CN114994809A - 一种透射式动态超构表面器件 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供一种透射式动态超构表面器件，其中，该器件包括：介质基底层，介质基底层的厚度大于目标波长；底层动态超构表面层，底层动态超构表面层由动态超构表面单元阵列组成，每个动态超构表面单元由动态共振主体结构及周围介质填充结构组成；介质缓冲层，介质缓冲层的厚度小于波长；介质热电极层，介质热电极层与底层动态超构表面层和顶层动态超构表面层的距离相同；顶层动态超构表面层，顶层动态超构表面层由动态超构表面单元阵列组成；介质保护层，设置于顶层动态超构表面层的表面；电极对层，两个电极对分设于介质热电极层的两侧，通过金属引线与外部电源相连。实施本申请实施例，可实现宽谱段、高集成度、高调制效率的透射光场调控。

Description

一种透射式动态超构表面器件

技术领域

本申请涉及集成光场调控技术领域，具体而言，涉及一种透射式动态超构表面器件。

背景技术

空间光场调控器件作为关键模块被广泛应用于光通信、成像、显示、加密等多个领域。纯相位调控技术，因其可以最大程度保证调控器件的效率，而收到广泛关注。传统纯相位光场调控技术多依赖液晶材料作为动态响应的来源。受限于液晶材料本身较小的响应范围以及较低的调制速率，传统液晶光场调控器件调制分辨率通常远大于工作波长，导致其调制效率易受到多阶衍射效应的影响。同时液晶调制器件体积通常较大，难以集成。现有集成光场相位调控技术多依赖于半导体材料或金属材料微结构的表面等离激元共振效应。由于材料本身对目标波段的吸收特性，此种方式在相位调制的同时引入能量损耗，极大的限制了调制器件的效率。

发明内容

本申请实施例的目的在于提供一种透射式动态超构表面器件，可以实现宽谱段、高集成度、高调制效率的透射光场调控。

第一方面，本申请实施例提供了一种透射式动态超构表面器件，所述器件包括：

介质基底层，所述介质基底层的厚度大于目标波长；

底层动态超构表面层，所述底层动态超构表面层由动态超构表面单元阵列组成，每个所述动态超构表面单元由动态共振主体结构及周围介质填充结构组成，每个所述动态超构表面单元为正多边形；

介质缓冲层，所述介质缓冲层的厚度小于波长，所述介质缓冲层在目标波段透明；

介质热电极层，所述介质热电极层与所述底层动态超构表面层和顶层动态超构表面层的距离相同，所述介质热电极层在目标波段透明；

顶层动态超构表面层，所述顶层动态超构表面层由动态超构表面单元阵列组成，所述顶层动态超构表面层与所述底层动态超构表面层中每个所述动态超构表面单元的中心位置平齐；

介质保护层，设置于所述顶层动态超构表面层的表面，用于保护所述顶层动态超构表面层，所述介质保护层在目标波段透明；

电极对层，所述电极对层包括至少两个电极对，所述两个电极对分设于所述介质热电极层的两侧，通过金属引线与外部电源相连。

在上述实现过程中，通过底层动态超构表面层和顶层动态超构表面层实现双层对称超构表面结构设计，有效的保证了器件的透射率，解决了当前集成光场调控技术的效率问题，可以实现宽谱段、高集成度、高调制效率的透射光场调控。

进一步地，所述动态共振主体结构沿第一轴轴对称，或所述动态共振主体结构沿第二轴轴对称，或所述动态共振主体结构沿所述第一轴和所述第二轴分别轴对称，所述第一轴和所述第二轴垂直，所述第一轴和所述第二轴分别与所述动态共振主体结构的高度方向垂直。

在上述实现过程中，动态共振主体结构沿第一轴轴对称，或沿第二轴轴对称，或沿第一轴和第二轴分别轴对称。

进一步地，所述动态共振主体结构为柱状结构，包括圆柱结构、方柱结构、拓扑柱状结构中的任意一种，所述动态共振主体结构浸没在所述周围介质填充结构中。

在上述实现过程中，动态共振主体结构的形状不受到限制，可以保证器件的透射率，且浸没在所述周围介质填充结构中，可以得到有效的保护。

进一步地，所述动态共振主体结构的高度小于所述目标波长，所述动态共振主体结构的边长小于所述目标波长。

在上述实现过程中，通过控制动态共振主体结构的高度小于目标波长，动态共振主体结构的边长小于目标波长，有效的消除了器件的高阶衍射，保证了器件的调制效率。

进一步地，所述动态共振主体结构由目标波段不吸收的相变材料组成，包括硫化碲、硒化锑、锗锑碲、锗碲硒、锗碲硒、氧化钒中的任意一种。

在上述实现过程中，利用相变材料组成动态共振主体结构，可以有效地解决集成光场调制的带宽限制的问题。

进一步地，所述介质基底层由目标波段低折射率、低吸收介质材料组成，包括石英玻璃、氮化硅、氧化铝、氧化钛、氧化铪中的任意一种。

在上述实现过程中，低折射率、低吸收介质材料，保证介质基底层不易发生折射。

进一步地，所述底层动态超构表面层的每个所述动态超构表面单元与所述顶层动态超构表面层的每个所述动态超构表面单元的尺寸、形状、材料一致，所述底层动态超构表面层和所述顶层动态超构表面层在目标波段构建对称惠更斯超构表面。

在上述实现过程中，对称超构表面结构设计，构建对称惠更斯超构表面，实现了透射调制过程中振幅与相位调制的解耦，在实现透射光场相位调控的同时保证了器件的透射率。

进一步地，所述介质缓冲层由目标波段低折射率、低吸收介质材料组成，包括石英玻璃、氧化铝、氧化钛、光刻胶、硫化锌中的任意一种。

在上述实现过程中，低折射率、低吸收介质材料不易发生折射，有利于形成缓冲。

进一步地，所述介质热电极层由目标波段透明的热电极材料组成，包括氧化铟锡、石墨烯、掺铝氧化铝中的任意一种。

在上述实现过程中，引入热电极结构，控制动态超构表面共振主体材料的相变过程，可以实现电控光场相位调控，保障器件的集成度。

进一步地，所述介质热电极层在外部电信号作用下同时加热所述底层动态超构表面层和所述顶层动态超构表面层，所述底层动态超构表面层的材料的相态和所述顶层动态超构表面层的材料的相态始终保持一致或高度对称。

在上述实现过程中，介质热电极层加热底层动态超构表面层和顶层动态超构表面层，可以提高导电性能。

本公开的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，或者，部分特征和优点可以从说明书推知或毫无疑义地确定，或者通过实施本公开的上述技术即可得知。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请实施例提供的透射式动态超构表面器件的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的透射式动态超构表面器件的单元结构示意图；

图3为本申请实施例提供的透射式动态超构表面器件的动态共振主体结构采用的相变材料在晶态和非晶态的折射率谱线示意图；

图4为本申请实施例提供的透射式动态超构表面器件的单元结构在外部电信号作用下顶层动态超构表面层与底层动态超构表面层的热场分布仿真结果示意图；

图5为本申请实施例提供的动态超构表面器件的单元结构在入射电磁场作用下的电磁场分布仿真结果示意图；

图6为本申请实施例提供的动态超构表面器件在目标波长的透射振幅与材料相态之间的曲线关系示意图；

图7为本申请实施例提供的动态超构表面器件在目标波长的透射相位与材料相态之间的曲线关系示意图；

图8为本申请实施例提供的动态超构表面器件的宽谱相位调制范围以及相位调制过程的平均透射率曲线示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

下面结合附图和实施例，对本申请的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本申请，但不用来限制本申请的范围。

实施例一

图1是本申请实施例提供的透射式动态超构表面器件的结构示意图，如图1所示，该器件包括：

介质基底层1，介质基底层1的厚度大于目标波长；

底层动态超构表面层2，底层动态超构表面层2由动态超构表面单元阵列组成，每个动态超构表面单元由动态共振主体结构及周围介质填充结构组成，每个动态超构表面单元为正多边形；

介质缓冲层3，介质缓冲层3的厚度小于波长，介质缓冲层在目标波段透明；

介质热电极层4，介质热电极层4与底层动态超构表面层2和顶层动态超构表面层5的距离相同，介质热电极层4在目标波段透明；

顶层动态超构表面层5，顶层动态超构表面层5由动态超构表面单元阵列组成，顶层动态超构表面层5与底层动态超构表面层2中每个动态超构表面单元的中心位置平齐；

介质保护层6，设置于顶层动态超构表面层5的表面，用于保护顶层动态超构表面层5，介质保护层6在目标波段透明；

电极对层7，电极对层7包括至少两个电极对，两个电极对分设于介质热电极层的两侧，通过金属引线与外部电源相连。

其中，底层动态超构表面层2设置于介质基底层1的表面，介质缓冲层3设置于底层动态超构表面层2的表面介质热电极层4设置于介质缓冲层3的中心，顶层动态超构表面层5设置于介质缓冲层3的表面，介质保护层6设置于顶层动态超构表面层5的表面，电极对层7设置于介质热电极层4外围。

如图2所示，为透射式动态超构表面器件的单元结构，在上述实现过程中，通过底层动态超构表面层2和顶层动态超构表面层5实现双层对称超构表面结构设计，有效的保证了器件的透射率，解决了当前集成光场调控技术的效率问题，可以实现宽谱段、高集成度、高调制效率的透射光场调控。

本申请实施例利用亚波长尺度的介质微结构在目标波段的电磁场共振作为光场调控的来源，有效地降低了空间光场调控的分辨率，解决了传统液晶空间光场调控器件的调制分辨率问题。同时，本申请实施例引入了目标波段低损耗的硫系相变材料作为动态响应的来源，结合双层动态超构表面结构设计，在实现透射光场相位调控的同时，有效的保证了器件的透射率以及工作带宽，降低了调制器件损耗，解决了当前集成光场调控技术的效率及带宽问题。

动态超构表面器件透射光场相位响应会随着顶层动态超构表面层5和底层动态超构表面层2动态共振主体结构相变而发生改变，动态超构表面器件透射光场振幅响应始终保持高透过率状态，不受到顶层动态超构表面层5和底层动态超构表面层2动态共振主体结构相变影响或与动态共振主体结构的材料相态弱相关，动态超构表面器件可以在一定的频谱宽度内始终保持相位调制效果，同时保持较高透过率。

介质基底层1能够透过目标波段的光，目标波段包括但不限于可见光波段和近红外波段，示例性地，本申请实施例中的目标波段为中心波长在1550nm附近的近红外波段。介质基底层1的基底材料可以为石英玻璃、氮化硅、氧化铝、氧化钛或氧化铪中的任意一种，本申请实施例中介质基底层1的基底材料为石英玻璃。介质基底层1的厚度远超过目标波长，可选地，介质基底层1的厚度可以为500um，或其他满足要求的任一选择。示例性地，本申请实施例中的介质基底层1的厚度为500um。

示例性地，本申请实施例中底层动态超构表面层2的动态超构表面单元为正方形。动态超构表面单元的周期小于目标波长。可选地，动态超构表面单元的周期选择范围可以为800nm-1200nm，或满足要求的其他任一选择。本申请实施例中动态超构表面单元的周期为930nm。

进一步地，动态共振主体结构沿第一轴轴对称，或动态共振主体结构沿第二轴轴对称，或动态共振主体结构沿第一轴和第二轴分别轴对称，第一轴和第二轴垂直，第一轴和第二轴分别与动态共振主体结构的高度方向垂直。

在上述实现过程中，动态共振主体结构沿第一轴轴对称，或沿第二轴轴对称，或沿第一轴和第二轴分别轴对称。

进一步地，动态共振主体结构为柱状结构，包括圆柱结构、方柱结构、拓扑柱状结构中的任意一种，动态共振主体结构浸没在周围介质填充结构中。

在上述实现过程中，动态共振主体结构的形状不受到限制，可以保证器件的透射率，且浸没在周围介质填充结构中，可以得到有效的保护。

进一步地，动态共振主体结构的高度小于目标波长，动态共振主体结构的边长小于目标波长。

在上述实现过程中，通过控制动态共振主体结构的高度小于目标波长，动态共振主体结构的边长小于目标波长，有效的消除了器件的高阶衍射，保证了器件的调制效率。

进一步地，动态共振主体结构由目标波段不吸收的相变材料组成，包括硫化碲、硒化锑、锗锑碲、锗碲硒、锗碲硒、氧化钒中的任意一种。

在上述实现过程中，利用相变材料组成动态共振主体结构，可以有效地解决集成光场调制的带宽限制的问题。

动态共振主体结构的高度选择范围可以为100nm-500nm，或满足要求的其他任一选择。示例性地，本申请实施例中动态共振主体结构的高度为170nm。动态共振主体结构的边长或直径小于目标波长。动态共振主体结构边长或直径选择范围可以为500nm-1000nm，或其他满足要求的任一选择。共振主体直径为710nm。动态共振主体结构由目标波段低吸收的相变材料组成。本申请实施例中动态共振主体结构的材料为硫化碲。如图3所示，在目标波段，硫化锑材料在晶态和非晶态均保持极低的消光系数，有效降低了调制器件在目标波段的本征吸收。动态共振主体结构周围介质填充结构由目标波段低折射率、低吸收介质材料组成。可选地，介质填充结构材料可以为石英玻璃、氧化铝、氧化钛、光刻胶或硫化锌。示例性地，本申请实施例中介质填充结构材料为石英玻璃。介质填充结构与动态共振主体结构的高度相同。

进一步地，介质基底层1由目标波段低折射率、低吸收介质材料组成，包括石英玻璃、氮化硅、氧化铝、氧化钛、氧化铪中的任意一种。

在上述实现过程中，低折射率、低吸收介质材料，保证介质基底层1不易发生折射。

进一步地，底层动态超构表面层2的每个动态超构表面单元与顶层动态超构表面层5的每个动态超构表面单元的尺寸、形状、材料一致，底层动态超构表面层2和顶层动态超构表面层5在目标波段构建对称惠更斯超构表面。

在上述实现过程中，对称超构表面结构设计，构建对称惠更斯超构表面，实现了透射调制过程中振幅与相位调制的解耦，在实现透射光场相位调控的同时保证了器件的透射率。

进一步地，介质缓冲层3由目标波段低折射率、低吸收介质材料组成，包括石英玻璃、氧化铝、氧化钛、光刻胶、硫化锌中的任意一种。

在上述实现过程中，低折射率、低吸收介质材料不易发生折射，有利于形成缓冲。

本申请实施例中介质缓冲层3材料为石英玻璃。介质缓冲层3的厚度小于波长。可选地，介质缓冲层3厚度选择范围可以为20nm-500nm，示例性地，本申请实施例中介质缓冲层3厚度为50nm。

进一步地，介质热电极层4由目标波段透明的热电极材料组成，包括氧化铟锡、石墨烯、掺铝氧化铝中的任意一种。

在上述实现过程中，引入热电极结构，控制动态超构表面共振主体材料的相变过程，可以实现电控光场相位调控，保障器件的集成度。

介质热电极层4在外部电信号激励下，改变顶层超构表面与底层超构表面共振主体材料的物理相态，进而影响动态超构表面器件的电磁响应。

介质热电极层4在外部电信号作用下同时加热底层动态超构表面层2和顶层动态超构表面层5，底层动态超构表面层2的材料的相态和顶层动态超构表面层5的材料的相态始终保持一致或高度对称。

本申请实施例中，介质热电极层4材料为单层石墨烯。介质热电极层4尺寸大于底层动态超构表面层2和顶层动态超构表面层5的尺寸。可选地，介质热电极层4的尺寸选择范围可以为100um-500um，本申请实施例中介质热电极层4的尺寸为500um。介质热电极层4的形状需要满足超构表面均匀加热需求。可选地，介质热电极层4形状可以为矩形或圆角矩形，或满足要求的其他任一选择。示例性地，本申请实施例中，介质热电极层4形状为矩形。

进一步地，电极对层7由高导电率的电极材料组成，包括金、银、铝中的任意一种。

在上述实现过程中，在电机层使用高导电率的电极材料，可以提高电极对层7的导电性能，有利于与电池进行连接。

本申请实施例中电极对层7的材料为金。电极对设于介质热电极层4表面，与介质热电极层4形成良好欧姆接触。电极对分设于介质热电极层4两侧，通过金属引线与外部电源相连，在外部电信号作用下产生电流，流经介质热电极层4，引发介质热电极层4的电热效应。可选地，电极对形状可以为圆形、矩形、圆角矩形。本申请实施例中电极对形状为矩形。电极对结构尺寸选择范围可以为50um-500um，本申请实施例中，电极对结构尺寸为100um。

介质保护层6由目标波段低折射率、低吸收介质材料组成。可选地，介质缓冲层3材料可以为石英玻璃、氧化铝、氧化钛、光刻胶或硫化锌。示例性地，本申请实施例中介质缓冲层3材料为光刻胶。

在外部电信号激发下，介质热电极层4产生电热效应加热顶层动态超构表面层5和底层动态超构表面层2，引发动态共振主体结构材料相变。不同位置的动态共振主体结构材料的物理相态受到介质热电极层4电热效应的影响，始终保持一致。顶层动态超构表面层5与底层动态超构表面层2受到介质热电极层4电热效应的影响，始终保持一致。示例性地，如图4所示，本申请实施例中顶层动态超构表面层5与底层动态超构表面层2各对应位置的动态共振主体结构的温度分布高度对称。

超构表面器件电磁响应与顶层动态超构表面层5和底层动态超构表面层2的动态共振主体结构相关。目标波段入射电磁场激发超构表面动态共振主体结构米氏共振模式。在外部电信号作用下，动态共振主体结构相变引起的折射率变化导致共振模式散射场发生改变，进而改变超构表面电磁响应。示例性地，如图5所示本申请实施例中目标波段入射电场在顶层动态超构表面层5动态共振主体结构和底层动态超构表面层2的动态共振主体结构同时激发共振强度接近的电偶极子共振模式，两个强度相近的共振模式叠加满足惠更斯共振条件，有效的消除了器件的高阶衍射，保证了器件的调制效率。在外部电信号作用下，顶层超构表面与底层超构表面电偶极子共振模式同时产生共振偏移，产生透射光场相位调控。偏移过程中，上下层共振模式始终保持共振强度接近，满足惠更斯条件，因此器件始终保持高透过率，最终实现对透射光场的纯相位调控。目标波长位置处，透射振幅及相位随动态共振主体结构的材料相态的变化如图6、7所示。

此外，得益相变材料巨大的折射率差异，相变过程中上下层超构表面支持的米氏共振模式经历巨大的光谱偏移。同时由于上下层的对称结构，共振模式偏移过程中始终保持模式对称，也即构建了宽谱可实现的惠更斯超构表面，进而实现宽谱纯相位调制。超构表面的宽谱相位调制效果及透射效率如图8所示。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

Claims (10)

1.一种透射式动态超构表面器件，其特征在于，所述动态超构表面器件包括：

介质基底层，所述介质基底层的厚度大于目标波长；

底层动态超构表面层，所述底层动态超构表面层由动态超构表面单元阵列组成，每个所述动态超构表面单元由动态共振主体结构及周围介质填充结构组成，每个所述动态超构表面单元为正多边形；

介质缓冲层，所述介质缓冲层的厚度小于波长，所述介质缓冲层在目标波段透明；

介质热电极层，所述介质热电极层与所述底层动态超构表面层和顶层动态超构表面层的距离相同，所述介质热电极层在目标波段透明；

顶层动态超构表面层，所述顶层动态超构表面层由动态超构表面单元阵列组成，所述顶层动态超构表面层与所述底层动态超构表面层中每个所述动态超构表面单元的中心位置平齐；

介质保护层，设置于所述顶层动态超构表面层的表面，用于保护所述顶层动态超构表面层，所述介质保护层在目标波段透明；

电极对层，所述电极对层包括至少两个电极对，所述两个电极对分设于所述介质热电极层的两侧，通过金属引线与外部电源相连。

2.根据权利要求1所述的透射式动态超构表面器件，其特征在于，所述动态共振主体结构沿第一轴轴对称，或所述动态共振主体结构沿第二轴轴对称，或所述动态共振主体结构沿所述第一轴和所述第二轴分别轴对称，所述第一轴和所述第二轴垂直，所述第一轴和所述第二轴分别与所述动态共振主体结构的高度方向垂直。

3.根据权利要求2所述的透射式动态超构表面器件，其特征在于，所述动态共振主体结构为柱状结构，包括圆柱结构、方柱结构、拓扑柱状结构中的任意一种，所述动态共振主体结构浸没在所述周围介质填充结构中。

4.根据权利要求3所述的透射式动态超构表面器件，其特征在于，所述动态共振主体结构的高度小于所述目标波长，所述动态共振主体结构的边长小于所述目标波长。

5.根据权利要求4所述的透射式动态超构表面器件，其特征在于，所述动态共振主体结构由目标波段不吸收的相变材料组成，包括硫化碲、硒化锑、锗锑碲、锗碲硒、锗碲硒、氧化钒中的任意一种。

6.根据权利要求1所述的透射式动态超构表面器件，其特征在于，所述介质基底层由目标波段低折射率、低吸收介质材料组成，包括石英玻璃、氮化硅、氧化铝、氧化钛、氧化铪中的任意一种。

7.根据权利要求1所述的透射式动态超构表面器件，其特征在于，所述底层动态超构表面层的每个所述动态超构表面单元与所述顶层动态超构表面层的每个所述动态超构表面单元的尺寸、形状、材料一致，所述底层动态超构表面层和所述顶层动态超构表面层在目标波段构建对称惠更斯超构表面。

8.根据权利要求1所述的透射式动态超构表面器件，其特征在于，所述介质缓冲层由目标波段低折射率、低吸收介质材料组成，包括石英玻璃、氧化铝、氧化钛、光刻胶、硫化锌中的任意一种。

9.根据权利要求1所述的透射式动态超构表面器件，其特征在于，所述介质热电极层由目标波段透明的热电极材料组成，包括氧化铟锡、石墨烯、掺铝氧化铝中的任意一种。

10.根据权利要求1所述的透射式动态超构表面器件，其特征在于，所述介质热电极层在外部电信号作用下同时加热所述底层动态超构表面层和所述顶层动态超构表面层，所述底层动态超构表面层的材料的相态和所述顶层动态超构表面层的材料的相态始终保持一致或高度对称。

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