一種基于人工電磁材料的太赫茲波可調(diào)諧光控開關的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供的是一種基于人工電磁材料的太赫茲波可調(diào)諧光控開關。包括介質(zhì)層、第一人工電磁材料層和第二人工電磁材料層，所述介質(zhì)層位于兩層人工電磁材料層之間，兩層人工電磁材料分別位于介質(zhì)層兩側(cè)的表面，每層人工電磁材料層由周期性排列的人工電磁材料基本單元構成，兩層人工電磁材料層的基本單元結構完全相同，但存在非0°和非180°的結構旋轉(zhuǎn)角、形成手性特征，所述人工電磁材料層的基本單元是指人工電磁材料內(nèi)嵌兩段長度不同的半導體弧和空氣弧構成的結構。本發(fā)明的太赫茲波可調(diào)諧光控開關工作頻譜范圍寬、性能調(diào)諧方便、制造成本低。
【專利說明】一種基于人工電磁材料的太赫茲波可調(diào)諧光控開關
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及的是一種對太赫茲波的傳輸控制裝置，尤其是控制太赫茲波交叉偏振的傳輸，通過光控的方式實現(xiàn)太赫茲波交叉偏振傳輸?shù)拈_/關功能。
【背景技術】
[0002]太赫茲波(THz)是指頻率在0.1THz-1OTHz (波長為0.03_3mm)范圍內(nèi)的電磁波，其波段位于微波和紅外波之間，在電磁波譜中占據(jù)著重要位置，是電子學向光學的過渡區(qū)域。但是上個世紀80年代以前，涉及太赫茲波段的研究結果和數(shù)據(jù)非常少，主要是受到太赫茲產(chǎn)生源和靈敏探測器的限制，因此這一波段也被稱為太赫茲空白(THz gap)。隨著一系列新技術、新材料的發(fā)展，THz技術得以迅速發(fā)展，在國際范圍內(nèi)掀起了太赫茲技術研究熱潮。目前，科研人員在努力地尋求可以控制太赫茲波傳輸?shù)钠骷苿犹掌澕夹g的發(fā)展。然而常規(guī)材料在太赫茲波段具有較弱的電磁響應，使得人們在研制太赫茲器件，實現(xiàn)對太赫茲波的探測和操縱時面臨很多限制。新型人工電磁材料(Metamater i a I s )的出現(xiàn)恰好彌補了這一缺憾。新型人工電磁材料，其獨特新穎的物理性質(zhì)和誘人的應用前景得到了國際學術界的廣泛關注。近幾年，太赫茲波段新型人工電磁材料的研究取得了一系列重要的理論和實驗成果，基于新型人工電磁材料的太赫茲調(diào)制器、吸波器、濾波器等研究陸續(xù)出現(xiàn)，顯示了新型人工電磁材料在太赫茲技術中的巨大應用潛力，但目前尚缺少性能優(yōu)良、可調(diào)諧的太赫茲偏振功能器件。
[0003]新型人工電磁材料Metamaterials中“meta”相當于英文的“beyond”,意為超越，其結構單元的尺度在亞波長量級，可以實現(xiàn)天然材料所沒有的電磁特性，如負折射、完美透鏡、隱身斗篷等。新型人工電磁材料的出現(xiàn)極大地豐富了電磁領域的研究內(nèi)容，例如手性與新型人工電磁材料結合后會出現(xiàn)巨大的旋光效應、電磁波的非對稱傳輸?shù)取?006年，英國南安普敦大學Zheludev教授的研究小組在平面手性新型人工電磁材料研究中發(fā)現(xiàn)了一個新的、重要的電磁學效應-圓轉(zhuǎn)換二向色性，導致了宏觀的非對稱傳輸現(xiàn)象CL V.Rogacheva, Phys.Rev.Lett.2006, 97, 177401)。近年來，半導體材料也被融入到新型人工電磁材料的設計中，目的是為了降低材料的本征損失或?qū)π滦腿斯る姶挪牧系膶嶋H響應實現(xiàn)動態(tài)的控制。通過控制外部激勵(比如泵浦光的光強)，新型人工電磁材料的工作頻率或者電磁響應在一定的頻率段內(nèi)被動態(tài)調(diào)諧，它的特性不再只依靠基本結構單元的幾何形狀或者結構尺寸。對于太赫茲技術，新型人工電磁材料最大的優(yōu)勢在于其可隨意設計的電磁諧振響應，可極大地增強太赫茲波與物質(zhì)之間的相互作用，遠勝于自然界的常規(guī)材料。新型人工電磁材料的出現(xiàn)為發(fā)展性能優(yōu)良的太赫茲器件提供了契機，從而填補太赫茲空白(THz Gap)。2011年，美國愛荷華州立大學的一個研究組提出了一個太赫茲波段、可調(diào)諧的光開關，將半導體光敏材料融入新型人工電磁材料的設計，利用外部泵浦光提高半導體材料的光導率，導致太赫茲波諧振的響應頻率藍移，從而實現(xiàn)兩個模式的光控切換(N.Shen, Phys.Rev.Lett.2011, 106, 037403)。但在這個光控的太赫茲波新型人工電磁材料研究中，光控方式僅能夠?qū)崿F(xiàn)能量傳輸效率60%的變化，最低傳輸效率大于10%，調(diào)制范圍小，研究中未涉及偏振轉(zhuǎn)化現(xiàn)象。
[0004]光可控的新型人工電磁材料為太赫茲偏振波傳輸?shù)恼{(diào)制開拓了新的應用前景，對實現(xiàn)太赫茲濾波器、太赫茲二極管、太赫茲隔離器等新型人工電磁材料功能器件具有重大意義。新型人工電磁材料與光感材料相結合的研究領域中，尚未見基于太赫茲波交叉偏振傳輸?shù)墓忾_關器件相關報道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)交叉偏振傳輸?shù)拈_/關功能得基于人工電磁材料的太赫茲波可調(diào)諧光控開關。
[0006]本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的:
[0007]包括介質(zhì)層、第一人工電磁材料層和第二人工電磁材料層，所述介質(zhì)層位于兩層人工電磁材料層之間，兩層人工電磁材料分別位于介質(zhì)層兩側(cè)的表面，每層人工電磁材料層由周期性排列的人工電磁材料基本單元構成，兩層人工電磁材料層的基本單元結構完全相同，但存在非0°和非180°的結構旋轉(zhuǎn)角、形成手性特征，所述人工電磁材料層的基本單元是指人工電磁材料內(nèi)嵌兩段長度不同的半導體弧和空氣弧構成的結構。
[0008]本發(fā)明還可以包括:
[0009]1、所述半導體弧和空氣弧，是通過刻蝕覆于介質(zhì)層表面的人工電磁材料層，形成2段圓心角分別為α和β的空氣弧，α小于β，在圓心角為α的空氣弧中填充半導體材料形成半導體弧狀結構，半導體材料的厚度與人工電磁材料層的厚度相同。
[0010]2、人工電磁材料層的厚度為百納米量級。
[0011]3、人工電磁材料基本單元的周期為微米量級。
[0012]本發(fā)明提供了一種基于人工電磁超材料的太赫茲光可控開關。將半導體材料融入雙層新型人工電磁材料的設計中，層間結構旋轉(zhuǎn)角將旋轉(zhuǎn)通過它的太赫茲波的偏振面，實現(xiàn)交叉偏振轉(zhuǎn)化；半導體中載流子的光激發(fā)，導致半導體從介質(zhì)絕緣特性到金屬導電特性的轉(zhuǎn)變，其性質(zhì)的改變影響偏振轉(zhuǎn)化效率，交叉偏振傳輸效率從I降為O ;通過泵浦光的光強控制，選擇太赫茲波的激發(fā)模式，可實現(xiàn)太赫茲交叉偏振傳輸?shù)拈_/關控制。
[0013]本發(fā)明的基于人工電磁超材料的太赫茲光可控開關包括介質(zhì)層和雙人工電磁材料層。介質(zhì)層位于雙層人工電磁材料之間，采用聚酰亞胺材料(Polyimide)或性能相近、易于加工的介質(zhì)材料，其厚度為微米量級，作為雙人工電磁材料層的基底或者間隔層來支撐雙層新型人工電磁材料；雙層人工電磁材料分別位于介質(zhì)層兩側(cè)的表面，每層新型人工電磁材料由周期性排列的新型人工電磁材料基本單元構成，基本單元存在結構的非對稱性；兩層的基本單元結構完全相同，但存在非0°和非180°的結構旋轉(zhuǎn)角，形成手性特征，實現(xiàn)交叉偏振傳輸；新型人工電磁材料層的基本單元是指內(nèi)嵌兩段長度不同的半導體弧和空氣弧的金屬結構，其厚度為百納米量級。半導體弧和空氣弧，是通過刻蝕覆于介質(zhì)層表面的人工電磁材料層的金屬，形成2段圓心角分別為α和β的空氣弧,在圓心角為α的空氣弧中填充半導體材料，形成半導體弧狀結構，其厚度與金屬層相同，弧寬度為w=R_r;半導體材料為硅等半導體光敏材料。人工電磁材料層的金屬結構采用金、鋁等金屬材料。所述的基本單元的結構非對稱性，是指半導體弧和空氣弧的弧長不同，即所對應的圓心角α和β不同。新型人工電磁材料基本單元的周期為微米量級，器件工作在太赫茲波段。[0014]該器件的工作原理為:雙層人工電磁材料的層間結構旋轉(zhuǎn)角的存在使所述器件具有手性性質(zhì)，可旋轉(zhuǎn)通過它的電磁波的偏振面，實現(xiàn)交叉偏振轉(zhuǎn)化，從而實現(xiàn)交叉偏振傳輸。利用外部泵浦光激勵控制半導體弧中的光生載流子濃度，實現(xiàn)半導體材料在介質(zhì)絕緣特性與金屬導電特性的之間的轉(zhuǎn)變，而泵浦光的強度不影響金屬和介質(zhì)層的特性。半導體材料性質(zhì)的改變可以調(diào)制交叉偏振傳輸模式的效率，使器件在兩個不同的工作模式下切換。通過泵浦光的光強控制，即可實現(xiàn)太赫茲波交叉偏振傳輸?shù)墓饪亻_關功能。太赫茲傳輸?shù)拈_/關控制原理，是利用輸入泵浦光的強度調(diào)制半導體中載流子的光激發(fā)，實現(xiàn)半導體弧從介質(zhì)絕緣特性到金屬導電特性的轉(zhuǎn)變，金屬層內(nèi)嵌的半導體材料性質(zhì)的改變影響偏振轉(zhuǎn)化效率，傳輸效率從I降為O ;通過泵浦光的光強控制，可實現(xiàn)太赫茲交叉偏振傳輸?shù)拈_/關控制。
[0015]本發(fā)明的優(yōu)點:
[0016]1、更寬的工作頻譜范圍:基于偏振轉(zhuǎn)換的太赫茲光控開關適用于多種材料和幾何形狀，可在更寬的頻譜范圍內(nèi)有效工作，尤其適用于多頻段的線偏振光轉(zhuǎn)換開關。
[0017]2、更方便的性能調(diào)諧:通過外部激勵對該器件的調(diào)控作用，可對太赫茲波偏振轉(zhuǎn)換的開關特性進行靈活的調(diào)控。開關的狀態(tài)是瞬時的，撤去外部激勵源后，新型人工電磁材料將恢復到原來的狀態(tài)。
[0018]3、更低的制造成本:該器件體積小，結構簡單，與現(xiàn)有硅工藝相匹配，易于制備。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1是本發(fā)明的太赫茲光可控開關結構單元的立體結構示意圖；
[0020]圖2(a)-圖2(b)是人工電磁材料基本單元的正反面示意圖，圖2 (a)為正面、圖2(b)為反面；
[0021]圖3(a)-圖3(b)是太赫茲光可控開關工作原理圖；
[0022]圖4是有、無光致激發(fā)情況下太赫茲光控開關透射幅值(T;和Txy)的仿真結果;
[0023]圖5(a)-圖5(b)是太赫茲光可控開關的周期性結構正反面示意圖。
【具體實施方式】
[0024]下面舉例對本發(fā)明做更詳細的描述:
[0025]光可控的太赫茲開關的基本結構單元如圖1和圖2所示，包括介質(zhì)層I和雙人工電磁材料層2和3。介質(zhì)層I位于雙人工電磁材料層2和3之間，采用聚酰亞胺材料(Polyimide),厚度t=6 μ m。雙人工電磁材料層2和3位于介質(zhì)層I的表面,每層由周期性排列的、內(nèi)嵌空氣弧4和半導體弧5的新型人工電磁材料基本單元構成,周期d=50 μ m。刻蝕覆于介質(zhì)層I表面的金屬層，形成2段圓心角分別為α和β的空氣弧，內(nèi)徑和外徑分別為r=19.5μπι和R=22.5μπι，圓心角為β的空氣弧即為空氣弧4，而在圓心角為α的空氣弧中填充半導體材料，形成半導體弧5,其厚度與金屬層相同，tm=200nm,弧寬度為w=R_r,半導體材料為硅。實施例中，空氣弧4和半導體弧5所對應的圓心角分別α=100°和β=160°。兩層人工電磁材料的基本結構單元尺寸相同，但兩層基本單元之間的結構旋轉(zhuǎn)角為90°。
[0026]下面再結合附圖3進一步說明實施方案，首先為太赫茲光可控開關器件設置一個XYZ坐標軸作為工作平臺，Z軸垂直于光可控開關器件的表面。如圖3 (a)所示，Y方向偏振的線偏振光6沿-Z方向垂直入射到上述光可控開關器件表面后,交叉偏振輸出光為7 ；令脈沖50fs，中心波長為SOOnm的光源S作為激發(fā)源，入射到半導體弧上，此時入射到開關器件上的線偏振光6的交叉偏振輸出光為8,如圖3 (b),透射光7和8的強度存在明顯差
別。新型人工電磁材料器件的太赫茲波能量透過率用T1表示，下標1、j分別代表透射光
和入射光的偏振態(tài)，上標+和-分別代表有光致激發(fā)和無光致激發(fā)(注:Txy表示無光致激發(fā)情況下，輸入的Y偏振光轉(zhuǎn)化為X偏振輸出光的系數(shù))。光可控的太赫茲波開關器件在有、無光致激發(fā)作用下的交叉偏振能量輸出曲線如圖4所示。從圖4可以看出，在1.7THZ和1.95THz處，TL與匕\有著顯著的差異，雙帶開關效應明顯。通過光控的方式，該太赫茲器件的交叉偏振傳輸?shù)恼{(diào)制范圍大，能量輸出可在0-90%范圍內(nèi)變化。
[0027]本領域的普通技術人員將會意識到，這里所述的實施例是為了幫助讀者理解本發(fā)明的原理，應被理解為發(fā)明的保護范圍并不局限于這樣的特別陳述和實施例。凡是根據(jù)上述描述做出各種可能的等同替換或改變，均被認為屬于本發(fā)明的權利要求的保護范圍。
【權利要求】
1.一種基于人工電磁材料的太赫茲波可調(diào)諧光控開關，包括介質(zhì)層、第一人工電磁材料層和第二人工電磁材料層，其特征是:所述介質(zhì)層位于兩層人工電磁材料層之間，兩層人工電磁材料分別位于介質(zhì)層兩側(cè)的表面，每層人工電磁材料層由周期性排列的人工電磁材料基本單元構成，兩層人工電磁材料層的基本單元結構完全相同，但存在非0°和非180°的結構旋轉(zhuǎn)角、形成手性特征，所述人工電磁材料層的基本單元是指人工電磁材料內(nèi)嵌兩段長度不同的半導體弧和空氣弧構成的結構。
2.根據(jù)權利要求1所述的基于人工電磁材料的太赫茲波可調(diào)諧光控開關，其特征是:所述半導體弧和空氣弧，是通過刻蝕覆于介質(zhì)層表面的人工電磁材料層，形成2段圓心角分別為α和β的空氣弧，α小于β，在圓心角為α的空氣弧中填充半導體材料形成半導體弧狀結構，半導體材料的厚度與人工電磁材料層的厚度相同。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的基于人工電磁材料的太赫茲波可調(diào)諧光控開關，其特征是:人工電磁材料層的厚度為百納米量級。
4.根據(jù)權利要求1或2所述的基于人工電磁材料的太赫茲波可調(diào)諧光控開關，其特征是:人工電磁材料基本單元的周期為微米量級。
5.根據(jù)權利要求3所述的基于人工電磁材料的太赫茲波可調(diào)諧光控開關，其特征是:人工電磁材料基本單元的周期為微米量級。
【文檔編號】G02F1/01GK103454784SQ201310433162
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2013年9月23日 優(yōu)先權日:2013年9月23日
【發(fā)明者】史金輝, 呂婷婷, 朱正, 關春穎, 王政平 申請人:哈爾濱工程大學