CN105044814A - 一种右旋圆偏振转换的超材料薄膜 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种右旋圆偏振转换的超材料薄膜，它为光频段的超材料结构，包括金属微结构层1、3和介质基板层2，金属微结构层1和3位于介质基板层2的两面；金属微结构层1的上表面为金属面1，下表面为金属面2；金属微结构层3的上表面为金属面3，下表面为金属面4；金属面1为入射面，金属面4为出射面；金属微结构层1、3为手征对称性的左旋风车结构，或者为螺旋形的手征对称性左旋人造结构，金属微结构层1和3之间具有一个以结构中心作为旋转中心的右旋角，输出光波的两个正交分量的振幅相等，两个正交分量的相位差为90°的奇数倍。本发明的超材料薄膜具有结构简单、转换效率高，可将一束线偏振光转换为右旋圆偏振光，且输出光束质量高。

Description

一种右旋圆偏振转换的超材料薄膜

技术领域

本发明涉及光通信领域，更具体地说，本发明涉及一种右旋圆偏振转换的超材料薄膜。

背景技术

波在传播过程中会在不同的方向上产生振动，而这种振动称为波的偏振，它是波的一种固有的特性。如电磁波、声波和引力波等都具有偏振特性，而各种波的偏振特性亦不尽相同，如声波的偏振方向与其传播方向一致，通常称这种偏振方向与传播方向一致的波为纵波。波的偏振方向与传播方向相垂直，这种波称为横波。电磁波为典型的横波，其具有电场和磁场的偏振，偏振方向与其传播方向垂直，通常将电场的偏振方向定义为该电磁波的偏振方向。偏振在许多科学研究领域中是一个不可或缺的参数，如光学、微波、无线电及地震学等。同样，在技术应用领域中，如激光通信、无线通信、光纤通信及雷达等，对于偏振的研究也是至关重要的一环。

偏振旋转器也称偏振变换器，是一种用于改变信号偏振态的器件。而今主要通过波片或法拉第旋转器对信号偏振态进行改造。

波片是一种能使光振动相互垂直的光波产生附加相位差的光学器件，通常由一些具有双折射特性的单轴晶体制备而成，如石英、云母及方解石等。当光波通过一定厚度的波片，由于光波的o光和e光在波片中的传播速度不同，使其出射时产生一定的相位差，因此光波出射合成后的偏振态将发生改变，而这种偏振态的变化取决于光波经过波片后产生的相位差。通常将能产生1/4波长相位差的波片称为四分之一波片；将能产生1/2波长相位差的波片称为二分之一波片。若入射光波为线偏振光，光波以一定角度通过四分之一波片，出射光波改变为圆偏振光；同理，该线偏振光波以一定角度通过二分之一波片，出射光波仍为线偏振光，但其偏振角度一般有改变。

法拉第旋转器是基于法拉第效应的磁致旋光器件，当线偏振光经过一个具有外加磁场的晶体后，光波的偏正面将发生旋转，此现象为法拉第效应。而该晶体称为磁光晶体。出射光波偏振面所旋转的角度θ与外加磁场的磁感应强度B及光波在晶体中的作用距离L成正比

θ＝VBL

其中V为费尔德常数，为磁光晶体的固有特性。

波片按结构可分为多级波片、复合波片和真零级波片，但无论哪一种波片都有其自身的不足之处，如波长敏感度、温度敏感度、入射角敏感性或制作工艺困难等。法拉第旋转器具有温度特性差、光衰问题突出、插损高、控制精度低及体积大等问题。

本发明所实现的光束偏振态变换并没有采用现有传统的变换技术，如波片或法拉第旋转器等，而是通过超材料技术对光束偏振态进行调制。

超材料是一种人工的结构性功能材料，它具有一些自然界中材料无法达到的特殊功能。超材料并不是传统意义上所理解的“材料”，它通过具有一定物理尺寸的结构，经过有序的设计排列，可实现自然界固有材料所不具备的超常材料功能。因此，亦可将超材料理解为人工复合材料。由于现今的印刷电路制作工艺已非常成熟，对于制作微波波段的超材料具有很大优势，因此，对微波波段的超材料应用器件的研究已成为一个热点。随着现代制作工艺的不断发展，半导体工艺已由次微米时代发展至纳米电子时代，超材料的物理尺寸可通过现代制作工艺达到纳米级别，因此光波段的超材料开发亦日渐成为科研界的焦点。

发明内容

本发明克服了现有技术中的不足，提供一种结构简单、转换效率高，可将线偏振光变换成右旋圆偏振转换功能的超材料薄膜。

为了解决上述存在的技术问题，本发明采用下述技术方案：

本发明的右旋圆偏振转换的超材料薄膜为光频段的超材料结构，其包括金属微结构层1、介质基板层2和金属微结构层3，所述金属微结构层1和金属微结构层3位于介质基板层2的两面；所述金属微结构层1的上表面为金属面1、下表面为金属面2，所述金属微结构层3的上表面为金属面3、下表面为金属面4，所述金属面1为入射面，所述金属面4为出射面；所述金属微结构层1和3为手征对称性的左旋风车结构，或者为螺旋形的手征对称性左旋人造结构，该金属微结构层1和3之间具有一个以结构中心作为旋转中心的右旋角，输出光波的两个正交分量的振幅相等，该两个正交分量的相位差为90°的奇数倍。

所述金属微结构层1和3均由多个左旋万字微结构组成，呈阵列式周期排列。

所述金属微结构层金属微结构层1和3包括金、银、铜、金属导电材料，或者铟锡氧化物、石墨碳纳米管、非金属导电材料。

所述金属微结构层1和3的厚度均为30～100nm。

所述介质基板层2制作材料包括氰酸脂、PMMA、PTFE、聚合物、氟化物、纳米微孔。

所述介质基板层2为低介电常数和低介电损耗材料，材料介电常数介于1.5～2.0之间。

所述介质基板层2的材料损耗正切值低于0.003。

所述介质基板层2的介质厚度为20～100nm。

所述旋转中心的右旋角为5～22.5°。

本发明与现有技术相比，有如下积极效果。

1.纳米级金属微结构的超材料薄膜，具有圆偏振滤波功能，即滤除左旋圆偏振光波而保留右旋圆偏振光通过的功能。左旋

2.可将一束线偏振光转换为右旋圆偏振光，其转换效率可达98％以上，且输出光束质量高。

3.结构图样简单、转换效率高、插损小、体积小，为电磁波偏振态调制提供了一种新颖、高效的调制方法，这种新型的偏振旋转器对于通信技术的发展具有重要的意义及良好的开发前景。

4.通过以材料或化工技术中的自组装方式，或以半导体技术中的微缩方式制备。

附图说明

图1为本发明的叠层结构示意图；

图2为本发明的人造金属微结构示意图；

图3为本发明的两层金属微结构层叠放示意图；

图4为本发明的超材料薄膜示意图；

图5为本发明的两个正交分量透射输出结果示意图；

图6为本发明的两个正交分量透射输出相位示意图；

图7为本发明的输出光束质量分析图；

图8为本发明的电磁耦合示意图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细阐述：

如图1所示，光频段的超材料结构，包括金属微结构层1(第一金属微结构层)、介质基板层2和金属微结构层3(第二金属微结构层)，金属微结构层1(第一金属微结构层)和金属微结构层3(第二金属微结构层)位于介质基板层2的两面；两金属微结构层(金属微结构层1和金属微结构层3)分为四个金属面，即金属微结构层1(第一金属微结构层)上表面为金属面1、下表面为金属面2，金属微结构层3(第二金属微结构层)上表面为金属面3、下表面为金属面4，其中金属面1为结构的入射面，金属面4为结构的出射面；介质基板层2的制作材料包括聚氟化物、丙烯酸类树酯等低介电常数、低材料损耗材料；金属微结构层1和3(第一金属微结构层和第二金属微结构层)，金属微结构层1(第一金属微结构层)和金属微结构层3(第二金属微结构层)位于介质基板层2的两面；两金属微结构层(第一、二金属微结构层)的制作材料包括金、银、铜等金属导电材料，或者铟锡氧化物、石墨碳纳米管等非金属导电材料；

本发明的金属微结构层1(第一金属微结构层)和金属微结构层3(第二金属微结构层)为周期排列的金属微结构，如图2所示，该金属微结构为一种具有手征对称性的左旋风车结构，外形与风车相似。其结构的线宽为w，长臂为L1，短臂为L2，单元结构的边长为a，即超材料的晶格常数。

超材料单元晶格中金属微结构层1(第一金属微结构层)与金属微结构层3(第二金属微结构层)的金属微结构叠层方式如图3所示，两金属微结构(第一、二金属微结构层)之间并不是正对叠放的，而是相互间存在一个以结构中心作为旋转中心的右旋角θ。如图3所示，金属线宽为w，金属厚度为t，两单元金属微结构间的右旋角为θ，两对应金属面间的距离为d，其中两金属层的间距为d-t，即第二介质层的厚度。

超材料以微结构单元作为晶格单元，晶格沿X轴向及Y轴向呈周期性排列，如图4所示为本发明的超材料示意图，金属微结构层1(第一金属微结构层)和金属微结构层3(第二金属微结构层)均由多个左旋万字微结构组成，呈阵列式周期排列，晶格单元沿X轴向周期排列数为3，沿Y轴向周期排列数为3，而在实际应用中，所示周期排列数远大于3。

本发明给出的实施例具体参数如下：线宽w为40nm，金属厚度t为20nm，金属长臂L1为350nm，金属短臂L2为155nm，两金属微结构叠放角度θ为10°，金属材料采用金；介质基板层材料采用金属氟化物，介电常数为1.9，磁导率为1，厚度为30nm；晶格常数a为400nm。

本发明的超材料薄膜可将一束线偏振光波转换成一束右旋圆偏振光波，系统的输出光波需满足两个条件：(1)输出光波的两个正交分量的振幅需相等，即T_xy等于T_yy；(2)两个正交分量的相位差为90°的奇数倍。

本发明实施例通过时域有限差分法进行仿真实验，以一束偏振方向与Y轴平行的线偏振光作为入射光波，光波通过本发明实施例给出的超材料，由此得出如图5所示输出结果。如图5所示，本发明实施例中在255.9THz频率处，输出光波的水平分量振幅T_xy与垂直分量振幅T_yy皆为0.49；如图6所示，本发明实施例中在255.9THz频率处，输出光波的水平分量与垂直分量的相位差为88.75°，约为90°。综上所述，根据T_xy＝T_yy，相位差约为90°，可见，该输出光波为一圆偏振光。

根据上述输出结果，可通过琼斯矩阵对输出光波进行分析:

$\left(\begin{array}{c}{E}_{+}^t\\ E_{-}^t\end{array}\right)=\frac{1}{\sqrt{2}}\left(\begin{array}{cc}{T}_{+x}& T_{+y}\\ T_{-x}& T_{-y}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{E}_x^i\\ E_y^i\end{array}\right),\left(\begin{array}{cc}{T}_{+x}& T_{+y}\\ T_{-x}& T_{-y}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}{T}_{xx}+{\mathrm{iT}}_{yx}& T_{xy}+{\mathrm{iT}}_{yy}\\ T_{xx}-{\mathrm{iT}}_{yx}& T_{xy}-{\mathrm{iT}}_{yy}\end{array}\right)---\left(1\right)$

$\mathrm{\η}=arctan\frac{\left|E_{+}\right|-\left|E_{-}\right|}{\left|E_{+}\right|+\left|E_{-}\right|},---\left(2\right)$

式中，和分别为右旋偏振光波和左旋偏振光波；和分别为线偏振光波在x和y方向上的入射分量；T_+x(T_-x)和T_+y(T_-y)分别为右旋偏振光波(左旋偏振光波)在x和y方向上的分量入射分量；η为输出光波的椭圆率。

通过上述式(1)和式(2)计算得出，本发明实施例在255.9THz的响应频率下，系统输出光波为一束右旋偏振光波，如图7(a)所示。当一束光波的椭圆率为45°时，该光波为一束正圆偏振光，而本系统输出光波的椭圆率为44.36°，如图7(b)所示，因此，系统输出光波近似于正圆偏振光。

通常一束线偏振光可视为一束左旋圆偏振光和一束右旋圆偏振光在一定相位条件下的合成，对本发明实施例的输出结果作进一步分析可得出，本发明实施例在255.9THz的响应频率下，对右旋圆偏光的转换损耗为-0.1854dB，而对左旋圆偏振光的转换损耗为-42.24dB，如图7(a)所示。可见本发明的超材料薄膜具有圆偏振滤波功能，即滤除左旋圆偏振光波而保留右旋圆偏振光通过的功能。

一束振幅为0.5A的左旋圆偏振光与一束振幅为0.5A的右旋圆偏振光在满足一定相位和振动方向条件下可合成为一束振幅为A的线偏振光波，而本发明实施例以一束振幅为A₀的线偏振光波作为激励源，输出光波振幅为0.49A₀的右旋圆偏振光波，可见，本发明实施例对线偏振光中的右旋圆偏振光波的提取效率高达98％，且其输出右圆偏振光近似于正圆偏振。

为阐述本发明的光学偏振旋转器工作机理，下面对本发明实施例耦合响应作进一步的分析。

本发明金属微结构具有手征性对称特点，因此，当某些频率的电磁波通过该金属微结构时能产生偶极子震荡，而两金属层(第一、二金属微结构层)所存在的夹角可使该震荡产生偏转，即电磁波偏振随之发生改变。通过振荡电路的公式

$f_0=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{LC}}$

由此可知，结构的响应频率与电感L和电容C成反比。在超材料技术中，超材料结构的金属线长度表征着系统的电感，金属的正对面积表征着系统的电容，因此，本发明结构中，金属臂的长度、介质基板层的材料属性及厚度关系着超材料的响应频率。

本发明光学偏振旋转器所采用的金属微结构图为一个具有手征对称性的结构，通过本发明的超材料薄膜结构，可在其响应频率下产生电磁耦合作用，而手征性金属微结构在电磁耦合中为偶极子响应。

当一束频率为255.9THz频率的线偏振光波，偏振方向与Y轴平行，垂直入射本发明结构，光波将在结构中发生电磁耦合响应，如图8所示为金属面1和金属面4在耦合响应中磁场强度的模场分布图。

当入射光波为某一相位的相位1(Phase1)时，如图8(1)所示，电磁波的磁场分量H_x在金属面1中的金属臂b与金属臂d处产生电磁振荡峰值；同时，如图8(2)所示，电磁波的磁场分量H_x在金属面4中的金属臂b与金属臂d处亦产生电磁振荡峰值。

当入射光波相位转至相位2(Phase2)时，其中Phase2＝Phase1+π/2，如图8(3)所示，电磁波的磁场分量H_y在金属面1中的金属臂a与金属臂c处产生电磁振荡峰值；同时，如图8(4)所示，电磁波的磁场分量H_y在金属面4中的金属臂a与金属臂c处亦产生电磁振荡峰值。

如图8所示的电磁波耦合响应中，其模场分布从水平方向转至垂直方向，似乎是一种TE偏振转TM偏振的转换系统，但实际上图8(1)和图8(2)为电磁波在耦合过程中的某一相位时刻相位1(Phase1)时，电磁波的水平磁场分量H_x在金属面1和金属面4的金属臂b和金属臂d处产生振荡峰值的模场分布图；而图8(3)和图8(4)为相位在相位1(Phase1)基础上增加π/2的下一相位时刻相位2(Phase2)时，电磁波的垂直磁场分量H_y在金属面1和金属4的金属臂a和金属臂c处产生振荡峰值的模场分布图。在相位1(Phase1)和相位2(Phase2)这两个相位差为π/2的磁场分量H_x与磁场分量H_y的振幅近乎相等，这种交替变换的模场分布说明电磁波的磁矢量在金属平面内是随着相位的变换而不断旋转的。

对于一个正弦的线偏振入射光波进入本发明结构，在入射金属面1与出射金属面4所展现的模场分布，再结合图5所述两正交分量T_xy与T_yy具有相同的振幅，说明本发明实施例对耦合频率下的入射电磁波具有明显的旋光性，电磁波的电矢量和磁矢量在经过本发明实施例后将随电磁波的传播而做右旋运动。

可见，本发明实施例可将线偏振光波转换成右旋圆偏振光波，且其整体厚度只有70nm，输出的圆偏振光波的椭圆率接近45°，光束质量好，对输入线偏振光波的转换效率高达98％。

以上之详细描述仅为清楚理解本发明，而不应将其看作是对本发明不必要的限制，因此对本发明的任何改动对本领域中的技术熟练的人是显而易见的。

Claims (9)

1.一种右旋圆偏振转换的超材料薄膜，其特征在于：

它为光频段的超材料结构，其包括金属微结构层(1)、介质基板层(2)和金属微结构层(3)，所述金属微结构层(1)和金属微结构层(3)位于介质基板层(2)的两面；所述金属微结构层(1)的上表面为金属面(1)，下表面为金属面(2)；所述金属微结构层(3)的上表面为金属面(3)，下表面为金属面(4)；所述金属面(1)为入射面，所述金属面(4)为出射面；所述金属微结构层(1)和(3)为手征对称性的左旋风车结构，或者为螺旋形的手征对称性左旋人造结构，该金属微结构层(1)和(3)之间具有一个以结构中心作为旋转中心的右旋角，输出光波的两个正交分量的振幅相等，该两个正交分量的相位差为90°的奇数倍。

2.按照权利要求1所述的右旋圆偏振转换的超材料薄膜，其特征在于：所述金属微结构层(1)和(3)均由多个左旋万字微结构组成，呈阵列式周期排列。

3.按照权利要求1所述的右旋圆偏振转换的超材料薄膜，其特征在于：所述金属微结构层(1)和(3)包括金、银、铜、金属导电材料，或者铟锡氧化物、石墨碳纳米管、非金属导电材料。

4.按照权利要求1所述的右旋圆偏振转换的超材料薄膜，其特征在于：所述金属金属微结构层(1)和(3)的厚度均为30～100nm。

5.按照权利要求1所述的右旋圆偏振转换的超材料薄膜，其特征在于：所述介质基板层(2)制作材料包括氰酸脂、PMMA、PTFE、聚合物、氟化物、纳米微孔。

6.按照权利要求1所述的右旋圆偏振转换的超材料薄膜，其特征在于：所述介质基板层(2)为低介电常数和低介电损耗材料，材料介电常数介于1.5～2.0之间。

7.按照权利要求1所述的右旋圆偏振转换的超材料薄膜，其特征在于：所述介质基板层(2)的材料损耗正切值低于0.003。

8.按照权利要求1所述的右旋圆偏振转换的超材料薄膜，其特征在于：所述介质基板层(2)的介质厚度为20～100nm。

9.按照权利要求1所述的右旋圆偏振转换的超材料薄膜，其特征在于：所述旋转中心的右旋角为5～22.5。