CN110515254B - 一种非互易磁光太赫兹波束扫描器 - Google Patents

一种非互易磁光太赫兹波束扫描器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种非互易磁光太赫兹波束扫描器及其工作方法。本发明所述器件是一种金属‑磁光半导体超光栅结构，由周期性排列的三组不同的金属/磁光半导体/空气波导结构组成，其空间相位呈现梯度排布，从而调控各衍射级次的能量分布，实现出射光束的大角度偏折。由于金属/磁光半导体/空气波导结构的非互易性，在不同方向和大小的外磁场作用下，可以有效控制出射光的偏转角度。相比于传统的机械式波束扫描器件，该设计基于场效应调控，响应速度快；相比于全光调制器件，该器件尺寸不受远场光束约束；同时，这种光栅式波束扫描器件调控效率高，插入损耗小。因此，该器件可用于太赫兹波的定向发射和波束扫描。

Description

一种非互易磁光太赫兹波束扫描器
技术领域
本发明属于新型人工磁材料和太赫兹科学技术领域，具体涉及一种多角度可调，非互易的磁光太赫兹波束扫描器及其设计方法。
背景技术
太赫兹(THz)波位于0.1THz-10THz的频率范围内，由于其光子能量小，对人体生物组织几乎无损以及对塑料等等的强穿透能力；在生物成像，无损检测和材料光谱等领域有着广泛的应用前景和极高的研究价值；近年来，随着互联网的发展，人们对于高速度，大容量的无线通信网络的需求也不断提高，由于太赫兹的高频特性和其远高于毫米波的通信容量，在无线通信领域备受人们的关注和研究。而波束扫描和定向发射器件在光通信、雷达等领域中起着至关重要的作用，对于主动调控的太赫兹波束扫描器的研究有着极高的应用前景和研究意义。
目前，对于波束扫描器的研究大多都是基于超材料的应用。超材料是一种由亚波长结构组成的人工材料，由于这种材料对于电磁波的振幅、相位和偏振有着极强的调控能力，在控制出射梯度相位和波束扫描方面有着重大的研究价值，例如近年来公开的太赫兹定向发射器采用的是反射式光栅的结构(Optic Letters，44，939-942(2019))，通过设计宽度与间距不等的介质柱，组成低折射率介质光栅，实现衍射级次调控，从而控制光束的出射方向；其中由于介质柱宽度不同，从而调控出射相位，当设计好的多介质柱组成的超光栅出射相位分布达到一定条件时，大部分的出射光能量都被调制到二级衍射，在该设计中二级衍射效率最高可达80％以上；然而这种设计无法实现主动调控，既无法实现光束扫描；同时，该结构尺寸较大，不易于集成。
在微波波段，主动式定向发射和光束扫描器件已经趋于成熟，如相控阵雷达和阵列天线等等；但是，在太赫兹等高频波段，目前的主动式光束扫描器仍处于研究之中。目前常见的主动调控方法如机械调控(Laser Photonics Rev.2016，10，1002.)，通过超表面设计，可以实现超棱镜的聚焦点的调控，但机械式调控其响应速度慢，结构复杂，不易集成于目前的光学系统中；近年来，一些基于全光调制的方法也逐渐产生，如(Light：Sci.Appl.2012，1，e1.)，通过两束不同频率的光束反向照射超表面，可以实现对于不同相位的透过率调制，全光调制方法虽然调制速率快，但需要施加远场光束，大大的增加了器件尺寸；由于上述方法的局限性，基于场效应的调制方法逐渐被人们关注，该方法有效的克服了上述两种方法的缺点，调制速率快，而且器件尺寸小。近年来公开的基于场效应的太赫兹相位调控如(Nano Lett.2017，17，3027.)，采用的是石墨烯端到端的的耦合贴片阵列天线结构，通过调控电压，实现反射光相位的调控，但其调控效率低，只有5％。目前，大部分基于场效应调节的方法都存在调节效率的问题，仍需进一步探索和改进。
综上所述，一方面目前太赫兹科技的高速发展对于太赫兹波束扫描器件有着迫切的需求，另一方面，国内外所报道的基于太赫兹的相位调制和波束扫描器件的研究在响应速度、器件尺寸和调制效率等方面还无法满足目前太赫兹系统应用的需求，因此，对于可以调节、高响应速率、集成的高效率太赫兹波束扫描器的研究有着重要的科研价值和意义。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于提供一种基于场效应的主动可调非互易的波束扫描装置；不仅解决了现有许多被动式器件的不可调的缺点，而且对比于目前其他的主动调控器件，其响应速度快，易于集成，调控效率高。
技术方案：为实现上述功能，这种可调节，非互易的太赫兹波束扫描器，其基本结构由超光栅组成，其特征包括金属/磁光半导体/空气波导，三个不同占空比的柱单元组成一个周期，形成亚波长超光栅，其中半导体柱单元采用的本征锑化铟，其本征载流子浓度为3.4×1021/m3，金属采用的是Al。在每一个金属/磁光半导体/空气波导中，单元总宽为120μm，金属和锑化铟宽度取一致，三个单元内的锑化铟宽度分别为17μm，20μm和27μm。由于锑化铟在磁场下的旋电性质，通过施加外磁场，就可以使得锑化铟的介电张量产生变化。在一定的外磁场下，由于锑化铟/金属的宽度不同，使其出射相位呈现梯度分布，从而调控衍射效率，控制出射光角度。
非互易的磁光太赫兹波束扫描器的工作方法是：将器件置于一个可调节的外磁场下，外磁场的方向垂直于入射光和光栅周期方向，入射光为横磁(TM)偏振光，在经过不同的金属/磁光半导体/空气波导后，其出射光相位呈现梯度排布。由于金属/磁光半导体/空气波导柱阵列之间的表面等离子体效应，器件的调控性能被加强，在温度范围为220-260K的情况下，分别施加0、±3T(特斯拉)的外磁场，出射端出射光束能量可以被调节到±1级和0级，从而实现从左到右的0-67.8度的大角度扫描。而且由于器件的非互易性，经过一定的设计之后，施加不同的方向的外磁场，得到的光束衍射方向也不同，可以实现角度扫描的效果。
本发明的有益效果和优点为：
1.采用超光栅设计，其结构较小，易于集成，透射式输出，衍射效率高，可调控角度大。
2.在THz波段，实现了主动式调控，可以实现光束扫描，而且基于场效应调控，克服了机械调控的响应速度慢的问题，而且相比于全光调制，不需要施加远场光束，满足了太赫兹波束扫描器的要求。
3.由于InSb的旋电性质，此二维结构在外加磁场情况下具有非互易性，因此在较低的磁场下可以实现多角度调控。
4.该器件巧妙的使用了锑化铟/金属的波导结构，增强了锑化铟的磁光效应和器件的调控性能，使得器件的尺寸更易于设计和加工。
附图说明
图1是金属/磁光半导体/空气波导结构示意图，金属/磁光半导体/空气波导(1)由磁光半导体(6)与金属(7)构成，其中其中磁光半导体(6)和金属(7)宽度一样为Wd，空气宽度为W＝d-2Wd。
图2是周期性超光栅结构示意图，图中包括三个不同占空比的波导构成一个周期单元(2)、超光栅(3)、TM偏振光(4)、外磁场(5)，图中超光栅(3)周期为D＝360μm其中每个单元(2)总宽d＝120μm，高度为H＝480μm。
图3是可调节非互易太赫兹定向发射器三维结构示意图。
图4是不同宽度下，施加不同磁场时，不同波导单元的色散曲线图。
图5是不同磁场下，所设计的超光栅出射相位分布。
图6是设计的超光栅衍射效率分布。
图7是不同磁场下的出射场分布。
图8是不同磁场下，温度为235K时，超光栅衍射的频率响应。
图9是不同磁场下，频率在0.9THz，超光栅衍射的温度响应。
具体实施方案
以下结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的说明；可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。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。
本发明所述器件特征在于，由金属-磁光半导体超光栅结构组成，其特征包括金属/磁光半导体/空气波导(1)，三个不同占空比的波导构成一个周期单元(2)，多个周期单元排列组成超光栅(3)，TM偏振光(4)从一端正入射光栅平面，在低温和不同外磁场(5)下，出射光束可以在0级、+1级和-1级间调控，从而实现大角度扫描组成；金属/磁光半导体/空气波导结构(1)示意图如图1，由3个金属/磁光半导体/空气波导(1)组成超光栅，超光栅(3)周期为D＝360μm其中每个单元总宽d＝120μm，其中磁光半导体(6)和金属(7)宽度一样为Wd，空气宽度为W＝d-2Wd，高度为H＝480μm。。在0.88-0.91THz波段，温度范围为220-260K下，设计出的三个单元中的InSb宽度分别为17μm，20μm和27μm；在同一金属/磁光半导体/空气波导(1)中磁光半导体(6)与金属(7)的宽度相等。由于InSb/金属柱的宽度差异性，可以为超光栅提供空间变化的相位梯度，在施加图2中所示方向外磁场(5)下，通过磁场调控InSb介电张量，从而调控图1所示的波导结构的有效折射率，由于InSb/金属柱的宽度差异性，可以为超光栅提供空间变化的相位梯度，使得其出射光能量集中于不同的衍射级上，从而实现大角度偏折。
其中我们所使用的InSb为旋电材料，其介电常数为张量：
Figure GSB0000187885970000041
其中：
Figure GSB0000187885970000042
式(2)中各参数如下：ωc是回旋频率，其值与外磁场成正比ωc＝eB/m*，m*是载流子的有效质量，对与InSb，m*＝0.014me，B是磁场强度，me为电子质量；e为电子带电量；ε∞为高频极限介电常数，ε∞＝15.68；ω是入射THz波频率；ωp为等离子体频率ωp＝(Ne2/m*μ)1/2，N为本征载流子浓度，ε0是自由空间介电常数；γ为载流子碰撞频率，γ＝e/μm*，其中μ为载流子迁移率，其值与温度有关可以表征为μ＝7.7×104(T/300)-1.66cm2×V-1×s-1；
进一步的，InSb的介电性质与N相关，而N与温度相关：
N(cm-3)＝5.76×1014T1.5×exp[-0.26/(2×8.625×10-5×T)]
进一步的，上述金属取Al，其介电常数εAl＝-3.2×104-i2π×6.7×105/(ω/1[Hz])，电导率为3.7×107(S/m)。在太赫兹波段，Al可以等效于完美电导体。
由于锑化铟的旋电性质和二维结构设计，在正反两方向磁场下，其有效折射率不同，从而，通过设计可以使得超光栅在正反两方向磁场下有着不同的衍射效率分布，可以实现多角度调控。
下面结合金属/磁光半导体/空气波导(1)的色散特性来进一步阐释器件的工作原理：三个不同的金属/磁光半导体/空气波导(1)，在3T外磁场下其结构的色散曲线分别如图4(a)、(b)、(c)，其相应的InSb宽度分别为17μm，20μm和27μm。其横坐标为约化传播常数，其值为β×60μm/2π，其中β为传播常数，传播常数为负值时即反向传播，此时相应的可以等效为反向磁场作用。随着InSb柱宽度的增加，其色散曲线向低频移动，在InSb宽度为27μm时，在0.9THz下出现了高阶模式，如图4(c)所示。由于色散曲线的不同，这三个不同金属/磁光半导体/空气波导(1)的有效折射率不同，从而导致出射相位不同，而且单元的色散曲线具有非互易性，在正反两方向磁场下，超光栅(3)出射相位分布不同。我们研究了不同锑化铟/金属宽度对于出射光相位的影响，如图5(a)、(b)、(c)。在无外磁场情况下，出射相位变化梯度较小，此时出射光大部分能量都集中于0级衍射，如图5(a)，其衍射效率高于0.61；当外磁场处于3特斯拉时，随着锑化铟/金属宽度的增加，出射相位急剧变化，在施加正向和反向磁场时，其超光栅相位梯度分布分别为图5(b)和图5(c)，此时，由于空间相位梯度呈现周期性下降/上升分布，由惠更斯-菲涅尔原理，出射光能量将被调制到1级衍射之上。因此，在分别外加正反两方下的3特斯拉外磁场之下，该器件出射分别为+1级和-1级衍射，出射角度为67.8°，对于1级衍射，其衍射效率如图6，皆大于0.7。由上述讨论，我们可以进一步得到器件的出射光场分布，如图7所示，磁场从0T(特斯拉)到-3T到3T，变化，其出射光分别如图7(a)、(b)、(c)，很好的实现了波束扫描的效果。
最后，我们研究了该器件的工作频率和温度范围。在温度为235K时，我们得到器件的频率响应如图8，图8各曲线分别表示0级，-1级和1级的衍射效率，所处的外磁场分别为0T(特斯拉)、-3T和3T。由频率响应曲线可以看出，该器件可以很好的工作于0.88-0.91THz频率下，在不同频率下，衍射角度也有所变化，衍射角度取决于光栅方程dsinθ＝kλ。在给定入射光频率为0.9THz时，器件的温度响应如图9，图9各曲线分别表示0级，-1级和1级的衍射效率，所处的外磁场分别为0T、-3T和3T，得到该器件的工作温度范围为220-260K。
利于锑化铟在磁场下的旋电性质，使用金属/磁光半导体/空气波导结构调控出射相位，实现对出射波束的角度扫描，与传统机械调控相比，其相应速率更快，仅通过改变磁场就能够改变出射角度，与全光调控相比，其结构简单，器件尺寸小，更易于集成，满足太赫兹应用系统的要求。而且该方法采用透射式超光栅结构，衍射效率高，具有更小的插入损耗。因此，该器件在太赫兹光束扫描当中具有广泛的应用前景。

Claims (6)

1.一种非互易磁光太赫兹波束扫描器，其特征在于，由金属-磁光半导体超光栅结构组成，其特征包括金属/磁光半导体/空气波导(1)，三个不同占空比的波导构成一个周期单元(2)，多个周期单元排列组成超光栅(3)，TM偏振光(4)从一端正入射光栅平面，在温度为220-260K和不同外磁场(5)下，出射光束可以在0级、+1级和-1级间调控，从而实现大角度扫描。
2.根据权利要求1所述的非互易磁光太赫兹波束扫描器，其特征在于：所述三个不同占空比的波导构成的周期单元金属/磁光半导体/空气波导(1)宽度为120μm，高度为480μm，超光栅周期为360μm，在0.88-0.91 THz波段，会产生0级和±1级衍射。
3.根据权利要求1所述的非互易磁光太赫兹波束扫描器，其特征在于，所述三个不同金属/磁光半导体/空气波导(1)中磁光半导体(6)宽度分别为17μm、20μm、27μm，在同一金属/磁光半导体/空气波导(1)中金属(7)与磁光半导体(6)的宽度相等。
4.根据权利要求1所述的非互易磁光太赫兹波束扫描器，其特征在于，TM偏振光(4)的极化方向是沿着光栅周期排列的方向。
5.根据权利要求1所述的非互易磁光太赫兹波束扫描器，其特征在于：所述金属/磁光半导体/空气波导(1)中金属为铝，磁光半导体(6)为本征锑化铟，当外磁场(5)垂直于光栅周期和入射光传播方向时，锑化铟在外磁场作用呈现电回旋共振效应，使得金属/磁光半导体/空气波导(1)具有磁光非互易性和磁可调谐性。
6.根据权利要求1所述的非互易磁光太赫兹波束扫描器，其特征在于，该太赫兹波束扫描器工作方法如下：当外磁场(5)为零时，出射光能量主要分布于0级衍射，即出射角为0°；当施加正向3T大小的外磁场(5)时，出射光能量集中于+1级衍射；施加反向3T外磁场(5)时，其衍射光能量集中于-1级衍射；该太赫兹波束扫描器的工作频率为0.88-0.91THz，工作温度为220-260K，在-3T到3T外磁场调控下，太赫兹波束扫描器扫描角度为-67.8°到67.8°，衍射效率达到70％。
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