CN103454784B - 一种基于人工电磁材料的太赫兹波可调谐光控开关 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种基于人工电磁材料的太赫兹波可调谐光控开关。包括介质层、第一人工电磁材料层和第二人工电磁材料层，所述介质层位于两层人工电磁材料层之间，两层人工电磁材料分别位于介质层两侧的表面，每层人工电磁材料层由周期性排列的人工电磁材料基本单元构成，两层人工电磁材料层的基本单元结构完全相同，但存在非0°和非180°的结构旋转角、形成手性特征，所述人工电磁材料层的基本单元是指人工电磁材料内嵌两段长度不同的半导体弧和空气弧构成的结构。本发明的太赫兹波可调谐光控开关工作频谱范围宽、性能调谐方便、制造成本低。

Description

一种基于人工电磁材料的太赫兹波可调谐光控开关

技术领域

本发明涉及的是一种对太赫兹波的传输控制装置，尤其是控制太赫兹波交叉偏振的传输，通过光控的方式实现太赫兹波交叉偏振传输的开/关功能。

背景技术

太赫兹波(THz)是指频率在0.1THz—10THz（波长为0.03-3mm）范围内的电磁波，其波段位于微波和红外波之间，在电磁波谱中占据着重要位置，是电子学向光学的过渡区域。但是上个世纪80年代以前，涉及太赫兹波段的研究结果和数据非常少，主要是受到太赫兹产生源和灵敏探测器的限制，因此这一波段也被称为太赫兹空白（THzgap）。随着一系列新技术、新材料的发展，THz技术得以迅速发展，在国际范围内掀起了太赫兹技术研究热潮。目前，科研人员在努力地寻求可以控制太赫兹波传输的器件，推动太赫兹技术的发展。然而常规材料在太赫兹波段具有较弱的电磁响应，使得人们在研制太赫兹器件，实现对太赫兹波的探测和操纵时面临很多限制。新型人工电磁材料（Metamaterials）的出现恰好弥补了这一缺憾。新型人工电磁材料，其独特新颖的物理性质和诱人的应用前景得到了国际学术界的广泛关注。近几年，太赫兹波段新型人工电磁材料的研究取得了一系列重要的理论和实验成果，基于新型人工电磁材料的太赫兹调制器、吸波器、滤波器等研究陆续出现，显示了新型人工电磁材料在太赫兹技术中的巨大应用潜力，但目前尚缺少性能优良、可调谐的太赫兹偏振功能器件。

新型人工电磁材料Metamaterials中“meta”相当于英文的“beyond”，意为超越，其结构单元的尺度在亚波长量级，可以实现天然材料所没有的电磁特性，如负折射、完美透镜、隐身斗篷等。新型人工电磁材料的出现极大地丰富了电磁领域的研究内容，例如手性与新型人工电磁材料结合后会出现巨大的旋光效应、电磁波的非对称传输等。2006年，英国南安普敦大学Zheludev教授的研究小组在平面手性新型人工电磁材料研究中发现了一个新的、重要的电磁学效应-圆转换二向色性，导致了宏观的非对称传输现象（A.V.Rogacheva,Phys.Rev.Lett.2006,97,177401）。近年来，半导体材料也被融入到新型人工电磁材料的设计中，目的是为了降低材料的本征损失或对新型人工电磁材料的实际响应实现动态的控制。通过控制外部激励（比如泵浦光的光强），新型人工电磁材料的工作频率或者电磁响应在一定的频率段内被动态调谐，它的特性不再只依靠基本结构单元的几何形状或者结构尺寸。对于太赫兹技术，新型人工电磁材料最大的优势在于其可随意设计的电磁谐振响应，可极大地增强太赫兹波与物质之间的相互作用，远胜于自然界的常规材料。新型人工电磁材料的出现为发展性能优良的太赫兹器件提供了契机，从而填补太赫兹空白（THzGap）。2011年，美国爱荷华州立大学的一个研究组提出了一个太赫兹波段、可调谐的光开关，将半导体光敏材料融入新型人工电磁材料的设计，利用外部泵浦光提高半导体材料的光导率，导致太赫兹波谐振的响应频率蓝移，从而实现两个模式的光控切换（N.Shen,Phys.Rev.Lett.2011,106,037403）。但在这个光控的太赫兹波新型人工电磁材料研究中，光控方式仅能够实现能量传输效率60%的变化，最低传输效率大于10%，调制范围小，研究中未涉及偏振转化现象。

光可控的新型人工电磁材料为太赫兹偏振波传输的调制开拓了新的应用前景，对实现太赫兹滤波器、太赫兹二极管、太赫兹隔离器等新型人工电磁材料功能器件具有重大意义。新型人工电磁材料与光感材料相结合的研究领域中，尚未见基于太赫兹波交叉偏振传输的光开关器件相关报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够实现交叉偏振传输的开/关功能得基于人工电磁材料的太赫兹波可调谐光控开关。

本发明的目的是这样实现的：

包括介质层、第一人工电磁材料层和第二人工电磁材料层，所述介质层位于两层人工电磁材料层之间，两层人工电磁材料分别位于介质层两侧的表面，每层人工电磁材料层由周期性排列的人工电磁材料基本单元构成，两层人工电磁材料层的基本单元结构完全相同，但存在非0°和非180°的结构旋转角、形成手性特征，所述人工电磁材料层的基本单元是指人工电磁材料内嵌两段长度不同的半导体弧和空气弧构成的结构。

本发明还可以包括：

1、所述半导体弧和空气弧，是通过刻蚀覆于介质层表面的人工电磁材料层，形成2段圆心角分别为α和β的空气弧，α小于β，在圆心角为α的空气弧中填充半导体材料形成半导体弧状结构，半导体材料的厚度与人工电磁材料层的厚度相同。

2、人工电磁材料层的厚度为百纳米量级。

3、人工电磁材料基本单元的周期为微米量级。

本发明提供了一种基于人工电磁超材料的太赫兹光可控开关。将半导体材料融入双层新型人工电磁材料的设计中，层间结构旋转角将旋转通过它的太赫兹波的偏振面，实现交叉偏振转化；半导体中载流子的光激发，导致半导体从介质绝缘特性到金属导电特性的转变，其性质的改变影响偏振转化效率，交叉偏振传输效率从1降为0；通过泵浦光的光强控制，选择太赫兹波的激发模式，可实现太赫兹交叉偏振传输的开/关控制。

本发明的基于人工电磁超材料的太赫兹光可控开关包括介质层和双人工电磁材料层。介质层位于双层人工电磁材料之间，采用聚酰亚胺材料（Polyimide）或性能相近、易于加工的介质材料，其厚度为微米量级，作为双人工电磁材料层的基底或者间隔层来支撑双层新型人工电磁材料；双层人工电磁材料分别位于介质层两侧的表面，每层新型人工电磁材料由周期性排列的新型人工电磁材料基本单元构成，基本单元存在结构的非对称性；两层的基本单元结构完全相同，但存在非0°和非180°的结构旋转角，形成手性特征，实现交叉偏振传输；新型人工电磁材料层的基本单元是指内嵌两段长度不同的半导体弧和空气弧的金属结构，其厚度为百纳米量级。半导体弧和空气弧，是通过刻蚀覆于介质层表面的人工电磁材料层的金属，形成2段圆心角分别为α和β的空气弧，在圆心角为α的空气弧中填充半导体材料，形成半导体弧状结构，其厚度与金属层相同，弧宽度为w=R-r；半导体材料为硅等半导体光敏材料。人工电磁材料层的金属结构采用金、铝等金属材料。所述的基本单元的结构非对称性，是指半导体弧和空气弧的弧长不同，即所对应的圆心角α和β不同。新型人工电磁材料基本单元的周期为微米量级，器件工作在太赫兹波段。

该器件的工作原理为：双层人工电磁材料的层间结构旋转角的存在使所述器件具有手性性质，可旋转通过它的电磁波的偏振面，实现交叉偏振转化，从而实现交叉偏振传输。利用外部泵浦光激励控制半导体弧中的光生载流子浓度，实现半导体材料在介质绝缘特性与金属导电特性的之间的转变，而泵浦光的强度不影响金属和介质层的特性。半导体材料性质的改变可以调制交叉偏振传输模式的效率，使器件在两个不同的工作模式下切换。通过泵浦光的光强控制，即可实现太赫兹波交叉偏振传输的光控开关功能。太赫兹传输的开/关控制原理，是利用输入泵浦光的强度调制半导体中载流子的光激发，实现半导体弧从介质绝缘特性到金属导电特性的转变，金属层内嵌的半导体材料性质的改变影响偏振转化效率，传输效率从1降为0；通过泵浦光的光强控制，可实现太赫兹交叉偏振传输的开/关控制。

本发明的优点：

1、更宽的工作频谱范围：基于偏振转换的太赫兹光控开关适用于多种材料和几何形状，可在更宽的频谱范围内有效工作，尤其适用于多频段的线偏振光转换开关。

2、更方便的性能调谐：通过外部激励对该器件的调控作用，可对太赫兹波偏振转换的开关特性进行灵活的调控。开关的状态是瞬时的，撤去外部激励源后，新型人工电磁材料将恢复到原来的状态。

3、更低的制造成本：该器件体积小，结构简单，与现有硅工艺相匹配，易于制备。

附图说明

图1是本发明的太赫兹光可控开关结构单元的立体结构示意图；

图2(a)-图2(b)是人工电磁材料基本单元的正反面示意图，图2(a)为正面、图2(b)为反面；

图3(a)-图3(b)是太赫兹光可控开关工作原理图；

图4是有、无光致激发情况下太赫兹光控开关透射幅值的仿真结果；

图5(a)-图5(b)是太赫兹光可控开关的周期性结构正反面示意图。

具体实施方式

下面举例对本发明做更详细的描述：

光可控的太赫兹开关的基本结构单元如图1和图2所示，包括介质层1和双人工电磁材料层2和3。介质层1位于双人工电磁材料层2和3之间，采用聚酰亚胺材料（Polyimide），厚度t=6μm。双人工电磁材料层2和3位于介质层1的表面，每层由周期性排列的、内嵌空气弧4和半导体弧5的新型人工电磁材料基本单元构成，周期d=50μm。刻蚀覆于介质层1表面的金属层，形成2段圆心角分别为α和β的空气弧，内径和外径分别为r=19.5μm和R=22.5μm，圆心角为β的空气弧即为空气弧4，而在圆心角为α的空气弧中填充半导体材料，形成半导体弧5，其厚度与金属层相同，tm=200nm，弧宽度为w=R-r，半导体材料为硅。实施例中，空气弧4和半导体弧5所对应的圆心角分别α=100°和β=160°。两层人工电磁材料的基本结构单元尺寸相同，但两层基本单元之间的结构旋转角为90°。

下面再结合附图3进一步说明实施方案，首先为太赫兹光可控开关器件设置一个XYZ坐标轴作为工作平台，Z轴垂直于光可控开关器件的表面。如图3（a）所示，Y方向偏振的线偏振光6沿-Z方向垂直入射到上述光可控开关器件表面后，交叉偏振输出光为7；令脉冲50fs，中心波长为800nm的光源S作为激发源，入射到半导体弧上，此时入射到开关器件上的线偏振光6的交叉偏振输出光为8，如图3（b），透射光7和8的强度存在明显差别。新型人工电磁材料器件的太赫兹波能量透过率用表示，下标i、j分别代表透射光和入射光的偏振态，上标+和-分别代表有光致激发和无光致激发（注：表示无光致激发情况下，输入的Y偏振光转化为X偏振输出光的系数）。光可控的太赫兹波开关器件在有、无光致激发作用下的交叉偏振能量输出曲线如图4所示。从图4可以看出，在1.7THz和1.95THz处，与有着显著的差异，双带开关效应明显。通过光控的方式，该太赫兹器件的交叉偏振传输的调制范围大，能量输出可在0-90%范围内变化。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。凡是根据上述描述做出各种可能的等同替换或改变，均被认为属于本发明的权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于人工电磁材料的太赫兹波可调谐光控开关，包括介质层、第一人工电磁材料层和第二人工电磁材料层，其特征是：所述介质层位于两层人工电磁材料层之间，两层人工电磁材料分别位于介质层两侧的表面，每层人工电磁材料层由周期性排列的人工电磁材料基本单元构成，两层人工电磁材料层的基本单元结构完全相同，但存在90°的结构旋转角、形成手性特征，所述人工电磁材料层的基本单元是指人工电磁材料内嵌两段长度不同的半导体弧和空气弧构成的结构；

所述半导体弧和空气弧，是通过刻蚀覆于介质层表面的人工电磁材料层，形成2段圆心角分别为α和β的空气弧，α=100°、β=160°，在圆心角为α的空气弧中填充半导体材料形成半导体弧状结构，半导体材料的厚度与人工电磁材料层的厚度相同。

2.根据权利要求1所述的基于人工电磁材料的太赫兹波可调谐光控开关，其特征是：人工电磁材料层的厚度为百纳米量级。

3.根据权利要求1或2所述的基于人工电磁材料的太赫兹波可调谐光控开关，其特征是：人工电磁材料基本单元的周期为微米量级。