CN105974503B - 基于周期啁啾光栅的太赫兹人工双折射器件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于周期啁啾光栅的太赫兹人工双折射器件。本发明利用在高阻硅片表面刻蚀亚毫米尺度的浮雕光栅结构，形成人工双折射效应，以实现太赫兹波相移和偏振态转换的功能。该器件采用特殊的周期啁啾结构，既保留了光栅的周期性又引入了啁啾结构，与普通周期光栅相比提高了器件的双折射系数和双折射带宽，在太赫兹波段实现了大于0.35的高双折射系数、宽带的双折射平坦和良好的线性相移特性，最大相移系数达到作为1/2波片时偏振转化率超过99％。相比于金属光栅和金属超表面结构，该器件采用全介质材料，大大提高了器件的透过率，是一种低损耗、宽带太赫兹人工高双折射器件，可广泛用于太赫兹波相位和偏振调控。

Description

基于周期啁啾光栅的太赫兹人工双折射器件

技术领域

本发明属于太赫兹科学技术领域，具体涉及一种基于周期啁啾光栅的太赫兹人工双折射器件。

背景技术

太赫兹波是指频率在0.1-10THz(1THz＝10¹²THz，对应的波长为3mm～30μm)范围的电磁波，这一波段介于微波与光波之间，是电子学与光子学的交叉领域。由于其在电磁波谱中所处的特殊位置，太赫兹波具有透视性、安全性、高信噪比等许多优越特性，在光谱、成像和通信等领域具有非常重要的学术和应用价值。这些太赫兹应用系统离不开滤波、调制、相移、偏振转换等太赫兹功能元件的支撑。相位延迟和偏振转换器件在旋光光谱测试、偏振成像、偏振光通信等领域有着极为重要的应用。传统的光学相位延迟和偏振转换器多依赖于天然晶体的光学双折射效应，例如利用石英晶体的双折射效应，将石英沿一定晶向切成特定厚度，可以制成1/4波片，实现从线偏振光到圆偏振光的转变；制成1/2波片，实现两个正交偏振态间的相互转换。

然而由于太赫兹波的波长远大于光波波长，人类目前能够找到的现有晶体材料难以制作出高性能的太赫兹相位延迟器，一是晶体的双折射不足以达到实现特定偏振转换的相位差，二是由于天然晶体的声子吸收对太赫兹波产生强烈的损耗，三是高性能晶体材料十分昂贵。因此，只有通过诸如表面等离子体、超材料、亚波长光栅等人工电磁微结构通过微纳结构设计在太赫兹波段引入人工双折射，才能实现太赫兹波段的高双折射、低损耗器件，从而得到高性能的太赫兹相位延迟器和偏振转换器。

然而目前报道的人工双折射多采用金属表面等离子体结构构成，以结构的空间非对称性获得高的各向异性，然而由于金属对太赫兹波的欧姆损耗，使得器件多为反射式器件，透射式器件的透过率很低【Opt.Lett.37，P1820】；同时器件的加工难度很大，大多只能停留在理论设计阶段【Opt.Lett.38，P513】。还有一些采用全介质浮雕型亚波长光栅结构的器件，可以工作的可见或近红外波段，但由于普通周期性光栅的双折射不够高，器件只能做到1/4波片，很难将相位延迟达到π【Opt.Exp.20，P27966】。因此，急需在全介质太赫兹波人工微结构的基础上开发一种新的器件结构，既克服金属等离子体结构损耗大的缺点，又克服普通亚波长光栅双折射相移不足的劣势，实现易加工、低损耗、高双折射的相位延迟器和偏振转换器。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于周期啁啾光栅的太赫兹人工双折射器件，解决背景技术中太赫兹相位延迟和偏振转换器件双折射系数小、色散大、工作带宽窄、相位延迟呈现非线性效应、损耗高等关键技术问题。

本发明的技术方案为：利用在高阻硅片表面深度刻蚀亚毫米尺度的浮雕光栅结构，在平行和垂直于光栅栅格方向上形成太赫兹波段的人工双折射效应，以实现太赫兹波相移和偏振态转换的功能。光栅采用特殊的周期啁啾结构，即一个光栅周期由多个渐变的光栅常数的栅格组成，若干个这样的啁啾栅格组周期地排列组成一块光栅。与普通亚波长光栅相比，由于引入了啁啾结构，渐变的折射率调制大大提高了器件的双折射系数和双折射带宽。由于将周期性和啁啾特性结合起来，消除了常见亚波长人工电磁微结构的人工谐振效应，提高了器件在工作波段的透过率，同时避免了人工谐振所引起的双折射相移的非线性跳变，使器件具有线性相移特性，从而实现高性能太赫兹相移和偏振转换的器件功能。

基于周期啁啾光栅的太赫兹人工双折射器件包括：高阻硅片基底(1)、硅基底上交替排列的栅脊(2)和栅槽(3)，一对栅脊(2)和栅槽(3)组成一个栅格(4)，由一系列宽度渐变的栅格依次排列组成一个啁啾栅格组(5)，多个相同的啁啾栅格组周期性排列组成太赫兹周期啁啾光栅。该光栅仅采用高阻硅一种介质材料，而没有其他介质或金属材料，结构中的栅脊(2)和栅槽(3)是在高阻硅片基底(1)上采用硅深度刻蚀技术获得的浮雕光栅结构，栅槽(3)深度大于100μm，栅脊(2)侧壁垂直度不大于5°，所有栅脊(2)宽度均相同，一个啁啾栅格组(5)内的栅槽(3)宽度按等差数列依次增大，为使器件工作在太赫兹波段，栅格宽度在数十μm量级，一个啁啾栅格组(5)为mm量级，整个器件光栅幅面不小于1cm×1cm，厚度不超过0.5mm。

基于周期啁啾光栅的太赫兹人工双折射器件的工作方法是：该双折射器件的主光轴沿栅脊(2)方向，副光轴垂直于栅脊(2)方向，使用该器件时，太赫兹波垂直于光栅平面入射器件，当入射光偏振态分别平行于主光轴和副光轴时存在最大相位差，通过旋转光栅主轴与入射太赫兹波偏振态间的夹角，可以实现可控的人工双折射和相位延迟的功能。作为偏振转换器时，该光栅的主光轴方向与入射光的偏振态成45°角，由于该光栅双折射的相位差超过π，且是随频率线性相移，该光栅在低频可实现1/4波片的功能，在高频也可实现1/2波片的功能。

本发明的有益效果是：1.利用高阻硅这种常见低成本半导体晶圆材料，采用半导体刻蚀技术构成亚波长光栅，实现了对出射电磁波在两个正交偏振方向上有效折射率的调控，即人工双折射，制备简单、材料成本低廉、便于批量化、标准化生产，解决在太赫兹波段缺乏高性能天然双折射晶体的问题；2.采用高阻硅一种材料形成全介质光栅，避免金属结构带来的太赫兹波欧姆损耗；3.由于创新性地在光栅的周期性结构中引入啁啾栅格阵列，通过对器件表面电磁场空间的梯度渐变调制，在实现类似普通亚波长浮雕介质光栅高双折射的同时(双折射系数高达0.35)，大大提高了器件的双折射带宽(0.35的双折射带宽达到0.9THz)，并实现了宽带色散平坦和双折射平坦(平坦带宽达到0.4THz)；4.由于将周期性和啁啾特性结合起来，消除了常见亚波长人工电磁微结构的人工谐振效应，提高了器件在工作波段的透过率，同时避免了人工谐振所引起的双折射相移的非线性跳变，器件在1.5THz范围内可以满足良好的线性相移特性；5.由于器件的高双折射，最大相位差高达1.6π，仅用0.5mm的器件厚度就能实现1/4波片和1/2波片，偏振转换率达到99％以上。

本发明的优点是：该太赫兹人工双折射器件可以实现宽带、色散平坦的高双折射效应(在0.6-1.5THz范围内的双折射系数达到0.35，在0.6-1THz范围内实现双折射色散平坦)、厚度薄(器件工作单元厚度仅百微米，实际厚度仅为0.5mm硅片厚度)、低损耗、在小于1.5THz的宽带范围内具有良好的线性相移特性，最大相位差达到1.6π，能实现1/4波片和1/2波片，偏振转换率达到99％以上。仅使用高阻硅一种材料，采用半导体刻蚀工艺加工，材料成本低廉、加工技术成熟、便于批量化、标准化生产，可以大大降低成本。器件设计方法灵活，通过不同的结构可以设计不同工作频率、带宽和双折射大小的器件。可实现大幅面器件，用于太赫兹光谱、成像、无线通信等领域，应用前景广泛。

附图说明

图1(a)是基于周期啁啾光栅的太赫兹人工双折射器件在多个周期内的上视结构图；

图1(b)是基于周期啁啾光栅的太赫兹人工双折射器件在一个周期内的上视结构图；

图1(c)是基于周期啁啾光栅局部放大的侧视图；

图2是周期啁啾光栅性能测试示意图；

图3(a)是周期啁啾光栅在主光轴(Y方向)和副光轴(X方向)上的太赫兹波段折射率；

图3(b)是普通光栅在主光轴(Y方向)和副光轴(X方向)上的太赫兹波段折射率；

图4是周期啁啾光栅和普通光栅在太赫兹波段的双折射相位差；

图5是周期啁啾光栅和普通光栅在太赫兹波段两正交偏振态的偏振转化率；

图中：高阻硅基底1、栅脊2、栅槽3、栅格4、啁啾栅格组5。

具体实施方式

本发明的结构、原理和使用方法做实例说明：

器件的结构如图1所示，在0.5mm厚、10kΩ·cm电阻率的高阻硅片上采用光刻、反应离子束刻蚀工艺制备如图1(a)的浮雕型光栅结构。离子束刻蚀得到交替排列的栅脊和栅槽，如图1(c)所示，栅槽的刻蚀深度为120μm，栅脊侧壁垂直度为2°，所有栅脊宽度均为30μm，一对栅脊和栅槽组成一个栅格，10个宽度渐变的栅格依次排列组成一个啁啾栅格组。如图1(b)所示，一个啁啾栅格组内的栅槽宽度从30μm、40μm、50μm......按等差数列依次增大，一个啁啾栅格组为950μm量级。10个相同的啁啾栅格组周期性排列组成太赫兹周期啁啾光栅，整个器件光栅幅面不小于1cm×1cm。如图2所示，沿着栅脊方向定义为该双折射光栅的主光轴，即图中的Y方向，垂直于栅脊方向定义为副光轴，即图中的X方向。

该器件的工作原理和工作方法如下：

对于一块平面硅片是一个各向同性介质，当在它表面刻蚀产生栅状的脊和槽后，沿着栅脊和垂直于栅脊方向的对称性被破坏，形成两个不同的偏振模式TE和TM模，两个模式具有不同的等效折射率，这样的光栅就具有了人工的双折射效应。对于普通光栅来说，其光栅周期是固定的，这样只有与光栅常数对应的入射波长才能满足光栅的波矢匹配条件，从而在该波长下实现高双折射。本发明的创新之处在于不同于普通的周期性栅格，在一个大的周期下，每个栅格的宽度是渐变的，形成啁啾光栅结构，这使得在一个宽带范围内所有频率的光都能找到满足其波矢匹配条件的栅格，从而实现宽带的高双折射，并且由于梯度渐变的折射率空间调制补偿了频率所带来的色散效应，使得双折射表现出色散平坦特征。如图2所示建立一个偏振光检测的实验系统，太赫兹波正入射光栅表面，光栅前后各放置一个金属栅偏振片，别分起到起偏器和检偏器的作用。首先让它们的偏振方向都沿Y轴，光栅主光轴沿着Y轴时可以用太赫兹时域光谱系统测量光栅在主光轴方向的折射率，转动光栅转过90°，可以测得光栅在副光轴方向的折射率，结果如图3所示。比较两个光栅的结果可以看出，周期啁啾光栅的双折射带宽明显大于普通光栅，在0.6-1.5THz范围内的双折射系数达到0.35，普通光栅仅在0.4THz的窄带范围内有0.3的双折射；周期啁啾光栅在0.6-1THz范围内实现双折射色散平坦，普通光栅不具备这一特征。

由公式可以计算出光栅的双折射相位差，结果如图4所示。对于普通亚波长光栅来说，由于栅格周期性使得满足波矢匹配条件的入射光波在整个光栅表面形成导模共振效应，从而在透射谱中出现谐振谷，在相位谱中出现相位跳变，从而引起强损耗和非线性相移。而周期啁啾光栅的啁啾特性破坏了整个光束的相位匹配条件，使得入射光在很宽的频率范围内不发生明显的亚波长光栅导模共振效应，避免了强的谐振损耗，也实现了线性相移。如图4所示，周期啁啾光栅在小于1.5THz的宽带范围内具有良好的线性相移特性，最大相位差达到1.6π，也就是说器件能实现1/4波片和1/2波片的功能。

下面以该光栅作为1/2波片实现线偏振光的90°偏振旋转为例进行说明。如图2所示，将起偏器和检偏器的偏振方向分别以与Y轴成正、负45°放置，光栅主光轴沿Y轴。当太赫兹波经过起偏器后，入射波与主光轴成45°，经过光栅后由于光栅作为1/2波片提供了π的相位延迟，从而使得器件的偏振态转过90°，刚好可以通过后面-45°的检偏器。由这一方法可以检测该器件作为1/2波片时的偏振转换率，结果如图5所示，周期啁啾光栅的偏振转换率达到99％以上。而普通光栅由于其双折射相移量没有达到π，故其不能实现偏振旋转，只能实现1/4波片的功能。

因此，通过原理分析和实验对比，可以看到本发明基于周期啁啾光栅的太赫兹人工双折射器件实现了宽带、色散平坦的高双折射效应、厚度薄、低损耗、具有良好的线性相移特性，最大相位差达到1.6π，能实现1/4波片和1/2波片，偏振转换率达到99％以上。仅使用高阻硅一种材料，采用半导体刻蚀工艺加工，材料成本低廉、加工技术成熟、便于批量化、标准化生产，可以大大降低成本。器件设计方法灵活，通过不同的结构可以设计不同工作频率、带宽和双折射大小的器件。可实现大幅面器件，用于太赫兹光谱、成像、无线通信等领域，应用前景广泛。

Claims (6)

1.一种基于周期啁啾光栅的太赫兹人工双折射器件，其特征在于包括高阻硅片基底(1)、硅基底上交替排列的栅脊(2)和栅槽(3)，一对栅脊(2)和栅槽(3)组成一个栅格(4)，由不少于5个宽度渐变的栅格依次排列组成一个啁啾栅格组(5)，不少于5个相同的啁啾栅格组周期性排列组成太赫兹周期啁啾光栅。

2.根据权利要求1所述的基于周期啁啾光栅的太赫兹人工双折射器件，其特征在于该光栅结构中的栅脊(2)和栅槽(3)是在高阻硅片基底(1)上采用硅深度刻蚀技术获得的浮雕光栅结构，栅槽(3)深度大于100μm，栅脊(2)侧壁垂直度不大于5°，所有栅脊(2)宽度均相同，一个啁啾栅格组(5)内的栅槽(3)宽度按等差数列依次增大，为使器件工作在太赫兹波段，栅格宽度在数十μm量级。

3.根据权利要求1所述的基于周期啁啾光栅的太赫兹人工双折射器件，其特征在于构成光栅的材料仅采用一种介质材料，即高阻硅，而没有其他介质或金属材料。

4.根据权利要求1所述的基于周期啁啾光栅的太赫兹人工双折射器件，其特征在于该双折射器件的主光轴沿栅脊(2)方向，副光轴垂直于栅脊(2)方向，使用该器件时，太赫兹波垂直于光栅平面入射器件，当入射光偏振态分别平行于主光轴和副光轴时存在最大相位差，其双折射系数大于0.35，大于0.35双折射带宽不小于0.8THz，并具有宽带色散平坦和双折射平坦特性，带宽大于0.4THz。

5.根据权利要求1所述的基于周期啁啾光栅的太赫兹人工双折射器件，其特征在于其在太赫兹波段的作为相移器时，在1.5THz频率范围内为线性相移，最大相移系数不小于π。

6.根据权利要求1所述的基于周期啁啾光栅的太赫兹人工双折射器件，其特征在于作为偏振转换器时，器件主光轴方向与入射光的偏振态成45°角，器件可实现1/4波片功能，将入射线偏振光变换为出射圆偏振光，也可实现1/2波片的功能，将入射线偏振光的偏振方向转过90°，偏振转化率不小于95％。