CN115980902A - 一种基于二维硒化亚锡的可调波长偏振器及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于二维硒化亚锡的可调波长偏振器及其设计方法，属于新型偏振光学器件领域，偏振器包括带有二氧化硅的硅基底和二维SnSe层；二维SnSe层用于当入射光以不同角度斜射至其表面时，将p光反射率最小值对应的不同波长作为工作波长，实现通过调控入射角对偏振态的动态调控；其中：通过不同入射角、二维SnSe层的厚度、SiO2的厚度以及SnSe复折射率张量构建4×4传输矩阵，获取不同的消光比以及插入损耗；通过消光比和插入损耗构建评价指标，获取评价指标最大值对应的二维SnSe层的厚度以及SiO2的厚度。本发明利用入射角动态调控偏振器工作波长的技术方案无需消耗额外的能量，并且调制效率很高。
Description
技术领域
本发明属于新型偏振光学器件领域，更具体地，涉及一种基于二维硒化亚锡(SnSe)的可调波长偏振器及其设计方法。
背景技术
作为能将一种能将偏振态完美分离的光学元件，偏振器广泛应用于显示与成像、光互连与光通信和光学测量领域。通常制备偏振器主要有三种方法，一种方法是利用某些吸收分子(例如碘分子或者液晶分子))沿特定方向的吸收实现对偏振态的分离，采用该方法制备出的偏振器通常用于显示与成像领域。然而由于吸收分子的化学不稳定性，可能导致上述偏振器无法长期稳定的工作；该偏振器还存在不可回收性以及对环境可能造成污染等问题。由于光通信与光互连领域对集成度要求较高，因而基于光纤或者光栅的偏振器往往拥有较高的集成度或者直接集成在硅或者铌酸锂平台上，然而这种基于光纤或者光栅的偏振器往往需要精细设计，从而导致高昂的仿真与制备成本。最后一种是广泛用于光学测量领域的基于双折射材料的偏振器，这种偏振器利用材料的双折射特性实现对偏振态的分离，具体来说，是利用其块体晶体以特定角度入射，实现偏振态的分离。这种偏振器结构简单无需复杂设计，制备成本低廉。然而，基于双折射材料的偏振器在实现器件小型化和集成化仍然道阻且长。此外，上述三种偏振器的结构一旦固定，就无法实现对其的动态调控与可重构其性能(比如工作波长范围)，尽管液晶型偏振器可以通过外部激励(比如加电压)的方式实现对偏振态的动态调控，然而也存在需要采用外部激励(电压)导致能量的转化上的耗损的问题以及调制速度较慢的问题。因此，如何能够简单且低成本地制备稳定的偏振器，并且实现偏振器的高效动态调控仍然是一项巨大的挑战与空白。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于二维硒化亚锡的可调波长偏振器及其制备方法，旨在解决现有的偏振器的结构一旦固定，将无法实现对其的动态调控与可重构其性能，尽管液晶型偏振器可以通过外部激励的方式实现对偏振态的动态调控，也存在需要采用外部激励导致能量转化上的耗损的问题以及调制速度较慢的问题。
为实现上述目的，一方面，本发明提供了一种基于二维硒化亚锡的可调波长偏振器，包括带有二氧化硅的硅基底和二维SnSe层；二维SnSe层沉积在基底上方；
二维SnSe层用于当入射光以不同角度斜射至其表面时，将p光反射率最小值对应的不同波长作为工作波长，实现通过调控入射角对偏振态的动态调控；
其中，二维SnSe层的厚度以及SiO2的厚度的获取方法为：
通过不同入射角、二维SnSe层的厚度、SiO2的厚度以及SnSe复折射率张量构建4×4传输矩阵，获取不同的消光比以及插入损耗；通过消光比和插入损耗构建评价指标，获取评价指标最大值对应的二维SnSe层的厚度以及SiO2的厚度。
进一步优选地，二维SnSe层的厚度为1nm～1000nm。
进一步优选地，入射角为20°～80°。
进一步优选地，消光比为：
插入损耗为：
评价指标为：
其中，ER为消光比；IL为插入损耗；Rp和Rs分别为不同入射角、不同二维SnSe厚度及不同SiO2厚度条件下SnSe-SiO2-Si多层膜结构的p光和s光的反射率；EI表示先对第i个工作波长和第j个入射角下ERij与ILij作差，再对所有工作波长和入射角下的二者之差求和；N为工作波长总个数；M为入射角总个数。
另一方面，本发明提供了一种基于二维硒化亚锡的可调波长偏振器的设计方法，包括以下步骤：
基于SnSe复折射率张量，利用4×4传输矩阵法计算在不同入射角、不同二维SnSe厚度及不同SiO2厚度条件下SnSe-SiO2-Si多层膜结构的p光和s光的反射率、消光比ER和插入损耗IL；
基于消光比越大且插入损耗越小偏振器性能越好的特性，采用消光比和插入损耗构建评价指标；
选择评价指标最大值对应的二维SnSe厚度及SiO2厚度设计偏振器。
进一步优选地，获取SnSe复折射率张量的方法为：
利用穆勒矩阵椭偏仪获取SnSe复折射率张量；
或测量斜入射条件下的p光和s光的反射率或者p光和s光的反射率与基底的对比度或者p光和s光的反射率差分；
结合消光系数，采用菲尼尔系数法或者4×4传输矩阵法计算得到SnSe复折射率张量。
进一步优选地，消光比为：
插入损耗为：
评价指标为：
其中，ER为消光比；IL为插入损耗；Rp和Rs分别为不同入射角、不同二维SnSe厚度及不同SiO2厚度条件下SnSe-SiO2-Si多层膜结构的p光和s光的反射率；EI表示先对第i个工作波长和第j个入射角下ERij与ILij作差，再对所有工作波长和入射角下的二者之差求和；N为工作波长总个数；M为入射角总个数。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下
有益效果：
本发明提供了一种基于二维硒化亚锡的可调波长偏振器及其设计方法，从结构方面来讲，将二维SnSe与带有SiO2氧化层的Si基底的多层膜结构(SnSe-SiO2-Si)制作成偏振器，无需设计与制作复杂的微纳结构以实现对应的功能(实现通过调控入射角对偏振态的动态调控)，极大地降低了仿真与制备成本，且该多层膜结构能够长期稳定存在，也不会对外界环境造成污染。并且本发明采用将二维SnSe附着在带有SiO2氧化层的Si基底，有利于器件的小型化与集成化，这是因为一方面二维SnSe的横向尺寸可以缩小到微米级别，从而使得整个功能层小型化，另外一方面大部分的集成器件集成在硅基底上，因而本发明与集成化的片上系统有着天然的兼容性；从功能上来讲，随着入射角的增大偏振器的工作波长发生蓝移，基于SnSe-SiO2-Si多层膜结构的高性能偏振器的工作波长可以通过入射角的改变实现动态调控。在传统外部激励(例如加电压)动态调控器件性能的方法中，引入的外部激励将会增加能量的消耗，并且材料对外激励的响应也需要相对更多的时间，而本发明利用入射角动态调控偏振器工作波长的技术方案无需消耗额外的能量，并且调制效率很高。
附图说明
图1是本发明实施例提供的SnSe的复折射率张量；
图2是本发明实施例提供的入射角为θi的入射光入射到SnSe-SiO2-Si多层膜结构上产生的反射光；
图3是本发明实施例提供的SiO2厚度为675nm和SnSe厚度为315nm下的p光和s光的反射率Rp和Rs；
图4是本发明实施例提供的SiO2厚度为675nm和SnSe厚度为315nm下的消光比ER和插入损耗IL。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
一方面，本发明提供了一种基于二维硒化亚锡(SnSe)的可调波长偏振器及其制备方法，通过将二维SnSe与带有二氧化硅(SiO2)的硅(Si)基底的多层膜结构(SnSe-SiO2-Si)制作成偏振器，其目的在于在斜入射的情况下实现工作波长动态可调的偏振器，为光学仪器的小型化和集成化打下基础。
更为具体地，本发明提供了一种基于二维硒化亚锡(SnSe)的可调波长偏振器，包括带有SiO2氧化层的Si基底和基底表面的二维SnSe层，应用时二维SnSe的厚度为1nm-1000nm，并将二维SnSe附着于基底表面；入射光的入射角为20°-80°；
另一方面，本发明提供了对应偏振器的设计方法，包括以下步骤：
S1：利用穆勒矩阵椭偏仪获取SnSe复折射率张量；
优选地，SnSe复折射率张量还可以通过测量斜入射条件下的p光和s光的反射率或者p光和s光的反射率与基底的对比度或者p光和s光的反射率差分；利用传输矩阵法或者菲尼尔系数法或者4×4传输矩阵法计算得到SnSe复折射率张量的理论值，采用理论值拟合测量值，最终优化得到SnSe复折射率张量；
S2：利用4×4传输矩阵法计算在不同入射角、不同二维SnSe厚度及不同SiO2厚度条件下SnSe-SiO2-Si多层膜结构的p光和s光的反射率Rp和Rs、消光比(Extinction ratio)ER和插入损耗(Insertion loss)IL；
更为具体地，SnSe-SiO2-Si多层膜结构的4×4传输矩阵T可以表示为
其中，
逆矩阵，可以表示为
其中，Ni(＝1)为空气折射率，θi为入射角；
Lt为退出矩阵，可以表示为
Nt为Si基底复折射率，cosθt则可以表示为
Tj,part(-dj)表示厚度为dj的第j层的部分传输矩阵，包括厚度为d1的SnSe的部分传输矩阵T1,part(-d1)和厚度为d2的SiO2的部分传输矩阵T2,part(-d2)，二者均可表示为
上式中，ω(＝2πc/λ,λ为入射光波长)为入射光角频率，c为真空中的光速，ΔB,j为第j层对应的一个4×4矩阵，为不失一般性，可写作
其中Kxx＝Nisinθi，Ni(＝1)为空气的折射率；εmn,j(m,n＝x,y,z)表示的是在规定的坐标系中的第j层的介电张量；这里令主轴与规定坐标系重合，对于正交晶系的SnSe，有
其中，εa、εb和εc分别表示SnSe晶轴a、b和c方向的介电函数；而SnSe的介电张量可以通过复折射率张量转化得到，即
对于SiO2而言，由于是各向同性材料，其沿三个主轴方向介电函数均为
且同样可以通过介电函数与复折射率之间的关系
转化得到，即
通过计算上述逆矩阵
SnSe和SiO2层对应的T1,part(-d1)和T2,part(-d2)以及退出矩阵Lt，最终得到4×4传输矩阵T，并以矩阵的形式给出：
从而Rp和Rs可以分别通过4×4传输矩阵T计算得到，即：
和
在得到Rp和Rs后，消光比ER和插入损耗IL则可以分别表示为：
和
更为具体地，不同入射角、不同二维SnSe厚度及不同SiO2厚度条件下SnSe-SiO2-Si多层膜结构的Rp和Rs、ER和IL还可以通过时域有限差分(finite difference time domain,FDTD)法计算得到；
更为具体地，不同入射角、不同二维SnSe厚度及不同SiO2厚度条件下SnSe-SiO2-Si多层膜结构的Rp和Rs、ER和IL还可以通过传输矩阵法或者菲尼尔系数计算得到；
S3：由于可能存在多组二维SnSe厚度及SiO2厚度条件下，不同入射角对应的SnSe-SiO2-Si多层膜结构偏振器的工作波长均相同的情况，考虑到ER越大且IL越小对应的偏振器的性能越好，这里给出评价指标(Evaluation index)EI来确定最终二维SnSe厚度及SiO2厚度：
其中，EI表示的是先对第i个工作波长和第j个入射角下ERij与ILij作差，再对所有工作波长(工作波长总个数为N)和入射角(入射角总个数为M)下的二者之差求和；该评价指标综合了ER和IL对偏振器性能评价，并且EI越大说明偏振器性能越好；因此，可以选择EI最大值对应的二维SnSe厚度及SiO2厚度作为性能最佳的偏振器对应的二维SnSe厚度及SiO2厚度。
实施例
设计工作波长为955nm、1100nm和1184nm且可动态调控工作波长的偏振器，具体步骤如下：
S1：采用穆勒矩阵椭偏仪获取SnSe的复折射率张量，如图1所示；
由于SnSe的晶体结构属于正交晶系，因而其复折射率张量可以表示为：
其中，Na、Nb和Nc分别为沿SnSe晶轴a、b和c方向的复折射率；na、nb和nc分别为沿SnSe晶轴a、b和c方向的折射率；ka、kb和kc分别为沿SnSe晶轴a、b和c方向的消光系数k；
尽管在图1中沿着SnSe的b和c晶轴方向的复折射率Nb和Nc在整体的趋势上保持一致，但是在具体的峰位、峰强甚至是是否存在峰位均存在明显差别；由于SnSe层间范德华相互作用明显不同于层内共价相互作用，导致a晶轴方向的复折射率Na与层内的复折射率Nb和Nc完全不同，复折射率沿晶轴方向的巨大差异为设计基于SnSe的偏振器打下了基础；
S2：利用4×4传输矩阵法计算如图2所示的入射角从70°到80°且间隔5°、不同二维SnSe厚度(1-1000nm)及不同SiO2厚度条件下SnSe-SiO2-Si多层膜结构的p光和s光的反射率Rp和Rs、消光比ER和插入损耗IL；
S3：采用评价指标EI最终确定在工作波长为955、1100和1184nm下的SiO2和SnSe厚度分别为675和315nm，图3和4分别为该SiO2厚度和SnSe厚度下的Rp和Rs、ER和IL。
在图3中，从70°到80°下的Rs始终维持在一个较高的水平(高于大约0.5左右)，对应图4中在955、1100和1184nm工作波长下的IL分别为1.1、1.1和1.7dB；从70°到80°下的Rp最小值对应的波长——也即偏振器的工作波长(955、1100和1184nm)——随着入射角的增大而发生蓝移，这表明基于SnSe-SiO2-Si多层膜结构的高性能偏振器的工作波长可以通过入射角的改变实现动态调控，且该偏振器在工作波长下的ER分别为35dB、71dB和21dB。
综上所述，本发明与现有技术相比，存在以下优势：
本发明提供了一种基于二维硒化亚锡的可调波长偏振器及其设计方法，从结构方面来讲，将二维SnSe与带有SiO2氧化层的Si基底的多层膜结构(SnSe-SiO2-Si)制作成偏振器，无需设计与制作复杂的微纳结构以实现对应的功能(实现通过调控入射角对偏振态的动态调控)，极大地降低了仿真与制备成本，且该多层膜结构能够长期稳定存在，也不会对外界环境造成污染。并且本发明采用将二维SnSe附着在带有SiO2氧化层的Si基底，有利于器件的小型化与集成化，这是因为一方面二维SnSe的横向尺寸可以缩小到微米级别，从而使得整个功能层小型化，另外一方面大部分的集成器件集成在硅基底上，因而本发明与集成化的片上系统有着天然的兼容性；从功能上来讲，随着入射角的增大偏振器的工作波长发生蓝移，基于SnSe-SiO2-Si多层膜结构的高性能偏振器的工作波长可以通过入射角的改变实现动态调控。在传统外部激励(例如加电压)动态调控器件性能的方法中，引入的外部激励将会增加能量的消耗，并且材料对外激励的响应也需要相对更多的时间，而本发明利用入射角动态调控偏振器工作波长的技术方案无需消耗额外的能量，并且调制效率高。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于二维硒化亚锡的可调波长偏振器，其特征在于，包括：带有二氧化硅的硅基底和二维SnSe层；所述二维SnSe层沉积在基底上方；
二维SnSe层用于当入射光以不同角度斜射至其表面时，将p光反射率最小值对应的不同波长作为工作波长，实现通过调控入射角对偏振态的动态调控；
其中，二维SnSe层的厚度以及SiO2的厚度的获取方法为：
通过不同入射角、二维SnSe层的厚度、SiO2的厚度以及SnSe复折射率张量构建4×4传输矩阵，获取不同的消光比以及插入损耗；通过消光比和插入损耗构建评价指标，获取评价指标最大值对应的二维SnSe层的厚度以及SiO2的厚度。
2.根据权利要求1所述的可调波长偏振器，其特征在于，所述二维SnSe层的厚度为1nm～1000nm。
3.根据权利要求1或2所述的可调波长偏振器，其特征在于，所述入射角为20°～80°。
4.根据权利要求1或2所述的可调波长偏振器，其特征在于，所述消光比为：
所述插入损耗为：
所述评价指标为：
其中，ER为消光比；IL为插入损耗；Rp和Rs分别为不同入射角、不同二维SnSe厚度及不同SiO2厚度条件下SnSe-SiO2-Si多层膜结构的p光和s光的反射率；EI表示先对第i个工作波长和第j个入射角下ERij与ILij作差，再对所有工作波长和入射角下的二者之差求和；N为工作波长总个数；M为入射角总个数。
5.一种基于权利要求1所述的二维硒化亚锡的可调波长偏振器的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
基于SnSe复折射率张量，利用4×4传输矩阵法计算在不同入射角、不同二维SnSe厚度及不同SiO2厚度条件下SnSe-SiO2-Si多层膜结构的p光和s光的反射率、消光比和插入损耗；
基于消光比越大且插入损耗越小偏振器性能越好的特性，采用消光比和插入损耗构建评价指标；
选择评价指标最大值对应的二维SnSe厚度及SiO2厚度设计偏振器。
6.根据权利要求5所述的设计方法，其特征在于，获取SnSe复折射率张量的方法为：
利用穆勒矩阵椭偏仪获取SnSe复折射率张量；
或测量斜入射条件下的p光和s光的反射率或者p光和s光的反射率与基底的对比度或者p光和s光的反射率差分；
结合消光系数，采用菲尼尔系数法或者4×4传输矩阵法计算得到SnSe复折射率张量。
7.根据权利要求5或6所述的设计方法，其特征在于，所述消光比为：
所述插入损耗为：
所述评价指标为：
其中，ER为消光比；IL为插入损耗；Rp和Rs分别为不同入射角、不同二维SnSe厚度及不同SiO2厚度条件下SnSe-SiO2-Si多层膜结构的p光和s光的反射率；EI表示先对第i个工作波长和第j个入射角下ERij与ILij作差，再对所有工作波长和入射角下的二者之差求和；N为工作波长总个数；M为入射角总个数。
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- 2022-12-15 CN CN202211614427.1A patent/CN115980902B/zh active Active
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|---|
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN115980902B (zh) | 2024-01-16 |
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