CN115128714A - 一种基于非厄米超表面的非互易传输器件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于非厄米超表面的非互易传输器件。本发明提供了一种可集成的周期性超表面,此周期性结构的基本单元自上而下分别由第一耦合结构,中间介质层,第二耦合结构和基底层依次堆叠而成,其中第一耦合结构和第二耦合结构尺寸上互补。当x方向偏振光从基底层入射时,反射波与结构被激发出的再辐射波相抵消,表现出偏振敏感吸收,实现非互易传输的效果。当x方向偏振光从第一耦合结构入射时,器件表现出近乎全反射的能力。本发明是基于非厄米超表面理论设计的光学器件,有助于非厄米光学理论的完善,同时由于其尺寸小、易于集成,在未来高集成度的光互连系统中具有极高的应用潜力。

Description

一种基于非厄米超表面的非互易传输器件
技术领域
本发明涉及新型人工电磁材料和非厄米物理领域。具体涉及一种基于非厄米超表面的非互易传输器件。
背景技术
1998年,华盛顿大学的Bender教授提出了宇称时间(Parity-time,PT)对称理论,满足PT对称的非厄米系统也可以有实数解,自该理论被提出后,人们积极寻求验证。因为电子薛定谔方程和近轴光学波动方程在数学形式上具有相似性,势函数可以类比为光学系统中的复折射率分布n(x)=nR(x)+inI(x),且光学系统可以引入增益和损耗调节折射率虚部来更精确的控制非厄米哈密顿量,所以光学系统成为了一个研究非厄米的重要平台。
非厄米光学光学系统存在两种状态,当系统的增益大于损耗时,系统处于PT对称相,此时哈密顿量本征值为实数,当系统的增益小于损耗时,系统处于PT对称破缺相,此时哈密顿量本征值为复共轭对,即当折射率虚部增加时,系统会产生自发的PT对称破缺。这两个相的分界处被定义为非厄米奇异(Exceptional Point,EP),在奇异点处系统的多个本征态简并,并伴随很多新颖的物理现象产生,其中,非对称传输是近年来备受关注的研究方向。
超表面是近年来出现的一种亚波长单层或多层堆叠的二维平面结构。经过设计的超材料可以和入射光的电场或磁场发生耦合,以实现对入射电磁波的振幅,偏振,和相位的灵活调控。目前,超表面已被用来实现偏振转换、聚焦、全息成像、电磁隐身等诸多功能,超表面体积小、重量轻、易集成的特点使得其具有替代传统光学结构的潜力。
本专利拟设计一种基于非厄米超表面的非互易传输器件,可以实现高对比度的非互易传输,这种性质使得该器件在全光系统中可以作为光学滤波器、吸收器件以及光学隔离器等。同时所设计的超表面结构尺寸小、易于集成,且和现有的CMOS工艺结合紧密,具有量产潜力及较好的应用前景。
发明内容
本发明提出一种尺寸小,易于集成的基于非厄米超表面奇异点效应的非互易传输器件,实现高对比度的非互易传输效果。
本发明采用技术方案如下:
基于非厄米超表面设计的近红外非互易传输器件,由多个基本单元按周期性排列组成,所述基本单元包括从上到下依次堆叠的第一耦合结构、中间介质层、第二耦合结构以及二氧化硅基底层。
当近红外光从二氧化硅基底层入射进非互易传输器件时,反射波和非互易传输传输器件中被激发的再辐射波发生相消干涉,从而实现高吸收,且吸收表现出偏振敏感特性。如果近红外光从第一耦合结构入射,则结构表现出近乎全反射的反射能力。因此所述非互易传输器件的反射率对于近红外光的入射方向具有选择性。
所述非互易传输器件为叠层结构;所述第一耦合结构为长方体金属棒周期阵列;第二耦合结构为具有周期开槽的金属背板,金属背板上的周期开槽为长方形槽孔,所述第二耦合结构中的长方形槽孔与第一耦合结构中的长方体金属棒形状上互补且正交。
所述第一耦合结构与具有第二耦合结构之间为构造谐振腔的中间介质层。
优选地,所述第二耦合结构下方为二氧化硅基底层。
优选地,所述第一耦合结构和第二耦合结构的材料为银。所述中间介质层结构为光刻胶AR-N4340,其在近红外波段内用柯西色散公式表征,如下:
Figure BDA0003722637570000021
其中λ是入射波长,N0=1.599,N1=81.4,N2=81.4。
优选地,所述二氧化硅基底层所用材料为折射率为1.4的二氧化硅或者其他折射率相近的材料。
所述非互易传输器件由基本单元周期性排列组成,优选地,所述周期阵列的周期为p=1000nm。
优选地,所述基本单元中,所述长方体金属棒的长度l=645-655nm,宽度w=115-125nm,厚度h1=35-45nm;所述具有开槽的金属背板的厚度h3=35-45nm。所述具有开槽的金属背板中的长方形槽孔具有和长方体金属棒一样的长度l=645-655nm,宽度w=115-125nm。
优选地,所述中间介质层厚度为h2=90-110nm。
优选地,所述基底层厚度h4为1000-2000nm。
所述器件基于非厄米超表面奇异点产生理论,经过特殊的结构设计,其散射矩阵本征值和本征态同时简并,在奇异点处表现出非互易传输的现象。
非互易传输器件在2173nm处表现出高吸收响应。当近红外光从另一方向入射时,非互易传输器件表现出近乎全反射。
由于金属周期结构具有不对称性。所以非互易传输器件表现出偏振敏感特性。
本发明的一种基于非厄米超表面的非互易传输器件,可以实现高对比度的非互易传输,这种性质使得该器件在全光系统中可以作为光学滤波器、吸收器件以及光学隔离器等。同时所设计的超表面结构尺寸小、易于集成,且和现有的CMOS工艺结合紧密,具有量产潜力及较好的应用前景。
本发明是基于非厄米超表面理论设计的光学器件,有助于非厄米光学理论的完善,同时由于其尺寸小、易于集成,在未来高集成度的光互连系统中具有极高的应用潜力。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明:
附图1是本发明所述基于非厄米超表面的非互易传输器件的外观示意图;
附图2是本发明非互易传输器件中的基本单元结构示意图;
附图3是本发明实施例的非互易传输器件基本单元的俯视透视图;
附图4是本发明实施例的非互易传输器件的正面示意图;
附图5是本发明实施例的x方向偏振光入射下前向反射、透射、吸收示意图;
附图6是本发明实施例的x方向偏振光入射下背向反射、透射、吸收示意图;
附图7是本发明实施例在前向(实线)及背向(虚线)垂直入射时的反射谱示意图;
图中:1-第一耦合结构;2-中间介质层;3-第二耦合结构;4-二氧化硅基底层。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述,显然所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。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。
本器件可视作一个双端口散射系统,其光学特性可以用散射矩阵S来描述,其定义为:
Figure BDA0003722637570000041
其中t表示系统的复透射系数,rf和rb分别代表光从前向端口和背向端口入射时的复反射系数,由于光学系统在传输方向上的互异性,所以光从两个端口入射的透射系数是相等的,易得散射矩阵的本征值为
Figure BDA0003722637570000042
类比于量子系统的哈密顿量,散射矩阵表征了开放光子系统中麦克斯韦方程稳态下的输入输出关系,同样地,时空对称光学系统也会有自发的对称性破缺,即当rf或rb的值为零时,散射矩阵的本征值和本征态将同时简并,此时本征态对应于非互易传输光学传播状态。通过调整尺寸参数,可以构造出具有非互易传输性质的光学奇异点。
实施例:
本发明实施例通过电磁仿真软件CST进行设计优化,选取入射光的传输方向与z轴平行,入射线偏振光的偏振方向为x方向。
如图1-2所示,基于非厄米超表面设计的非互易传输器件,所述器件由图2所示的基本单元在x和y方向上周期性排列组成。图2所示基本单元中包括第一耦合结构1(即长方体金属棒结构)、中间介质层2、第二耦合结构3(即具有长方形开槽的金属背板)以及二氧化硅基底层4;为与实际生产工艺结合,金属背板3的槽孔中填充与中间介质层2相同的材料光刻胶AR-N4340。
当近红外激光从二氧化硅基底层入射时,非互易传输器件对入射近红外光反射率趋近于0,当近红外光从第一耦合结构入射时,非互易传输器件对于入射光接近全反射,使得器件对于近红外光具有非互易传输的能力。
如图2所示,所述基于非厄米奇异点的非互易传输器件为依次堆叠的层状结构,所述第一耦合结构1为周期性排列的长方体金属棒组成的阵列;所述第二耦合结构3为具有周期开槽的金属背板;所述具有周期开槽的金属背板与长方体金属棒互补,并且相对于长方体金属棒旋转90°。所述长方体金属棒与具有开槽的金属背板材料均为银。
所述第一耦合结构1与第二耦合结构3之间为用于给入射波与反射波发生干涉空间的中间介质层2。所述中间介质层2的材料为一种光刻胶AR-N4340,其折射率用柯西色散公式表征:
Figure BDA0003722637570000051
其中λ是入射波长,N0=1.599,N1=81.4,N2=81.4。
所述第二耦合结构3下方为二氧化硅基底层4,所述二氧化硅基底层4所用材料为折射率为1.4的二氧化硅或者其他折射率相近的材料。
所述非互易传输器件由基本单元在x方向和y方向上周期排列组成,所述单元周期为p=1000nm。
如图3所示,所述基本单元中,第一耦合结构1为长方体金属棒,所述第二耦合结构3为具有长方形开槽的金属背板,所述长方体金属棒与长方形槽孔具有相同的长和宽l为650nm,w为120nm,并且长方体金属棒与长方形槽相互正交。
如图4所示,所述基本单元中,第一耦合结构厚度h1为40nm,中间介质层厚度h2为100nm,第二耦合结构厚度h3为40nm,二氧化硅基底层(4)的厚度h4为1500nm。
图5和图6分别为x方向偏振光入射下前向和背向入射时器件的反射、透射、吸收光谱图,当近红外光从背向入射时,在2173nm处有一个趋于零的反射谷,近红外光从背向入射时,由于反射波与器件被激发出的再辐射波发生相消干涉,表现出近乎完美吸收。当前向入射时,则反射率接近于1。因此,非互易传输器件对于近红外光的入射方向有选择反射性。
图7为该发明实施例在x方向偏振光入射下前向和背向入射时的反射光谱图。器件在2173nm处表现出明显的非对称反射。
上述实施例仅用于本发明的补充说明,本文描述的实施例被认为是示例性的而非限制性的,在不脱离本发明的精神下,其他或等同的实施例作出的各种变形和修改,都将落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于非厄米超表面的非互易传输器件,其特征在于:非互易传输器件由多个基本单元按周期性排列组成,所述基本单元包括从上到下依次堆叠的第一耦合结构(1)、中间介质层(2)、第二耦合结构(3)以及二氧化硅基底层(4);通过优化结构参数,所述非互易传输器件对于近红外光的入射方向具有选择性。
2.根据权利要求1所述的一种基于非厄米超表面的非互易传输器件,其特征在于:所述非互易传输器件对于近红外光的入射方向具有选择性,具体表现为:当x偏振近红外光从二氧化硅基底层(4)入射时,反射波和非互易传输器件中被激发出的再辐射波发生相消干涉,表现出x方向偏振增强吸收响应,且吸收表现出偏振敏感特性,此时反射也趋近于零,而当近红外光从第一耦合结构(1)入射时,表现出高反射响应,因此器件对于近红外光的入射方向具有选择性,即为所述非互易传输效果。
3.根据权利要求2所述的一种基于非厄米超表面的非互易传输器件,其特征在于:所述的第一耦合结构(1)为周期性排列的长方体金属棒;所述的第二耦合结构(3)为具有周期开槽的金属背板,金属背板上的周期开槽为长方形槽孔,所述长方形槽孔与长方体金属棒具有相同的长和宽,第一耦合结构(1)和第二耦合结构(3)具有相同的厚度。
4.根据权利要求3所述的一种基于非厄米超表面的非互易传输器件,其特征在于:所述长方体金属棒和长方形槽孔的数量相同并且相互垂直设置。
5.根据权利要求2所述的一种基于非厄米超表面的非互易传输器件,其特征在于:所述第一耦合结构(1)与第二耦合结构(3)之间为提供入射波与反射波发生干涉空间的中间介质层(2);所述第二耦合结构(3)下方为二氧化硅基底层(4)。
6.根据权利要求4所述的一种基于非厄米超表面的非互易传输器件,其特征在于:非互易传输器件的单元周期P为1000nm,第一耦合结构(1)厚度h1为35-45nm,中间介质层(2)厚度h2为90-110nm,第二耦合结构(3)厚度h3为35-45nm,二氧化硅基底层(4)的厚度h4为1000-3000nm。
7.根据权利要求6所述的基于非厄米超表面的非互易传输器件,其特征在于:所述长方体金属棒与长方形槽孔具有相同的长和宽分别为:l为645-655nm,w为115-125nm。
8.根据权利要求7所述的基于非厄米超表面的非互易传输器件,其特征在于:所述第一耦合结构(1)和第二耦合结构(3)材料为金属银;所述中间介质层(2)的材料为一种光刻胶AR-N4340,其折射率用柯西色散公式表征:
Figure FDA0003722637560000021
其中λ是入射波长,N0=1.599,N1=81.4,N2=81.4;
所述二氧化硅基底层(4)所用材料为折射率为1.4的二氧化硅或者其他折射率相近的材料;第二耦合结构(3)的长方形槽孔中填充与中间介质层(2)相同的材料光刻胶AR-N4340。
9.根据权利要求7或8所述的一种基于非厄米超表面的非互易传输器件,其特征在于:所述器件基于非厄米光学体系奇异点生成理论,经过特殊的结构设计,使得非厄米超表面工作在光学奇异点,在奇异点处系统散射矩阵本征值和本征态同时简并,并表现出非互易传输的现象。
10.根据权利要求9所述的一种基于非厄米超表面的非互易传输器件,其特征在于:所述器件按照奇异点构造理论设计,当近红外光从背向入射时,反射谱在2173nm处有一个接近于零的反射谷;当近红外x方向偏振光从前向入射时,近红外光在第一耦合结构(1)处的反射接近于1,不呈现吸收峰。
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