CN104020588B - 一种基于偏振转换和相变原理的温控开关 - Google Patents
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Abstract
本发明属于新型人工电磁材料技术领域，具体涉及对电磁波的传输控制，尤其是控制电磁波交叉偏振的传输，通过温控的方式实现电磁波交叉偏振传输的开/关功能的一种基于偏振转换和相变原理的温控开关。基于偏振转换和相变原理的温控开关，包括介质层和双层人工电磁材料，双层人工电磁材料分别位于介质层两侧的表面，每层人工电磁材料由周期性排列的人工电磁材料基本单元构成，人工电磁材料层的基本单元是指由金属条组成的E型金属结构和条形相变材料结构，条形相变材料位于E型金属结构的间隙，条形相变材料的长度与E型金属条的宽度相同。本发明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。
Description
技术领域
本发明属于新型人工电磁材料技术领域，具体涉及对电磁波的传输控制，尤其是控制电磁波交叉偏振的传输，通过温控的方式实现电磁波交叉偏振传输的开/关功能的一种基于偏振转换和相变原理的温控开关。
背景技术
1959年Morin在贝尔实验室首次观察到钒的低价态氧化物在加热过程中具有从半导体到金属的相变现象，半个多世纪以来，科学家己经发现有多种钒的氧化物具有从低温半导体相到高温金属相转变的特性。而其中二氧化钒因为其热致相变温度68℃最接近室温而被广为关注。二氧化钒薄膜作为一种相变的金属氧化物，在热、光或者应力的作用下可以由单斜结构的绝缘体态转变为四方结构的金属态，同时伴随着电阻率、磁导率、光透射率和反射率的巨大突变。其中二氧化钒薄膜的电阻率突变幅度可达4～5个数量级，而且这种突变是可逆的。这种电磁性能的突变为发展新型光子器件、调制器、开关和新型传感器提供了可能，而且在微波和太赫兹领域已经得到广泛的应用。
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，相变材料也被融入到新型人工电磁材料的设计中，目的是对新型人工电磁材料的响应实现动态的控制。通过控制外部激励(比如热激发源)，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。对于电磁波技术，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，可极大地增强电磁波与物质之间的相互作用，远胜于自然界的常规材料。
目前，基于人工电磁材料的VO2调制器(Acta Phys.Sin.2013,62,130702)有很多的报道。利用VO2的相变原理，提出了将VO2薄膜与新型人工电磁材料集成的设计。通过调控温度来调制薄膜中载流子浓度的变化，导致相变前后透射率发生明显降低，从而实现两个模式的温控切换。但在这个温控的太赫兹波新型人工电磁材料研究中，温控方式仅能够实现能量传输效率80％的变化，最低传输效率大于10％，可调谐性和调制深度小，不具有显著的开关效应，研究中主要调制共偏振的传输，未涉及偏振转化现象，受同偏振态的背景噪声影响严重。新型人工电磁材料与相变材料相结合的研究领域中，尚未见基于电磁波交叉偏振传输的温控开关器件相关文献与专利。本专利将提出一种温控的电磁波新型人工电磁材料，实现交叉偏振传输的开/关功能，该微波功能器件的调制深度大，具有很高的信噪比。
发明内容
本发明的目的在于提供一种有效频谱范围更宽的基于偏振转换和相变原理的温控开关。
本发明的目的是这样实现的：
基于偏振转换和相变原理的温控开关，温控开关器件包括介质层和双层人工电磁材料，双层人工电磁材料分别位于介质层两侧的表面，每层人工电磁材料由周期性排列的人工电磁材料基本单元构成，人工电磁材料层的基本单元是指由金属条组成的E型金属结构和条形相变材料结构，条形相变材料位于E型金属结构的间隙，条形相变材料的长度与E型金属条的宽度相同。
两层人工电磁材料的基本单元结构完全相同，两层人工电磁材料的基本单元存在结构旋转角，结构旋转角非0°和180°。
介质层材料采用印刷电路板PCB、蓝宝石Al2O3，介质层厚度为t，其厚度为毫米量级。
人工电磁材料基本结构单元厚度tm为百纳米量级，所述的金属材料为铜、金、铝。
E型金属结构和条形相变材料结构，是通过刻蚀覆于介质层表面，相变材料为二氧化钒。
本发明的有益效果在于：
1、更宽的工作频谱范围：基于偏振转换的微波温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：与电、光、磁场等方式的控制，温度调控无疑更加方便，易于实现。
3、更低的制造成本：该器件体积小，结构简单，与现有VO2工艺相匹配，易于制备。
附图说明
图1是电磁波温控开关结构单元的立体结构示意图；
图2是新型人工电磁材料结构单元的正反面示意图；
图3是电磁波温控开关的周期性结构正反面示意图；
图4是电磁波温控开关工作原理图；
图5是VO2薄膜相变前后电磁波温控开关透射幅值(和)的仿真结果。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
一种基于偏振转换和相变原理的温控开关，属于电磁波和新型人工电磁材料应用领域。本发明涉及了温控的电磁波偏振转换开关器件。其特征在于采用双层的新型人工电磁材料实现了温度可控的线偏振转换的开关功能。所述的人工电磁结构包括介质层和双人工电磁材料层，介质层位于双人工电磁材料层之间。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，两层的基本单元结构完全相同，但相互之间存在旋转角，由于磁响应和电响应的耦合效应形成手性特征。新型人工电磁材料的基本单元包括一定宽度的E型金属结构和条形相变材料结构。利用热激发的作用，调控相变材料的电导率，基于偏振转换和相变原理，在实现交叉偏振传输的同时可以有效的抑制共偏振噪声，而且能够实现对电磁波传输特性的开/关控制。该结构可实现新型微波功能器件，包括偏振器件、温控开关、调制器和滤波器等，对微波段新型人工电磁材料的发展具有重要意义。
将相变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电磁波的偏振面，实现交叉偏振转化；相变材料中载流子的热激发，导致相变材料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；通过温度高低的控制，选择电磁波的激发模式，可实现微波波段交叉偏振传输的开/关控制。
本发明的技术方案为：
基于偏振转换和相变原理的温控开关包括介质层和双人工电磁材料层。其特征在于，所述的介质层位于双层人工电磁材料之间，采用印刷电路板(PCB)或性能相近、易于加工的介质材料，其厚度为毫米量级，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人工电磁材料基本单元构成；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一定宽度的E型金属结构和条形相变材料结构的组合，其厚度为十微米量级。条形相变材料结构和E型金属结构，是通过刻蚀覆于介质层的表面，两种材料结构的厚度相同为tm；相变材料为VO2等其他相变热敏材料。金属结构采用金、铝等金属材料。新型人工电磁材料的周期为毫微米量级。
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。利用外部热激励控制条形相变材料中的载流子浓度，实现相变材料在介质绝缘特性与金属导电特性的之间的转变，而热激发的强度不影响金属和介质层的特性。相变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。通过热激发的控制，即可实现电磁波交叉偏振传输的温控开关功能。
实施例1：
实施例工作在微波波段，温度可控的电磁波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，采用印刷电路板(PCB)，厚度t＝1.6mm。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、E型金属结构和条形相变材料结构的新型人工电磁材料基本单元构成，周期d＝15mm。刻蚀覆于介质层1的表面。金属结构的边长a＝11mm，金属条的宽度w＝3mm形成E型金属结构4，相变材料结构的长度与金属条的宽度相同w＝3mm，宽度b＝(a-3w)/2，其厚度与金属层相同，tm＝17μm，形成条形相变结构5，相变材料为VO2。实施例中，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4进一步说明实施方案，首先为微波温控开关器件设置一个XYZ坐标轴作为工作平台，Z轴垂直于温控开关器件的表面。如图4(a)所示，X方向偏振的线偏振光6沿-Z方向垂直入射到上述温控开关器件表面后，交叉偏振输出光为7；令热源T作为热激发源，器件温度控制在相变温度68℃(340K)以上，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4(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微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-分别代表有热致激发和无热致激发(注：表示无热致激发情况下，输入的X偏振光转化为Y偏振输出光的系数)。温控微波开关器件在有、无热致激发作用下的交叉偏振能量输出曲线如图5所示。从图5可以看出，在3.17GHz、3.61GHz、4.11GHz和4.23GHz处，与有着显著的差异，开关效应明显。通过温控的方式，该微波器件的交叉偏振传输的调制深度在90％左右，能量输出可在0-75％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 (1)
1.一种基于偏振转换和相变原理的温控开关，其特征在于：包括介质层和双层人工电磁材料，双层人工电磁材料分别位于介质层两侧的表面，每层人工电磁材料由周期性排列的人工电磁材料基本单元构成，人工电磁材料层的基本单元是指由金属条组成的E型金属结构和条形相变材料结构，条形相变材料位于E型金属结构的间隙，条形相变材料的长度与E型金属条的宽度相同；
所述的双层人工电磁材料的基本单元结构完全相同，双层人工电磁材料的基本单元存在结构旋转角，结构旋转角非0°和180°；
所述的介质层材料采用印刷电路板PCB、蓝宝石Al2O3，介质层厚度为t，其厚度为毫米量级；
所述的人工电磁材料基本结构单元厚度tm为百纳米量级，所述的金属材料为铜、金、铝；
所述的E型金属结构和条形相变材料结构，是通过刻蚀覆于介质层表面，相变材料为二氧化钒。
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