基于超大近零折射率光栅耦合器中慢光驻波共振的表面法向自由空间光束投射

片上光栅耦合器将光子电路与自由空间光直接连接。常用的光子光栅专为小面积、特定强度分布和非垂直光束投射而设计。这不足以满足新兴集成微型光学系统所需的大光束面积上的精确灵活波前控制，这些系统利用体光-物质相互作用，包括原子的俘获、冷却与探测、生物和化学传感以及复杂自由空间互连。大尺寸耦合器对通用逆向设计技术提出挑战，且由此获得的方案往往难以物理理解和推广。本文通过将问题置于能够处理大面积结构的精心约束的计算逆向设计算法中，发现了一类定性全新的光栅耦合器。数值发现的方案可理解为将入射光子平板模式耦合到由布拉格反射镜背衬的空间扩展慢光（近零折射率）区域。该结构在目标波长处形成光谱宽泛的驻波共振，垂直辐射进入自由空间。无反射绝热过渡将入射光子模式临界耦合到共振，数值优化的下包层提供了 70% 的总体理论转换效率。我们实验验证了在约 780 nm 热可调工作波长处高效的表面法向准直发射，其半高全宽高斯光斑约为 90 μm。变网格变形逆向设计方法可扩展至超大光子器件，同时直接实现制造约束。平滑参数化的刻意选择产生了一种新颖类型的方案，其既高效又具物理可理解性。