CN108490540A - 一种频率可调的宽带红外隔离元件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种频率可调的宽带红外隔离元件，属于光学元件技术领域。该隔离元件具有分层结构，从下到上依次为硅衬底、金属光栅、介质膜和石墨烯层，石墨烯层和硅衬底分别与电源的正负极相连接；其中，石墨烯层上开设有“工”字形孔，“工”字形孔与所述金属光栅中的金属条之间的夹角为45°。采用本发明中隔离元件，可有效解决现有光隔离元件成本高、体积大、不易集成以及损耗高、透光率低、工作频段不可调的技术问题。

Description

一种频率可调的宽带红外隔离元件
技术领域
本发明属于光学元件技术领域，具体涉及一种频率可调的宽带红外隔离元件。
背景技术
光隔离元件类似于电路中的二极管，只允许光往一个方向通过，而阻挡相反方向传播的光。光隔离器是光信息处理的关键器件，能有效管理光信号的传播方向，避免光路中的回波对光源或者其他光学部件造成的干扰和损害，在光互联和光电集成器件领域具有重要应用。
常规光隔离元件一般利用磁光晶体的法拉第效应(Faraday Effect)，也就是光通过磁场作用下的旋光材料后，光的偏振方向发生转动。当光正向传播时，旋转后的光偏振方向正好与检偏器方向相同，顺利通过，而当光反向传播时，旋转后的光偏振方向与起偏器方向垂直，被阻挡，构成了光单向传播的隔离功能。该基于法拉第效应的技术需要外部磁体或者磁性材料本身提供磁场，具有成本高、体积大和不易集成的缺点。
近年来出现了一类无需磁场、基于人工结构材料(包括光栅和超材料等)光隔离器技术。基于人工结构材料的光隔离器是基于破坏结构对称性的原理，也即是通过在光传播方向上引入结构非对称性获得光在正反两个方向上不同的透过率，从而获得光单向透射和隔离的性能。该技术具有损耗高、透光率低、工作频段不可调的性能缺陷。
发明内容
针对上述现有技术，本发明提供一种频率可调的宽带红外隔离元件，以解决现有光隔离元件成本高、体积大、不易集成以及损耗高、透光率低、工作频段不可调的技术问题。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：提供一种频率可调的宽带红外隔离元件，隔离元件从下到上依次为硅衬底、金属光栅、介质膜和石墨烯层，石墨烯层和硅衬底分别与电源的正负极相连接；其中，石墨烯层上开设有“工”字形孔，“工”字形孔与金属光栅中的金属条之间的夹角为45°。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，硅衬底为N掺杂或P掺杂硅片，掺杂浓度为1017～1018cm-3。
进一步，金属光栅的金属条为金、银、铜、铁或铝。
进一步，金属光栅的周期为440nm，金属条的宽度为200nm。
进一步，介质膜为对红外光透明的薄膜。
进一步，介质膜为ZnSe介质膜或CaF2介质膜。
进一步，ZnSe介质膜的厚度(D)为1.85μm。
本发明的有益效果是：
1.本发明隔离元件中的石墨烯层与金属光栅协同作用，光从不同方向射入时，光场共振产生旋光效应，使得该元件无需外加磁场就具有光的偏振旋转性能，对光具有良好的隔离性能；由于不需要外加磁场，因此可去掉磁场发生装置，使隔离器的体积大幅度缩小，降低制造成本。
2.石墨烯层上的“工”字形孔与金属光栅中的金属条之间成45°夹角，该45°角使得正向传播的x方向光偏振经石墨烯转动90°后，刚好与金属条垂直，能顺利透过，而反向传播的x方向光偏振刚好与金属条平行，被阻挡，起到光隔离的效果。如果是其他角度，则光隔离效果变差。另外，石墨烯材料具有良好的静电调控性能，对其施加不同的电压后，可调节隔离元件的工作频率，实现了隔离元件工作频率可调的目的。
3.本发明中硅衬底的掺杂浓度在1017～1018cm-3范围内，不仅导电性能良好，而且不会对光产生吸收，能够使元件保持良好的光透射效率。
4.本发明的隔离元件具有超薄的体积，由于介质膜的存在，可有效增强石墨烯与光的相互作用，从而使石墨烯层对光的偏转效率大幅度提高。而且通过调节电源的电压大小即可调节隔离元件的频率，不仅操作简便，还能够降低光的损耗。
附图说明
图1为本发明隔离元件示意图；
图2为本发明隔离元件周期性单元示意图；
图3为石墨烯层上的“工”字形孔示意图；
图4为光正向传播时光透射矩阵元的平方随频率变化的曲线图；
图5为光反向传播时光透射矩阵元的平方随频率变化的曲线图；
图6为光正反两个方向传播时光透射率随频率变化的曲线图；
图7为不同电压下，光正向传播和反向传播的光透射调谐性能。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的实施例中，如图1～3所示，提供了一种频率可调的宽带红外隔离元件。该元件从下到上依次为硅衬底、金属光栅、介质膜和石墨烯层；石墨烯层和硅衬底分别与电源的正负极相连接；其中，石墨烯层上设置有“工”字形孔，“工”字形孔与金属光栅金属条之间的夹角为45°。其中，“工”字形孔的具体形状如图3所示，各部分的尺寸分别为：L1＝20nm，L2＝245nm，L3＝180nm，L4＝30nm，L5＝L6＝80nm。
本发明的一种优选实施方式为：隔离元件中的硅衬底为采用高掺杂硅制成的掺杂硅片，掺杂硅片可以为N掺杂，还可以为P掺杂硅片，为了使硅片具有良好的导电性能，同时不影响光的透射效率，硅片的掺杂浓度处于1017～1018cm-3范围内。
本发明的再一优选实施方式为：隔离元件中金属光栅的金属条采用导电性能良好的金属制成，如金、银、铜、铁或铝等，而且，本发明将金属条的宽度W设置为200nm，金属光栅的周期P设置为440nm。
本发明的再一优选实施方式为：介质膜为对红外光透明的薄膜。隔离元件中介质膜起到谐振腔的作用，能够有效增强石墨烯与光的相互作用，从而提高石墨烯层对光的偏振转换效率。由于本发明的元件主要是用来隔离红外光，因此，介质膜应当对红外光具有良好的透明效率。
本发明的再一优选实施方式为：介质膜为ZnSe介质膜或CaF2介质膜。
本发明的再一优选实施方式为：介质膜的厚度D为1.85μm。
性能测试
图4和图5分别是光正向传播(从石墨烯端入射)和反向传播(从硅衬底端入射)两种情况下光透射矩阵元的变化情况，可以看出x偏振到y偏振的交叉透射系数与y偏振到x偏振的交叉透射系数不相等，满足非对称透射的条件。图6给出了x偏振光在正反两个方向传播时的光透射率，正向传播时，透射率为16％，而反向传播时，透射率接近于0，完全被挡住，具有光隔离的性能。
图7给出了在石墨烯上施加不同电压时，光在正反两个方向传播时的透射率，可以看出当电压从11V增加到15V时，单向透射的频率从22THz移动到29THz，工作频率的调谐范围为7THz，约为中心频率的15％，具有频率可调的新颖器件功能。

Claims (7)

1.一种频率可调的宽带红外隔离元件，其特征是：所述隔离元件从下到上依次为硅衬底、金属光栅、介质膜和石墨烯层，所述石墨烯层和硅衬底分别与电源的正负极相连接；其中，石墨烯层上开设有“工”字形孔，所述“工”字形孔与所述金属光栅中的金属条之间的夹角为45°。
2.根据权利要求1所述的频率可调的宽带红外隔离元件，其特征是：所述硅衬底为N掺杂或P掺杂硅片，掺杂浓度为1017～1018cm-3。
3.根据权利要求1所述的频率可调的宽带红外隔离元件，其特征是：所述金属光栅中金属条的材质为金、银、铜、铁或铝。
4.根据权利要求1或3所述的频率可调的宽带红外隔离元件，其特征是：所述金属光栅的周期为440nm，金属条的宽度为200nm。
5.根据权利要求1所述的频率可调的宽带红外隔离元件，其特征是：所述介质膜为对红外光透明的薄膜。
6.根据权利要求1或5所述的频率可调的宽带红外隔离元件，其特征是：所述介质膜为ZnSe介质膜或CaF2介质膜。
7.根据权利要求6所述的频率可调的宽带红外隔离元件，其特征是：所述介质膜的厚度为1.85μm。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109375390A (zh) * 2018-12-26 2019-02-22 台州学院 一种基于石墨烯的电光调制器
CN109739044A (zh) * 2019-03-14 2019-05-10 京东方科技集团股份有限公司 彩膜基板及其制备方法、全反射显示面板和显示装置
CN110426783A (zh) * 2019-05-06 2019-11-08 武汉大学 一种基于微纳半波片的多功能超表面

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20150369660A1 (en) * 2013-01-29 2015-12-24 The Trustees Of Columbia University In The City New York System, method and computer-accessible medium for depth of field imaging for three-dimensional sensing utilizing a spatial light modulator microscope arrangement
CN105700201A (zh) * 2016-01-30 2016-06-22 中南林业科技大学 一种基于石墨烯的光滤波器件
CN105929477A (zh) * 2016-06-08 2016-09-07 电子科技大学 宽带可调谐的中红外偏振转换器
CN106450766A (zh) * 2016-12-08 2017-02-22 中国科学院光电技术研究所 一种多功能柔性动态偏振调制器件
US20170088944A1 (en) * 2015-09-24 2017-03-30 U.S.A. Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Method of manufacturing large area graphene and graphene-based photonics devices
CN106772754A (zh) * 2016-12-21 2017-05-31 南开大学 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
CN107589484A (zh) * 2017-08-17 2018-01-16 南京理工大学 一种可调谐太赫兹分束器
CN107885007A (zh) * 2017-11-10 2018-04-06 上海理工大学 一种基于石墨烯和光栅复合结构的太赫兹调制器

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20150369660A1 (en) * 2013-01-29 2015-12-24 The Trustees Of Columbia University In The City New York System, method and computer-accessible medium for depth of field imaging for three-dimensional sensing utilizing a spatial light modulator microscope arrangement
US20170088944A1 (en) * 2015-09-24 2017-03-30 U.S.A. Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Method of manufacturing large area graphene and graphene-based photonics devices
CN105700201A (zh) * 2016-01-30 2016-06-22 中南林业科技大学 一种基于石墨烯的光滤波器件
CN105929477A (zh) * 2016-06-08 2016-09-07 电子科技大学 宽带可调谐的中红外偏振转换器
CN106450766A (zh) * 2016-12-08 2017-02-22 中国科学院光电技术研究所 一种多功能柔性动态偏振调制器件
CN106772754A (zh) * 2016-12-21 2017-05-31 南开大学 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
CN107589484A (zh) * 2017-08-17 2018-01-16 南京理工大学 一种可调谐太赫兹分束器
CN107885007A (zh) * 2017-11-10 2018-04-06 上海理工大学 一种基于石墨烯和光栅复合结构的太赫兹调制器

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109375390A (zh) * 2018-12-26 2019-02-22 台州学院 一种基于石墨烯的电光调制器
CN109739044A (zh) * 2019-03-14 2019-05-10 京东方科技集团股份有限公司 彩膜基板及其制备方法、全反射显示面板和显示装置
CN110426783A (zh) * 2019-05-06 2019-11-08 武汉大学 一种基于微纳半波片的多功能超表面
CN110426783B (zh) * 2019-05-06 2021-04-20 武汉大学 一种基于微纳半波片的多功能超表面

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