结构示意图；
图11a为本申请实施例提供的一种微波光子滤波器的结构示意图；
图11b为图11a所示微波光子滤波器在不同自由光谱区配置下实测的滤波特性图；
图12为本申请实施例提供的一种可配置多抽头微波光子滤波器的结构示意图；
图13为本申请实施例提供的一种激光雷达探测系统的示意图。
具体实施方式
正如前文描述，目前的常用的光束控制方案通常是改变光波长实现光束方向控制，即，将不同波长的光对应到空间的不同位置。但是采用该方案控制光束方向，实现的光束控制范围较小，而很多实际应用场景中对于光束控制范围具有更广的要求。
基于以上问题，本申请提供一种超表面空间光调制器(Spatial LightModulator,SLM)及相关产品。相关产品涉及：光束方向控制系统、微波光子滤波器、可配置多抽头微波光子滤波器和激光雷达探测系统。在本申请中，通过引入偏振控制机制，以一种偏振控制型的超表面空间光调制器即可以将偏振方向正交的光束以不同的反射角度分别反射，如此，大大扩展的光束控制范围。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
超表面空间光调制器实施例
参见图1，该图为本申请实施例提供的一种超表面空间光调制器SLM 结构的二维示意图。
如图1所示，该SLM包括：周期性延拓的多个超单元c0。图1中，双箭头s1表示与SLM的主轴平行的方向，双箭头s2与双箭头s1垂直，表示与SLM的主轴垂直的方向。
实际应用中，SLM的超单元c0延拓方向可以是与SLM的主轴平行，也可以是与SLM的主轴垂直。也就是说，超单元c0可以在SLM的表面范围R内，沿着双箭头s1的任意一个箭头指向方向延拓，和/或沿着双箭头s2的任意一个箭头指向方向延拓。图1中仅以矩形的表面范围R为示例，实际应用中，SLM的表面范围R还可以是圆形或椭圆形等，此处对SLM 的表面范围R的形状和面积不进行限定。
在本实施例提供的SLM的多个超单元c0形成该SLM的超表面。超单元对于s1方向偏振的光束和s2方向偏振的光束具有不同的相位响应。因此超单元c0对于不同偏振态的光束具有不同的反射效果。为便于理解，以第一偏振态和第二偏振态举例说明。
具体地，所述超单元对第一偏振态产生在垂直于所述主轴的方向线性变化且覆盖360°的相位响应；所述超单元对第二偏振态产生与镜面相同的相位响应。第一偏振态平行于SLM的主轴，其偏振方向可以参照图1的双箭头s1；第二偏振态垂直于SLM的主轴，其偏振方向可以参照图1的双箭头s2。对于第一偏振态，超单元c0相当于一个平面波波前，因此第一偏振态的光入射到SLM后，由于超单元c0的作用，形成异常反射光。需要说明的是，本实施例中异常反射是指反射角的大小不等于入射角的大小。对于第二偏振态，超单元c0相当于镜面，因此第二偏振态的光入射到SLM 后，由于超单元c0的作用，形成正常反射光。需要说明的是，本实施例中正常反射是指反射角等于入射角大小。
因为在本实施例提供的SLM中，超单元c0能够将同一光束中偏振方向不同的光分别以不同的角度反射，因此通过控制入射光的偏振态即可以控制该SLM的反射光的方向，满足实际需求。例如，当需要使反射光覆盖较大范围时，可以控制改变入射光的偏振方向和入射角度，使反射光以不同的角度反射。
可见，利用该SLM可以为控制光束方向引入偏振控制维度,扩展光束方向的控制范围。本申请提供的SLM不仅可应用于红外空间光通信，还可应用于激光雷达、微波光子滤波和光交换等诸多领域。在介绍SLM的诸多应用场景之前，下面首先对超单元c0的多种可能的结构实现方式进行介绍。
作为一种可能的实现方式，所述超单元c0包括：多个谐振单元；各谐振单元的主轴相互平行，且均与SLM的主轴平行。超单元c0中包含的多个谐振单元可以按照多种可能的排布方式进行排布。例如，超单元c0中各个谐振单元的排布方向垂直于SLM的主轴，该排布方向可参见图1中的双箭头s2，各谐振单元的主轴方向可参见图1中的双箭头s1。
每个超单元c0的结构可以相同也可以不同。需要说明的是，对于任意一个超单元c0，其中包括多种不同的谐振单元，并且一种谐振单元在超单元c0中的个数为一个或多个。
对于每一个谐振单元，其至少包括三层，分别是：底层、中间层和顶层。其中，所述底层为金属地，用于反射光束和谐振耦合；所述中间层为介质层，用于隔开所述金属地和所述顶层以形成间隙；所述顶层包括金属块，所述金属块的长轴平行于SLM的主轴，长轴方向可以参见图1的双箭头s1。并且，金属块的长轴也平行于单元的主轴。
谐振单元可以制造在不同的基底上(如二氧化硅片，石英片，硅片等)，由于金属地的存在，基底与谐振无关，仅仅起到支撑和衬底的作用。
可见，谐振单元的顶层和底层均采用了金属，作为示例，该金属为金。所述中间层采用的介质可以是二氧化硅。可以理解的是，在实际应用中，谐振单元的顶层和底层还可以采用金以外的其他金属，另外，顶层和底层采用的金属可以相同和可以不同。中间层采用的介质也可以是二氧化硅以外的其他介质。
在一种可能的实现方式中，超单元c0包括的多个谐振单元分为：第一谐振单元和第二谐振单元。其中，所述第一谐振单元的顶层包括长方体结构的金属块；所述第二谐振单元的顶层包括工字型结构的金属块。即，第一谐振单元和第二谐振单元顶层的金属块的结构存在差异。
图2为第一谐振单元的三维结构示意图，图3为第二谐振单元的三维结构示意图。图2和图3中，双箭头K所指示的方向为金属块的长轴方向。下面以图2所示的第一谐振单元为例，描述光入射至超单元c0后的谐振情况。
在本申请实施例中，光入射至超单元c0的谐振单元时，能够激发间隙等离子体激元(Gap Plasmon,GPP)在顶层金属块的端面构成的谐振腔中谐振。具体地：当所述第一偏振态的光入射至所述第一谐振单元时，激发GPP，使所述GPP在长方体金属块的第一对端面构成的谐振腔中谐振。其中第一对端面为该长方体金属块与其长轴垂直的两个端面。当所述第二偏振态的光入射至所述第一谐振单元时，激发GPP，使所述GPP在所述该长方体金属块的第二对端面构成的谐振腔中谐振。其中第二对端面为该长方体金属块与其长轴平行的两个端面。GPP的波长远小于入射光的波长。
第一谐振单元和第二谐振单元尽管顶层金属块的结构不同，但是具有一些共同参数，包括：
谐振单元的长度L在10nm至1000nm之间；谐振单元的长度方向与金属块的长轴平行；
金属地的厚度g大于或等于10nm；
介质层的厚度d在10nm至1000nm之间；
金属块的高度h在10nm至1000nm之间。
区别于第二谐振单元的结构，在本申请实施例中，第一谐振单元的参数除了上述L、g、d和h，还包括：
第一谐振单元的宽度W1为该第一谐振单元的长度L的一半；
长方体结构的金属块的长度l1大于或等于0，且l1小于第一谐振单元的长度L；
长方体结构的金属块的宽度w1大于或等于0，且w1小于第一谐振单元的宽度W1。
区别于第一谐振单元的结构，在本申请实施例中，第二谐振单元的参数除了上述L、g、d和h，还包括：
第二谐振单元的宽度W2等于该第二谐振单元的长度L；
工字型结构的金属块的第一长度l2大于0且小于该第二谐振单元的长度L；
工字型结构的金属块的第二长度l3大于0且小于第一长度l2的一半；
工字型结构的金属块的第一宽度w2大于0且小于该第二谐振单元的宽度W2；
工字型结构的金属块的第二宽度w3大于0，且w3小于或等于第一宽度w2。
由上述参数可以得知，第二谐振单元的宽度W2为第一谐振单元的宽度W1的两倍。
在一种可能的实现方式中，第一谐振单元分为多个种类。
举例来说，超单元c0具体包括：七种所述第一谐振单元(分别列为 U1～U7)和一个所述第二谐振单元U8。需要说明的是U1～U8均未在图1～图3中示意出。
U1～U8在第一偏振态时的相对相位响应分别为：0°，45°，90°， 135°，180°，225°，270°，315°；
U1～U8在所述第二偏振态时的相对相位响应分别为：0°，k，k，k，k， k，k；其中，所述k表示任意相位。
需要说明的是，此处所述的相对相位响应可以是U1至U8相对于U1 的相位(即U1设为0°)。也就是说，在第一偏振态时，U1～U8相对于 U1的相位响应具有45°步长的递增。在第二偏振态时，U2～U7相对于U1 的相位响应一致或者接近一致(例如变化幅度在预设相位差值之内)。
在一种可能的实现方式中，U1～U8的共同参数，包括：
谐振单元的长度L为500nm；金属地的厚度g为250nm；介质层的厚度d为100nm；金属块的高度h为50nm；
第一谐振单元U1～U7宽度W1分别为250nm；U1～U7的金属块的宽度 w1分别为90nm；U1～U7的金属块的长度l1分别为：0nm，210nm，252nm， 285nm，308nm，340n，420nm；需要说明的是，U1的金属块长度l1为0，即相当于U1顶层没有设置金属块。
第二谐振单元U8的宽度为500nm；U8的金属块的w2第一宽度为 290nm，第二宽度w3为120nm，第一长度l2为390nm，第二长度l3为100nm。
参见图4，该图为本申请实施例提供的一种超单元中谐振单元的排布示意图。如图4所示，该超单元c0中包括15个谐振单元，按照排布数量而言，U1～U7各有两个，U8一个。图5为以图4所示超单元进行周期性延拓形成的超表面SLM示意图。
在超单元c0中，谐振单元按照垂直于SLM的主轴的方向排布，由于 SLM的主轴与每个谐振单元的主轴平行，且与谐振单元的金属块的长轴平行，因此又可理解为在超单元c0中各谐振单元按照垂直于谐振单元主轴或者垂直于金属块长轴的方向排布。另外，在排布时各谐振单元的主轴相互平行。
如图4所示，按照上述排布方向依次排布U1、U1、U2、U2、U3、U3、 U4、U4、U5、U5、U6、U6、U7、U7、U8。若按照上述参数设置U1～U8，则超单元c0的长度(沿垂直于金属块长轴方向)为4μm。每两个相同种类的第一谐振单元构成一个谐振组，U8独自作为一个谐振组，即共有8个谐振组。每个谐振组的尺寸为500nm×500nm，厚度仅为400nm。若该SLM 应用于红外波段，则每个谐振组的三个维度尺寸均不足波长的三分之一。
基于前文描述可知，在图4所示的超单元c0中的各谐振单元在第一偏振态时的相对相位响应排列顺序为：
0°，0°，45°，45°，90°，90°，135°，135°，180°，180°， 225°，225°，270°，270°，315°；
在图4所示的超单元c0中的各谐振单元在第二偏振态时的相对相位响应排列顺序为：0°，0°，k，k，k，k，k，k，k，k，k，k，k，k，180°。
本申请实施例中，超单元c0中谐振单元的排布数量不局限于15个，还可以包含更多谐振单元，例如4个U1、4个U2、4个U3、4个U4、4 个U5、4个U6、4个U7、1个U8。在超单元c0中重复排布相同种类的第一谐振单元，目的是保证空间上均匀的相位响应。
通过上文描述可知，在图4所示的超单元c0中，对于偏振方向和SLM 主轴平行的第一偏振态，各亚波长谐振单元U1～U8相对于U1的相位响应等步长变化且覆盖2π，这就形成了一个人工设计的平面波波前，产生异常反射现象，形成一束异常反射光。参见图6，该图为超单元c0对第一偏振态的相位响应示意图。
而对于偏振方向和SLM主轴垂直的第二偏振态，其中6种亚波长谐振单元U2～U7相对于U1有近乎相同的相位响应，因此超单元c0对于第二偏振态表现为一个镜面。而另外两个谐振单元U1和U8有180°左右的相位差，且由于超单元c0的周期延拓结构，U1和U8在空间上是相邻的，因此二者的散射光相互抵消。整体依旧表现为镜面，因而形成一束正常反射光。参见图7，该图为超单元c0对第二偏振态的相位响应示意图。
由于异常反射角和正常反射角与入射角间的关系不同，正常反射光和异常反射光间的夹角可以通过改变入射角来调整。超单元c0具体用于按照如下公式对所述第一偏振态的光进行异常反射：
sinθa＝sinθi+λ/Λ
以上公式中，所述Λ为所述超单元c0的长度，所述λ为所述第一偏振态的光的波长，所述θa为异常反射角，所述θi为入射角。
即，可以根据上述公式控制第一偏振态的光的入射角，从而实现对光束反射角度的控制。另外，异常反射角与第一偏振态的光的波长相关，因此可知偏振方向平行于主轴的第一偏振态的光，若包含多种波长，则其中不同波长的光经过反射的异常反射角不同，即，SLM可以以不同方向反射统一入射角度且偏振方向统一的不同波长的光。
由于两种正交偏振情况下反射光方向不同，因而通过改变入射光的偏振，可以将反射光的能量在两个不同方向上进行分配。例如，改变入射光的偏振态使射入SLM的光完全为偏振方向平行于SLM主轴的光，则异常反射角反射的光束能量最大化；改变入射光的偏振态使射入SLM的光完全为偏振方向垂直于SLM主轴的光，则正常反射角反射的光束能量达到最大化，以此类推。
另外，基于上述公式可知，对于偏振方向平行于SLM主轴的第一偏振态的光，其异常反射光角度随入射光角度非线性变化，异常反射角大于入射角，因此利用该SLM可实现输入角度和输出角度非线性调谐(角度放大)。
图8、图9a-9b为本申请实施例实现光束能量在两个方向上的分配以及输入角度和输出角度非线性调谐的示意图。图8为本申请实施例提供的一种超表面空间光调制器实现光束分配的场景示意图；图9a为本申请实施例提供的一种超表面空间光调制器的异常反射角和入射角的变化关系；图9b 为本申请实施例提供的一种超表面空间光调制器的异常反射与正常反射的夹角和入射角的变化关系。
结合图8、图9a-9b，由于两种正交偏振情况下反射光方向不同，因而通过改变入射光的偏振，可以将反射光的能量逐渐由一个方向转移至另一个方向，实现光束能量在两个区域的分配，可用于光交换系统中，如图8 所示。图8中θa为异常反射角，θi为入射角，θn为正常反射角。对于偏振方向平行于SLM主轴的入射光，其异常反射光角度θa随入射光角度θi非线性变化，可实现输入角度和输出角度非线性调谐(角度放大)，异常反射角和入射角间的关系如图9a所示。此外，由于异常反射角和正常反射角与入射角间的关系不同，故正常反射光和异常反射光间的夹角(θa-θn)可以通过改变入射角θi来调整，其角度关系如图9b所示。
在一种可能的实现方式中，本实施例提供的SLM可以应用于红外通信场景下，超单元c0的各谐振单元可以是亚波长谐振单元，即尺寸与工作红外波长相当或小于工作红外波长。入射至SLM的第一偏振态和/或第二偏振态的光为红外光，其各自的中心波长为红外通信场景下的工作红外波长。作为示例，入射光的中心波长为1550nm。
需要说明的是，第一偏振态和/或第二偏振态的光可以是未经过偏振调制的线偏振光，也可以是未经过偏振调制的其他类型偏振光在平行于SLM 主轴方向和/或垂直于SLM主轴方向的分量，另外，还可以是经过偏振调制后的偏振光。
当该SLM应用于红外波段时，各谐振单元的顶层金属块具体可以是纳米尺寸的金属块，简称金属纳米块。
由上述技术方案可以看出，应用上述SLM具有以下优势：
(1)有着较高的效率。利用间隙等离子体激元亚波长谐振单元实现亚波长尺度下对光相位的精确调控，能够在亚波长尺度下重构反射光的波前相位，使得反射光的绝大多数能量都集中到所需方向，获得较高的反射效率。
(2)避免了输入角度和输出角度非线性调谐(角度放大)中的波束扩展。由于异常反射是通过在亚波长尺度下(包括水平和垂直)重构平面波的波前相位实现，因而可以避免在透镜等相对于SLM超表面具有较大体积器件中出现的波束扩展。
(3)偏振调控的光束方向控制机制：1)对于偏振方向平行于主轴的入射光，其反射光角度随入射光角度非线性变化，可实现输入角度和输出角度非线性调谐(角度放大)，进而能够被用于扩展光束方向控制范围；2) 通过改变入射光的偏振，可以将反射光的能量在两个不同方向上进行分配，实现光束方向控制，并且两个反射方向间的夹角可以通过改变入射角来调整。
(4)体积非常小，非常利于集成。SLM是一个二维超表面器件，其纵向尺度远小于波长，能够在各种平面或曲面上制造；其次由于使用了亚波长谐振单元，可在波长尺度的平面空间内实现器件的完整功能，利于大规模集成。
可以理解的是，本实施例提供的SLM通过合理的参数设置，也可能应用于其他波段，例如可见光波段，或者紫外波段。此处对于SLM应用的波段范围不进行限定。
基于前述实施例提供的超表面SLM，相应地，本申请还基于该SLM在不同场景下的应用可能，提供了相应的产品。下面结合附图和实施例描述该SLM在多种场景下的产品实现形式。
SLM产品实施例
参见图10，该图为本申请实施例提供的一种光束方向控制系统的结构示意图。
如图10所示的光束方向控制系统，包括：前述实施例提供的超表面空间光调制器SLM；还包括：偏振控制元件101；
所述偏振控制元件101，用于控制入射至所述超表面空间光调制器SLM 的光束的偏振态，并将所述光束提供给所述超表面空间光调制器SLM；
所述超表面空间光调制器SLM，用于将所述光束中偏振方向平行于 SLM的主轴的光进行异常反射，将所述光束中偏振方向垂直于SLM的主轴的光进行正常反射。
作为一种可能的实现方式，上述光束方向控制系统还包括：空间选路器102，用于在光束进入所述偏振控制元件101之前所述入射光进行处理，以使所述光束中不同波长的光在所述空间选路器102的不同输出位置出射。
在一示例中，空间选路器102包括阵列波导光栅选路器(Array WaveguideGrating Router,AWGR)。偏振控制元件101为偏振控制液晶。
作为一种可能的实现方式，上述光束方向控制系统还包括：还包括：第一透镜103，用于将来自所述偏振控制元件101的光束折射至所述超表面空间光调制器SLM；
所述超表面空间光调制器SLM的表面包含与所述第一透镜的焦点相重合的点。
图10展示的光束方向控制系统能够在波长控制的基础上增加偏振控制维度，实现光束方向调控范围的进一步扩展。该系统能够在波长和偏振两个维度上进行光束方向控制：1)通过改变输入光波长，经过空间选路器102 后，不同波长的光在空间选路器102的不同输出位置出射，再经由该空间选路器102的透镜阵列后发射至不同方向，实现由波长调控的光束方向控制；2)在空间选路器102后增加一个偏振控制元件101，并将偏振控制型超表面SLM适当放置于第一透镜103焦点处，对经过第一透镜103的光进行一次反射，即可通过偏振调控进一步控制光束方向，使覆盖区域扩大一倍。通过调节偏振控制元件101的各像素单元，即可独立并行控制各光束的偏振，进而独立并行控制各光束的方向，使偏振控制自由度大大提升。
参见图11a，该图为本申请实施例提供的一种微波光子滤波器的结构示意图。如图11a所示，该微波光子滤波器包括：前述实施例描述的超表面空间光调制器SLM；还包括：光源111、偏振控制元件、强度调制器(Intensity Modulator，IM)、光合路器(OpticalCombiner，OC)和光电探测器(Photo Detector，PD)。
所述光源111，用于产生光载波。本实施例中，光源具体可以是可调谐激光源(Tunable Laser Source，TLS)。
IM，用于将外加的微波信号(Microwave Signal,MWS)调制光源111 产生的光载波上，形成调制后的光信号；
SLM，用于按照所述光信号的偏振态，将其中偏振方向平行于自身主轴的光信号进行异常反射，形成第一路反射光信号；并将其中偏振方向垂直于自身主轴的光信号进行正常反射，形成第二路反射光信号；
OC，用于接收所述第一路反射光信号和所述第二路反射光信号，将所述第一路反射光信号和第二路反射光信号进行干涉叠加，再将干涉叠加后的光信号提供给PD；
PD，用于接收所述干涉叠加后的光信号，并进行光电转换。
另外，作为一种可能的实现方式，第一路光信号和第二路光信号由OC 干涉叠加后的光信号还可以经过掺铒光纤放大器EDFA进行放大后提供给 PD。
在该微波光子滤波器中，器件两两之间可以添加偏振控制元件，如图 11a中PC1、PC2和PC3。另外，在IM调制后的光信号入射到SLM之前还可以经由准直器112、偏振器113和透镜114。
图11a展示了基于本申请提供的SLM的微波光子滤波器。首先输入 MWS，经由强度调制器(IM)调制到光载波上形成调制后的光信号，光信号在SLM反射后成为两路(不同偏振)，随后两路信号分别被接收后干涉叠加，最后经过PD后得到输出微波信号。通过调节两个反射光路间的光程和光程差，可以改变两路信号的相位和相位差，进而在输出端实现不同的频率选择性，实现可配置微波光子滤波器功能。两路反射信号的能量分配可通过改变发射偏振态来精确控制。图11b为图11a所示的微波光子滤波器在不同自由光谱区(FreeSpectral Range，FSR)配置下实测的滤波特性，实测到的FSR可在20GHz至0.5GHz间配置，实现了非常宽的配置范围。
图12为本申请实施例提供的一种可配置多抽头微波光子滤波器的结构示意图。
如图12所示，该可配置多抽头微波光子滤波器，包括：前述的SLM；还包括：可调谐激光源TLS、强度调制器IM、空间选路器121、偏振控制元件122、线聚焦透镜123、反射腔124、第二透镜125和光电探测阵列126；
TLS，用于产生光载波，并控制所述微波信号的波长；
IM，用于将微波信号调制到光载波上形成调制后的光信号，将所述调制后的光信号提供给所述空间选路器121；
所述空间选路器121，用于对所述调制后的光信号进行处理，以使所述光信号中不同波长的光在所述空间选路器121的不同输出位置出射；
所述偏振控制元件122，用于接收所述空间选路器121中出射的光束，对其进行偏振调控，以使所述光束的偏振方向与SLM的主轴平行；
所述线聚焦透镜123，用于对所述偏振控制元件122调控的光束进行偏转，向SLM出射发散光束；
SLM，用于将入射的所述发散光束异常反射至所述反射腔124；
所述反射腔124，用于将来自所述超表面空间光调制器SLM的光束反射至少一次后输出；
所述第二透镜125，用于将所述反射腔124输出的光束会聚透射至所述光电探测阵列126；
所述光电探测阵列126包括多个探测单元，不同所述探测单元的位置不同，分别用于接收入射至不同位置的光信号并进行光电转换；不同所述探测单元分别输出不同相位延迟的微波信号。假设该光电探测阵列126位 M×1的阵列，M为大于1的正整数，则分别输出微波信号MWS1、MWS2、 MWS3、MWS4…MWSM。
图12展示了基于本申请实施例的可配置多抽头微波光子滤波器。输入微波信号(MWS)经由强度调制器(IM)调制到光载波上形成调制后的光信号，光载波的波长由可调谐激光源(TLS)控制。调制后的光信号经过空间选路器(实例中为阵列波导光栅选路器)后从相应的输出位置输出，再经偏振控制液晶进行偏振调控，使光束偏振方向与超表面SLM主轴方向一致。完成偏振调控后的光束经过一个线聚焦透镜进行偏转，其中线聚焦透镜应放置于适当距离，使得光束通过后依然发散，同时发散角度也可通过调节线聚焦透镜的距离控制。偏振控制型超表面SLM放置于透镜后适当位置，通过透镜后的发散光束经超表面SLM反射后进入一个反射腔，经多次反射后从反射腔另一端输出，输出光经另一个透镜汇聚后投射到一个阵列 PD上，阵列PD不同位置的接收单元输出不同相位延迟的微波信号，实现多抽头微波光子滤波器，可通过调节光载波波长来改变滤波器配置(各抽头的相位差)。
其具体工作原理为：(1)通过偏振调控液晶将光的偏振方向调控至超表面SLM的主轴方向，此时光束在超表面SLM的表面仅发生异常反射，其反射角和入射角的非线性关系在前文中有说明。(2)到达超表面SLM的光束有一个发散角，因而光束上下两端的入射角不相同(如图12中的θi1和θi2)。由前文所述的异常反射中入射角和反射角的非线性关系，反射后光束的发散角会被扩大(角度放大)。经超表面SLM反射后的光束在反射腔中每反射一次，光束上下两端到达PD阵列时就会增加一个光程差。PD阵列上端和下端的最终光程差由进入反射腔的光束方向，经超表面SLM反射后光束的发散角，以及反射腔内的反射次数决定。由于PD阵列各个接收单元对应的光程不同，其输出的各个微波信号(MWS 1至MWS M)间存在相位差，形成了多抽头微波光子滤波器，选取不同的输出信号叠加可以得到不同的滤波特性。(3)通过调节TSL可改变光载波波长，使光束在空间选路器的不同端口(空间位置)输出，经过线聚焦透镜后传输至不同方向，不同传输方向的光束到达超表面SLM的角度不同，进而经过超表面SLM 反射后的扩散角度和方向也不同，最终导致PD阵列上下两端对应的光程差改变，从而改变了各个抽头的相位差，实现了对滤波器特性的配置。超表面SLM中入射角和反射角的非线性关系以及异常反射的偏振敏感性是实现可配置多抽头微波光子滤波器的关键。
图13为本申请实施例提供的一种激光雷达探测系统的示意图。
如图13，该激光雷达探测系统，包括前述超表面空间光调制器SLM；还包括：激光雷达131、第一接收器R1和第二接收器R2；
所述激光雷达131，用于向反射源132发射探测信号。探测目的可以是探测位置、距离等。反射源为该激光雷达探测系统应用的场景中的物体，例如墙壁、动物等。此处对反射源的具体类型不加限定。
SLM，用于接收所述反射源132反射的回波信号，将所述回波信号中偏振方向平行于所述SLM主轴的光进行异常反射，将所述回波信号中偏振方向垂直于SLM的主轴的光进行正常反射；
所述第一接收器R1，用于接收SLM异常反射的第一光信号；
所述第二接收器R2，用于接收SLM正常反射的第二光信号。
实际应用中，该系统利用所述第一光信号、所述第二光信号和最初发送的探测信号即可以探测所述反射源的信息。
图13展示了本申请实施例在激光雷达中的应用。将被探测物体132的反射信号通过偏振控制型超表面SLM后可得到两个偏振正交的接收信号，分别探测后可利用不同偏振态获取更丰富的反射信息。可以理解的是，通过获取第一光信号和第二光信号的丰富反射信息，能够更加准确地探测物体132。
以上所述，仅为本申请的一种具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
