CN113589406B

CN113589406B - 基于周期性圆环-抛物线型复合孔阵列的数字超表面

Info

Publication number: CN113589406B
Application number: CN202011177423.2A
Authority: CN
Inventors: 王新林; 罗晓清; 欧杰; 骆又麟; 陈志勇; 朱卫华
Original assignee: University of South China
Current assignee: University of South China
Priority date: 2020-10-29
Filing date: 2020-10-29
Publication date: 2022-07-12
Anticipated expiration: 2040-10-29
Also published as: CN113589406A

Abstract

基于周期性圆环‑抛物线型复合孔阵列的数字超表面，包括电介质基底和设于其正上方的金属薄膜。金属薄膜上刻蚀有复数个周期性阵列排布的圆环‑抛物线型单元，圆环‑抛物线型单元包括均贯穿金属薄膜厚度方向的圆环和抛物线型孔，抛物线型孔位于圆环内且抛物线型孔的中心与圆环的圆心重合，抛物线型孔为对称的类“H”形结构，包括轴对称设置的第一抛物线型边与第二抛物线型边。调节从电介质基底方向垂直入射到金属薄膜上的入射光的偏振角度范围，能够构建可编码的一比特、二比特透射数字超表面。本发明结构简单、制作工艺要求低、尺寸小便于集成；具有较高的开关比、功耗低、无泵浦光对信号光及后续光路的干扰。

Description

基于周期性圆环-抛物线型复合孔阵列的数字超表面

技术领域

本发明涉及微纳光子器件领域，特别是一种基于周期性圆环-抛物线型复合孔阵列的数字超表面。

背景技术

近年来，超表面的光学响应特别是近红外区域光谱响应的调控，仍然是开发基于人工数字超表面的实用光学器件的关键挑战。人工数字超表面通常由周期或者准周期排布的亚波长人工单元结构所组成，利用人工数字超表面可以改变电磁波传输特性。人工数字超表面通常分为透射电磁超表面和反射电磁超表面。

现有的用于超表面设计的各种控制机制主要是通过动态地控制电磁波，包括控制电、温度和光学等方法。在光学频段构建动态超表面的典型方法是使用电或光可调二极管，例如中国专利公开号为CN104078771A的发明申请，公开了一种数字式可编程超表面，在金属介质基板上表面蚀刻的微带贴片上集成了一个开关二极管，在两种不同的偏置电压下形成不同的电磁特性从而构建具有两个相位状态的超表面；以及中国专利公开号为CN109326888的发明申请，公开了一种一比特光控数字式超表面，在金属介质基板上侧的两个金属贴片之间设有连接金属贴片的变容二极管，并通过电压偏置线实现相位变化构建数字超表面。然而现有的超表面设计通常需要辅助电源和复杂的控制电路，不仅会增加系统的大小，还会带来不利的串扰。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的上述不足而提供一种基于周期性圆环-抛物线型复合孔阵列的数字超表面，通过在电介质基底上周期性排布圆环-抛物线型复合孔构建数字超表面，并改变入射光的偏振方向，有效调节透射光的透过率，并对不同的透过率进行编码。

本发明的技术方案是：基于周期性圆环-抛物线型复合孔阵列的数字超表面，包括电介质基底和金属薄膜，金属薄膜设置于电介质基底的正上方。

金属薄膜上刻蚀有复数个圆环-抛物线型单元，复数个圆环-抛物线型单元周期性阵列排布于金属薄膜上，所述的圆环-抛物线型单元包括一个贯穿金属薄膜厚度方向的圆环和一个贯穿金属薄膜厚度方向的抛物线型孔，抛物线型孔位于圆环内且抛物线型孔的中心与圆环的圆心重合。

抛物线型孔为对称的类“H”形结构，由依次首尾连接的第一直边、第二直边、第三直边、第一抛物线型边、第四直边、第五直边、第六直边、第二抛物线型边构成，第二直边的长度与第五直边的长度相等，第一直边、第三直边、第四直边和第六直边的长度相等，第一直边与第二直边的夹角、第二直边与第三直边的夹角、第四直边与第五直边的夹角、第五直边与第六直边的夹角均为90度，第一抛物线型边与第二抛物线型边沿第二直边和第五直边的中轴线对称。

本发明进一步的技术方案是：所述电介质基底的电介质材料为石英或苯并环丁烯，电介质基底的厚度为225～350nm；所述金属薄膜的材料为银或金，金属薄膜的厚度为50～150nm。

本发明进一步的技术方案是：所述圆环-抛物线型单元的数量不小于9，复数个圆环-抛物线型单元排列形成的阵列的形状为正方形或长方形，复数个圆环-抛物线型的排列周期为300～900nm。

本发明再进一步的技术方案是：所述圆环的内圆半径为100～250nm，圆环的宽度为20～60nm；所述抛物线型孔的第一直边的长度为25～55nm，第二直边的长度为为100～300nm，第一抛物线型边和第二抛物线型边的极值点到焦点的距离为1.25～10nm，焦点到第二直边和第五直边的中轴线的距离为6.25～35nm。

本发明更进一步的技术方案是：设置从电介质基底方向垂直入射到金属薄膜上的入射光的偏振角度，构建可编码的一比特、二比特数字超表面。

本发明与现有技术相比具有如下特点：

1、本发明的数字超表面仅由电介质基底和具有孔阵列的金属薄膜组成，尺寸小，结构简单且易于制作。

2、本发明的数字超表面仅通过调节入射光的偏振方向，便能有效控制近红外波段光的开关，扩大了表面等离子体光开关的应用场所和适应范围，且操作方便，无泵浦光对信号光及后续光路的干扰。

3、本发明的数字超表面具有较高的开关比，通过改变入射光的偏振方向，能够有效地调节透射光的透过率，通过对不同的透过率进行编码，使得所述超表面能够用作可编码的一比特、二比特数字超表面。

以下结合附图和具体实施方式对本发明的详细结构作进一步描述。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为圆环-抛物线型单元的二维剖面示意图；

图3为圆环-抛物线型单元中第一抛物线型边的示意图；

图4为实施例一在近红外波段的透过率谱；

图5为实施例二在近红外波段的透过率谱；

图6为实施例三在近红外波段的透过率谱。

图7为实施例四在近红外波段的透过率谱。

具体实施方式

实施例一，如图1-4所示，一种基于周期性圆环-抛物线型复合孔阵列的数字超表面，包括电介质基底1和金属薄膜2，金属薄膜2设置于电介质基底1的正上方。

所述电介质基底1的电介质材料为石英，石英的厚度为225nm。电介质基底的电介质材料也可以是其他适合加工的任何电介质，例如苯并环丁烯等。

所述金属薄膜2的材料为银，设置金属薄膜2的材料银的厚度为50nm。金属薄膜2的材料也可以是其他能产生表面等离子体的金属，例如金等。

金属薄膜2上刻蚀有九个圆环-抛物线型单元3，九个圆环-抛物线型单元3周期性阵列排布于金属薄膜2上，九个圆环-抛物线型单元3按照3×3的方式呈正方形排列于金属薄膜2上，其排列周期p为600nm。如图2-3所示，所述的圆环-抛物线型单元3包括一个贯穿金属薄膜厚度方向的圆环3.1和一个贯穿金属薄膜厚度方向的抛物线型孔3.2，抛物线型孔3.2位于圆环3.1内且抛物线型孔3.2的中心与圆环3.1的圆心重合。圆环3.1的内圆半径为102.5nm，圆环3.1的宽度为20nm，即圆环3.1的外圆半径为122.5nm。抛物线型孔3.2的剖面为对称的类“H”形结构，由依次首尾连接的第一直边L1、第二直边L2、第三直边L3、第一抛物线型边S1、第四直边L4、第五直边L5、第六直边L6、第二抛物线型边S2构成，第二直边L2的长度与第五直边L5的长度相等，均为130nm。第一直边L1、第三直边L3、第四直边L4和第六直边L6的长度相等，均为32.68nm。第一直边L1与第二直边L2的夹角、第二直边L2与第三直边L3的夹角、第四直边L4与第五直边L5的夹角、第五直边L5与第六直边L6的夹角均为90度。第一抛物线型边S1与第二抛物线型边S2沿第二直边L2和第五直边L5的中轴线M对称，第一抛物线型边S1和第二抛物线型边S2的极值点（顶点）max1、max2到焦点f1、f2的距离D1为1.25nm，焦点f1、f2到第二直边L2和第五直边L5的中轴线M的距离D2为6.25nm。

将该基于周期性圆环-抛物线型复合孔阵列的数字超表面界定于X、Y、Z笛卡尔正交坐标系，其中X轴、Z轴分别为横向阵列周期方向、纵向阵列周期方向，Y轴垂直于X、Z轴构成的平面，E为入射光的电场强度方向。入射光K从电介质基底1方向垂直入射到金属薄膜2的底侧，并从金属薄膜2的另一侧透射出来形成透射光。

设置入射光的偏振角θ为入射光的偏振方向与Z轴的夹角，调节入射光的偏振角θ为0°或90°，得到前述数字超表面的透射率的情况如图4所示，如何改变入射光K的偏振方向是本领域的公知技术，此处不做赘述。从图4中能够看出，当入射光K的偏振方向沿Z轴方向即θ=0°时，所述数字超表面的透射率的峰值T_ON为0.5045，此时该数字超表面的中心波长λ₁为1276nm，定义该透射率在峰值时数字超表面处于“开”状态，用数码“1”进行模拟；当入射光K的偏振方向沿X轴方向即θ=90°时，在中心波长λ₁为1276nm处定义该透射率T_OFF为0.0032时数字超表面处于“关”状态，用数码“0”进行模拟，数字超表面的开关比=10lg(T_ON/T_OFF) =21.98dB。

当入射光K的偏振方向沿X轴方向即θ=90°时，所述数字超表面的透射率的峰值T_ON为0.3908，此时该数字超表面的中心波长λ₂为1571nm，定义该透射率在峰值时数字超表面处于“开”状态，用数码“1”进行模拟；当入射光K的偏振方向沿Z轴方向即θ=0°时，在中心波长λ₂为1571nm处定义该透射率T_OFF为0.0099时数字超表面处于“关”状态，用数码“0”进行模拟，数字超表面的开关比=10lg(T_ON/T_OFF) =15.96dB。由图4的分析得出通过调节入射光的偏振方向与Z轴的夹角为0°或90°能够构建一比特光控透射数字超表面，能够降低现有光学器件的系统设计和复杂度，且得到具有较高开关比的表面等离子体光开关。

实施例二，实施例二与实施例一的结构类似，区别在于：电介质基底1的电介质材料为石英，石英的厚度为250nm，金属薄膜2的材料为银，设置金属薄膜2的材料银的厚度为60nm，圆环-抛物线型单元3的排列周期为300nm，圆环3.1的内圆半径为101nm，圆环3.1的宽度为23nm，即圆环3.1的外圆半径为124nm。抛物线型孔3.2的第二直边L2的长度与第五直边L5的长度相等，均为140nm。第一直边L1、第三直边L3、第四直边L4和第六直边L6的长度相等，均为25.5nm。第一抛物线型边S1和第二抛物线型边S2的极值点（顶点）max1、max2到焦点f1、f2的距离D1为2.5nm，焦点f1、f2到第二直边L2和第五直边L5的中轴线M的距离D2为12.5nm。图5示出了实施例二的数字超表面在近红外波段的透射率谱。从图5中能够看出，当入射光K的偏振方向沿Z轴方向即θ=0°时，所述数字超表面的透射率的峰值T_ON为0.8263，此时该数字超表面的中心波长λ₁为1253nm，定义该透射率在峰值时数字超表面处于“开”状态，用数码“1”进行模拟；当入射光K的偏振方向沿X轴方向即θ=90°时，在中心波长λ₁为1253nm处定义该透射率T_OFF为0.0329时数字超表面处于“关”状态，用数码“0”进行模拟，数字超表面的开关比=10lg(T_ON/T_OFF) =14.00dB。当入射光K的偏振方向沿X轴方向即θ=90°时，所述数字超表面的透射率的峰值T_ON为0.7309，此时该数字超表面的中心波长λ₂为1613nm，定义该透射率在峰值时数字超表面处于“开”状态，用数码“1”进行模拟；当入射光K的偏振方向沿Z轴方向即θ=0°时，在中心波长λ₂为1613nm处定义该透射率T_OFF为0.0954时数字超表面处于“关”状态，用数码“0”进行模拟，数字超表面的开关比=10lg(T_ON/T_OFF) =8.843dB。由图5的分析得出通过调节入射光的偏振方向与Z轴的夹角为0°或90°能够构建一比特光控透射数字超表面，能够降低现有光学器件的系统设计和复杂度，且得到具有较高的“开”状态透过率的表面等离子体光开关。

实施例三，实施例三与实施例一的结构类似，区别在于：电介质基底1的电介质材料为石英，石英的厚度为350nm，金属薄膜2的材料为银，设置金属薄膜2的材料银的厚度为150nm，圆环-抛物线型单元3的排列周期为900nm，圆环3.1的内圆半径为250nm，圆环3.1的宽度为60nm，即圆环3.1的外圆半径为310nm。抛物线型孔3.2的第二直边L2的长度与第五直边L5的长度相等，均为300nm。第一直边L1、第三直边L3、第四直边L4和第六直边L6的长度相等，均为54.3nm。第一抛物线型边S1和第二抛物线型边S2的极值点（顶点）max1、max2到焦点f1、f2的距离D1为10nm，焦点f1、f2到第二直边L2和第五直边L5的中轴线M的距离D2为35nm。图6示出了实施例三的数字超表面在近红外波段的透射率谱。从图6中能够看出，当入射光K的偏振方向沿Z轴方向即θ=0°时，所述数字超表面的透射率的峰值T_ON为0.732，此时该数字超表面的中心波长λ₁为1518nm，定义该透射率在峰值时数字超表面处于“开”状态，用数码“1”进行模拟；当入射光K的偏振方向沿X轴方向即θ=90°时，在中心波长λ₁为1518nm处定义该透射率T_OFF为0.043时数字超表面处于“关”状态，用数码“0”进行模拟，数字超表面的开关比=10lg(T_ON/T_OFF) =12.31dB。由图6的分析得出通过调节入射光的偏振方向与Z轴的夹角为0°或90°能够构建一比特光控透射数字超表面，能够降低现有光学器件的系统设计和复杂度，且得到单个波长下具有较高开关比的表面等离子体光开关。

由图4、图5和图6的透射率谱的比较得出，通过改变周期性圆环-抛物线型复合孔阵列的结构参数能够在单个波长或者双波长处得到不同的透射率，从而能够对数字超表面的开关比进行调节。

实施例四，实施例四与实施例一的结构相同，区别在于：调节入射光的偏振角θ分别为0°、37°、56°与90°，得到数字超表面的透射率的情况如图7所示。从图7中能够看出，当入射光K的偏振方向沿Z轴方向即θ=0°时，所述数字超表面的透射率的峰值T_ON为0.5045，此时该数字超表面的中心波长λ₁为1276nm，定义该透射率在峰值时数字超表面的状态用数码“11”进行模拟；当入射光K的偏振角θ为37°时，在中心波长λ₁为1276nm处定义该透射率T₁为0.336时数字超表面的状态用数码“10”进行模拟。当入射光K的偏振角θ为56°时，在中心波长λ₁为1276nm处定义该透射率T₂为0.178时数字超表面的状态用数码“01”进行模拟。当入射光K的偏振方向沿X轴方向即θ=90°时，在中心波长λ₁为1276nm处定义该透射率T_OFF为0.0032时数字超表面的状态用数码“00”进行模拟。

当入射光K的偏振方向沿X轴方向即θ=90°时，所述数字超表面的透射率的峰值T_ON为0.3908，此时该数字超表面的中心波长λ₂为1571nm，定义该透射率在峰值时数字超表面的状态用数码“11”进行模拟；当入射光K的偏振角θ为56°时，在中心波长λ₂为1571nm处定义该透射率T₁为0.259时数字超表面的状态用数码“10”进行模拟。当入射光K的偏振角θ为37°时，在中心波长λ₂为1571nm处定义该透射率T₂为0.135时数字超表面的状态用数码“01”进行模拟。当入射光K的偏振方向沿Z轴方向即θ=0°时，在中心波长λ₂为1571nm处定义该透射率T_OFF为0.0099时数字超表面的状态用数码“00”进行模拟。

需要说明的是，为了得到二比特光控透射数字超表面。需要在中心波长λ₁和λ₂处得到四种不同的透过率状态，即透过率T=n(T_ON-T_OFF)/3, (n=0,1,2,3)。由图7的分析得出通过调节入射光的偏振方向与Z轴的夹角为0°、37°、56°与90°时能够构建二比特透过率可调的光控透射数字超表面,能够获得较高的信息传输速度，且易于扩展至更多的比特。由此可知通过调节入射光的偏振方向的角度能够构建一比特、二比特透过率可调的光控透射数字超表面。

Claims

1.基于周期性圆环-抛物线型复合孔阵列的数字超表面，其特征是：包括电介质基底和金属薄膜，金属薄膜设置于电介质基底的正上方；

金属薄膜上刻蚀有复数个圆环-抛物线型单元，复数个圆环-抛物线型单元周期性阵列排布于金属薄膜上，所述的圆环-抛物线型单元包括一个贯穿金属薄膜厚度方向的圆环和一个贯穿金属薄膜厚度方向的抛物线型孔，抛物线型孔位于圆环内且抛物线型孔的中心与圆环的圆心重合；抛物线型孔为对称的类“H”形结构，由依次首尾连接的第一直边、第二直边、第三直边、第一抛物线型边、第四直边、第五直边、第六直边、第二抛物线型边构成，第二直边的长度与第五直边的长度相等，第一直边、第三直边、第四直边和第六直边的长度相等，第一直边与第二直边的夹角、第二直边与第三直边的夹角、第四直边与第五直边的夹角、第五直边与第六直边的夹角均为90度，第一抛物线型边与第二抛物线型边沿第二直边和第五直边的中轴线对称。

2.如权利要求1所述的基于周期性圆环-抛物线型复合孔阵列的数字超表面，其特征是：所述电介质基底的电介质材料为石英或苯并环丁烯，电介质基底的厚度为225～350nm；所述金属薄膜的材料为银或金，金属薄膜的厚度为50～150nm。

3.如权利要求2所述的基于周期性圆环-抛物线型复合孔阵列的数字超表面，其特征是：所述圆环-抛物线型单元的数量不小于9，复数个圆环-抛物线型单元排列形成的阵列的形状为正方形或长方形，复数个圆环-抛物线型的排列周期为300～900nm。

4.如权利要求3所述的基于周期性圆环-抛物线型复合孔阵列的数字超表面，其特征是：所述圆环的内圆半径为100～250nm，圆环的宽度为20～60nm；所述抛物线型孔的第一直边的长度为25～55nm，宽度为100～300nm；第一抛物线型边和第二抛物线型边的极值点到焦点的距离为1.25～10nm，焦点到第二直边和第五直边的中轴线的距离D2为6.25～35nm。

5.如权利要求1-4任一项所述的基于周期性圆环-抛物线型复合孔阵列的数字超表面，其特征是：设置从电介质基底方向垂直入射到金属薄膜上的入射光的偏振角度，构建可编码的一比特、二比特数字超表面。