CN106772754A - 双层介质‑金属光栅结构的太赫兹波偏振转换与单向传输器件 - Google Patents

双层介质‑金属光栅结构的太赫兹波偏振转换与单向传输器件 Download PDF

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Abstract

本发明公开了双层介质‑金属光栅结构的太赫兹波偏振转换与单向传输器件。本发明所述器件包括：金属光栅层、介质衬底层、介质光栅层，金属光栅和介质光栅分别位于介质衬底两侧。其中，介质光栅层由衬底材料刻蚀，介质栅脊取向相对于金属栅脊取向夹角为45°，金属光栅和介质光栅均为亚波长光栅，它们的光栅周期均小于入射光波长。该器件结合金属光栅层的偏光特性与介质光栅层的人工双折射特性，可实现大于95％的偏振转换率，也可实现大于30dB的单向传输隔离度。由于金属光栅层和介质光栅层之间的模式耦合效应，相比于分立元件，该器件显著地提高了出射光透过率和工作带宽。该器件适用于太赫兹波的偏振转换和单向传输。

Description

双层介质-金属光栅结构的太赫兹波偏振转换与单向传输 器件
技术领域
本发明属于太赫兹应用技术领域，具体涉及一种双层介质-金属光栅结构的太赫兹波偏振转换与单向传输器件。
背景技术
太赫兹波是指振荡频率在1012Hz(1THz＝1012Hz)左右的电磁波，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。太赫兹波技术主要涉及太赫兹波辐射源、探测器、传输、功能器件及太赫兹波相关应用的研究，其中太赫兹功能器件涉及滤波、调制、相移、偏振转换等器件。偏振转换元件是将入射光的偏振态在通过器件后变为另一种偏振态的器件，在光谱检测与传感、偏振成像、偏振光通信等领域有着重要的应用。性能优良的常规偏振转换元件应可以将线偏振光转过90°，并具有偏振转换率高、损耗小、宽带工作的特点。用于偏振转换的常规方法取决于天然双折射材料的性质[J.Infrared Millim.Te.34，663-681(2013)]，这种方法需要沿着晶体的两个正交光轴的刚好具有π的相位差。由于低双折射，大损耗，体积庞大和高价格，这些天然双折射晶体材料在太赫兹波段的应用非常有限。同时，因为相位延迟取决于波长，由双折射材料制成的标准双折射波片只能在很窄波段使用[Opt.Lett.31，265-267(2006)]。近年来，新型人工电磁微结构器件的兴起为太赫兹偏振转化器件的发展提供了新的思路，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[Science：305，847-848(2004)]引入人工双折射，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偏振转换器。然而，现有的人工电磁微结构太赫兹偏振转换器多是由以上两层的金属微结构组成的超表面构成，多采用反射式结构才能获得高的反射率和偏振转换率。少数采用透射式结构的器件[Science，340，1304(2013)]，由于多层金属结构的存在，严重的阻抗适配带来很高的损耗，器件透过率低、偏振转换率不高、工作带宽窄，同时多层金属结构的设计方案给器件的加工带来很大难度，也增加了制造成本，限制了这类器件的发展和应用。
另一方面，太赫兹通信、光谱和成像等应用系统中要求高性能的单向传输器件，即光从器件一端可以透过，而不能从另一端返回，从而起到保护光源、减低传输噪声、提高阻抗匹配的作用。实现单向传输通常需要在器件中引入磁光材料实现光的非互易传输才能实现[Science，335，447-450(2012)]。由于在太赫兹波段具有磁光响应的非互易材料十分有限，太赫兹单向传输器件在过去鲜有报道，直到最近，一些太赫兹波非互易传输机制和器件的研究才有初步进展。Fan等提出了基于铁氧体旋磁材料的太赫兹光子晶体可调谐环形器[Opt.Commun.285，3763-3769(2012)]，尽管该环形器的隔离度高达65dB，但此类器件需要在很大的外磁场(大于7T，1特斯拉＝104高斯)下工作，且工作频率低、带宽窄。Shalaby等利用SrFe12O19永磁材料首次在实验上演示了太赫兹法拉第隔离器的单向传输功能，其缺点是该磁光材料对太赫兹波的吸收较强，导致器件插入损耗大于5dB[Nature Commun.，4，1558(2013)]。因此，现有太赫兹磁光隔离器存在外加磁场大，器件磁滞损耗和插入损耗大，难以加工等缺点，使得太赫兹隔离器的研制遇到很大的瓶颈。另一种实现单向传播的方法是采用空间非对称结构依赖衍射和偏振效应实现非对称传输。利用非对称光子晶体、双层非对称金属光栅[Opt.Lett.，38，839-841(2013)]以及手性超材料[Phys.Rev.A，88，023823(2013)]等非对称人工电磁微结构，可以实现太赫兹波的非对称传输，即同一偏振态的太赫兹波沿正反向入射器件其透过率是不同的，这些器件不包含磁光效应或非线性效应，却具有的单向传输功能。然而这些器件尽管可以实现超过20dB的单向传输隔离度，但是由于依赖器件高阶衍射效应，导致正向传输透过率很低，工作带宽也很窄，影响了器件的实用性。
综上所述，一方面太赫兹应用系统的发展对高性能太赫兹偏振转换和单向传输器件的研制有着迫切的需求，另一方面目前报道的太赫兹偏振转换和单向传输器件在偏振转换率、隔离度、插入损耗、工作带宽等方面还无法满足应用系统的实际需求，急需发展无需外加磁场、高偏振转换率、高隔离度、低损耗、易加工的太赫兹偏振转换和单向传输器件。
发明内容
本发明的目的在于提供一种双层介质-金属光栅结构的太赫兹波偏振转换与单向传输器件，解决背景技术中太赫兹偏振转换元件的工作带宽小、透过率低等关键技术问题，同时该器件还具有高隔离度和宽带太赫兹波单向传输的功能。
本发明的技术方案为：包括介质光栅层(1)、介质衬底层(2)、金属光栅层(3)，介质光栅层(1)和金属光栅层(3)分别位于介质衬底层(2)两侧，介质光栅层(1)为所述器件的正面，金属光栅层(3)为反面，介质光栅层(1)是在介质衬底层(2)上刻蚀获得的周期性排列的栅脊(4)和栅槽(5)组成的浮雕型光栅结构，金属光栅层(3)是由在介质衬底层(2)另一侧镀上周期性间隔排列的金属栅条(6)组成金属线栅，其中，介质光栅层(1)的介质栅脊取向相对于金属光栅层(3)的金属栅条(6)取向夹角为45°。该器件结合金属光栅具有高偏振度的偏光特性与介质光栅层的人工高双折射特性，介质光栅起到半波片的偏振转换功能，得到偏振光转过90°，而金属光栅起到检偏器的功能，只有转过90°的偏振分量才能透过金属光栅，其余分量被反射。将金属光栅和介质光栅间的衬底层厚度设计为亚波长尺度，被金属光栅反射的其他分量的光在金属光栅层和介质光栅层之间形成局域共振，反射光每次经过介质光栅总有一部分光被旋转到90°偏振分量又可被金属光栅输出，剩余继续被反射，光在金属光栅和介质光栅组成的光腔中多次 反射，高效地输出了90°偏振分量。即使那些在介质光栅中不满足π相位差的入射光波长，依然可以经历多次相互作用后部分被金属光栅输出，从而将理论上窄带半波片只有一个频率点严格90°偏振旋转改善为在宽带范围内均能实现90°偏振变换。同一偏振态的线偏光从反面入射金属光栅时，恰好同样因为金属光栅的偏光特性完全不能透过该器件，从而又实现了单向传输功能。
双层介质-金属光栅结构的太赫兹波偏振转换与单向传输器件的工作方法是：入射线偏振光(7)的偏振方向应与介质光栅脊(4)成45°角，同时与金属光栅条(6)成0°，当入射光从所述器件正面入射介质光栅层(1)，可以通过器件，出射光仍为线偏振光，偏振态转过90°，实现偏振转换功能；当偏振方向与金属光栅条(6)成0°的入射光从所述器件反面入射金属光栅层(3)，不能透过器件。由于该方向的线偏振光正向能透过、反向不能透过该器件，可以实现单向传输功能。
本发明的有益效果和优点是：
1.该器件巧妙地结合了金属光栅的偏光特性与介质光栅的人工高双折射特性，并将两个光栅设计为45°夹角，实现了偏振转换功能，相比于其他偏振转换器，该器件输出光是完全的90°旋转的线偏振光，而没有任何其他偏振分量；
2.同一偏振态的线偏光从反面入射金属光栅时，恰好同样因为金属光栅的偏光特性不能透过该器件，从而又实现了单向传输功能，将偏振转换和单向传输功能集成到一个器件上，克服了传统偏振调控元件功能单一缺点；
3.合理设计器件几何结构参数，实现了太赫兹波段金属光栅层和介质光栅层之间的局域共振效应，正是这一工作机理的作用，相比于其他太赫兹偏振转换器件和单向传输器件，该器件显著地提高了透过率(＞90％)，拓宽了工作带宽(＞1.0THz)获得大于95％的偏振转换率和达到30dB的单向传输隔离度；
4.本发明提出的双层介质-金属光栅结构简单，在一片介质两侧分别做出两种光栅结构即可，制备工艺流程简单可靠，材料成本低廉，适合大规模的低成本制作。
附图说明
图1(a)是双层介质-金属光栅结构的太赫兹波偏振转换与单向传输器件的三维结构示意图；
图1(b)是该器件中介质光栅层的光学显微镜照片；
图1(c)是该器件中金属光栅层的光学显微镜照片；
图2是该器件中金属光栅层偏光特性实验测试谱线；
图3(a)是该器件中介质光栅层双折射特性曲线；
图3(b)是介质光栅层正交偏振态位相差实验测试曲线；
图4是双层介质-金属光栅结构的太赫兹波偏振转换与单向传输器件的工作原理图；
图5(a)是双层介质-金属光栅结构的太赫兹波偏振转换与单向传输器件在不同入射方向和偏振角度条件下的太赫兹振幅透射实验测试谱线；
图5(b)是该器件的单向隔离度谱线；
图6是该器件在0.65THz和1.4THz两频率点太赫兹波沿正面入射时偏振态变化及电场分布示意；
图中：介质光栅层1、介质衬底层2、金属光栅层3、介质光栅层栅脊4、介质光栅层栅槽5、金属栅条6、入射线偏振光7。
具体实施方式
以下参照附图对本发明所涉及的双层介质-金属光栅结构的太赫兹波偏振转换与单向传输器件做详细阐述。
图1是本发明涉及的双层介质-金属光栅结构的太赫兹波偏振转换与单向传输器件在实施例中的结构示意图，结构如下。在厚度为500μm的高阻硅晶圆上一侧刻蚀出周期50μm、栅脊宽度30μm、栅槽深度200μm的介质光栅层，高阻硅的电阻率大于10KΩ·cm。在衬底另一侧镀上周期20μm、金属栅条宽度14μm的金属光栅层，金属材料为金，金层厚度200nm。介质光栅层、衬底层、金属光栅层依次层叠，由正面观察时，金属光栅层的栅脊取向相对于介质光栅层的栅脊取向顺时针45°。
该器件的基本工作原理如下：首先，单独分析金属光栅和介质光栅在该器件中起到的基本功能。亚波长金属线光栅对电磁波具有极好的偏振选择特性，可以几乎100％透过TM波而完全反射TE波。这里给出了与该器件结构相同的单一金属光栅(无介质光栅结构)在高阻硅衬底上的测试结果，如图2所示，0°偏振的透过率仅为2％，而90°偏振的透过率为70％，故单个金属光栅在实验测试的整个THz波段具有宽带的、高偏振度的偏光特性，只有偏振态与金属光栅层栅脊取向正交的光能够透过金属光栅。90°偏振的70％透过率，而不是理想的100％透过率是由于衬底n＝3.4的高折射率硅材料引起的反射带来的损耗。
由于介质光栅层沿着栅脊和垂直于栅脊取向的空间对称性被破坏，形成两个不同的偏振模式TE和TM模，如图3(a)所示，两种不同偏振模式的有效折射率不同，这表明介质光栅层 就具有双折射效应，双折射率为两种偏振模式的折射率差为0.4。如此大的双折射率保证了两个模式传播亚波长量级距离后具有充分的位相差，发生偏振态的变换。如图3(b)所示，在0.72THz处，两个模式的位相差达到180°，即π，这表明在0.72THz处，太赫兹波通过介质光栅层时，就会产生偏振转换；此时介质光栅层的作用可以理解为半波片，当一束线偏光的偏振方向与介质光栅栅脊呈45°夹角入射时，在0.72THz附近的光的出射偏振态将转过90°，成为与入射光偏振态正交的线偏光，远离0.72THz的出射光成为椭圆偏振光。以上分析表明经过偏振转换之后的太赫兹波，不同频率会有不同的偏振转换率。
如图4所示，金属光栅与介质光栅呈45°夹角集成到一个衬底层两侧时构成了该器件，而当入射线偏振光的偏振方向与介质光栅脊成45°角，同时与金属光栅条成0°，正面入射介质光栅层时，介质光栅起到半波片的偏振转换功能，得到偏振光转过90°，而金属光栅起到检偏器的功能，只有转过90°的偏振分量才能透过金属光栅，其余分量被反射。这样就得到了出射光是严格转过90°的线偏振光，实现了偏振转换的功能。
由于衬底层厚度设计为亚波长量级，被金属光栅层反射的其他分量的光在金属光栅层和介质光栅层之间形成局域共振，如图6所示，该器件在0.65THz频率点处，通过介质光栅层时实现了偏振态的旋转，并产生沿着传输方向的Ez分量，转过90°的分量被金属光栅输出，而剩余分量被反射，在介质-金属光栅间形成局域共振，光在金属光栅和介质光栅中往复，特别是Ez分量完全被束缚在介质光栅中和金属光栅表面；反射光每次经过介质光栅总有一部分光被旋转到90°偏振分量又可被金属光栅输出，剩余继续被反射，光在金属光栅和介质光栅组成的光腔中多次反射，高效地输出了90°偏振分量。即使那些在介质光栅中不满足π相位差的入射光波长，依然可以经历多次相互作用后部分被金属光栅输出，从而将理论上窄带半波片只有一个频率点严格90°偏振旋转改善为在宽带范围内均能实现90°偏振变换。然而由于1.4THz处两种偏振模式的位相差与π差值过大，导致该处偏振转换率很低。如图5(a)所示，沿正面入射的、偏振态与金属栅条取向为0°的太赫兹波在0.2-1.25THz范围内均能实现偏振变换输出，可用带宽大于1.0THz，且在0.6-0.9THz波段内，偏振转化率和透过率超过90％。
如图4所示，偏振态与金属栅条取向为0°的线偏光从反面入射金属光栅时，由于没有先经过介质光栅进行偏振变换，恰好因为金属光栅的偏光特性完全不能透过该器件，从而又实现了单向传输功能。如图5(a)所示，沿反面入射的、偏振态与金属栅条取向为0°的太赫兹波在0.2-1.4THz范围内透过率不超过2％。如图5(b)所示，该器件在0.2-1.25THz的宽谱范围内隔离度接近30dB，且在1.2THz附近隔离度大于30dB。
下面举例介绍器件工作方法：如图4所示，入射线偏振光(7)的偏振方向应与介质光栅脊(4)成45°角，同时与金属光栅条(6)成0°，当入射光从所述器件正面入射介质光栅层(1)，可以通过器件，透过率超过90％，出射光仍为线偏振光，偏振态转过90°，实现偏振转换功能，偏振转换率大于95％；如图4所示，当偏振方向与金属光栅条(6)成0°的入射光从所述器件反面入射金属光栅层(3)，透过率小于2％，实现单向传输功能，单向传输隔离度大于30dB。

Claims (7)

1.一种双层介质-金属光栅结构的太赫兹波偏振转换与单向传输器件，其特征在于，所述器件包括介质光栅层(1)、介质衬底层(2)、金属光栅层(3)，介质光栅层(1)和金属光栅层(3)分别位于介质衬底层(2)两侧，介质光栅层(1)为所述器件的正面，金属光栅层(3)为反面。
2.根据权利要求1所述的双层介质-金属光栅结构的太赫兹波偏振转换与单向传输器件，其特征在于，介质光栅层(1)的介质栅脊(4)取向相对于金属光栅层(3)的金属栅条(6)取向夹角为45°，金属光栅和介质光栅均为亚波长光栅，即它们的光栅周期均小于入射光波长。
3.根据权利要求1所述的双层介质-金属光栅结构的太赫兹波偏振转换与单向传输器件，其特征在于，介质光栅层(1)是在介质衬底层(2)上刻蚀获得的周期性排列的栅脊(4)和栅槽(5)组成的浮雕型光栅结构，一组栅脊和栅槽为一个光栅周期，光栅周期50μm-100μm，栅脊和栅槽宽度比在1∶2到2∶1之间，栅槽深度大于100μm，栅脊侧壁垂直度大于85°。
4.根据权利要求1所述的双层介质-金属光栅结构的太赫兹波偏振转换与单向传输器件，其特征在于，介质衬底层(2)厚度100μm-400μm，是小于入射光波长的亚波长尺度，衬底材料为高电阻率的电介质或半导体。
5.根据权利要求1所述的双层介质-金属光栅结构的太赫兹波偏振转换与单向传输器件，其特征在于，金属光栅层(3)是由在介质衬底层(2)另一侧镀上周期性间隔排列的金属栅条(6)组成金属线栅，金属栅条厚度为100nm-500nm，光栅周期10μm-30μm，金属栅条占光栅周期之比不小于50％，金属栅条的金属材料为金或铜。
6.根据权利要求1至5所述的双层介质-金属光栅结构的太赫兹波偏振转换与单向传输器件，其特征在于，介质光栅层(1)对太赫兹波具有人工双折射特性，起到偏振变换的作用，金属光栅层(3)对太赫兹波起到高偏振度的起偏作用，同时由于介质光栅层(1)于金属光栅层(3)在亚波长的介质衬底层(2)之间发生局域共振和模式耦合效应，获得高偏振转换率和单向传输隔离度以及大的工作带宽。
7.根据权利要求1至6所述的双层介质-金属光栅结构的太赫兹波偏振转换与单向传输器件，其使用方法为，入射线偏振光(7)的偏振方向应与介质光栅脊(4)成45°角，同时与金属光栅条(6)成0°，当入射光从所述器件正面入射介质光栅层(1)，可以通过器件，透过率超过90％，出射光仍为线偏振光，偏振态转过90°，偏振转换率大于95％；当偏振方向与金属光栅条(6)成0°的入射光从所述器件反面入射金属光栅层(3)，透过率小于2％，单向传输隔离度大于30dB。
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