CN111913307B - 基于导模共振的透明导电氧化物光透过率可调多层超表面 - Google Patents

基于导模共振的透明导电氧化物光透过率可调多层超表面 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于导模共振的透明导电氧化物光透过率可调多层超表面，其特征在于，由下至上包括基底层、n个导模共振超表面层和n‑1个介质层，其中相邻两导模共振超表面层之间填充一介质层；导模共振超表面层包括硅介质平板(7)，硅介质平板(7)上周期性刻蚀出凹槽，凹槽深度与硅介质平板(7)厚度相同，每一凹槽内两侧填充介质层(8)、中间填充透明导电氧化物层(9)；每一硅介质平板(7)均设有第一电极，每一透明导电氧化物层(9)均设有第二电极；n为大于或等于2的整数。本发明在导模共振原理的基础上提供了更高的设计自由度，可以用于更加复杂的光学操控，在未来光器件集成领域具有广阔的应用前景。

Description

基于导模共振的透明导电氧化物光透过率可调多层超表面
技术领域
本发明涉及光通信、光互联以及光器件集成领域，具体说，基于导模共振的透明导电氧化物(Transparent-Conducting-Oxide,TCO)光透过率可调多层超表面。
背景技术
电磁超表面是具有波长级厚度的人造材料，可按需人工调整电磁响应，为控制入射波的局部幅度、相位和极化提供了一种很有前途的解决方案，从而在波前控制中开辟了新途径。这些结构通常比传统的光学元件薄得多，并且由于共振而对介电环境的变化更敏感。这些结构与标准微电子加工技术兼容，并可实现大面积、低成本制造。近年来，无源超表面蓬勃发展，但是器件加工后功能无法改变，从而限制了其更丰富的应用场景。有源超表面利用机械变化、弹力或有源材料等，实现对超表面参数的动态控制，从而实现丰富的波前操控，尤其是芯片尺度的光束控制装置和超薄调制器。2011年，哈佛大学的Capasso课题组提出了广义斯涅尔定律，2014年，利用电调的石墨烯层，验证了可电调超表面完美吸波器实现的高速光学调制器，工作在中红外波段。2017年，加州理工大学的Atwater课题组则在中红外波段利用石墨烯实现了电控光相位调制器，相位调控范围可以达到230°。2018年，范德堡大学的Valentine课题组在1450nm波段利用氧化铟锡实现了全介质电控光幅度调制器，光透过率可以由31％～70％。光的幅值与相位调控能力是超表面器件的构建基础，也是现今光通讯领域常用的技术之一。
透明导电氧化物具有光透明特性和良好的导电性，在集成光电子领域得到广泛应用，例如铝掺杂氧化锌(AZO)、镓掺杂氧化锌(GZO)、锡铟氧化物(ITO)。例如ITO由于其较低的电阻率，与金属相比较小的损耗，相对介电常数近零区域(Epsilon-Near-Zero,ENZ)在通信波段。TCO的光学特性受其载流子浓度的影响，利用TCO构成类似于金属-氧化物-半导体(Metal-oxide-semiconductor,MOS)电容型结构时，通过改变外加电压使载流子浓度发生变化，实现折射率的变化，同时，当相对介电常数调制到ENZ区域时，场被限制在损耗较大的TCO中从而实现更强的调制。此外TCO与传统的CMOS制作工艺兼容，使其在光电子领域具有广阔的应用空间。
目前也有一系列的基于导模共振的TCO动态超表面的报道。但是其大部分是工作在反射模式，而且单层结构中设计自由度受限，使其面临带宽窄、偏振相关等问题。这限制了其在更复杂表面光子中的应用。
正如前所述的基于TCO的动态可调控超表面乃至所有动态可调控超表面所面临的问题，都是本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
针对现有技术存在的技术问题，本发明的目的在于提供一种基于导模共振的TCO光透过率可调多层超表面。
本发明的技术方案为：
一种基于导模共振的透明导电氧化物光透过率可调多层超表面，其特征在于，由下至上包括基底层、第一导模共振超表面层、第一介质层、第二导模共振超表面层、第二介质层，以此类推至第n-1介质层、第n导模共振超表面层；所述相邻两导模共振超表面层之间填充介质层(即第一，第二，…，第n-1介质层)；所述导模共振超表面层包括硅介质平板，在硅介质平板上周期性刻蚀出凹槽，凹槽深度与硅介质平板厚度相同；在凹槽中，并列填充第n介质层、透明导电氧化物层、第n介质层，即凹槽内两侧是第n介质层，第N层所述硅介质平板均设有第N1电极，第N层所述透明导电氧化物层均设有第N2电极；所有电极均相互独立，即不同的N，第N1电极与第N2电极之间的电压差可以不同，该电压差要小于第n介质层的击穿电压；n为大于或等于2的整数，1≤N≤n。
进一步的，所述第一介质层，第二介质层，…，第n介质层可以是同种介质，也可以是不同种介质。
进一步的，所述第一导模共振超表面层，第二导模共振超表面层，…，第n导模共振超表面层可以具有不同的结构和结构参数。
进一步的，所述第n介质层由绝缘材料制成。
进一步地，所述绝缘材料为硅氧化物、氧化铪、氧化钛、氧化铝或硅氮氧化物。
进一步的，所述第n介质层厚度为5-50nm。
进一步地，所述透明导电氧化物层选用的材料为铝掺杂氧化锌(AZO)、镓掺杂氧化锌(GZO)或锡铟氧化物(ITO)。
进一步的，所述第N1电极为能与硅形成欧姆接触的金属。
进一步的，所述第N2电极为能与透明导电氧化物形成欧姆接触的金属。
与现有技术相比，本发明的积极效果为：
本发明采用周期性的一维结构，该周期约为入射波长的一半，在不加电压时具有导模共振响应，透射谱在某个波长下出现凹陷，该波长即导模共振波长。利用透明导电氧化物构成MOS电容结构，透明导电氧化物与介质表面的载流子浓度随着Si与透明导电氧化物层间的偏置电压的变化而动态变化(Si与透明导电氧化物层可以等效成一个波导)，从而导致透明导电氧化物的相对介电常数动态变化。在偏置电压作用下，透明导电氧化物与Si的折射率发生变化，对导模共振条件扰动，从而使导模共振波长偏移，实现光透过率调制。本发明提出的多层导模共振超表面结构，在导模共振原理的基础上提供了更高的设计自由度，可以用于更加复杂的光学操控，在未来光器件集成领域具有广阔的应用前景。
附图说明
图1本发明的超表面横截面图；
图2本发明的超表面俯视图；
图3实施例透射谱随电压变化曲线；
其中，1-基底层，2-第一导模共振超表面层，3-第一介质层，4-第二超表面层，5-第n-1介质层，6-第n超表面层，7-硅介质平板层，8-第n介质层，9-透明导电氧化物层，10-第N1电极，11-第N2电极。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步详细描述。
本发明的超表面结构参见附图1与附图2。基于导模共振的透明导电氧化物光透过率可调多层超表面，由下至上包括基底层1，第一导模共振超表面层2，第一介质层3，第二导模共振超表面层4，第二介质层，以此类推至第n-1介质层5，第n导模共振超表面层6；所述相邻两导模共振超表面层填充(第一，第二，…，第n-1)介质层；所述导模共振超表面层包括硅介质平板7，在介质平板上周期性刻蚀出凹槽；在凹槽内，并列填充第n介质层8、透明导电氧化物层9、第n介质层8，即凹槽内两侧是第n介质层8；所述硅介质平板7均设有第N1电极10，所述透明导电氧化物层9均设有第N2电极11；所有电极均相互独立，即不同的N，第N1电极10与第N2电极11之间的电压差可以不同，该电压差要小于第n介质层8的击穿电压；n为大于或等于2的整数，N为大于等于1，小于等于n的整数。
所述第一介质层3，第二介质层，…，第n-1介质层5可以是同种介质，也可以是不同种介质。
所述第n介质层8由绝缘材料制成。
所述绝缘材料包括硅氧化物、氧化铪、氧化钛、氧化铝、硅氮氧化物。
所述第n介质层8厚度为5-50nm。
所述透明导电氧化物层9选用的材料包括铝掺杂氧化锌(AZO)、镓掺杂氧化锌(GZO)、锡铟氧化物(ITO)。
所述第N1电极10为能与硅形成欧姆接触的金属。
所述第N2电极11为能与透明导电氧化物形成欧姆接触的金属。
本发明的光透过率可多层调超表面的工作原理为：
将平面波入射到可调多层超表面，其中平面波的偏振方向与周期性凹槽方向一致(x方向)，在不加电压的情况下，导模共振超表面层(第一导模共振超表面层2，第二超表面层4，第n超表面层6)会发生导模共振，使入射光耦合到超表面层，再耦合出去，因此在透射谱上的某一波长处出现凹陷，该波长即为导模共振波长，而其他波长处光透过率近1。硅介质平板，第n介质层与透明导电氧化物层构成MOS电容结构，使TCO内的载流子浓度随电压变化，从而使TCO的折射率随电压变化，最终导致导模共振波长偏移，实现光透过率调制。多层结构实现了多个设计自由度，若每层结构参数不同，则可以实现更丰富的功能，例如工作在多个波长。
实施例
结合附图1，本实施例中n＝2，N＝1，2，所述基底层1为氧化硅，所述基底层上为第一层导模共振超表面层2，所述超表面层在硅介质平板7以900nm为周期刻蚀宽度为20nm的凹槽，在凹槽内，并列填充第2介质层8、透明导电氧化物层9、第2介质层8，即凹槽内两侧是第2介质层8，宽度均为wd＝5nm，透明导电氧化物层9，宽度为wITO＝10nm，第二层超表面层4采用周期为750nm的结构，其余参数与第一层超表面层一致，第一层超表面层与第二层超表面层中间填充第一介质层3氧化硅，厚度为td＝2.7μm。
图3是本发明实施例透射率随电压变化的曲线。在不加电压时，透射谱中有两个凹陷分别位于1459nm和1687nm。在0～5V的电压作用下，短波长处的凹陷可以由1452nm移动到1467nm，长波长处的凹陷由1685nm移动到1691nm，实现了透射谱的调制。
尽管前面公开的内容示出了本发明的示例性实施例，但应注意，在不背离权利要求限定的本发明的范围的前提下，可以进行多种改变和修改。所述实施例及实施例中的具体参数仅是为了清楚表述发明人的发明验证过程，并非用以限制本发明的专利保护范围。本实例中采用的SOI材料，目的是标准的COMS制作工艺兼容，还可以应用到其他材料。因此，本发明的保护范围应当由所附的权利要求书的内容确定。

Claims (10)

1.一种基于导模共振的透明导电氧化物光透过率可调多层超表面，其特征在于，由下至上包括基底层、n个导模共振超表面层和n-1个介质层，其中相邻两所述导模共振超表面层之间填充一所述介质层；所述导模共振超表面层包括硅介质平板(7)，所述硅介质平板(7)上周期性刻蚀出凹槽，凹槽深度与硅介质平板(7)厚度相同，每一所述凹槽内两侧填充第n介质层(8)、中间填充透明导电氧化物层(9)；每一所述导模共振超表面层的所述硅介质平板(7)设有第一电极，每一所述导模共振超表面层的所述透明导电氧化物层(9)设有第二电极；n为大于或等于2的整数。
2.如权利要求1所述的基于导模共振的透明导电氧化物光透过率可调多层超表面，其特征在于，各所述介质层与第n介质层(8)是同种介质或不同种介质。
3.如权利要求1所述的基于导模共振的透明导电氧化物光透过率可调多层超表面，其特征在于，所述第n介质层(8)由绝缘材料制成。
4.如权利要求3所述的基于导模共振的透明导电氧化物光透过率可调多层超表面，其特征在于，所述绝缘材料为硅氧化物、氧化铪、氧化钛、氧化铝或硅氮氧化物。
5.如权利要求3所述的基于导模共振的透明导电氧化物光透过率可调多层超表面，其特征在于，所述第n介质层(8)的厚度为5-50nm。
6.如权利要求1所述的基于导模共振的透明导电氧化物光透过率可调多层超表面，其特征在于，所述透明导电氧化物层(9)的材料为铝掺杂氧化锌、镓掺杂氧化锌或锡铟氧化物。
7.如权利要求1所述的基于导模共振的透明导电氧化物光透过率可调多层超表面，其特征在于，所述第一电极为能与硅形成欧姆接触的金属；不同所述导模共振超表面层的第一电极所接入的电压不同或相同。
8.如权利要求1所述的基于导模共振的透明导电氧化物光透过率可调多层超表面，其特征在于，所述第二电极为能与透明导电氧化物形成欧姆接触的金属；不同所述导模共振超表面层的第二电极所接入的电压不同或相同。
9.如权利要求1所述的基于导模共振的透明导电氧化物光透过率可调多层超表面，其特征在于，所述基底层为氧化硅。
10.一种基于权利要求1所述导模共振的透明导电氧化物光透过率可调多层超表面的调制方法：将平面波入射到所述基于导模共振的透明导电氧化物光透过率可调多层超表面，其中平面波的偏振方向与周期性凹槽方向一致，对第一电极、第二电极施加电压，使得硅介质平板(7)、第n介质层(8)与透明导电氧化物层(9)构成的MOS电容结构的透明导电氧化物层(9)内的载流子浓度随电压变化，从而使透明导电氧化物层(9)的折射率随电压变化，导致导模共振波长偏移，实现光透过率调制；其中，不同所述导模共振超表面层的第一电极与第二电极的电压差不同或相同，该电压差小于第n介质层(8)的击穿电压。
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