北京工业大学团队Laser & Photonics Reviews：超表面与激光器集成，打造可调光束分裂 “神器”

解决的问题：传统光束分离器体积庞大，依赖玻璃结构的双折射特性，无法满足光子集成系统小型化的需求，本文旨在解决这一问题并开发新型集成光束分离器。

提出的方法：将超表面与垂直腔面发射激光器（VCSELs）单片集成，通过设计超表面的相位分布，实现多种光束分裂功能。

实现的效果：实验制备的器件实现了偏振无关高效功率分裂（0阶到1阶分裂比0.92-70，-1阶到-2阶分裂比0.01-80）、多通道功率分裂（x和y方向上-1阶和+1阶分裂比为6.6:4:3:1）以及偏振功率分裂（±1阶分裂比0.06-1.1可调）。

创新点：将超表面与 VCSELs 集成，突破传统光束分离器局限，实现多种功能且分裂比可调，在芯片集成度和功能多样性上取得突破。

研究成果以题为 “On-chip Integration of Metasurface-Based Beam Splitter with Variable Split Ratio” 发表于《Laser & Photonics Reviews》上。北京工业大学Xian-Zi Pei、Lei Bao 为论文共同第一作者，北京工业大学的 Yi-Yang Xie、郑州大学Pei-Nan Ni、中国科学院半导体研究所Qiang Kan、国家纳米科学中心Pei-Pei Chen为论文共同通讯作者。

摘要：光学系统正朝着多功能化和小型化方向发展。传统的由棱镜或平板玻璃构成的光束分离器体积庞大，限制了光学系统的设计。超表面是一种人工平面光学元件，其平坦性和紧凑性有助于与半导体器件进行光电子集成，推动了小型化多功能光电子器件的发展。在此，我们提出了多功能光束分离器，将超表面与标准垂直腔面发射激光器（VCSELs）单片集成。通过设计相位分布，该器件可以实现多种光束分裂功能，包括偏振无关的高效功率分离器、多通道功率分离器和偏振功率分离器。实验结果表明，偏振无关功率分离器的测量分裂比如下：0阶到1阶的分裂比范围为0.92至70，-1阶到-2阶的分裂比范围为0.01至80。多通道功率分离器在x和y方向上-1阶和+1阶的分裂比为6.6:4:3:1。偏振功率分离器实现了±1阶的可调分裂比，范围为0.06至1.1。这种片上集成的功率光束分离器有望推动新型紧凑光学系统的发展，并促进集成光子应用的进步。

结论：提出了一种将介质超表面与VCSELs集成的功率光束分离器，利用大规模二维VCSEL阵列的制造优势，实现了具有任意选择比的偏振无关双通道和多通道光束分裂，以及分裂比可调的偏振光束分裂。为了验证设计的有效性，我们对样品进行了实验测量。结果表明，双通道功率光束分离器芯片将大部分出射光能量分配到两个相邻的衍射级次，0阶和1阶之间的分裂比可在0.92至70之间调节，1阶和-2阶之间的分裂比可在0.01至80之间调节。多通道功率光束分离器芯片将光束投射到x轴和y轴的±1阶，分裂比为6.6:4:3:1。偏振功率分离器实现了左旋圆偏振光（LCP）和右旋圆偏振光（RCP）的可调分裂比，范围为0.06至1.1。所有设计的片上光束分离器的实验结果与模拟结果一致，进一步增强了片上集成MS-VCSELs的功能多样性。与分离式超表面光束分离器相比，我们的器件尺寸更小，对准精度更高，在激光雷达、多路复用器和光网络等应用中展现出广阔的前景。

图1：MS - VCSEL 的结构示意图。

图2：具有任意分裂比的偏振无关光束分离器。

图3：多通道功率光束分离器。

图4：具有任意分裂比的偏振光束分离器。

文章信息：

X.-Z. Pei, L. Bao, Q.-H. Wang, B. Wu, P. Fu, H.-J. Zhou, J. Deng, P.-N. Ni, Q. Kan, P.-P. Chen, Y.-Y. Xie, On-chip Integration of Metasurface-Based Beam Splitter with Variable Split Ratio. Laser Photonics Rev 2025, 2500140.

https://doi.org/10.1002/lpor.202500140