CN110488510A - 一种基于ito介电常数近零效应的偏振调控超构表面光器件 - Google Patents

一种基于ito介电常数近零效应的偏振调控超构表面光器件 Download PDF

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Abstract

本发明属于偏振调控超构表面光器件，具体涉及一种基于ITO介电常数近零效应的偏振调控超构表面光器件，包括耦合纳米金光栅、金属‑绝缘体‑金属波导结构和调控电源，所述耦合纳米金光栅与金属‑绝缘体‑金属波导结构连接，所述金属‑绝缘体‑金属波导结构的底部连接有基片，所述金属‑绝缘体‑金属波导结构包括ITO光学活性层、氧化物层和金薄膜基底，所述ITO光学活性层通过氧化物层连接有金薄膜基底，所述调控电源分别连接在ITO光学活性层和金薄膜基底上。本发明在实现电场主动控制的同时具有较低的功耗，并且能够获得较高的响应频率。本发明具有可见光到近红外的宽光谱范围。本发明用于光的偏振调控。

Description

一种基于ITO介电常数近零效应的偏振调控超构表面光器件
技术领域
本发明属于偏振调控超构表面光器件，具体涉及一种基于ITO介电常数近零效应的偏振调控超构表面光器件。
背景技术
偏振是光的关键属性之一。激光科学、光谱测量、显微成像和光学传感等领域均需要对光偏振进行调控。近年来，随着集成光学的飞速发展，光偏振调控在光通信、光计算、光信息处理等方面的应用趋于高速、微型和集成化。目前，最常用的光偏振调控技术是采用波片、补偿器、液晶可变相位延迟器和电光调控器等宏观光学器件，并利用各向异性材料的延迟效应实现的。然而，波片、补偿器等属于静态器件，且厚度一般相对较厚，通常超过数十微米(几十个波长)；液晶可变相位延迟器和电光调控器虽然能够实现光偏振的主动调控，但这些宏观光学器件无法实现超紧凑、集成化的光偏振调控应用。
超构表面由于结构设计灵活和物理性质超常，在亚波长微尺度表现出优异的电磁调控能力，使其在超紧凑、低功耗、易集成的光偏振调控技术中脱颖而出。为了实现基于超构表面的主动光偏振调控，并满足光偏振调控技术在全光数据计算与处理、光通信等集成光学领域的发展需求。在已有技术1中提出利用氧化钒的热相变效应，形成折射率可调的等效介质，实现了基于氧化钒超构表面的光偏振转化器设计。该类型光偏振调控适用于可见光到近红外的宽光谱范围，响应时间可达数十纳秒，但受限于温度场调节精度和操控的灵活性，该类型主动光偏振调控不利于实际应用。在已有技术2中提出在石墨烯表面设计开口环谐振器，构建了基于石墨烯的金属—绝缘体—金属波导结构超构表面，通过栅压调节石墨烯化学势，实现了电场调控光偏振的石墨烯超构表面光器件设计，但是石墨烯超构表面主要工作在远红外和太赫兹波段，并且石墨烯的超净转移工艺复杂，残胶难以去除，易受污染，长期工作稳定性难以保证。
发明内容
针对上述技术问题，提供了一种高效可靠、宽光谱、微尺度、超紧凑、低功耗的基于ITO介电常数近零效应的偏振调控超构表面光器件。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种基于ITO介电常数近零效应的偏振调控超构表面光器件，包括耦合纳米金光栅、金属-绝缘体-金属波导结构和调控电源，所述耦合纳米金光栅与金属-绝缘体-金属波导结构连接，所述金属-绝缘体-金属波导结构的底部连接有基片，所述金属-绝缘体-金属波导结构包括ITO光学活性层、氧化物层和金薄膜基底，所述ITO光学活性层通过氧化物层连接有金薄膜基底，所述调控电源分别连接在ITO光学活性层和金薄膜基底上。
所述氧化物层采用Al2O3或SiO2。
所述ITO光学活性层、氧化物层和金薄膜基底均采用磁控溅射的方法进行膜层制备，所述ITO光学活性层的厚度为15nm～20nm，氧化物层厚度为80nm～100nm，金薄膜基底厚度为100nm。
一种基于ITO介电常数近零效应的偏振调控超构表面光器件的控制方法，待调控光源经耦合纳米金光栅耦合进入金属-绝缘体-金属波导结构，通过调控电源7控制待调控光源在超构表面光器件中ITO光学活性层3的介电常数近零频率，最后精确控制出射偏振光的偏振态。
所述调控电源控制ITO光学活性层的介电常数近零频率的方法为：调控电源控制金属-绝缘体-金属波导结构中的电场分布，使得ITO光学活性层和氧化物层互作用界面附近的载流子通过施加正向电场实现堆积，通过施加反向电场实现耗尽，进而实现载流子浓度分布的电场调控，从而实现对ITO光学活性层的介电常数近零频率调控。
所述ITO光学活性层的载流子浓度n为1019～1022cm-3，所述ITO光学活性层的介电常数近零频率为100THz～800THz。
所述出射偏振光的偏振旋转角为0°～180°，所述出射偏振光的椭圆率χ为-45°～45°。
本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：
1、本发明克服了氧化钒、石墨烯等光学活性层温度调节慢、制作工艺复杂成本高等不足，其光学活性层ITO能够采用磁控溅射成膜工艺制备，制备工艺成熟，膜厚控制精确，成本低廉。
2、本发明实现偏振调控的本质在于通过电场调控ITO的介电常数近零频率，进而获得不同电场下的ITO介电常数色散关系。ITO薄膜的厚度一般为数十纳米，因此，控制电压一般为几伏量级便能够在ITO中形成较强的电场，在实现电场主动控制的同时具有较低的功耗，并且能够获得较高的响应频率。
3、本发明采用ITO作为光学活性层，通过ITO介电常数近零频率的电场调控实现光偏振调控，其中ITO的载流子浓度在1019～1022cm-3范围内可控，ITO介电常数近零频率在100THz～800THz范围内可以实现调节，对应光谱范围为0.38μm～3μm内可以实现偏振调节。因此，本发明适用于可见光到近红外的宽光谱范围。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
其中：1待调控光源；2为耦合纳米金光栅；3为ITO光学活性层；4为氧化物层；5基片；6为金薄膜基底；7为调控电源；8出射偏振光。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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做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。
一种基于ITO介电常数近零效应的偏振调控超构表面光器件，如图1所示，包括耦合纳米金光栅2、金属-绝缘体-金属波导结构和调控电源7，耦合纳米金光栅2与金属-绝缘体-金属波导结构连接，金属-绝缘体-金属波导结构的底部连接有基片5，金属-绝缘体-金属波导结构包括ITO光学活性层3、氧化物层4和金薄膜基底6，ITO光学活性层3通过氧化物层4连接有金薄膜基底6，调控电源7分别连接在ITO光学活性层3和金薄膜基底6上。
进一步，优选的，氧化物层4采用Al2O3或SiO2。
进一步，优选的，ITO光学活性层3、氧化物层4和金薄膜基底6均采用磁控溅射的方法进行膜层制备，ITO光学活性层3的厚度为15nm～20nm，氧化物层4厚度为80nm～100nm，金薄膜基底6厚度为100nm。由于金属-绝缘体-金属波导结构的膜层厚度在百纳米量级，调控电源7提供几伏量级的电压就能够获得较大的电场分布，可以使偏振调控超构表面光器件具有较低的功耗。
一种基于ITO介电常数近零效应的偏振调控超构表面光器件的控制方法，待调控光源1经耦合纳米金光栅2耦合进入金属-绝缘体-金属波导结构，通过调控电源7控制待调控光源1在超构表面光器件中ITO光学活性层3的介电常数近零频率，最后精确控制出射偏振光8的偏振态。
进一步，调控电源7控制ITO光学活性层3的介电常数近零频率的方法为：调控电源7控制金属-绝缘体-金属波导结构中的电场分布，使得ITO光学活性层3和氧化物层4互作用界面附近的载流子通过施加正向电场实现堆积，通过施加反向电场实现耗尽，进而实现载流子浓度分布的电场调控，从而实现对ITO光学活性层3的介电常数近零频率调控。
进一步，优选的，ITO光学活性层3的载流子浓度n为1019～1022cm-3，ITO光学活性层3的介电常数近零频率为100THz～800THz，可以对光谱范围为0.38μm～3μm实现偏振调节。
进一步，优选的，出射偏振光8的偏振旋转角为0°～180°，出射偏振光8的椭圆率χ为-45°～45°。
实施例
ITO具有良好的导电性和光学透过率，作为光学活性层，实现其光学响应的电场调控是本发明所述超构表面光器件的基础。ITO的介电常数ε能够采用Drude模型进行描述，
式中，ε∞为无限频率介电常数，ω为入射光的角频率，Γ是碰撞频率，ωp为等离子体频率。其中，碰撞频率Γ＝e2/μm*由电子电量e，电子迁移率μ和电子有效质量m*决定；等离子体频率ωp＝ne2/ε0m*由载流子浓度n，电子电量e，自由空间介电常数ε0和电子有效质量m*共同决定。一般理论计算中分别取ε∞＝3.6，μ＝31cm2/(V·s)，m*≈0.45m0。根据式(1)可知，ITO介电常数的实部随入射光频率增大由正数逐渐减小，经过零点减小为负数，表现出半导体到导体过渡的光学性质，其中当ITO介电常数近零时引入了奇异的光学响应特性，这便是ITO介电常数近零效应。
为了能够将ITO介电常数近零效应的电场调控特性加以利用，并为实现基于电场调控的主动光偏振调控奠定基础，采用纳米金光栅将入射光耦合进入金属-绝缘体-金属波导结构，更具体而言是耦合进入ITO活性层和氧化物层。依据入射光在ITO/氧化物层互作用界面的表面等离子体共振理论，耦合进入ITO活性层中的入射光波长主要由光栅周期常数P决定，并且能够描述为，
mλ＝P(nITO+sinθ) (2)
式中，m为纳米金光栅衍射级数，λ为入射光波长，P为纳米金光栅的周期常数，为ITO的折射率，θ为入射光的入射角。依据严格耦合波理论和偏振光传输理论，建立环境层/光栅耦合层/ITO/氧化物层的多膜层结构光学传输模型，当入射光频率在ITO介电常数近零频率区域附近时，理论分析耦合入射光在ITO/氧化物层互作用界面上发生的表面等离子体共振，并且光栅周期常数和ITO介电常数等参数改变对表面等离子体共振波长产生影响。针对可见光到近红外波段的光偏振调控应用，光栅周期一般为几百纳米。通过理论计算，采用时域有限差分法、有限元多物理场耦合等方法仿真分析，优化设计合理的光栅周期，并使耦合入射角度设置在合适的调节范围。利用磁控溅射、蒸镀和原子沉积等方法在ITO光学活性层表面镀制50nm厚度的金薄膜，采用电子束刻蚀方法加工周期为500nm～800nm的纳米金光栅，作为耦合纳米金光栅2，最终完成ITO介电常数近零效应的偏振调控超构表面光器件加工。
待调控光源1入射到超构表面光学器件，其偏振态可以分解为平行于入射面的TM偏振光分量(P偏振光)和垂直于入射平面的TE偏振光分量(S偏振光)表示，上述两个偏振光分量的偏振传输特性能够采用椭偏分析方法描述为
其中rTM，rTE分别表示入射光经过超表面光学器件后TM，TS偏振光分量的反射系数，Ψ(0°≤Ψ≤90°)和Δ(-180°≤Δ≤180°)分别为偏振光分量的幅值比和相位差。根据光栅耦合的表面等离子体共振理论，只有TM偏振光分量(P偏振光)在耦合纳米金光栅2耦合进入ITO/氧化物层发生表面等离子体共振，并且当光学活性层ITO在电场作用下，介电常数近零频率和介电常数色散发生变化时，TM偏振光分量(P偏振光)在超表面光学器件中的表面等离子体共振波长发生移动，反射光的幅值和相位急剧变化，而与入射面垂直的TE偏振光分量(S偏振光)的幅值和相位几乎不发生改变。因此，通过电场调控ITO介电常数近零频率，TM偏振光能够实现幅值和相位的调控，最终导致TM和TE偏振光分量的幅值和相位存在差别。本发明所述光偏振态采用三角函数法来描述，引入偏振旋转角和椭圆率χ两个光偏振参数，偏振旋转角定义为椭圆偏振光长轴取向角，其取值范围为0°～180°，椭圆率χ定义为椭圆偏振光长轴(a)和短轴(b)比值，即χ＝±arctan(a/b)，“+”代表右旋偏振光，“-”代表左旋圆偏振光，其取值范围为-45°～45°。因此，椭偏参量Ψ和Δ能够完备的描述反射光的偏振旋转角和椭圆率χ等参量。
根据上述理论描述，针对不同电场电压作用下，入射光TM偏振光分量在超表面中的表面等离子体共振发生变化，而TE偏振光分量几乎没有改变，进而能够实现TM偏振光分量和TE偏振光分量的幅值比(Ψ)和相位差(Δ)的调节，最终实现经超构表面出射的偏振光的偏振旋转角在0°～180°范围和椭圆率χ在-45°～45°范围内调节。
上面仅对本发明的较佳实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化，各种变化均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于ITO介电常数近零效应的偏振调控超构表面光器件，其特征在于：包括耦合纳米金光栅(2)、金属-绝缘体-金属波导结构和调控电源(7)，所述耦合纳米金光栅(2)与金属-绝缘体-金属波导结构连接，所述金属-绝缘体-金属波导结构的底部连接有基片(5)，所述金属-绝缘体-金属波导结构包括ITO光学活性层(3)、氧化物层(4)和金薄膜基底(6)，所述ITO光学活性层(3)通过氧化物层(4)连接有金薄膜基底(6)，所述调控电源(7)分别连接在ITO光学活性层(3)和金薄膜基底(6)上。
2.根据权利要求1所述的一种基于ITO介电常数近零效应的偏振调控超构表面光器件，其特征在于：所述氧化物层(4)采用Al2O3或SiO2。
3.根据权利要求1所述的一种基于ITO介电常数近零效应的偏振调控超构表面光器件，其特征在于：所述ITO光学活性层(3)、氧化物层(4)和金薄膜基底(6)均采用磁控溅射的方法进行膜层制备，所述ITO光学活性层(3)的厚度为15nm～20nm，氧化物层(4)厚度为80nm～100nm，金薄膜基底(6)厚度为100nm。
4.一种基于ITO介电常数近零效应的偏振调控超构表面光器件的控制方法，其特征在于：待调控光源(1)经耦合纳米金光栅(2)耦合进入金属-绝缘体-金属波导结构，通过调控电源(7)控制待调控光源(1)在超构表面光器件中ITO光学活性层(3)的介电常数近零频率，最后精确控制出射偏振光(8)的偏振态。
5.根据权利要求4的一种基于ITO介电常数近零效应的偏振调控超构表面光器件的控制方法，其特征在于：所述调控电源(7)控制ITO光学活性层(3)的介电常数近零频率的方法为：调控电源(7)控制金属-绝缘体-金属波导结构中的电场分布，使得ITO光学活性层(3)和氧化物层(4)互作用界面附近的载流子通过施加正向电场实现堆积，通过施加反向电场实现耗尽，进而实现载流子浓度分布的电场调控，从而实现对ITO光学活性层(3)的介电常数近零频率调控。
6.根据权利要求5的一种基于ITO介电常数近零效应的偏振调控超构表面光器件的控制方法，其特征在于：所述ITO光学活性层(3)的载流子浓度n为1019～1022cm-3，所述ITO光学活性层(3)的介电常数近零频率为100THz～800THz。
7.根据权利要求4的一种基于ITO介电常数近零效应的偏振调控超构表面光器件的控制方法，其特征在于：所述出射偏振光(8)的偏振旋转角为0°～180°，所述出射偏振光(8)的椭圆率χ为-45°～45°。
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