CN106646680A - 基于复合结构的单向导波器件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微纳光学器件领域，提供了一种基于复合结构的单向导波器件，实现光波的非对称传输。它包括基底以及基底上周期性排布的复合结构；所述复合结构包括介质柱和金属盘，所述金属盘位于所述介质柱的上方；所述金属盘用于使电磁波产生离子体共振或者声子共振。本发明适用于集成光子器件，通过调整符合结果的排列周期，可以在很宽的波带范围内具有很好的单向导通效果。

Description

基于复合结构的单向导波器件

技术领域

本发明涉及微纳光学器件领域，尤其涉及基于复合结构的单向导波器件。

背景技术

单向导波器件是一种用于电磁波单向传输的互易性光学器件，其在通讯、光电集成，光传输等领域具有重要的应用前景。利用磁致旋光效应和晶体的双折射效应是两种经典的实现基于复合结构的单向导波器件的两个基本原理。然而受限于自然界中磁致旋光材料和双折射介质的性能，通过这两种经典原理制作的基于复合结构的单向导波器件尺寸较大，单向导通的性能和波带范围也非常有限，极大限制了其在目前光集成器件等方向的应用。人工结构材料是最近发展起来的一种基于人工电磁结构单元的电磁特异性材料，通过控制电磁单元的形貌、尺寸以及单元的排列方式，能够有效实现对器件的电磁性能的操控。通过这种方式，科学家已经实现了负折射率超材料、隐身斗篷、超全息等通过自然介质无法实现了一些特殊材料和器件。非互易性电磁器件是人工结构材料研究领域中非常重要的研究方向之一，目前已经发展出两类最具特色的实用型非互易性电磁器件：一类是基于光子晶体的非互易性电磁器件。其适用于任意线性偏振光的单向传输；另外一类是基于手性超材料的费互易性电磁器件。其适用于圆偏振光的单向传输。这些基于人工电磁材料的单向波导器件具有体积小、易于集成化等等优点，然而在单向传输的性能上面却存在很多缺点。

现有技术的技术方案有：

(1)光隔离器：又称光单向器，是一种光非互易传输的光纤无源器件。其利用磁光材料对光偏振态调整的非互易性实现光信号的正向传输，同时抑制反向光，即具有不可逆性。根据光隔离器的偏振特性可将隔离器分为偏振相关型和偏振无关型。

(2)光子晶体：光子晶体是一种某些性质周期性变化的人造纳米结构材料，通常这种材料的电容率(也称介电常数)呈周期性变化，可以产生“光子带隙”从而使光的传播变得可控。光子晶体的实现也是通过有目的的掺杂，使晶体具备控制光传播的能力。光子带隙：指某一频率范围的波不能在此周期性结构中传播，即这种结构本身存在“禁带”。由于光子晶体禁带的存在，在其中的光波只能被限制在线缺陷内进行传输。而对磁光光子晶体构成的单向波导，由于它的表面模式具有单向传播的特性，其构成的波导即所谓的单向波导。

(3)非对称传输：三维手性材料显示出圆双折射和圆二向色性，而平面各向异性手性材料显示出圆转换二向色性。对于三维手性材料，圆双折射特性将旋转入射电磁波的偏振态，圆二向色性导致右旋、左旋圆偏振光不同的透射率，这两种现象都与光的传播方向无关。对于二维手性材料，圆转换二向色性导致右旋、左旋圆偏振光之间不同的圆转换效率，当光反向通过二维手性材料时，圆转换效率倒置，因此相同旋性的偏振光正反2个方向通过二维手性材料时透过率不同，导致非对称传输。

现有技术的缺点：

(1)、传统器件结构复杂、体积大，无法实现器件的小型化，以及用于现代的集成光子器件当中；

(2)、传统器件的加工工艺流程繁琐、加工成本昂贵；

(3)、传统的由人工电磁结构加工而成的器件的工作波段很窄，不适用宽波带的需求，同时正反向透射率的比值比较小；

(4)、传统的基于磁致旋光效应的器件，对入射电磁波的偏振态非常敏感。在非理想偏振光的照射下，器件的能量利用效率很低；

(5)、传统的基于复合结构的单向导波器件的应用范围很窄，比如，无法适用于波导、太阳能电池等需要对电磁波进行高效耦合输入的器件当中。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种基于复合结构的单向导波器件，实现光波的非对称传输。

为解决上述问题，本发明采用的技术方案是：基于复合结构的单向导波器件，包括基底以及基底上周期性排布的复合结构；所述复合结构包括介质柱和金属盘，所述金属盘位于所述介质柱的上方；所述金属盘用于使电磁波产生离子体共振或者声子共振。

周期性排布的复合结构会形成光子晶体，可以有选择的使某个波段的光通过，同时，由于金属盘能使电磁波产生离子体共振或者声子共振，会在金属界面附近产生SPP(表面等离激元极化)，对电磁波的传输产生影响，出现对入射电磁波的强烈吸收或者由SPP散射而达到高增透，由于金属盘两侧的介质折射率不同，同一波长下激发SPP的条件也不同，进而可以实现电磁波单向导通的功能。由于金属盘间距离会影响SPP的传播，因而减小排列周期或者增大复合结构的体积会增加SPP的传播距离，进而产生更强的吸收或者增透，而当金属盘周期较大时，由于复合结构距离较远，SPP无法通过电磁场作用向周围传播，会产生局域SPP，即LSPR，这也会对入射电磁波产生强吸收或者高增透。

进一步的，所述复合结构为金字塔结构，即上大下小的结构。

进一步的，所述复合结构的横截面的形状为圆形、椭圆形、多边形、L形、卍形中的任意一种。

进一步的，所述金属盘的材质为金、银、铝中的任意一种。

进一步的，所述基底和/或介质柱的材质为：介质材料、金属材料、声子材料、磁性材料中的一种或者多种组合。

本发明的有益效果是：本发明提供的器件体积小，易于小型化，可用于集成光子器件当中；通过调整复合结构的排列周期，本发明提供的器件可以在很宽的波带范围内具有很好的单向导通效果；本发明的结构可以采用可塑性很高的有机材料，结构纳米压印技术进行加工，因此其加工成本低廉、加工效率极高。

附图说明

图1是棱台的空间图

图2是棱台的剖面图；

图3是棱台排列的俯视图；

图4是实施例正向和反向的入射率图。

图中编号：1为基底，2为复合结构，21为介质柱，22为金属盘，a为一个周期内复合结构的排布，T为周期值，T1为正向入射率曲线，T2为背入射率曲线。

具体实施方式

以下通过实施例对本发明做进一步的描述。

实施例是利用人工微结构在电磁波调控方面的巨大优势，通过采用介质柱和金属盘的复合纳米结构阵列实现对电磁波的高效调控。如图1、2所示，实施例中介质柱和金属盘的尺寸参数分别为dx＝dy＝360nm，dz＝480nm，dzz＝80nm，介质柱和基底的折射率为1.59，金属盘上方的空间介质为空气，空气的折射率取为1。如图3所示，将复合结构按周期值T＝600nm进行排列，经过多种波段的电磁波实验测试，结果如图4所示：实施例在整个可见光范围内具有很好的单向传输性能，最大的正向透射率可以达到90％以上，最小的反向透射率可以达到10％以；同时，因实施例的周期值T＝600nm，因此在600nm左右的波段其非对称传输的效率(即正向入射率/背入射率)最大。

实施例中复合结构为上下横截面大小相同的立柱结构，实际上复合结构还可以是上下横截面大小不同的结构，如图3所示的金字塔结构。当复合结构程为金字塔结构时，经过试验发现，如果介质柱的折射率很大(一般2.59以上)，其单向性会显著提高，电磁波的正向透射率可达到99.5％以上，反向透射率小于0.025％。但是由于介质柱折射率太大，如果基底与介质柱折射率差异过大，则容易在介质柱内部产生F-P腔；如果基底与介质柱折射率相等，基底与基底下方的空间介质的折射率差异过大，则容易在基底内部产生F-P腔。一旦产生F-P腔，光线将会被限制在介质柱或者基底内部内，导致光线无法出来，则本领域技术人员需要添加其他措施消除F-P腔的产生的条件，可能会增加技术难度和成本。因此这是一个双刃剑，我们可以根据需要，选择是否将复合结构设置为金字塔结构。

实施例介质柱和金属盘的横截面的形状为正方形。实际上，柱子和金属盘的横截面的形状可以是任意形状，比如圆形、椭圆形、L型、卍型等等；当将图中的截面为圆形的柱子，改变为截面为L型、卍型等手性形状时，此种单向导波器件还同时具备手性效应，即具有单向传输性能的超手性器件，其将在电磁波偏振态调控等相关领域中取得重要的应用前景。

实施例给出的介质柱和基底所采用的材料的折射率为1.59，圆盘所采用的的材料为金。实际上，柱子和基底可以为任意的介质材料，柱子和基底的材料也可以不相同，基底和/或介质柱的材质为：介质材料、金属材料、声子材料、磁性材料中的一种或者多种组合。圆盘的材料可以是金，也可以是银、铝等可以提供等离子体共振或者声子共振的材料即可。

实施例是放在空气或者真空当中，即棱锥周围的折射率为1。实际上，此种结构也可以放在其它任意介质当中，适当调整复合结构的排列周期，以及金属盘厚度、介质柱的折射率等参数即可。

值得说明的是，本发明的一个重要特点是光线器件采用二维光栅结构，很容易加工成人工微结构，如实施例在可见光波段的高度只有920nm左右微结构，器件的体积非常小，可以用于集成光子器件当中；并且，很小的体积还可以减少器件的加工用料，降低器件的加工成本。

当复合结构的横截面为圆或者正多边形时，纳米结构的棱台具有四重对称性，因此本发明的光学器件对电磁波的偏振态不敏感，可适用于任意偏振态的电磁波；本发明的光学器件可以采用可塑性很高的有机材料，结构纳米压印技术进行加工，因此其加工成本低廉、加工效率极高。

需要指出的是，上面所述只是说明本发明的一些原理，由于对相同技术领域的普通技术人员来说是很容易在此基础上进行若干修改和改动的。因此，本说明书并非是要将本发明局限在所示和所述的具体结构和适用范围内，故凡是所有可能被利用的相应修改以及等同物，均属于本发明所申请的专利范围。

Claims (5)

1.基于复合结构的单向导波器件，其特征在于，包括基底以及基底上周期性排布的复合结构；所述复合结构包括介质柱和金属盘，所述金属盘位于所述介质柱的上方；

所述金属盘用于使电磁波产生离子体共振或者声子共振。

2.如权利要求1所述的基于复合结构的单向导波器件，其特征在于，所述复合结构为金字塔结构。

3.如权利要求1所述的基于复合结构的单向导波器件，其特征在于，所述复合结构的横截面的形状为圆形、椭圆形、多边形、L形、卍形中的任意一种。

4.如权利要求1所述的基于复合结构的单向导波器件，其特征在于，所述金属盘的材质为金、银、铝中的任意一种。

5.如权利要求1所述的基于复合结构的单向导波器件，其特征在于，所述基底和/或介质柱的材质为：介质材料、金属材料、声子材料、磁性材料中的一种或者多种组合。