双层非对称亚波长介质光栅太赫兹隔离器

摘要

本发明公开了一种双层非对称亚波长介质光栅太赫兹隔离器。本发明采用双层非对称亚波长介质光栅的结构，利用前后两层不同结构的亚波长光栅中不同的导模谐振和一级衍射效应，使得正入射该光栅的THz波正向和反向传输所经历的光路不对称，实现单向隔离传输。该器件最大隔离度接近20dB，正向传输损耗小于5dB。相比于传统磁光隔离器，该器件无需使用外加磁场，对器件工作温度和环境没有特殊要求，大大提高了器件的实用性；采用介质光栅，与金属光栅相比，降低了器件的材料损耗和插入损耗。器件巧妙地将两块不同的介质光栅利用紫外胶封装起来，提高器件使用寿命和稳定性，可应用于太赫兹波光谱、成像、通信和雷达等系统。

说明书

技术领域

本发明属于太赫兹科学技术领域，具体涉及一种太赫兹波隔离器及其工作方法。

背景技术

太赫兹(THz，1THz＝10¹²THz)波是指频率在0.1-10THz(对应的波长为3mm～30μm)范围的 电磁波，这一波段介于微波与光波之间，是电子学与光子学的交叉领域。由于其在电磁波谱 中所处的特殊位置，太赫兹波具有透视性、安全性、高信噪比等许多优越特性，在光谱、成 像和通信等领域具有非常重要的学术和应用价值。隔离器是二端口非互易器件，允许正向光 高效地通过器件，而禁止光反向通过，是通信、雷达等诸多应用系统中的关键器件，主要用 于器件单元间的级间隔离、阻抗匹配、去耦，防止系统中反射回波和散射造成有源器件的损 坏，减少回波带来的附加噪声，提高系统稳定性、可靠性。然而由于长期以来在太赫兹波段 缺乏适合的低损耗、宽带单向传输器件，如隔离器、环形器等，太赫兹应用系统中元件的反 射回波和散射噪声严重地限制了系统的性能。

隔离器的性能主要由两个方面来决定：一是正向传输时的透过率T_for，高的正向透过率 带来低的插入损耗；二是反向波的透过率T_back与正向波透过率之比，即隔离度，表示为 Iso＝-10log(T_back/T_for)，反向波越小、正向波越大，隔离度越大，器件的单向传输能力越强。

隔离器通常需要在器件中引入磁光材料通过光的非互易传输才能实现，由于在太赫兹波 段具有磁光响应的非互易材料十分有限，太赫兹单向传输器件在过去鲜有报道，直到最近， 一些太赫兹波非互易传输机制和器件的研究才有初步进展。Fan等提出了基于铁氧体旋磁材 料的太赫兹光子晶体可调谐环形器[Opt.Commun.2012，285：3763-3769.]，尽管该环形器的隔 离度高达65dB，但此类器件需要在很大的外磁场(大于7T，1特斯拉＝10⁴高斯)下工作，且 工作频率低、带宽窄。Hu等提出了使用半导体旋电材料构成金属-绝缘体-半导体(MIS)结构实 现太赫兹波的单向传输，该器件使用的半导体材料所需的磁场约为1T[Opt.Lett.2012，37， 1895-1897]。然而由于MIS结构其诱导产生的磁表面等离子模式的单向传输能力很弱，使得 该类器件的传输透过率低于60％和隔离度低于30dB。Shalaby等利用SrFe₁₂O₁₉永磁材料首次 在实验上演示了太赫兹法拉第隔离器的单向传输功能，其缺点是该磁光材料对太赫兹波的吸 收较强，导致器件插入损耗大于5dB[NatureCommun.，2013，4：1558]。因此，现有太赫兹磁 光隔离器存在外加磁场大，器件磁滞损耗和插入损耗大，难以加工等缺点，使得太赫兹隔离 器的研制遇到很大的瓶颈。

近年来也有不利用磁光效应光隔离器的报道，具有非常诱人的前景。2012年，Fan等提 出来一种基于非线性效应的光学二极管[Science，2012，335(6067)：447-450]，它像电子二极管 一样具有单向导通功能，在通信波段隔离度可以达到28dB，但受限于太赫兹非线性材料和太 赫兹源的强度，太赫兹波段还没有该类器件的报道。利用非对称光子晶体[ScientificReports， 2012，2]、双层非对称金属光栅[OptLett，2013，38(6)：839-841]以及手性超材料[Phys.Rev.A， 2013，88(2)：023823]等非对称人工电磁微结构，可以实现太赫兹波的非对称传输，即同一偏振 态的太赫兹波沿正反向入射器件其透过率是不同的，这些器件不包含磁光效应或非线性效应， 却具有一定的单向传输功能。其中前两种器件它们的机理是前后向传输的散射或衍射角不同， 导致一定方向入射光的单向传输，这两种器件尚未在太赫兹波段见报道；而手性超材料己在 太赫兹波段被报道，其作为隔离器有一个很大的缺点是它的出射光的偏振态与入射光相比通 常会转过90°，这在许多应用中是不希望遇到的。

综上所述，一方面太赫兹应用系统的发展对高性能太赫兹隔离器的研制有着迫切的需 求，另一方面国内外对太赫兹隔离器的研究却还处于起步阶段，目前报道的太赫兹隔离器在 隔离度、插入损耗、工作带宽等方面还无法满足应用系统的实际需求，急需发展无需外加磁 场、常温工作的高隔离度、低损耗、易加工的太赫兹隔离器。

发明内容

本发明的目的在于提供一种双层非对称亚波长介质光栅太赫兹隔离器，解决背景技术中 太赫兹隔离器的磁场大、低温工作、隔离度低、损耗大、制作困难等关键技术问题。

本发明的技术方案为：采用双层非对称亚波长介质光栅的结构，利用前后两层具有不同 结构的亚波长光栅中不同的零级导模谐振效应和一级衍射效应，使得正入射该光栅的THz波 正向和反向传输所经历的光路是不对称的，一定频段的太赫兹波沿正面入射该非对称亚波长 介质光栅可以透过，而沿反面不能透过，实现单向传输的隔离器功能。

双层非对称亚波长介质光栅太赫兹隔离器包括：两块光栅常数和刻线宽度均不同的亚波 长介质光栅，记为亚波长光栅1和亚波长光栅2，均完全由电阻率大于10KΩ·cm的高阻硅构 成，在500μm厚高阻硅晶片上通过掩膜版光刻和等离子体刻蚀工艺刻蚀深度均为120μm的槽， 形成周期性线状脊和槽组成的深浮雕型光栅结构，其中亚波长光栅1的光栅周期为400μm， 脊宽180μm，亚波长光栅2的光栅周期为440μm，脊宽220μm，两光栅硅基底厚均为380μm。 用紫外树脂胶将亚波长光栅1和亚波长光栅2的浮雕刻线面头对头紧密对齐粘合封装，形成 一块双层非对称亚波长介质光栅。将光栅2基底面记为非对称光栅的正面，光栅1基底面记 为反面。器件大小为1.5mm×1.5mm×0.5mm。

双层非对称亚波长介质光栅太赫兹隔离器的工作方法是：将器件放入太赫兹光路中，由 于器件为被动无源器件，无需施加任何额外电、磁或光作为能源驱动，对环境温度和湿度等 也无特殊要求，常温下即可工作。器件对入射光的入射角度具有较强的依赖性，需要采用正 入射光栅平面的工作方式，正面透射太赫兹波，而反面不透太赫兹波；单向传输的频段必须 工作在亚波长光栅1和光栅2的0级和1级衍射的自由光谱范围内；当入射光偏振方向沿平 行于光栅刻线方向(TE偏振波)时，中心工作频率为0.5、1.15和1.55THz，当入射光偏振 方向沿垂直于光栅刻线方向(TM偏振波)时，中心工作频率为0.5、0.8和1.45THz。

本发明的有益效果和优点是：

1.采用双层亚波长介质光栅结构，利用两层光栅常数和线宽略有不同的亚波长光栅中不 同的零级导模谐振效应和一级衍射效应，实现器件的非对称单向隔离传输。采用全介质材料 构成非对称光栅的方法国内外尚属首次，较之于过去双层非对称金属光栅必须在一级衍射以 上才能获得非对称传输相比，该器件的出射光束质量得到很大提高，最大隔离度接近20dB。

2.采用全介质材料构成单向传输器件，相比于磁光隔离器，无需加入磁光材料，无需使 用外加磁场，对器件工作温度和环境没有特殊要求，大大提高了器件的实用性；

3.采用高阻硅作为介质材料制作成亚波长介质光栅，与金属光栅相比，降低了器件的材 料损耗和插入损耗，该隔离器正向传输损耗小于5dB；

4.采用高阻硅作为器件制作材料，材料成本低廉；采用半导体光刻和等离子体刻蚀工艺 加工光栅器件，制作工艺简单、鲁棒性好；巧妙地将两块不同的介质光栅利用紫外胶封装起 来，易于制作，同时又保护光栅浮雕面不受损坏，提高器件使用寿命和稳定性。

附图说明

图1(a)是双层非对称亚波长介质光栅太赫兹隔离器上视图；

图1(b)是双层非对称亚波长介质光栅太赫兹隔离器三维结构示意图；

图2(a)是亚波长光栅1的显微镜照片；

图2(b)是亚波长光栅2的显微镜照片；

图3(a)是亚波长光栅1的在TE偏振波和TM偏振波下的透射谱线；

图3(b)是亚波长光栅2的在TE偏振波和TM偏振波下的透射谱线；

图4(a)是正向和反向入射的TE偏振波对该隔离器的透射谱线；

图4(b)是正向和反向入射的TM偏振波对该隔离器的透射谱线；

图5是TE偏振波和TM偏振波对该隔离器的隔离度谱线；

图6是该隔离器在1.45THz频率下TM偏振波入射时正向和反向传播的电场分布图；

图中：亚波长光栅1、亚波长光栅2、正向入射太赫兹波3、反向入太赫兹波4。

具体实施方式

本发明的工作原理和方法由下面实例说明：

器件的结构如图1所示，两块光栅常数和刻线宽度均不同的亚波长介质光栅，记为亚波 长光栅1和亚波长光栅2，均完全由电阻率大于10KΩ.cm的高阻硅构成，在500μm厚高阻 硅晶片上通过掩膜版光刻和等离子体刻蚀工艺刻蚀深度均为120μm的槽，形成周期性线状脊 和槽组成的深浮雕型光栅结构。如图2所示，亚波长光栅1的光栅周期为400μm，脊宽180μm， 亚波长光栅2的光栅周期为440μm，脊宽220μm，两光栅硅基底厚均为380μm。用紫外树脂 胶将亚波长光栅1和亚波长光栅2的浮雕刻线面头对头紧密对齐粘合封装，形成一块双层非 对称亚波长介质光栅。将光栅2基底面记为非对称光栅的正面，光栅1基底面记为反面。器 件大小为15mm×15mm×0.5mm。

该器件的基本工作原理如下：采用双层非对称亚波长介质光栅的结构，利用前后两层具 有不同结构的亚波长光栅中不同的零级导模谐振效应和一级衍射效应，使得正入射该光栅的 THz波正向和反向传输所经历的光路是不对称的，实现单向传输的隔离器功能。如图3所示， 亚波长光栅1的导模谐振频率和强度均与亚波长光栅2略有不同，TE波的谐振均发生在0.55 和1.15THz附近，TM波的谐振均发生在0.7和1.2THz附近，亚波长光栅2的谐振频率比亚 波长光栅1稍微向低频移动，谐振强度降低。由光栅方程可知，

d(sini+sinθ)＝mλm＝0，±1，±2...

其中d为光栅常数，两光栅分别为d₁＝400μm，d₂＝440μm，i为入射角，正入射时i＝0，θ是衍 射角，λ为入射光波长，m为衍射级次，取λ＝200μm，两个光栅的一级衍射角分别为θ₁＝30°， θ₂＝27°。亚波长光栅1的一级衍射角大于亚波长光栅2。二者的光栅面贴合在一起形成新的 双层非对称亚波长介质光栅后，当正向光入射器件时，由于光先通过亚波长光栅2，其导模 谐振较弱，光栅常数大，一级衍射角小于后面的亚波长光栅1，从而不能在两层光栅间激发 明显地模式干涉效应，谐振频率附近的透射强度没有受到光栅明显的调制，可以透过光栅。 如图4所示，而当反向光入射器件时，由于光先通过亚波长光栅1，其导模谐振较强，一级 衍射角大于后面的亚波长光栅2，从而在两层光栅层间激发明显地模式干涉效应，对于TE波 来说两个光栅谐振模式的相位处于相干叠加的状态，导致谐振强度进一步叠加增强，谐振带 宽加宽；对于TM波来说两个光栅谐振模式的相位处于相干相消的状态，导致原谐振频率处 出现一个窄带的透过率增强的效应，即诱导透明效应，而新的透射峰频率(如图4b中0.67THz) 两侧产生两个新的强谐振谷(如图4b中0.5THz和0.8THz)。从图5可以看出，无论是TE还 是TM偏振，无论是反向传输时谐振模式的相干叠加还是相干相消，都导致了该光栅器件正、 反向非对称性传输，实现了单向隔离传输的功能。

该器件的工作方法是：将器件放入太赫兹光路中，由于器件为被动无源器件，无需施加 任何额外电、磁或光作为能源驱动，对环境温度和湿度等也无特殊要求，常温下即可工作。 由于器件对入射光的入射角度具有较强的依赖性，需要采用正入射光栅平面的工作方式，正 面透射太赫兹波，而反面不透太赫兹波；单向传输的频段必须工作在亚波长光栅1和光栅2 的0级和1级衍射的自由光谱范围内；如图5所示，当TE偏振波时，中心工作频率为0.5、 1.15和1.55THz，当TM偏振波时，中心工作频率为0.5、0.8和1.45THz。

该器件利用两层光栅常数和线宽略有不同的亚波长光栅中不同的零级导模谐振效应和一 级衍射效应，实现了非对称单向隔离传输。如图5所示，该器件最大隔离度接近20dB，正向 传输损耗小于5dB。图6显示了该隔离器在1.45THz频率下TM偏振波入射时正向和反向传 播的电场分布图，直观地显示出其正向透过太赫兹波，反向禁止太赫兹波透过。

采用全介质材料构成非对称光栅的方法国内外尚属首次，较之于过去双层非对称金属光 栅必须在一级衍射以上才能获得非对称传输相比，该器件的出射光束质量得到很大提高。采 用全介质材料构成单向传输器件，相比于磁光隔离器，无需加入磁光材料，无需使用外加磁 场，对器件工作温度和环境没有特殊要求，大大提高了器件的实用性；采用高阻硅作为介质 材料制作成亚波长介质光栅，与金属光栅相比，降低了器件的材料损耗和插入损耗。器件制 作材料成本低廉，制作工艺简单、鲁棒性好，巧妙地将两块不同的介质光栅利用紫外胶封装 起来，易于制作，同时又保护光栅浮雕面不受损坏，提高器件使用寿命和稳定性。器件幅面 可灵活设计，既可以集成在小型太赫兹固态电子器件和系统中，又可以设计成毫米以上尺寸 的大幅面器件放置在自由空间太赫兹波光谱、成像、通信和雷达等系统中使用，应用范围广 泛。