高效的耦合器是实现高性能片上光子器件的关键。目前用于片上激光器和放大器的耦合器灵活性较低，仅限于芯片的边缘或角，这降低了系统的集成度和芯片的利用率。如何将多波长的自由空间光有效地耦合到芯片上系统的任意位置是一个挑战。目前常见的耦合方式有端面耦合器和光栅耦合器。端面耦合器具有相对低损耗、大带宽、低偏振依赖性、只能放置在芯片的边缘和需要端面切割和抛光等特点。光栅耦合器具有相对高损耗、小带宽、高偏振依赖性和可灵活放置在芯片任意位置等特点。而超表面结构可以操纵光的振幅、相位、偏振和频率，这为解决多波长耦合问题提供了机会。最近，相位梯度超表面用作耦合器已经得到证实。但是，耦合效率相对较低。我们提出了一种基于，基于智能算法的逆向设计的宽带超表面耦合器，与参数空间有限的正向设计方法相比该耦合器具有高耦合效率，大的带宽，可以有效地将宽带自由空间光耦合到片上系统的任意位置。

图1. 原理示意图。(a) 超表面耦合器原理示意图。(b)超表面结构单位。(c)未经过逆向设计 (d) 经过逆向设计的薄膜铌酸锂上的超表面耦合器。(e) 未经过逆向设计 (f) 经过逆向设计的超表面耦合器放大图。(g)薄膜铌酸锂上超表面耦合器的截面图

图2. 逆向设计的超表面耦合器效率。逆向设计的超表面耦合器在TE平面波照射下的效率用黑色表示。未经逆向设计的超表面耦合器TE平面波照射下的效率用青色表示。采用逆向设计的超表面耦合器在TM 平面波照射下的效率用红色表示。未经逆向设计的超表面耦合器在TM平方波照射下的效率用绿色表示。1460 nm波长处的数据用绿色点表示，1550 nm波长处的数据用黄色点表示。S（短）/C（常规）/L（长）波段分别用半透明的黄色/紫色/红色区域表示。

首先，基于广义斯涅尔定律，我们设计了适用于入射光波长为1550 nm的超表面耦合器；然后通过逆向设计，实现了适用于入射光为1460 nm和入射光波长为1550 nm的超表面耦合器。在没有逆向设计的情况下，1460/1550 nm的耦合效率为32%/85%。通过逆向设计，1460/1550 nm的耦合效率为77%/83%，3-dB带宽为300 nm，1-dB带宽为138 nm，最大耦合效率为90%。

该成果发表在“Zhiwei Wei, Jiangwei Wu, Chengyu Chen, Wenjie Wan, Yuping Chen, and Xianfeng Chen, "Inverse-designed broadband meta-coupler with high efficiency on thin-film lithium niobate," J. Opt. Soc. Am. B 42, 597-602 (2025)”。并被Optica Publishing Group 选为“Spotlight on Optics”。https://opg.optica.org/spotlight/summary.cfm?id=568192。

原文链接：https://doi.org/10.1364/JOSAB.545358