CN105137619B - 一种宽带的中红外调制器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉一种宽带的中红外调制器，所述中红外调制器为多层结构，中红外调制器以二氧化钒为温控相变材料；所述中红外调制器的多层结构的最下层为金，最上层为二氧化硅，二氧化钒层位于中红外调制器的中部，二氧化钒层的上侧设有钛金属层。其中，优选的结构为，中红外调制器的多层结构从下至上依次为金、二氧化硅、二氧化钒、钛金属、二氧化硅。本发明的宽带的中红外调制器，该中红外调制器的带宽达到中心波长的94％；该中红外调制器的结构为层状结构，制作简单、成本低，层状薄膜结构无需图案化印刷技术，因此可简化制作工艺、降低成本。

Description

一种宽带的中红外调制器
技术领域
本发明涉及光电子技术领域，具体涉及一种宽带的中红外调制器。
背景技术
中红外(波长3-30微米)是电磁波谱当中重要的频谱资源。由于这个波段具有分子强特征吸收、热体辐射以及大气透明窗口等独有的特征，中红外技术在无线宽带通讯、高灵敏物质检测、大气污染监控、分子光谱研究、无损伤医学诊断等领域具有广阔应用前景。
中红外技术在工业和民用中的应用取决于各类中红外关键器件的发展。近二十多年来，具有量子效应的人工微纳结构材料的研究发现了许多传统自然材料不具备的电磁特性，极大促进了中红外器件的快速发展。中红外器件特别是激光器和探测器的发展十分迅速。目前基于电子带内子带跃迁的量子级联激光器具有体积小、功率高、室温工作、可调谐等特点，已成为中红外波段主要相干光源；在探测器方面，基于碲镉汞(HgCdTe)的单像素或焦平面探测器具有无可比拟的热灵敏度，已成为当前主流的中红外探测技术，同时也先后出现了量子阱探测器(QWIP)、量子点(QDIP)以及InAs/GaSb第二型超晶格探测器等新技术并逐渐走向实用化。
除了激光器和探测器外，调制器是中红外技术系统中另一项关键器件。调制器能对中红外波的振幅或者相位进行调制，是中红外无线通讯、高灵敏分子检测等领域重要而必不可少的元件。
现有技术中，美国Z.Li等人提出一种基于石墨烯-金属复合天线的中红外调制器(Z.Li,et al.,Modulation of mid-infrared light using graphene-metal plasmonicantenna,Applied Physics Letters,2013,102,131108)。该技术方案利用石墨烯的可调材料特性来调节天线共振吸收，实现了中心波长7微米，带宽为中心波长12.5％的中红外调制。
图1为该器件结构示意图，最下层为金膜，向上依次为二氧化硅介质层、石墨烯和棒状天线阵列，其中棒状天线的长、宽、高分别为1.84微米、240纳米和50纳米，相邻棒状天线空隙间隔为60纳米。图2为器件的振幅和相位调制特性，该调制器实现了波长7微米的调制，带宽为中心波长的12.5％，相位调制幅度达到240度。该技术的缺陷为：工作带宽很窄，为中心波长的12.5％；成本高，制备过程需要用到电子束掩膜等复杂而昂贵的加工技术。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷，设计一种宽带的中红外调制器，该中红外调制器的带宽达到中心波长的94％；该中红外调制器的结构为层状结构，制作简单、成本低，层状薄膜结构无需图案化印刷技术，因此可简化制作工艺、降低成本。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是一种宽带的中红外调制器，所述中红外调制器为多层结构，中红外调制器以二氧化钒为温控相变材料；所述中红外调制器的多层结构的最下层为金，最上层为二氧化硅，二氧化钒层位于中红外调制器的中部，二氧化钒层的上侧设有钛金属层。通过触发氧化钒从绝缘态到金属态的相变过程，可以实现在9-26微米宽波段范围内与真空阻抗的匹配和失配，从而达到反射模式的调制效果。
优选的，中红外调制器的多层结构从下至上依次为金、二氧化硅、二氧化钒、钛金属、二氧化硅。
优选的，中红外调制器的各层结构的厚度从下至上依次为金100-195nm、二氧化硅1.1-1.9μm、二氧化钒0.28-0.55μm、钛金属5.5-10.5nm、二氧化硅1.8-3.4μm。
进一步优选的，中红外调制器的各层结构的厚度从下至上依次为金150nm、二氧化硅1.5μm、二氧化钒0.4μm、钛金属8nm、二氧化硅2.2μm。
进一步优选的，中红外调制器的各层结构的厚度从下至上依次为金100nm、二氧化硅1.1μm、二氧化钒0.55μm、钛金属5.5nm、二氧化硅1.8μm。
进一步优选的，中红外调制器的各层结构的厚度从下至上依次为金195nm、二氧化硅1.9μm、二氧化钒0.28μm、钛金属10.5nm、二氧化硅3.4μm。
进一步优选的，中红外调制器的各层结构的厚度从下至上依次为金135nm、二氧化硅1.65μm、二氧化钒0.45μm、钛金属6.5nm、二氧化硅2.8μm。
本发明的宽带中红外调制原理是基于阻抗匹配的机理，如图3所示。当氧化钒处于相变前的绝缘态时，调制器多层结构的阻抗(包括实部和虚部)与真空近似相等(匹配)时，调制器呈现高吸收特性，而当氧化钒处于相变后的金属态时，调制器多层结构的阻抗与真空偏离很大，呈现出高反射特性。通过触发氧化钒从绝缘态到金属态的相变过程，可以实现在9-26微米宽波段的阻抗匹配和失配，从而达到反射模式的调制效果。
本发明的优点和有益效果在于：
宽带的中红外调制器，该中红外调制器的带宽达到中心波长的94％；该中红外调制器的结构为层状结构，制作简单、成本低，层状薄膜结构无需图案化印刷技术，因此可简化制作工艺、降低成本。
附图说明
图1是背景技术中石墨烯-金属复合天线调制器结构示意图。
图2是背景技术中调制器的调制性能图。
图3是本发明宽带的中红外调制器基于阻抗匹配的工作原理。
图4是本发明宽带的中红外调制器的一种实施方式的结构示意图。
图5是本发明实施例1的中红外调制器的振幅调制特性图。
图6是本发明实施例1的中红外调制器的相位调制特性图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例1
本实施例的中红外调制器的结构如图4所示：一种宽带的中红外调制器，所述中红外调制器为多层结构，中红外调制器以二氧化钒为温控相变材料；中红外调制器的多层结构从下至上依次为金、二氧化硅、二氧化钒、钛金属、二氧化硅。中红外调制器的各层结构的厚度从下至上依次为金150nm、二氧化硅1.5μm、二氧化钒0.4μm、钛金属8nm、二氧化硅2.2μm。
将本实施例中的中红外调制器进行性能测试，图5和图6分别给出该中红外调制器的振幅和相位调制特性，该反射模式下的调制特性由傅里叶变换红外摄谱仪测得。二氧化钒具有从单斜金红石到四方金红石结构相变特性，该过程可在很短的皮秒(ps)量级时间内由热、光或者电激励方式触发，其相应光学折射率发生从绝缘体特性到金属特性的变化，该相变特性构成了本发明宽带调制器的工作物理机制。二氧化钒通常的相变温度为68℃，在相变温度以下为绝缘态，而在相变温度以上为金属态。图5和图6是所发明调制器在温度分别为20℃(二氧化钒相变前)和75℃(二氧化钒相变后)条件下的反射特性。调制器的样品大小为1cm×1cm。测试过程中涵盖波长8-26微米的黑体光源经过镀金镜面的反射信号为背景信号，而经过调制器样品的反射信号为实际信号，实际信号除以背景信号即得到反射率特性。可以看到在二氧化钒通过温度或者电场控制从绝缘态到金属态相变前后，在波长9-26微米范围内实现了调制深度大于80％的振幅调制，最大相位调制达到307度，中心波长为17μm，带宽为中心波长的94％。同时，该中红外调制器的结构为层状结构，制作简单、成本低，层状薄膜结构无需图案化印刷技术，因此可简化制作工艺、降低成本。具有极佳的技术效果。
实施例2
在实施例1的基础上，本发明优选的实施例是，中红外调制器的各层结构的厚度从下至上依次为金100nm、二氧化硅1.1μm、二氧化钒0.55μm、钛金属5.5nm、二氧化硅1.8μm。其余结构与实施例1完全相同。
实施例3
在实施例1的基础上，本发明较佳的实施例还包括，中红外调制器的各层结构的厚度从下至上依次为金195nm、二氧化硅1.9μm、二氧化钒0.28μm、钛金属10.5nm、二氧化硅3.4μm。其余结构与实施例1完全相同。
实施例4
在实施例1的基础上，本发明较佳的实施例还包括，中红外调制器的各层结构的厚度从下至上依次为金135nm、二氧化硅1.65μm、二氧化钒0.45μm、钛金属6.5nm、二氧化硅2.8μm。其余结构与实施例1完全相同。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种宽带的中红外调制器，其特征在于，所述中红外调制器为多层结构，中红外调制器以二氧化钒为温控相变材料；所述中红外调制器的多层结构的最下层为金，最上层为二氧化硅，二氧化钒层位于中红外调制器的中部，二氧化钒层的上侧设有钛金属层；
中红外调制器的多层结构从下至上依次为金、二氧化硅、二氧化钒、钛金属、二氧化硅；
中红外调制器的各层结构的厚度从下至上依次为金150nm、二氧化硅1.5μm、二氧化钒0.4μm、钛金属8nm、二氧化硅2.2μm；
调制器的样品大小为1cm×1cm。
2.一种宽带的中红外调制器，其特征在于，所述中红外调制器为多层结构，中红外调制器以二氧化钒为温控相变材料；所述中红外调制器的多层结构的最下层为金，最上层为二氧化硅，二氧化钒层位于中红外调制器的中部，二氧化钒层的上侧设有钛金属层；
中红外调制器的多层结构从下至上依次为金、二氧化硅、二氧化钒、钛金属、二氧化硅；
中红外调制器的各层结构的厚度从下至上依次为金100nm、二氧化硅1.1μm、二氧化钒0.55μm、钛金属5.5nm、二氧化硅1.8μm；
调制器的样品大小为1cm×1cm。
3.一种宽带的中红外调制器，其特征在于，所述中红外调制器为多层结构，中红外调制器以二氧化钒为温控相变材料；所述中红外调制器的多层结构的最下层为金，最上层为二氧化硅，二氧化钒层位于中红外调制器的中部，二氧化钒层的上侧设有钛金属层；
中红外调制器的多层结构从下至上依次为金、二氧化硅、二氧化钒、钛金属、二氧化硅；
中红外调制器的各层结构的厚度从下至上依次为金195nm、二氧化硅1.9μm、二氧化钒0.28μm、钛金属10.5nm、二氧化硅3.4μm；
调制器的样品大小为1cmx1cm。
4.一种宽带的中红外调制器，其特征在于，所述中红外调制器为多层结构，中红外调制器以二氧化钒为温控相变材料；所述中红外调制器的多层结构的最下层为金，最上层为二氧化硅，二氧化钒层位于中红外调制器的中部，二氧化钒层的上侧设有钛金属层；
中红外调制器的多层结构从下至上依次为金、二氧化硅、二氧化钒、钛金属、二氧化硅；
中红外调制器的各层结构的厚度从下至上依次为金135nm、二氧化硅1.65μm、二氧化钒0.45μm、钛金属6.5nm、二氧化硅2.8μm；
调制器的样品大小为1cm×1cm。
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