宽带可调谐的中红外偏振转换器

摘要

本发明公开一种宽带可调谐的中红外偏振转换器，为立方体结构，其特征在于，包括：由下至上依次设置的衬底、二氧化硅隔离层、石墨烯层，其中衬底采用0.1μm的金，其上面是0.9‑1.3μm的二氧化硅隔离层，最上面是单层石墨烯，石墨烯上设有周期性的矩形打孔阵列，周期为p＝170‑210nm，所述矩形打孔的长为L1＝100‑140nm、宽为L2＝80‑120nm，矩形打孔为45度角朝向即矩形打孔的边与衬底、二氧化硅隔离层、石墨烯层的边夹角为45°。

说明书

技术领域

本发明涉及一种宽带可调谐的中红外偏振转换器。

背景技术

随着中红外(波长3-30μm)科学和技术的快速发展，对该波段的关键器件，包括激光器、探测器、调制器以及各类功能器件的需求也在不断上升。目前基于电子带内子带跃迁的量子级联激光器具有体积小、功率高、室温工作、可调谐等特点，已成为中红外波段主要相干光源；在探测器方面，基于碲镉汞(HgCdTe)的单像素或者焦平面阵列探测器具有无可比拟的热灵敏度，已成为当前主流的中红外探测技术，同时也先后出现了量子阱探测器(QWIP)、量子点(QDIP)以及InAs/GaSb第二型超晶格探测器等新技术并逐渐走向实用化。

除了上述日趋成熟的中红外激光器和探测器外，偏振转换器也是中红外技术的一项关键器件。偏振转换器可以对中红外波的偏振方向进行调控或调制，是红外相干检测、偏振复用无线通讯等领域的关键基础元件。

现有技术中，Hua Cheng等人提出一种基于L-型等离子体平面天线的偏振转换器。该技术方案采用L-型石墨烯的两个局域等离子体模式，实现了可在波长7.7μm-7.8μm(38.5THz-39.0THz)范围内的两个垂直方向上的线偏振光之间的转换。图1为该器件结构示意图，最下层为0.1μm的金膜，向上依次为1.2μm，介电常数为2.25的二氧化硅隔离层和单层L-型石墨烯。图2为器件表面微元结构图，其中L型天线的几何尺寸为L1＝100nm，L2＝50nm，p＝200nm。

图1中标出了入射面及对应的入射光和反射光，入射光的偏振方向为x方向，即Ex与x轴平行。反射光可以分解为与x轴平行的p||分量和与之垂直的p⊥分量。图3为相互垂直偏振方向上的反射率以及偏振转化效率的计算机模拟结果。在7.7μm-7.8μm(38.5THz-39.0THz)的波长范围内，能实现x方向到y方向的偏振转换，其偏振转化效率PCR大于80％。

此外，Jun Ding等人也提出另一种基于L-型等离子体平面天线的偏振转换器。该技术方案采用单层石墨烯的L型挖槽，实现了9.4μm-9.7μm(31THz-32THz)和7.1μm-7.3μm(41THz-42THz)的两个波长范围内的两个垂直方向的线偏振光的转换。最下层为0.1μm的金膜，向上为1.2μm，介电常数为2.1的二氧化硅隔离层，单层石墨烯及其L形挖槽。图3(b)为器件表面微元结构，其中L型天线的几何尺寸为L1＝L2＝100nm，w＝20nm。

图6为相互垂直偏振方向上的反射率以及偏振转化效率的计算机模拟结果。在9.4μm-9.7μm(31THz-32THz)，7.1μm-7.3μm(41THz-42THz)的波长范围内，能实现x方向到y方向的偏振转换，其偏振转化效率PCR大于80％。图7为改变L1后(L1＝70，80，90，100)偏振转化效率的计算机模拟和实验结果。图8为改变介电常数μ后(μ＝0.7eV，0.8eV，0.9eV，1.0eV)偏振转化效率的仿真模拟结果。

发明内容

针对上述现有技术中带宽较小(＜1THz)的共性问题，本发明提供一种本发明实现了中红外宽频带(2THz)且可调谐特性的中红外偏振转换器。

为达到上述发明目的，本发明宽带可调谐的中红外偏振转换器，为立方体结构，其特征在于，包括：由下至上依次设置的衬底、二氧化硅隔离层、石墨烯层，其中衬底采用0.1μm的金，其上面是0.9-1.3μm的二氧化硅隔离层，最上面是单层石墨烯，石墨烯上设有周期性的矩形打孔阵列，周期为p＝170-210nm，所述矩形打孔的长为L₁＝100-140nm、宽为L₂＝80-120nm，矩形打孔为45度角朝向即矩形打孔的边与衬底、二氧化硅隔离层、石墨烯层的边夹角为45°。

有益效果

本发明宽带可调谐的中红外偏振转换器与现有技术具备如下有益效果：

1.本发明基于“矩形打孔石墨烯-介质层-金属层”结构的中红外偏振转换器，实现了宽频带并且可调的优良特性，现有技术尚不存在宽频带可调的偏振转换器。

2.现有技术中偏振转换器的工作带宽有限，小于1THz，本发明提高了中红外偏振转换器工作带宽，达到2THz，是现有技术的两倍以上。在2THz的工作频段内，其偏振转化率(PCR，polarization conversion ratio)超过80％，偏振工作频带可调谐，性能优于现有技术的偏振转换器。

附图说明

图1 L-型天线偏振转化器示意图；

图2器件表面图；

图3(a)反射率、(b)PCR偏振转化率；

图4 L-型天线偏振转化器示意图；

图5器件表面微元结构图；

图6反射率、PCR偏振转化率；

图7改变L1后的PCR结果；

图8改变μ后的PCR结果；

图9中红外偏振转换器结构图；

图10具有单个矩形打孔的结构图；

图11单元结构俯视图；

图12 PCR结果图；

图13费米能级调控后的PCR结果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述。

电磁波属于横波，其电矢量、磁矢量以及波矢方向满足右手定则。其中，电矢量是引起导体中载流子集体运动以及引起介质极化的主要原因。因此，可以通过入射电磁波和反射电磁波电场强度的比值来定义反射率。考虑到电磁波可以分解为相互正交的两个偏振方向，反射率可以写为反射矩阵的形式

其中

x，y为两个相互正交的线偏振电磁波方向，i，r分别表示入射电磁波和反射电磁波。Rmn等于反射电磁波m方向电场分量Emr与入射电磁波n方向电场分量Eni的比值，为相位。根据这一定义Rxy与Rxy之间的相位差为

设入射电磁波为y方向的线偏振电磁波，则偏振转化率PCR可写为

Rxy＝0时，PCR＝0，意味着y方向偏振的入射光经过反射后无x方向偏振光，无偏振转换效应。Ryy＝0时，PCR＝1，意味着y方向偏振的入射光经过反射后无y方向偏振光，即所有反射光均为x方向偏振，实现了相互垂直方向的线偏振光的100％转换效率。0＜PCR＜1时，反射光含有两种偏振方向分量，为椭圆偏振光。由于PCR直接反映了平面天线实现偏振转化的水平，因此用来作为偏振转化器的主要性能指标。

实施例

本实施例，图9是本发明基于矩形结构的偏振转化器的一个单元的三维示意图，器件衬底采用0.1μm的金，再上面是1.1μm的二氧化硅隔离层，最上面0.33nm是石墨烯及其矩形打孔。图10是其中一个单元的示意图，单元周期P为0.19μm，L1＝100nm，L2＝120nm。图11给出了PCR值。由图可知，在6.2μm-6.5μm(46THz-47.8THz)的范围内，偏振转化率PCR值大于80％。此外，在46.3THz(A点)，46.9THz(B点)，二个峰值处的PCR接近100％，意味着这二个频率的入射光激发了矩形天线中的局域等离子体共振，共振峰处入射光完全被天线吸收后通过表面的微纳结构辐射出垂直于原偏振方向的x方向线偏振光。图12、图13分别是A，B两个频率对应的电场分布。从图中可以看出，二个频率对应的响应位置和电场分布各不同。这一结果表明，宽带偏振转化的实现正是二个频率间距适当的共振模式叠加的结果。而现有技术中，L-型天线在响应范围内，只激发了两个共振峰，因此叠加后的相对带宽较小。本技术发明正是因为采用了适当的矩形天线结构，增加了叠加模式的带宽。图12是通过改变费米能级调谐带宽的PCR结果图(费米能级取0.5eV，0.6eV，0.7eV，0.8eV，0.9eV，1.0eV)，随着费米能级增大，其工作宽带右移。

对本发明应当理解的是，以上所述的实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细的说明，以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限定本发明，凡是在本发明的精神原则之内，所作出的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内，本发明的保护范围应该以权利要求所界定的保护范围为准。