本發(fā)明屬于太赫茲應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種雙層介質(zhì)-金屬光柵結(jié)構(gòu)的太赫茲波偏振轉(zhuǎn)換與單向傳輸器件。

背景技術(shù)：

太赫茲波是指振蕩頻率在10¹²Hz(1THz＝10¹²Hz)左右的電磁波，這一波段介于微波與光波之間，是電子學(xué)與光子學(xué)的交叉領(lǐng)域。太赫茲波技術(shù)主要涉及太赫茲波輻射源、探測器、傳輸、功能器件及太赫茲波相關(guān)應(yīng)用的研究，其中太赫茲功能器件涉及濾波、調(diào)制、相移、偏振轉(zhuǎn)換等器件。偏振轉(zhuǎn)換元件是將入射光的偏振態(tài)在通過器件后變?yōu)榱硪环N偏振態(tài)的器件，在光譜檢測與傳感、偏振成像、偏振光通信等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。性能優(yōu)良的常規(guī)偏振轉(zhuǎn)換元件應(yīng)可以將線偏振光轉(zhuǎn)過90°，并具有偏振轉(zhuǎn)換率高、損耗小、寬帶工作的特點。用于偏振轉(zhuǎn)換的常規(guī)方法取決于天然雙折射材料的性質(zhì)[J.Infrared Millim.Te.34，663-681(2013)]，這種方法需要沿著晶體的兩個正交光軸的剛好具有π的相位差。由于低雙折射，大損耗，體積龐大和高價格，這些天然雙折射晶體材料在太赫茲波段的應(yīng)用非常有限。同時，因為相位延遲取決于波長，由雙折射材料制成的標(biāo)準(zhǔn)雙折射波片只能在很窄波段使用[Opt.Lett.31，265-267(2006)]。近年來，新型人工電磁微結(jié)構(gòu)器件的興起為太赫茲偏振轉(zhuǎn)化器件的發(fā)展提供了新的思路，通過諸如表面等離子體、超材料、亞波長光柵等人工電磁微結(jié)構(gòu)[Science：305，847-848(2004)]引入人工雙折射，能實現(xiàn)太赫茲波段的高雙折射、低損耗器件，從而得到高性能的太赫茲偏振轉(zhuǎn)換器。然而，現(xiàn)有的人工電磁微結(jié)構(gòu)太赫茲偏振轉(zhuǎn)換器多是由以上兩層的金屬微結(jié)構(gòu)組成的超表面構(gòu)成，多采用反射式結(jié)構(gòu)才能獲得高的反射率和偏振轉(zhuǎn)換率。少數(shù)采用透射式結(jié)構(gòu)的器件[Science，340，1304(2013)]，由于多層金屬結(jié)構(gòu)的存在，嚴(yán)重的阻抗適配帶來很高的損耗，器件透過率低、偏振轉(zhuǎn)換率不高、工作帶寬窄，同時多層金屬結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案給器件的加工帶來很大難度，也增加了制造成本，限制了這類器件的發(fā)展和應(yīng)用。

另一方面，太赫茲通信、光譜和成像等應(yīng)用系統(tǒng)中要求高性能的單向傳輸器件，即光從器件一端可以透過，而不能從另一端返回，從而起到保護光源、減低傳輸噪聲、提高阻抗匹配的作用。實現(xiàn)單向傳輸通常需要在器件中引入磁光材料實現(xiàn)光的非互易傳輸才能實現(xiàn)[Science，335，447-450(2012)]。由于在太赫茲波段具有磁光響應(yīng)的非互易材料十分有限，太赫茲單向傳輸器件在過去鮮有報道，直到最近，一些太赫茲波非互易傳輸機制和器件的研究才有初步進展。Fan等提出了基于鐵氧體旋磁材料的太赫茲光子晶體可調(diào)諧環(huán)形器[Opt.Commun.285，3763-3769(2012)]，盡管該環(huán)形器的隔離度高達65dB，但此類器件需要在很大的外磁場(大于7T，1特斯拉＝10⁴高斯)下工作，且工作頻率低、帶寬窄。Shalaby等利用SrFe₁₂O₁₉永磁材料首次在實驗上演示了太赫茲法拉第隔離器的單向傳輸功能，其缺點是該磁光材料對太赫茲波的吸收較強，導(dǎo)致器件插入損耗大于5dB[Nature Commun.，4，1558(2013)]。因此，現(xiàn)有太赫茲磁光隔離器存在外加磁場大，器件磁滯損耗和插入損耗大，難以加工等缺點，使得太赫茲隔離器的研制遇到很大的瓶頸。另一種實現(xiàn)單向傳播的方法是采用空間非對稱結(jié)構(gòu)依賴衍射和偏振效應(yīng)實現(xiàn)非對稱傳輸。利用非對稱光子晶體、雙層非對稱金屬光柵[Opt.Lett.，38，839-841(2013)]以及手性超材料[Phys.Rev.A，88，023823(2013)]等非對稱人工電磁微結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)太赫茲波的非對稱傳輸，即同一偏振態(tài)的太赫茲波沿正反向入射器件其透過率是不同的，這些器件不包含磁光效應(yīng)或非線性效應(yīng)，卻具有的單向傳輸功能。然而這些器件盡管可以實現(xiàn)超過20dB的單向傳輸隔離度，但是由于依賴器件高階衍射效應(yīng)，導(dǎo)致正向傳輸透過率很低，工作帶寬也很窄，影響了器件的實用性。

綜上所述，一方面太赫茲應(yīng)用系統(tǒng)的發(fā)展對高性能太赫茲偏振轉(zhuǎn)換和單向傳輸器件的研制有著迫切的需求，另一方面目前報道的太赫茲偏振轉(zhuǎn)換和單向傳輸器件在偏振轉(zhuǎn)換率、隔離度、插入損耗、工作帶寬等方面還無法滿足應(yīng)用系統(tǒng)的實際需求，急需發(fā)展無需外加磁場、高偏振轉(zhuǎn)換率、高隔離度、低損耗、易加工的太赫茲偏振轉(zhuǎn)換和單向傳輸器件。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種雙層介質(zhì)-金屬光柵結(jié)構(gòu)的太赫茲波偏振轉(zhuǎn)換與單向傳輸器件，解決背景技術(shù)中太赫茲偏振轉(zhuǎn)換元件的工作帶寬小、透過率低等關(guān)鍵技術(shù)問題，同時該器件還具有高隔離度和寬帶太赫茲波單向傳輸?shù)墓δ堋?/p>

本發(fā)明的技術(shù)方案為：包括介質(zhì)光柵層(1)、介質(zhì)襯底層(2)、金屬光柵層(3)，介質(zhì)光柵層(1)和金屬光柵層(3)分別位于介質(zhì)襯底層(2)兩側(cè)，介質(zhì)光柵層(1)為所述器件的正面，金屬光柵層(3)為反面，介質(zhì)光柵層(1)是在介質(zhì)襯底層(2)上刻蝕獲得的周期性排列的柵脊(4)和柵槽(5)組成的浮雕型光柵結(jié)構(gòu)，金屬光柵層(3)是由在介質(zhì)襯底層(2)另一側(cè)鍍上周期性間隔排列的金屬柵條(6)組成金屬線柵，其中，介質(zhì)光柵層(1)的介質(zhì)柵脊取向相對于金屬光柵層(3)的金屬柵條(6)取向夾角為45°。該器件結(jié)合金屬光柵具有高偏振度的偏光特性與介質(zhì)光柵層的人工高雙折射特性，介質(zhì)光柵起到半波片的偏振轉(zhuǎn)換功能，得到偏振光轉(zhuǎn)過90°，而金屬光柵起到檢偏器的功能，只有轉(zhuǎn)過90°的偏振分量才能透過金屬光柵，其余分量被反射。將金屬光柵和介質(zhì)光柵間的襯底層厚度設(shè)計為亞波長尺度，被金屬光柵反射的其他分量的光在金屬光柵層和介質(zhì)光柵層之間形成局域共振，反射光每次經(jīng)過介質(zhì)光柵總有一部分光被旋轉(zhuǎn)到90°偏振分量又可被金屬光柵輸出，剩余繼續(xù)被反射，光在金屬光柵和介質(zhì)光柵組成的光腔中多次 反射，高效地輸出了90°偏振分量。即使那些在介質(zhì)光柵中不滿足π相位差的入射光波長，依然可以經(jīng)歷多次相互作用后部分被金屬光柵輸出，從而將理論上窄帶半波片只有一個頻率點嚴(yán)格90°偏振旋轉(zhuǎn)改善為在寬帶范圍內(nèi)均能實現(xiàn)90°偏振變換。同一偏振態(tài)的線偏光從反面入射金屬光柵時，恰好同樣因為金屬光柵的偏光特性完全不能透過該器件，從而又實現(xiàn)了單向傳輸功能。

雙層介質(zhì)-金屬光柵結(jié)構(gòu)的太赫茲波偏振轉(zhuǎn)換與單向傳輸器件的工作方法是：入射線偏振光(7)的偏振方向應(yīng)與介質(zhì)光柵脊(4)成45°角，同時與金屬光柵條(6)成0°，當(dāng)入射光從所述器件正面入射介質(zhì)光柵層(1)，可以通過器件，出射光仍為線偏振光，偏振態(tài)轉(zhuǎn)過90°，實現(xiàn)偏振轉(zhuǎn)換功能；當(dāng)偏振方向與金屬光柵條(6)成0°的入射光從所述器件反面入射金屬光柵層(3)，不能透過器件。由于該方向的線偏振光正向能透過、反向不能透過該器件，可以實現(xiàn)單向傳輸功能。

本發(fā)明的有益效果和優(yōu)點是：

1.該器件巧妙地結(jié)合了金屬光柵的偏光特性與介質(zhì)光柵的人工高雙折射特性，并將兩個光柵設(shè)計為45°夾角，實現(xiàn)了偏振轉(zhuǎn)換功能，相比于其他偏振轉(zhuǎn)換器，該器件輸出光是完全的90°旋轉(zhuǎn)的線偏振光，而沒有任何其他偏振分量；

2.同一偏振態(tài)的線偏光從反面入射金屬光柵時，恰好同樣因為金屬光柵的偏光特性不能透過該器件，從而又實現(xiàn)了單向傳輸功能，將偏振轉(zhuǎn)換和單向傳輸功能集成到一個器件上，克服了傳統(tǒng)偏振調(diào)控元件功能單一缺點；

3.合理設(shè)計器件幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)，實現(xiàn)了太赫茲波段金屬光柵層和介質(zhì)光柵層之間的局域共振效應(yīng)，正是這一工作機理的作用，相比于其他太赫茲偏振轉(zhuǎn)換器件和單向傳輸器件，該器件顯著地提高了透過率(＞90％)，拓寬了工作帶寬(＞1.0THz)獲得大于95％的偏振轉(zhuǎn)換率和達到30dB的單向傳輸隔離度；

4.本發(fā)明提出的雙層介質(zhì)-金屬光柵結(jié)構(gòu)簡單，在一片介質(zhì)兩側(cè)分別做出兩種光柵結(jié)構(gòu)即可，制備工藝流程簡單可靠，材料成本低廉，適合大規(guī)模的低成本制作。

附圖說明

圖1(a)是雙層介質(zhì)-金屬光柵結(jié)構(gòu)的太赫茲波偏振轉(zhuǎn)換與單向傳輸器件的三維結(jié)構(gòu)示意圖；

圖1(b)是該器件中介質(zhì)光柵層的光學(xué)顯微鏡照片；

圖1(c)是該器件中金屬光柵層的光學(xué)顯微鏡照片；

圖2是該器件中金屬光柵層偏光特性實驗測試譜線；

圖3(a)是該器件中介質(zhì)光柵層雙折射特性曲線；

圖3(b)是介質(zhì)光柵層正交偏振態(tài)位相差實驗測試曲線；

圖4是雙層介質(zhì)-金屬光柵結(jié)構(gòu)的太赫茲波偏振轉(zhuǎn)換與單向傳輸器件的工作原理圖；

圖5(a)是雙層介質(zhì)-金屬光柵結(jié)構(gòu)的太赫茲波偏振轉(zhuǎn)換與單向傳輸器件在不同入射方向和偏振角度條件下的太赫茲振幅透射實驗測試譜線；

圖5(b)是該器件的單向隔離度譜線；

圖6是該器件在0.65THz和1.4THz兩頻率點太赫茲波沿正面入射時偏振態(tài)變化及電場分布示意；

圖中：介質(zhì)光柵層1、介質(zhì)襯底層2、金屬光柵層3、介質(zhì)光柵層?xùn)偶?、介質(zhì)光柵層?xùn)挪?、金屬柵條6、入射線偏振光7。

具體實施方式

以下參照附圖對本發(fā)明所涉及的雙層介質(zhì)-金屬光柵結(jié)構(gòu)的太赫茲波偏振轉(zhuǎn)換與單向傳輸器件做詳細(xì)闡述。

圖1是本發(fā)明涉及的雙層介質(zhì)-金屬光柵結(jié)構(gòu)的太赫茲波偏振轉(zhuǎn)換與單向傳輸器件在實施例中的結(jié)構(gòu)示意圖，結(jié)構(gòu)如下。在厚度為500μm的高阻硅晶圓上一側(cè)刻蝕出周期50μm、柵脊寬度30μm、柵槽深度200μm的介質(zhì)光柵層，高阻硅的電阻率大于10KΩ·cm。在襯底另一側(cè)鍍上周期20μm、金屬柵條寬度14μm的金屬光柵層，金屬材料為金，金層厚度200nm。介質(zhì)光柵層、襯底層、金屬光柵層依次層疊，由正面觀察時，金屬光柵層的柵脊取向相對于介質(zhì)光柵層的柵脊取向順時針45°。

該器件的基本工作原理如下：首先，單獨分析金屬光柵和介質(zhì)光柵在該器件中起到的基本功能。亞波長金屬線光柵對電磁波具有極好的偏振選擇特性，可以幾乎100％透過TM波而完全反射TE波。這里給出了與該器件結(jié)構(gòu)相同的單一金屬光柵(無介質(zhì)光柵結(jié)構(gòu))在高阻硅襯底上的測試結(jié)果，如圖2所示，0°偏振的透過率僅為2％，而90°偏振的透過率為70％，故單個金屬光柵在實驗測試的整個THz波段具有寬帶的、高偏振度的偏光特性，只有偏振態(tài)與金屬光柵層?xùn)偶谷∠蛘坏墓饽軌蛲高^金屬光柵。90°偏振的70％透過率，而不是理想的100％透過率是由于襯底n＝3.4的高折射率硅材料引起的反射帶來的損耗。

由于介質(zhì)光柵層沿著柵脊和垂直于柵脊取向的空間對稱性被破壞，形成兩個不同的偏振模式TE和TM模，如圖3(a)所示，兩種不同偏振模式的有效折射率不同，這表明介質(zhì)光柵層 就具有雙折射效應(yīng)，雙折射率為兩種偏振模式的折射率差為0.4。如此大的雙折射率保證了兩個模式傳播亞波長量級距離后具有充分的位相差，發(fā)生偏振態(tài)的變換。如圖3(b)所示，在0.72THz處，兩個模式的位相差達到180°，即π，這表明在0.72THz處，太赫茲波通過介質(zhì)光柵層時，就會產(chǎn)生偏振轉(zhuǎn)換；此時介質(zhì)光柵層的作用可以理解為半波片，當(dāng)一束線偏光的偏振方向與介質(zhì)光柵柵脊呈45°夾角入射時，在0.72THz附近的光的出射偏振態(tài)將轉(zhuǎn)過90°，成為與入射光偏振態(tài)正交的線偏光，遠離0.72THz的出射光成為橢圓偏振光。以上分析表明經(jīng)過偏振轉(zhuǎn)換之后的太赫茲波，不同頻率會有不同的偏振轉(zhuǎn)換率。

如圖4所示，金屬光柵與介質(zhì)光柵呈45°夾角集成到一個襯底層兩側(cè)時構(gòu)成了該器件，而當(dāng)入射線偏振光的偏振方向與介質(zhì)光柵脊成45°角，同時與金屬光柵條成0°，正面入射介質(zhì)光柵層時，介質(zhì)光柵起到半波片的偏振轉(zhuǎn)換功能，得到偏振光轉(zhuǎn)過90°，而金屬光柵起到檢偏器的功能，只有轉(zhuǎn)過90°的偏振分量才能透過金屬光柵，其余分量被反射。這樣就得到了出射光是嚴(yán)格轉(zhuǎn)過90°的線偏振光，實現(xiàn)了偏振轉(zhuǎn)換的功能。

由于襯底層厚度設(shè)計為亞波長量級，被金屬光柵層反射的其他分量的光在金屬光柵層和介質(zhì)光柵層之間形成局域共振，如圖6所示，該器件在0.65THz頻率點處，通過介質(zhì)光柵層時實現(xiàn)了偏振態(tài)的旋轉(zhuǎn)，并產(chǎn)生沿著傳輸方向的Ez分量，轉(zhuǎn)過90°的分量被金屬光柵輸出，而剩余分量被反射，在介質(zhì)-金屬光柵間形成局域共振，光在金屬光柵和介質(zhì)光柵中往復(fù)，特別是Ez分量完全被束縛在介質(zhì)光柵中和金屬光柵表面；反射光每次經(jīng)過介質(zhì)光柵總有一部分光被旋轉(zhuǎn)到90°偏振分量又可被金屬光柵輸出，剩余繼續(xù)被反射，光在金屬光柵和介質(zhì)光柵組成的光腔中多次反射，高效地輸出了90°偏振分量。即使那些在介質(zhì)光柵中不滿足π相位差的入射光波長，依然可以經(jīng)歷多次相互作用后部分被金屬光柵輸出，從而將理論上窄帶半波片只有一個頻率點嚴(yán)格90°偏振旋轉(zhuǎn)改善為在寬帶范圍內(nèi)均能實現(xiàn)90°偏振變換。然而由于1.4THz處兩種偏振模式的位相差與π差值過大，導(dǎo)致該處偏振轉(zhuǎn)換率很低。如圖5(a)所示，沿正面入射的、偏振態(tài)與金屬柵條取向為0°的太赫茲波在0.2-1.25THz范圍內(nèi)均能實現(xiàn)偏振變換輸出，可用帶寬大于1.0THz，且在0.6-0.9THz波段內(nèi)，偏振轉(zhuǎn)化率和透過率超過90％。

如圖4所示，偏振態(tài)與金屬柵條取向為0°的線偏光從反面入射金屬光柵時，由于沒有先經(jīng)過介質(zhì)光柵進行偏振變換，恰好因為金屬光柵的偏光特性完全不能透過該器件，從而又實現(xiàn)了單向傳輸功能。如圖5(a)所示，沿反面入射的、偏振態(tài)與金屬柵條取向為0°的太赫茲波在0.2-1.4THz范圍內(nèi)透過率不超過2％。如圖5(b)所示，該器件在0.2-1.25THz的寬譜范圍內(nèi)隔離度接近30dB，且在1.2THz附近隔離度大于30dB。

下面舉例介紹器件工作方法：如圖4所示，入射線偏振光(7)的偏振方向應(yīng)與介質(zhì)光柵脊(4)成45°角，同時與金屬光柵條(6)成0°，當(dāng)入射光從所述器件正面入射介質(zhì)光柵層(1)，可以通過器件，透過率超過90％，出射光仍為線偏振光，偏振態(tài)轉(zhuǎn)過90°，實現(xiàn)偏振轉(zhuǎn)換功能，偏振轉(zhuǎn)換率大于95％；如圖4所示，當(dāng)偏振方向與金屬光柵條(6)成0°的入射光從所述器件反面入射金屬光柵層(3)，透過率小于2％，實現(xiàn)單向傳輸功能，單向傳輸隔離度大于30dB。