CN117452546B - 一种基于色散补偿机理的双层光栅宽带太赫兹偏振波片 - Google Patents
一种基于色散补偿机理的双层光栅宽带太赫兹偏振波片 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于色散补偿机理的双层光栅宽带太赫兹偏振波片，属于太赫兹技术领域，包括介质光栅层、介质衬底层和金属光栅层，所述介质光栅层和所述金属光栅层分别设置在所述介质衬底层的两侧，所述介质光栅层为偏振波片的正面，所述金属光栅层为偏振波片的反面，所述介质光栅层与所述金属光栅层的光栅取向呈90°夹角。本发明提供的一种基于色散补偿机理的双层光栅宽带太赫兹偏振波片，基于相移色散补偿机理，实现宽带的太赫兹线偏振‑圆偏振以及90°线偏振的偏振态转化。
Description
技术领域
本发明属于太赫兹技术领域，尤其是涉及一种基于色散补偿机理的双层光栅宽带太赫兹偏振波片。
背景技术
太赫兹(THz,1THz＝1012Hz)波，通常指代频率位于0.1-10THz之间的电磁波，处于宏观电子学向微观光子学的过渡区域。太赫兹波特殊的频率位置赋予其宽带、低光子能量、指纹谱性以及高穿透性等独特的电磁特性，因此太赫兹技术在下一代无线通信、光谱探测、生物医学和成像等领域具有广阔的应用前景。然而，上述太赫兹应用的实现离不开高性能太赫兹器件的支撑，例如太赫兹天线、太赫兹探测器、太赫兹相移器、太赫兹隔离器以及太赫兹调制器等等。其中，太赫兹波片作为一类经典的光学元器件，在操控太赫兹偏振态方面具有重要的作用。然而，传统太赫兹波片受限于材料的本征色散，其工作范围一般在较窄频段内，无法满足太赫兹宽带的应用需求。
人工电磁结构的涌现为太赫兹器件的发展带来了新机遇，通过结构参数设计能够实现太赫兹频率、振幅、相位、偏振以及角动量的灵活控制，比如超材料、超表面、光子晶体以及拓扑结构等。就太赫兹偏振器件而言，多种功能的偏振转化器件如线偏振-线偏振转化、线偏振-圆偏振转化通过微结构设计得以实现。为了获得宽带的偏振响应，一方面，研究人员考虑将处于不同工作频点的结构堆叠在一个超材料单元，结果表明其工作带宽得到了显著扩展[Nat.Commun.3,870(2012)]。但是这种方法需要多层结构并且对应各个工作频点同时被激发，这增加了结构的复杂性、降低了器件的工作效率。另一方面，研究人员提出了基于法布里-波罗(F-P)共振以及金属-绝缘体-金属(MIM)模型的太赫兹偏振器，通过三层结构间的局域共振效应使器件的工作带宽得到了很大程度扩展，最为典型的是采用金属光栅-金属短线-金属光栅的三层超材料结构，如Fan等提出基于可旋转的三层金属栅结构，通过调控金属光栅取向可以实现任意的线偏振态输出，其工作带宽在0.3THz左右[Adv.Mater.27,1201(2015)]。然而，这种类型的配置可以作为一个偏振旋转器与可变输出角度的线偏振光，但不能作为四分之一波片工作。
理论上，相移色散控制在操控电磁波的偏振态以及提升工作带宽方面起到了关键作用，若能够有效控制太赫兹波经人工电磁结构后的相移变化规律，打破原本单一结构相移曲线与频率的依赖关系，实现无相移色散或近似零色散，则可以获得器件的宽带偏振响应，例如Cong等首次研究了太赫兹波段的相移色散调控规律，报道了基于双层金属线栅的宽带柔性太赫兹四分之一波片，利用正负相移色散补偿在0.98-1.36THz的宽带范围内实现了线偏振-圆偏振转化[Laser Photonics Rev.8,626(2014)]。上述研究采用较为简单的双层结构单元，并且合理的优化设计结构参数，在不改变每层结构相移色散的同时将其有机的结合，使其在宽带范围内实现相移近似零色散成为可能，这为太赫兹波段开发新型宽带偏振器件提供了新思路。然而由于上述研究多采用金属结构，不可避免的为器件带来了欧姆损耗，并且其工作带宽仍然有限(1THz以内)。
综上所述，传统太赫兹偏振器件依赖天然晶体材料，其受限于材料本身的本征色散问题，工作带宽只能限制在较窄频段，具有亚波长结构特性的人工电磁微结构为THz偏振控制器件的宽带化带来了新的契机，但是器件大多采用金属结构，其欧姆损耗导致器件的效率较低。因此，亟需发展新型高效和宽带消色差偏振控制器件，以满足宽带太赫兹无线通信、太赫兹调控和太赫兹成像需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于色散补偿机理的双层光栅宽带太赫兹偏振波片，解决上述技术存在的太赫兹偏振器件存在的窄带宽以及透射效率低的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于色散补偿机理的双层光栅宽带太赫兹偏振波片，包括介质光栅层、介质衬底层和金属光栅层，所述介质光栅层和所述金属光栅层分别设置在所述介质衬底层的两侧，所述介质光栅层为偏振波片的正面，所述金属光栅层为偏振波片的反面，所述介质光栅层与所述金属光栅层的光栅取向呈90°夹角。
优选的，所述介质光栅层的光栅取向沿着坐标轴的x方向，所述金属光栅层的光栅取向沿着坐标轴的y方向。
优选的，所述介质光栅层在500μm厚的高阻硅片上通过刻蚀加工获得，所述介质光栅层的光栅周期为50μm、占空比为0.7，所述高阻硅片上未被刻蚀的区域为所述介质衬底层；所述金属光栅层在所述介质衬底层远离所述介质光栅层的一侧通过金属材料的蒸镀加工获得，所述金属光栅层的光栅周期为100μm、占空比为0.14。
优选的，所述介质光栅层在太赫兹波段具有正相移色散，相移量随太赫兹频率升高而增大；所述金属光栅层在太赫兹波段具有负相移色散，相移量随太赫兹频率升高而减小；所述介质光栅层与所述金属光栅层的正相移色散和负相移色散共同组合的双层光栅结构为无色散的相移控制。
优选的，当介质光栅层的刻蚀深度分别为70μm或130μm时，对应的双层光栅结构的相移宽带为π/2或π，且对应带宽的1/4波片或1/2波片。
优选的，偏振波片工作时入射光为入射线偏振，且所述入射线偏振方向沿u轴方向与所述介质光栅层的光栅取向呈45°，当所述介质光栅层的光栅的刻蚀深度为70μm时，输出偏振态为出射圆偏振；当所述介质光栅层的光栅的刻蚀深度为130μm时，输出偏振态相较于入射线偏振旋转了90°。
因此，本发明采用上述结构的一种基于色散补偿机理的双层光栅宽带太赫兹偏振波片，具有以下有益效果：
(1)本发明公开的技术方案不同于传统依赖晶体双折射效应的太赫兹波片，该器件基于相移色散补偿的思想，巧妙地将具有正相移色散的介质光栅与具有负相移色散的金属光栅结合，从而复合光栅结构可以在较宽带范围实现近似零相移色散，并且满足振幅相等的条件，因此器件可以获得超出现有设计的工作带宽，几乎覆盖大部分太赫兹辐射范围；
(2)本发明公开的技术方案在不改变其他参数情况下，仅通过改变介质光栅的刻蚀深度，器件可以实现不同频段范围的无色散相移，分别对应于消色差四分之一波片(0.26～3.03THz)和消色差二分之一波片(0.63～1.80THz)；
(3)本发明公开的技术方案基于相移色散补偿思想，当器件满足特殊相位(π/2或π)以及振幅相等条件后即可实现线偏振-线偏振以及线偏振-圆偏振的偏振态转换，器件双层光栅之间不存在相互耦合效应，在排除界面反射后器件的透射基本没有损耗，因此器件具有偏振转化效率高以及透射效率高的优点；
(4)本发明提出的双层光栅结构在太赫兹波段均属于亚波长光栅，可在同一介质硅衬底上设计完成，现有成熟的微纳加工工艺如光刻、蒸镀等完全可以满足其加工要求，并且具有结构简单、成本低等优势。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明介质-金属双层光栅的宽带太赫兹偏振波片三维结构示意图；
图2为本发明双层光栅结构的带参数三维放大图；
图3为本发明单独介质光栅、单独金属光栅以及介质-金属双层光栅结构的相移色散曲线；
图4为本发明介质光栅刻蚀深度为70μm时双层介质-金属光栅结构的振幅透射谱、相移谱偏振转化率的曲线图；其中，(a)是双层介质-金属光栅结构的振幅透射谱和相移谱，对应介质光栅刻蚀深度70μm；(b)是双层介质-金属光栅结构的偏振转化率曲线，对应介质光栅刻蚀深度70μm；
图5为本发明介质光栅刻蚀深度为130μm时双层介质-金属光栅结构的振幅透射谱、相移谱偏振转化率的曲线图；其中，(a)是双层介质-金属光栅结构的振幅透射谱和相移谱，对应介质光栅刻蚀深度130μm；(b)是双层介质-金属光栅结构的偏振转化率曲线，对应介质光栅刻蚀深度130μm；
图6为本发明仿真软件模拟器件在入射面、出射面的电矢量分布图；其中(a)是模拟的双层介质-金属光栅在入射面的瞬态电矢量分布图，对应频率0.8THz、介质光栅刻蚀深度70μm；(b)是模拟的双层介质-金属光栅在出射面的瞬态电矢量分布图，对应频率0.8THz、介质光栅刻蚀深度70μm；(c)是模拟的双层介质-金属光栅在出射面的瞬态电矢量分布图，对应频率1.5THz、介质光栅刻蚀深度130μm；
图7为本发明模拟复合光栅和单独金属光栅的电场分布图；其中(a)是模拟的双层介质-金属光栅在x-z截面的电场分布图，对应频率1.5THz、介质光栅刻蚀深度130μm；(b)是模拟的金属光栅在x-z截面的电场分布图，对应频率1.5THz；
附图标记：
1、介质光栅层；2、介质衬底层；3、金属光栅层；4、入射线偏振；5、出射线偏振；6、出射圆偏振；7、坐标轴。
具体实施方式
以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
实施例
下面将结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
请参阅图1-7，一种基于色散补偿机理的双层光栅宽带太赫兹偏振波片，包括介质光栅层1、介质衬底层2和金属光栅层3，介质光栅层1和金属光栅层3分别设置在介质衬底层2的两侧，介质光栅层1为偏振波片的正面，金属光栅层3为偏振波片的反面，介质光栅层1与金属光栅层3的光栅取向呈90°夹角，介质光栅层1的光栅取向沿着坐标轴7的x方向，金属光栅层3的光栅取向沿着坐标轴7的y方向。其中，介质光栅层1在500μm厚的高阻硅片上通过刻蚀加工获得，介质光栅层1的光栅周期为50μm、占空比为0.7，高阻硅片上未被刻蚀的区域为介质衬底层2；金属光栅层3在介质衬底层2远离介质光栅层1的一侧通过金属材料的传统蒸镀加工获得，金属光栅层3的光栅周期为100μm、占空比为0.14，当介质光栅层1的刻蚀深度分别为70μm或130μm时，对应的双层光栅结构的相移宽带为π/2或π，且对应带宽的1/4波片或1/2波片。介质光栅层1在太赫兹波段具有正相移色散，相移量随太赫兹频率升高而增大；金属光栅层3在太赫兹波段具有负相移色散，相移量随太赫兹频率升高而减小；介质光栅层1与金属光栅层3的正相移色散和负相移色散共同组合的双层光栅结构为无色散的相移控制。具体的，偏振波片工作时入射光为入射线偏振4，且入射线偏振4方向沿u轴方向与介质光栅层1的光栅取向呈45°，当介质光栅层1的光栅的刻蚀深度为70μm时，输出偏振态为出射圆偏振6，当介质光栅层1的光栅的刻蚀深度为130μm，输出偏振态为入射线偏振4旋转90°的出射线偏振5。
实施例
本发明中有两种工作模式的太赫兹偏振波片，即四分之一和二分之一波片，分别对应相移补偿满足π/2和π，并且两种波片工作模式可以通过调控介质光栅色散进行切换。对于工作模式1，器件中介质光栅刻蚀深度为70μm，相移谱线在较低太赫兹频段呈现出正相移色散，与反面金属光栅相移补偿后，复合光栅相移在π/2附近上下波动，满足四分之一波片要求；对于工作模式2，器件中介质光栅刻蚀深度为130μm，相移谱线在较高太赫兹频段呈现出抛物线形分布，与反面金属光栅相移补偿后，复合光栅相移在π附近波动，满足二分之一波片要求。
双层光栅结构是在500μm厚的高阻硅(>10KΩ·cm)晶圆上加工得到，其中正面为深硅刻蚀的介质光栅层1，介质光栅层1的周期为50μm，占空比为0.7，光栅刻蚀深度由刻蚀时间控制，本发明中70μm刻蚀深度对应25min刻蚀时间，130μm刻蚀深度对应40min刻蚀时间；反面为蒸镀的金属光栅层3(金属材料可以是金、银、铝)，金属光栅周期100μm，占空比0.14；除双面的光栅层外，结构中间为介质衬底层2，本发明中介质衬底层2厚度分别为430μm和370μm，双层光栅的带参数结构示意图参见图2。此外，根据图1中坐标所示，本发明中介质光栅层1与金属光栅层3取向分别沿x轴和y轴，分别与入射线偏振4成45°夹角。
本发明中器件工作原理主要依赖光栅结构的相移色散，如图3所示为复合器件的相移色散补偿概念图，项目采用相位色散补偿的思想，将分别具有正相移色散的介质光栅层1(图中带正方形谱线)和具有负相移色散的金属光栅层3(图中带三角形谱线)叠加，目标在宽带范围内实现近似零色散的π/2或π的相位延迟(图中带圆形谱线)。其中，器件工作模式1(四分之一波片：QWP)和工作模式2(二分之一波片：HWP)通过不同的介质光栅刻蚀深度实现两种模式的切换。比如，在工作模式1，理想情况下两种光栅色散相互补偿实现宽带的π/2相移，即宽带QWP；在工作模式2，介质光栅的相位延迟较大但没有达到π，且曲线不均匀存在一定的起伏，而与金属光栅较小的相位延迟结合，刚好满足π的相移量。理论上，当器件满足特殊相位(π/2或π)以及振幅相等条件后即可实现线偏振-线偏振以及线偏振-圆偏振的偏振态转换。
首先讨论器件工作在模式1下的情况如图4，图4中的(a)所示为当介质光栅刻蚀深度为70μm时，复合光栅在x方向的振幅透过率(tx,如图中方形曲线所示)、y方向的振幅透过率(ty,如图中圆形曲线所示)和相移谱线(如图中菱形曲线所示)。从图中可以看到复合光栅在中心宽带范围的振幅大致相等，而相位在π/2附近上下波动，基本满足四分之一波片的要求。利用斯托克斯参量法，可以计算从器件输出的各偏振分量，进而得到器件的偏振转化效率(PCR)，如图4中的(b)所示，器件在0.26-3.03THz的超宽带范围内实现了PCR>90％的偏振转化效率，基本覆盖了常见太赫兹辐射频段，此时器件可作为超宽带四分之一波片使用，实现太赫兹波从线偏振到圆偏振的偏振转化。
其次讨论器件工作在模式2下的情况如图5，图5中的(a)所示为当介质光栅刻蚀深度为130μm时，复合光栅在x，y方向的振幅透过率和相移谱线从图中可以看到复合光栅在0.63-2.5THz范围的振幅相差不大，而相位以频率1.25THz为中心呈抛物线形分布，中心频率处相位值约等于π，基本满足二分之一波片的要求。同样利用斯托克斯参量法，可以计算器件的偏振转化效率(PCR)，如图5中的(b)所示，器件在0.63-1.80THz的宽带范围内实现了PCR>90％的偏振转化率，此时器件可作为宽带二分之一波片使用，实现太赫兹波从90°线偏振的偏振转化。
为了进一步直观表征器件的太赫兹偏振态转换，采用仿真软件模拟了器件在入射面、出射面的电矢量分布以及结构的场分布情况，如图6所示。当入射u轴方向的线偏振时，器件入射面的电矢量分布如图6中的(a)所示，图中箭头代表电矢量的方向。对于模式1，器件在出射面的电矢量随时间变化，瞬态电矢量分布如图6中的(b)所示，当相位变化2π周期时其轨迹为圆形，说明出射偏振态为圆偏振；对于模式2，器件在出射面的电矢量沿v轴方向分布，如图6中的(c)所示，此时器件实现了入射线偏振4的90°偏振转化。此外，为了说明正、反光栅是否存在耦合效应，模拟了复合光栅和单独金属光栅的场分布特性如图7所示，从图7中的(a)和图7中的(b)中能够看出复合结构中介质光栅和金属光栅之间的电场分布近似为平面波，并且与单独金属光栅下的场分布一致，说明双层结构之间不存在耦合，器件的宽带偏振表现主要来自相移色散补偿的贡献。
最后关于器件的工作方法：偏振波片工作时要求入射偏振态为沿u轴方向的入射线偏振4，与介质光栅层1取向呈45°，当介质光栅层1的刻蚀深度为70μm时，器件工作在模式1，入射线偏振4透过器件后转化为出射圆偏振6，在0.26-3.03THz范围内PCR>90％；当介质光栅刻蚀深度为130μm时，器件工作在模式2，入射线偏振4透过器件后旋转了90°即转变为v轴方向的出射线偏振5，PCR>90％工作频段为0.63-1.80THz。
因此，本发明采用上述结构的一种基于色散补偿机理的双层光栅宽带太赫兹偏振波片，基于相移色散补偿的思想，通过控制光栅结构色散，实现宽带的近似零色散相移，其中介质光栅层在太赫兹波段具有显著的正相移色散，即相移曲线随频率升高而逐渐增大、而金属光栅层则表现为负相移色散特性，即相移曲线随频率升高而逐渐减小。将上述两种光栅结合，在同一高阻硅片上设计完成，实现了复合光栅结构的相移色散补偿，并且满足偏振态转换所需的振幅相等条件，使器件作为太赫兹宽带偏振波片成为可能。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (3)
1.一种基于色散补偿机理的双层光栅宽带太赫兹偏振波片，其特征在于：包括介质光栅层、介质衬底层和金属光栅层，所述介质光栅层和所述金属光栅层分别设置在所述介质衬底层的两侧，所述介质光栅层为偏振波片的正面，所述金属光栅层为偏振波片的反面，所述介质光栅层与所述金属光栅层的光栅取向呈90°夹角；
所述介质光栅层在500μm厚的高阻硅片上通过刻蚀加工获得，所述介质光栅层的光栅周期为50μm、占空比为0.7，所述高阻硅片上未被刻蚀的区域为所述介质衬底层；所述金属光栅层在所述介质衬底层远离所述介质光栅层的一侧通过金属材料的蒸镀加工获得，所述金属光栅层的光栅周期为100μm、占空比为0.14；
所述介质光栅层在太赫兹波段具有正相移色散，相移量随太赫兹频率升高而增大；所述金属光栅层在太赫兹波段具有负相移色散，相移量随太赫兹频率升高而减小；所述介质光栅层与所述金属光栅层的正相移色散和负相移色散共同组合的双层光栅结构为无色散的相移控制；
当介质光栅层的刻蚀深度分别为70μm或130μm时，对应的双层光栅结构的相移宽带为π/2或π，且对应带宽的1/4波片或1/2波片。
2.根据权利要求1所述的一种基于色散补偿机理的双层光栅宽带太赫兹偏振波片，其特征在于：所述介质光栅层的光栅取向沿着坐标轴的x方向，所述金属光栅层的光栅取向沿着坐标轴的y方向。
3.根据权利要求2所述的一种基于色散补偿机理的双层光栅宽带太赫兹偏振波片，其特征在于：偏振波片工作时入射光为入射线偏振，且所述入射线偏振方向沿u轴方向与所述介质光栅层的光栅取向呈45°，当所述介质光栅层的光栅的刻蚀深度为70μm时，输出偏振态为出射圆偏振；当所述介质光栅层的光栅的刻蚀深度为130μm时，输出偏振态相较于入射线偏振旋转了90°。
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