CN111665588B - 基于二氧化钒和狄拉克半金属复合超表面的双功能偏振器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及太赫兹功能器件技术领域，提供了一种基于二氧化钒和狄拉克半金属复合超表面的双功能偏振器，该双功能偏振器由若干个器件结构单元周期性排列而成，每个器件结构单元自上而下包括二氧化硅层和二氧化钒层，二氧化硅层的上方设有两个狄拉克半金属U型结构，二氧化钒层的下方设有线栅。本发明集成了透射型线偏振转换功能和反射型线偏振转换功能，通过二氧化钒绝缘态和金属态之间的相变切换实现两种偏振转换功能之间的切换。与现有的偏振转换器相比，本发明所提出的双功能偏振器进行了功能集成，同时具有超高偏振效率、超高工作带宽、双激励调控的优势。

Description

基于二氧化钒和狄拉克半金属复合超表面的双功能偏振器

技术领域

本发明涉及太赫兹功能器件技术领域，具体涉及基于二氧化钒和狄拉克半金属复合超表面的双功能偏振器。

背景技术

太赫兹(Terahertz，THz)波指的是频率在0.1-10THz频率范围内的电磁波。由于太赫兹波在电磁波中的特殊位置，更由于太赫兹波本身具有的很多优良特性，太赫兹波成为当前的研究热门，其在通信、太赫兹成像、雷达探测等领域具有广泛应用。

THz技术的发展和应用，离不开各类THz功能器件的研发。其中，THz偏振操控器件在THz开关、偏振转换、波片、非对称传输等领域有重要的应用，是THz波操控器件中不可或缺的组成部分，急需研究开发。

传统的光学方法偏振转换器，主要运用旋光晶体、法拉第非互易材料、光学各向异性介质、扭曲向列型液晶等实现极化操控。但此类极化操控器件存在诸如需外加静磁场、光路准直困难、体积较大不利于系统集成等缺陷，很大程度上限制了其在THz领域的应用。超材料偏振器的出现一定程度上解决了传统方法所存在的缺陷，超材料是近年来被广泛关注的一种人工电磁材料，它能够实现许多天然材料所不能实现的功能。超材料由亚波长的人工微结构组成，其性质主要取决于自身结构的谐振效应，而微结构的灵活可设计性使其能够实现对THz波的极化操控。然而，基于三维超材料的极化操控器件一般需要对金属块状材料进行三维空间的设计，较为困难，制备时需要三维加工技术，难度很大，源于等离子体谐振的辐射损耗和欧姆损耗问题也较为严重。

超表面(Metasurface)是超材料的二维对应，目前已经应用到太赫兹偏振器的设计之中。该方法只需在界面处设计薄薄的微结构阵列，便可以操控透射或反射THz波的极化状态。这种方法极大程度上地避免或削弱了以上两种方法的缺点，被认为是研制新一代极化操控器件的重要解决方案。

目前可调控材料，如狄拉克半金属、二氧化钒等已经应用到偏振转换器的设计之中，其中，对于狄拉克半金属可以通过外加电压、化学掺杂的方法实现对其费米能级的调控；对于二氧化钒这种具有相变特性的特殊材料，可以通过温度等外部刺激实现电导率的改变。这类材料在超表面太赫兹偏振器中的应用，实现了偏振转换器的动态可调谐特性。

可以看出，目前报道的太赫兹偏振调制超表面的极化调制功能单一，有关多功能器件的报道很少，尤其是双激励调控的多功能器件。且尚未有集透射和反射偏振功能于一体偏振器的报道，基于此，本发明将结合二氧化钒的相变特性和狄拉克半金属费米能级的可调谐特性设计了一种集透射/反射式线偏振功能于一体的双激励调控偏振装置。

发明内容

基于上述背景，本发明的目的是解决当前偏振器件功能单一问题，而提供一种多激励调控方式的多功能偏振装置，推动偏振器件的进一步发展。

本发明采用以下的技术方案：

一种基于二氧化钒和狄拉克半金属复合超表面的双功能偏振器，由若干个器件结构单元周期性排列而成，每个器件结构单元自上而下包括二氧化硅层和二氧化钒层，二氧化硅层的上方设有两个狄拉克半金属U型结构，两个所述狄拉克半金属U型结构为U型开口方向两两相对；二氧化钒层的下方设有线栅。

上述技术方案中，器件结构单元自上而下包括顶层狄拉克半金属双“U”型结构、第二层二氧化硅层、第三层二氧化钒层、底层线栅，用以实现透射型偏振转换功能和反射型偏振转换功能的相互切换和在两种偏振功能情况下双激励调谐的目的。

进一步地，所述狄拉克半金属U型结构的宽度W为1.3-1.6μm；厚度h₁为0.2-1μm；两个狄拉克半金属U型结构之间的距离d为0.5-6μm。

进一步地，所述狄拉克半金属U型结构的宽度W为1.5μm；厚度h₁为0.2μm；两个狄拉克半金属U型结构之间的距离d为3μm。

进一步地，两个所述狄拉克半金属U型结构的倾斜角度α为45°±10°，即为沿着器件结构单元的两个斜对角线方向左右旋转10°。

进一步地，所述倾斜角度α为45°，即两个所述狄拉克半金属U型结构沿着器件结构单元的两个斜对角线方向对称设置。

进一步地，所述二氧化硅层的介电常数ε＝3.8，边长(单元周期)P＝21-23μm，厚度h₂＝6-13μm。

进一步地，所述二氧化硅层的边长(单元周期)P＝22μm，厚度为h₂＝7μm。

进一步地，所述二氧化钒层的厚度h₃＝1-6μm，边长(单元周期)P＝21-23μm。

进一步地，所述二氧化钒层的h₃＝4μm，边长(单元周期)P＝22μm。

进一步地，所述线栅厚度为h₄＝0.2μm，线宽为W₁＝1.3-1.6μm，周期为P₁＝2.6-3.2μm。

进一步地，所述线宽为W₁＝1.5μm；线栅的周期P₁＝3μm

进一步地，所述线栅为完美电导体(PEC)。

本发明具有的有益效果是：

(1)本发明所提出的双功能偏振器集成了透射型线偏振转换功能和反射型线偏振转换功能，通过二氧化钒绝缘态和金属态之间的相变切换实现两种偏振转换功能之间的切换。

(2)根据二氧化钒具有相变特性，当二氧化钒用作电介质时，该双功能器件用作透射型偏振器，当二氧化钒处于金属态时，该器件实现反射型偏振转换功能。两种偏振功能下均可以通过调控狄拉克半金属费米能级和二氧化钒电导率实现对偏振转换性能的调谐。该装置实现了两种偏振转换功能的集成，并且具有双激励调控的特性，具有功能性强和灵活的调谐特性。

(3)本发明所提出的双功能偏振器实现透射型偏振转换功能时，在1.26-4.09THz频率范围内，PCR值大于99％，且通过调控二氧化钒电导率，PCR值大于90％频率范围可以实现0.48-4.53THz和1.05-4.45THz之间的调控；通过调控狄拉克半金属费米能级，PCR值大于99％的频段可以实现1.12-3.52THz到1.26-4.09THz之间的调谐；

(4)本发明所提出的双功能偏振器实现反射型偏振转换功能时，在4.29-6.39THz频率范围内，PCR值大于90％，且在两谐振频率点4.85THz和6.17THz位置的值为1，且通过调控二氧化钒电导率，PCR值大于90％频率范围的低频率点实现4.2THz到4.28THz的转移；通过调控狄拉克半金属费米能级，PCR值大于90％的频段的低频率点实现了4.12THz到4.29THz之间的转移，且相应的操作带宽由0.66THz增加至2.1THz；

(5)与现有的偏振转换器相比，本发明所提出的双功能偏振器进行了功能集成，同时具有超高偏振效率、超高工作带宽、双激励调控的优势。

附图说明

图1为器件结构单元的立体结构示意图(其中，1为狄拉克半金属U型结构，2为二氧化硅层，3为二氧化钒层，4为线栅，5为外加电压激励源)；

图2为器件结构单元的正面结构示意图；

图3为器件结构单元的底面结构示意图；

图4为实现透射型偏振转换时的透射系数和透射偏振转换效率；

图5为实现透射型偏振转换时，不同二氧化钒电导率下的偏振转换效率曲线图；

图6为实现透射型偏振转换时，不同狄拉克半金属费米能级下的偏振转换效率曲线图；

图7为实现反射型偏振转换时的反射系数和反射偏振转换效率；

图8为实现反射型偏振转换时，不同二氧化钒电导率下的偏振转换效率曲线图；

图9为实现反射型偏振转换时，不同狄拉克半金属费米能级下的偏振转换效率曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行具体的说明：

参阅图1，一种基于二氧化钒和狄拉克半金属复合超表面的双功能偏振器，由若干个器件结构单元周期性排列而成，集成了两种线偏振转换功能。每个器件结构单元自上而下包括二氧化硅层和二氧化钒层，二氧化硅层的上方设有两个狄拉克半金属U型结构(狄拉克半金属双“U”型结构)，两个所述狄拉克半金属U型结构为U型开口方向两两相对；二氧化钒层的下方设有线栅。

用以实现透射型偏振转换功能和反射型偏振转换功能的相互切换和在两种偏振功能情况下双激励调谐的目的。

其中，实现透射型线偏振转换功能时的结构如图4所示，包括狄拉克半金属双U型结构、二氧化硅层、二氧化钒层和线栅；实现反射型偏振转换功能时的结构同样如图4所示，同样包括狄拉克半金属双U型结构、二氧化硅层二氧化钒层和线栅。

本发明的双功能偏振器，可以通过外部激励实现两种不同类型偏振转换功能之间的相互切换，通过温度的调控，可以实现二氧化钒介质特性和金属特性之间的切换：

当温度低于二氧化钒的相变温度68℃时，二氧化钒作为电介质；当温度高于二氧化钒的相变温度68℃时，二氧化钒作为金属。

二氧化钒层处于绝缘态时的电导率为200S/m，处于金属态时的电导率设置为50000S/m，其它二氧化钒的电导率均通过温度等外部刺激进行激励，如图4所示。

所述双功能偏振器可以对狄拉克半金属双“U”型结构通过外加电压激励源进行激励，如图4所示。

进一步地，所述狄拉克半金属U型结构的宽度W为1.3-1.6μm；厚度h₁为0.2-1μm；两个狄拉克半金属U型结构之间的距离d为0.5-6μm。

作为其中的一个实施例，进一步地，所述狄拉克半金属U型结构的宽度W为1.5μm；厚度h₁为0.2μm；两个狄拉克半金属U型结构之间的距离d为3μm。

进一步地，两个所述狄拉克半金属U型结构的倾斜角度α为45°±10°，即为沿着器件结构单元的两个斜对角线方向左右旋转10°。

作为其中的一个实施例，进一步地，所述倾斜角度α为45°，即两个所述狄拉克半金属U型结构沿着器件结构单元的两个斜对角线方向对称设置。

进一步地，所述二氧化硅层的介电常数ε＝3.8，边长(单元周期)P＝21-23μm，厚度h₂＝6-13μm。

作为其中的一个实施例，进一步地，所述二氧化硅层的边长(单元周期)P＝22μm，厚度为h₂＝7μm。

进一步地，所述二氧化钒层的厚度h₃＝1-6μm，边长(单元周期)P＝21-23μm。

作为其中的一个实施例，进一步地，所述二氧化钒层的h₃＝4μm，边长(单元周期)P＝22μm。

进一步地，所述线栅厚度为h₄＝0.2μm，线宽为W₁＝1.3-1.6μm，周期为P₁＝2.6-3.2μm。

作为其中的一个实施例，进一步地，所述线宽为W₁＝1.5μm；线栅的周期P₁＝3μm。

进一步地，所述线栅为完美电导体(PEC)。

该双功能偏振器的相关参数如表1所示，具体的参数标识如图2所示。

表1双功能偏振器的相关参数

参数	P	l<sub>1</sub>	l<sub>2</sub>	d	W
						值(μm)	21-23	12.5	7	0.5-6	1.3-1.6
参数	h<sub>1</sub>	h<sub>2</sub>	h<sub>3</sub>	h<sub>4</sub>	P<sub>1</sub>
						值(μm)	0.2-1	6-13	1-6	0.2	2.6-3.2

器件结构单元的底面结构示意图参阅图3所示。

本发明基于二氧化钒和狄拉克半金属复合超表面双功能偏振器的基本理论，当二氧化钒层处于绝缘状态时，发生透射型偏振转换；当二氧化钒层处于金属态时，发生反射型偏振转换。两种偏振转换类型下，对二氧化钒电导率或者狄拉克半金属的费米能级调控，可以对偏振转换性能进行调谐，表现在对偏振转换效率的调控和对一定偏振转换效率下频带宽度的调控。

实施例1

所述狄拉克半金属U型结构的宽度W为1.5μm；厚度h₁为0.2μm；两U型结构之间的距离d为3μm，且沿着器件结构单元的两个斜对角线方向对称设置。所述二氧化硅层的介电常数ε＝3.8，边长(单元周期)P＝22μm，厚度为h₂＝7μm。所述二氧化钒层的h₃＝4μm，边长(单元周期)P＝22μm。所述线栅厚度为h₄＝0.2μm，线宽为W₁＝1.5μm，所述线栅的周期P₁＝3μm。

在实现透射型偏振转换功能时，二氧化钒层被激励，表现为电介质，电导率为200S/m，狄拉克半金属双“U”型结构的费米能级为80meV。如图4(a)所示，在1.26-4.09THz频段，t_xy最高可达0.39，对应的t_yy近似为0。如图4(b)所示，在1.26-4.09THz频率范围内，线偏振转换效率高于99％。

双功能偏振器在实现透射型偏振转换功能时，通过调控二氧化钒层的电导率可以实现偏振转换性能的调谐，如图5(a)所示，随着二氧化钒电导率从200S/m增加到3000S/m，反射系数r_xy总体上不断减小，反射系数r_yy近似为0。PCR>90％频率范围的低频率点从0.48THz蓝移到1.05THz，高频率点从4.53THz红移到4.45THz，两谐振峰之间的谷值略微下降，如图5(b)所示。

双功能偏振器在实现透射型偏振转换功能时，通过调控狄拉克半金属双“U”型结构的费米能级可以实现偏振转换性能的调谐，如图6(a)所示，将狄拉克半金属费米能级由65meV调高至80meV的过程中，反射系数r_xy总体上不断提高，反射系数r_yy近似为0。PCR>99％所在频段实现了1.12-3.52THz到1.26-4.09THz频率范围的调谐，如图6(b)所示。

所述发明在实现反射型偏振转换功能时，二氧化钒层被激励，表现为金属态，电导率为50000S/m，狄拉克半金属双“U”型结构1的费米能级为140meV。该装置实现反射型偏振转换功能。可以看出在4.29-6.39THz频率范围内r_xy在0.49以上，其中在4.9THz频点处达到最高值0.75，如图7(a)所示。如图7(b)所示，在4.29-6.39THz频率范围内，PCR>90％，且在两谐振频率点4.85THz和6.17THz处达到1。并且在3THz-3.52THz、6.6THz-6.66THz两个频段内分别将线偏振波转换为左旋和右旋圆偏振波。

双功能偏振器在实现透射型偏振转换功能时，通过调控二氧化钒层的电导率可以实现偏振转换性能的调谐，如图8(a)所示，在将二氧化钒电导率从20000S/m提高到50000S/m的过程中，反射系数r_xy的最大值由0.66提高至0.75，且最大值频率点由4.8THz蓝移到4.9THz，反射系数r_yy整体上不断减小。PCR>0.9的频率范围的低频率点从4.2THz蓝移到4.28THz，两谐振频率点未出现移动，且两谐振频率点之间的最小值由0.89提高至0.97，如图8(b)所示。

双功能偏振器在实现透射型偏振转换功能时，通过调控狄拉克半金属双“U”型结构的费米能级可以实现偏振转换性能的调谐，如图9(a)所示，随着狄拉克半金属费米能级由110meV增加到140meV，反射系数r_xy明显增加，最大值由0.71增加到0.75，反射系数r_yy整体减小。如图9(b)所示，偏振转换效率曲线由单谐振峰变为双谐振峰，PCR>90％的工作频率的低频率点从4.12THz蓝移到4.29THz，相应的操作带宽由0.66THz增加至2.1THz。

以上详细叙述了本发明的优选实施方式以及基本原理、主要特征和优点，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换和改进，这些变换和改进均属于本发明的保护范围。本发明要求保护的范围由权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种基于二氧化钒和狄拉克半金属复合超表面的双功能偏振器，其特征在于，由若干个器件结构单元周期性排列而成，每个器件结构单元自上而下包括二氧化硅层和二氧化钒层，二氧化硅层的上方设有两个狄拉克半金属U型结构，两个所述狄拉克半金属U型结构为U型开口方向两两相对；二氧化钒层的下方设有线栅；

所述狄拉克半金属U型结构的宽度W为1.3～1.6μm；厚度h₁为0.2～1μm；两个狄拉克半金属U型结构之间的距离d为0.5～6μm；

两个所述狄拉克半金属U型结构的倾斜角度α为45°±10°，即为沿着器件结构单元的两个斜对角线方向左右旋转10°。

2.根据权利要求1所述的一种基于二氧化钒和狄拉克半金属复合超表面的双功能偏振器，其特征在于，所述狄拉克半金属U型结构的宽度W为1.5μm；厚度h1为0.2μm；两个狄拉克半金属U型结构之间的距离d为3μm。

3.根据权利要求1所述的一种基于二氧化钒和狄拉克半金属复合超表面的双功能偏振器，其特征在于，所述倾斜角度α为45°，即两个所述狄拉克半金属U型结构沿着器件结构单元的两个斜对角线方向对称设置。

4.根据权利要求1所述的一种基于二氧化钒和狄拉克半金属复合超表面的双功能偏振器，其特征在于，所述二氧化硅层的介电常数ε=3.8，边长P=21-23μm，厚度h2=6-13μm。

5.根据权利要求4所述的一种基于二氧化钒和狄拉克半金属复合超表面的双功能偏振器，其特征在于，所述二氧化硅层的边长P=22μm，厚度为h2=7μm。

6.根据权利要求1所述的一种基于二氧化钒和狄拉克半金属复合超表面的双功能偏振器，其特征在于，所述二氧化钒层的厚度h3=1-6μm。

7.根据权利要求6所述的一种基于二氧化钒和狄拉克半金属复合超表面的双功能偏振器，其特征在于，所述二氧化钒层的h3=4μm。

8.根据权利要求1所述的一种基于二氧化钒和狄拉克半金属复合超表面的双功能偏振器，其特征在于，所述线栅厚度为h4=0.2μm，线宽为W1=1.3-1.6μm，周期为P1=2.6-3.2μm。

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