光学器件和单向导波结构

摘要

本发明涉及微纳光学器件领域，提供了一种光学器件和单向导波结构，实现电磁波的非对称传输。光学器件包括基底以及基底上周期性排列的棱台，所述棱台为金字塔结构。单向导波结构包括吸波材料以及上述的光学器件，所述吸波材料设置在所述单向导波结构的基底的下方，且所述吸波材料与所述单向导波结构的基底接触连接。本发明适用于集成光子器件，可以在很宽的波带范围内实现电磁波的非对称传输。

说明书

技术领域

本发明涉及微纳光学器件领域，尤其涉及光学器件和单向导波结构。

背景技术

电磁波光学器件是一种用于电磁波单向传输的互易性光学器件，其在通讯、光电集成，光传输等领域具有重要的应用前景。利用磁致旋光效应和晶体的双折射效应是两种经典的实现光学器件和单向导波结构的两个基本原理。然而受限于自然界中磁致旋光材料和双折射介质的性能，通过这两种经典原理制作的光学器件尺寸较大，单向导通的性能和波带范围也非常有限，极大限制了其在目前光集成器件等方向的应用。

人工结构材料是最近发展起来的一种基于人工电磁结构单元的电磁特异性材料，通过控制电磁单元的形貌、尺寸以及单元的排列方式，能够有效实现对器件的电磁性能的操控。通过这种方式，科学家已经实现了负折射率超材料、隐身斗篷、超全息等通过自然介质无法实现了一些特殊材料和器件。非互易性电磁器件是人工结构材料研究领域中非常重要的研究方向之一，目前已经发展出两类最具特色的实用型非互易性电磁器件：一类是基于光子晶体的非互易性电磁器件。其适用于任意线性偏振光的单向传输；另外一类是基于手性超材料的费互易性电磁器件。其适用于圆偏振光的单向传输。这些基于人工电磁材料的单向波导器件具有体积小、易于集成化等等优点，然而在单向传输的性能上面却存在很多缺点。

现有技术的技术方案有：

(1)光隔离器：又称光单向器，是一种光非互易传输的光纤无源器件。其利用磁光材料对光偏振态调整的非互易性实现光信号的正向传输，同时抑制反向光，即具有不可逆性。根据光隔离器的偏振特性可将隔离器分为偏振相关型和偏振无关型。

(2)光子晶体：光子晶体是一种某些性质周期性变化的人造纳米结构材料，通常这种材料的电容率(也称介电常数)呈周期性变化，可以产生“光子带隙”从而使光的传播变得可控。光子晶体的实现也是通过有目的的掺杂，使晶体具备控制光传播的能力。光子带隙：指某一频率范围的波不能在此周期性结构中传播，即这种结构本身存在“禁带”。由于光子晶体禁带的存在，在其中的光波只能被限制在线缺陷内进行传输。而对磁光光子晶体构成的单向波导，由于它的表面模式具有单向传播的特性，其构成的波导即所谓的单向波导。

(3)非对称传输：三维手性材料显示出圆双折射和圆二向色性，而平面各向异性手性材料显示出圆转换二向色性。对于三维手性材料，圆双折射特性将旋转入射电磁波的偏振态，圆二向色性导致右旋、左旋圆偏振光不同的透射率，这两种现象都与光的传播方向无关。对于二维手性材料，圆转换二向色性导致右旋、左旋圆偏振光之间不同的圆转换效率，当光反向通过二维手性材料时，圆转换效率倒置，因此相同旋性的偏振光正反2个方向通过二维手性材料时透过率不同，导致非对称传输。

现有技术的缺点：

(1)、传统器件结构复杂、体积大，无法实现器件的小型化，以及用于现代的集成光子器件当中；

(2)、传统器件的加工工艺流程繁琐、加工成本昂贵；

(3)、传统的由人工电磁结构加工而成的器件的工作波段很窄，不适用宽波带的需求，同时正反向透射率的比值比较小；

(4)、传统的基于磁致旋光效应的器件，对入射电磁波的偏振态非常敏感。在非理想偏振光的照射下，器件的能量利用效率很低；

(5)、传统的光学器件和单向导波结构的应用范围很窄，比如，无法适用于波导、太阳能电池等需要对电磁波进行高效耦合输入的器件当中。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种光学器件和单向导波结构，实现电磁波的非对称传输。

为解决上述问题，本发明采用的技术方案是：光学器件，包括基底以及基底上周期性排列的棱台，所述棱台为金字塔结构。基底上周期排列的棱台会形成光子晶体，可以有选择的使某个波段的光通过；同时，光波从空间介质中入射到棱台时，将棱台做成类似金字塔的上大下小结构，能够有效实现非对称传输，进而产生电磁波正反向导通率的差异。

经过实验，我们发现当光从一个介质中入射到另一个介质中时，在两种介质的界面上面做一些类似金字塔的上大下小结构，能够有效实现非对称传输。本发明正是利用上述实验结果，将棱台做成类似金字塔的上大下小结构，从而实现电磁波的非对称传输；同时，将棱台周期地排列，形成光子晶体，通调整排列的周期，可以有选择的使某个波段的光通过。

调整棱台的顶角对背向入射的透射率影响非常大，而对正向入射影响不大。我们将电磁波非对称传输的效率定义为p＝T1/T2，其中T1为正向入射率，T2为背入射率。当顶角(或者其它参数)达到一定值时候，才能使得p达到最大，因此在实际实施时，为获得最大的p，应选取合适的顶角。同时，棱台的折射率对非对称传输的效率影响也很大，具体的来说：当棱台上方的空间介质一定时，棱台的折射率越大非对称传输的效率越大，因此制作棱台时应选取高折射率的材料。

具体的，所述棱台的横截面的形状为圆形或者椭圆形或者任意多边形。

极端情况下，所述棱台的上端横截面的大小为0。此时棱台为棱锥。

进一步的，为获得一个具有单向导通光学器件，上述基底应分为上层结构和下层结构，所述上层结构的折射率均匀设置、且与棱台的折射率相等，所述下层结构的折射率从上到下依次减小，且所述下层结构的上端的折射率与所述上层结构的折射率相等。基底的下层结构的折射率渐变可以避免在基底中形成F-P(法布里-珀罗)腔，避免将光限制在基底内部，从而达到器件增透减反的效果。同时，将所述下层结构的上端的折射率与所述上层结构的折射率设置成相等或者接近，将所述下层结构的下端的折射率与棱台下方的空间介质设置成相等或者接近，实现上层结构的上下两端的折射率平滑过渡，保证光学性能。

进一步的，所述基底和/或棱台的材质为：介质材料、金属材料、声子材料、磁性材料中的一种或者多种组合。

单向导波结构，包括吸波材料以及上述的光学器件，所述吸波材料设置在所述单向导波结构的基底的下方，且所述吸波材料与所述单向导波结构的基底接触连接。如果基底的折射率没有设置渐变的下层结构，即整个基底的折射率是均匀的，当基底采用折射率比较高的材料时，基底与基底下方的空间介质会形成较高的折射率差，这种高折射率差条件下，基底内部会形成F-P腔，对入射光高增透，高反射，我们在光学器件的基底下方设置可以吸收电磁波的吸波材料，光学器件中的电磁波透过率将大于反射率，进而所述单向导波结构实现单向导波功能。

进一步的，所述吸波材料为太阳能电池的硅片或者光波导耦合器或者光线耦合器或者光隔离器。

本发明的有益效果是：本发明光学器件结构简单，易于小型化，可用于集成光子器件当中；通过调整棱台的排列周期，光学器件具有很宽的波带适用范围；本发明光学器件的应用范围广泛，可用作单向导通器件，用作光隔离器等，也可用作光耦合器件，实现波导的高耦合输入和太阳能电池的高外量子效率等。

附图说明

图1是棱台的空间图

图2是棱台的剖面图；

图3是棱台排列的俯视图；

图4是实施例正向和反向的入射率图。

图中编号：1为基底，2为棱台，101为基底的上层结构，102为基底的下层结构，θ为棱台的顶角,T为周期值，T1为正向入射率曲线，T2为背入射率曲线。

具体实施方式

以下通过实施例对本发明做进一步的描述。

实施例是利用人工微纳米结构在电磁波调控方面的巨大优势，通过采用棱台2型人工结构阵列实现对电磁波的高效调控。如图1、2所示，实施例棱台的上端横截面的大小为0，此时棱台为特殊结构——棱锥2，棱锥的尺寸参数为dx＝dy＝500nm，dz＝450nm，空间介质为空气，空气的折射率取n₁＝1，棱锥2和基底的上层结构101的折射率为2.59，基底的下层结构102的折射率为上到下依次减小，且基底的下层结构的上端折射率为2.59，基底的下层结构的下端折射率为1。

如图3所示，将棱锥按周期值T＝600nm进行排列，经过多种波段的电磁波实验测试，结果如图4所示，可以看出：1)由于实施例的dx＝dy＝500nm，因此当使用500nm波长的光波时，其背入射率曲线明显减小：2)由于实施例的周期值为600nm，600nm左右的波段内，电磁波的正向透射率达到99.5％以上，反向透射率小于0.025％.正反向透射比可以达到1000以上，因此实施例的选择波段为600nm左右。

此外，实施例也可以将基底的折射率均匀设置，即基底1与棱锥2的折射率都为2.59，并将其与太阳能电池的硅片、光波导耦合器、光线耦合器或者光隔离器等吸波材料结合，组成单向导波结构，由于上述吸波材料具有很强的接收电磁波能力，即使基底设置成折射率均匀的也不会在基底的内部会形成F-P腔，实现单向导波。

本例中棱锥的横截面为正方形。实际上，棱锥2的横截面的形状还可以是其他任意多边形，比如三角形、五边形，棱锥2的横截面的形状也可以是圆形、椭圆形，各种形状的横截面对光的偏正态不一样，实际在使用时可以根据需求自由选择。棱锥2和基底1的材料可以相同，也可以不同。棱锥2或基底1的材料可以采用介质材料、金属材料、声子材料、磁性材料等，或者这些材料组合而成的复合材料。

实际运用中，棱锥2的尺寸可以任意调节，以满足不同的应用需求。实施例是放在空气或者真空当中，即棱锥周围的折射率为1。实际上，此种结构也可以放在其它任意介质当中，适当调整棱台2的顶角、折射率、排列周期等结构参数即可。

值得说明的是，本发明的一个重要特点是光线器件采用二维光栅结构，很容易加工成人工微结构，如实施例在可见光波段的高度只有500nm左右微结构，器件的体积非常小，可以用于集成光子器件当中；并且，很小的体积还可以减少器件的加工用料，降低器件的加工成本。

当棱台的横截面为圆或者正多边形是，纳米结构的棱台具有四重对称性，因此本发明的光学器件对电磁波的偏振态不敏感，可适用于任意偏振态的电磁波；本发明的光学器件可以采用可塑性很高的有机材料，结构纳米压印技术进行加工，因此其加工成本低廉、加工效率极高。

需要指出的是，上面所述只是说明本发明的一些原理，由于对相同技术领域的普通技术人员来说是很容易在此基础上进行若干修改和改动的。因此，本说明书并非是要将本发明局限在所示和所述的具体结构和适用范围内，故凡是所有可能被利用的相应修改以及等同物，均属于本发明所申请的专利范围。