CN108983344A - 一种宽频可调谐太赫兹偏振功能转换器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种宽频可调谐太赫兹偏振功能转换器,包括顶层、调谐层和衬底。顶层为单元结构为L形平面超材料阵列,调谐层由单层石墨烯、绝缘层以及半导体导电层构成,衬底由电介质和金属构成。与现有文献所报道的采用石墨烯条与平面超材料所结合的太赫兹偏振功能转换器相比,本发明具有全新的工作机理和更宽的工作频带,在电压调控的便捷性和稳定性上也具有优势。本发明在太赫兹通信、成像与传感等领域具有广泛应用前景。
Description
技术领域
本发明属于偏振器技术领域,具体涉及一种宽频可调谐太赫兹偏振功能转换器。
背景技术
太赫兹波的频率范围通常为0.1~10THz。太赫兹波技术在成像、检测、雷达、通信等领域都具有重要的应用前景。自然界中大部分的天然材料对于太赫兹波的响应较弱,不适合作为高品质的太赫兹偏振器件,而通过合理的设计人工超材料的单元尺寸和形状可以对太赫兹波产生优异的偏振调节效果。目前国内外已经有很多文献报道了基于人工超材料的太赫兹波线偏振和圆偏振调制器。与此同时,近几年国内外关于可调谐的超材料偏振调制器也有所研究,例如文献一(D.C.Wang,L.C.Zhang,Y.H.Gu,et al.SwitchableUltrathin Quarter-wave Plate in Terahertz Using Active Phase-changeMetasurface.Scientific Reports,2015,5):15020.)报道了一种与相变材料VO2结合的超材料四分之一波片,当温度升高100K时可以实现四分之一波片的工作频率移动约0.1THz。然而传统的相变材料在安全性和集成性方面都具有明显的劣势。相比而言,石墨烯单原子层的厚度和低调谐电压与超材料结合后可以完美的解决上述问题。石墨烯作为一种新型半金属材料在太赫兹波段有很好的电磁响应和优异的电光调节性能。在太赫兹波段,石墨烯满足德鲁德自由电子气模型,具有显著的表面等离激元效应,通过电压偏置来调节石墨烯的化学势还可以实现对其表面电导率的有效调节,因此石墨烯已被广泛应用于太赫兹波的振幅、相位、偏振调制研究中。例如文献二(X.Y.Yu,X.Gao,W.Qiao,et al.BroadbandTunable Polarization Converter Realized by Graphene-Based Metamaterial.IEEEPhotonics Technology Letters,2016,21(28):2399-2402.)报道了一种与石墨烯条结合的超材料太赫兹偏振功能转换器,通过对石墨烯化学势的调节可以实现从半波片到四分之一波片功能的转换。但是美中不足的是,石墨烯条在电压调控时复杂性较高,稳定性较差,而且文献三所报道的太赫兹偏振功能转换器工作频带较窄,仅有0.1THz,还有较大的提升空间。
相比于石墨烯条,单层石墨烯在电压调控的便捷性和稳定性上具有很大的优势,然而目前所有关于石墨烯在太赫兹偏振器中的应用报道都是基于石墨烯条。其中主要原因是科研人员一直没有找到合适的超材料结构与单层石墨烯结合实现太赫兹偏振器的功能转换。
发明内容
本发明的目的在于提出一种宽频可调谐太赫兹偏振功能转换器,解决目前所报道的同类偏振功能转换器存在的电压调控复杂和工作带宽较窄的问题。
一种宽频可调谐太赫兹偏振功能转换器,所述转换器自上而下的结构包括顶层、调谐层和衬底,所述的顶层为一阵列结构,所述阵列结构由多个单元结构为L形平面超材料的阵列单元组成,所述阵列单元的尺寸为a×a,a=5~50μm,所述超材料为Au或Ag或Cu或Pt或Al或Cr,顶层厚度为50~200nm;所述的调谐层包括三层,所述三层依次为单层石墨烯层、绝缘层以及半导体导电层,石墨烯的化学势调谐范围为0~0.9eV,绝缘层的厚度为1~4nm,所述半导体导电层的厚度为3~6nm;所述的衬底由电介质和金属膜构成,电介质的厚度为0.4a~0.8a,金属膜的厚度为100~400nm。
进一步地,所述L形图案的横向和纵向的臂长l相等,l为0.45a~0.95a,臂宽w为l/15~l/5。
进一步地,所述绝缘层为Al2O3或MgF2或SiO2或TiO2。
进一步地,所述半导体导电层为Si或Ge或GaAs或InSb。
进一步地,所述衬底的电介质为SiO2或TiO2或Si。
进一步地,所述衬底的金属膜的材料为Au或Ag或Cu或Pt或Al或Cr。
本发明的优点是:
1、针对现有文献所报道的具有同类功能的石墨烯条超材料结构工作频带窄,电压调控的便捷性和稳定性不足问题,本发明首次找到了合适的超材料结构与单层石墨烯结合实现了太赫兹四分之一波片与半波片功能的转换,其具有全新的工作机理和更宽的工作频带,同时单层石墨烯可有效解决电压调控的便捷性和稳定性不足问题。
附图说明
图1是本发明宽频可调谐太赫兹偏振功能转换器结构示意图;
图2为本发明宽频可调谐太赫兹偏振功能转换器在石墨烯化学势为0时的四分之一波片功能工作效果图;
图3为本发明宽频可调谐太赫兹偏振功能转换器在石墨烯化学势分别为0.34eV、0.36eV、0.38eV情况下的半波片功能工作效果图。
具体实施方式
为了便于说明,下面将结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明:
如图1所示,本发明提出的一种宽频可调谐太赫兹偏振功能转换器,其自上而下的结构包括顶层、调谐层和衬底。顶层为L形平面超材料金阵列,阵列单元尺寸为a×a,L图案的臂长为l,臂宽为w;调谐层由单层石墨烯以及很薄的Al2O3绝缘层和Si导电层构成,在石墨烯层和Si导电层之间施加电压Vg可以调控石墨烯的化学势;衬底为二氧化硅和银,二氧化硅的厚度为d。
本发明工作原理是:当入射太赫兹波的线偏振方向与L图案的水平臂平行时,会引起水平谐振子的极化形成线偏振分量Px,接着通过水平谐振子散射引起垂直谐振子的极化形成线偏振分量Py,当Px和Py分量的振幅相当且相位差相差π/2的奇数倍时,便可起到太赫兹四分之一波片功能;当给石墨烯施加一定的电压时,石墨烯化学势的增加会提高其电导率的虚部和平面内介电常数的实部,从而调节Px和Py分量的振幅比和相位差,当Py分量的振幅远大于Px分量时,便可起到太赫兹半波片功能,半波片的带宽可由石墨烯化学势进行调节以实现宽频可调谐功能。这一工作机理和目前普遍采用石墨烯条来作为单一方向上的谐振子进行调谐是完全不同的。
实施例1
正方形单元边长a为15.5μm,金膜厚度为120nm,L图案臂长l为12.2μm,臂宽w为1.2μm,单层石墨烯厚度为1nm,Al2O3绝缘层厚度为3nm,Si导电层厚度为5nm,二氧化硅基底厚度d为9.2μm,银膜厚度为300nm。
本发明的实施效果可以通过以下仿真结果进一步说明:
图2和图3是本实施例一种可调谐太赫兹偏振转换器的工作效果图。如图2所示,在石墨烯的化学势为0时,反射光中x与y偏振分量振幅比接近于1且相位差保持在90°附近。此时器件是一种高品质的宽频太赫兹四分之一波片,工作频带范围为4.70-5.00THz,椭偏度大于0.97,x与y偏振分量电场空间分布体现均衡性。如图3所示,当石墨烯化学势分别为0.34eV、0.36eV、0.38eV时,反射光中y偏振分量远大于x偏振分量,此时器件是一种高品质的宽频半波片,线偏振度大于10的工作频带随化学势的增加逐渐向高频移动,叠加后的工作频带范围覆盖了4.70-5.00THz全频带,线偏振转换效率大于97%,x与y偏振分量电场空间分布体现显著的差异性。
通过本实施例可以表明本发明提出的模型可以实现太赫兹四分之一波片与半波片之间的功能完美转换,并且工作带宽相比现有的技术报道有了显著提高。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种宽频可调谐太赫兹偏振功能转换器,所述转换器自上而下的结构包括顶层、调谐层和衬底,其特征在于:
所述的顶层为一阵列结构,所述阵列结构由多个单元结构为L形平面超材料的阵列单元组成,所述阵列单元的尺寸为a×a,a=5~50μm,所述超材料为Au或Ag或Cu或Pt或Al或Cr,顶层厚度为50~200nm;
所述的调谐层包括三层,所述三层依次为单层石墨烯层、绝缘层以及半导体导电层,石墨烯的化学势调谐范围为0~0.9eV,绝缘层的厚度为1~4nm,所述半导体导电层的厚度为3~6nm;
所述的衬底由电介质和金属膜构成,电介质的厚度为0.4a~0.8a,金属膜的厚度为100~400nm。
2.根据权利要求1所述的转换器,其特征在于,所述L形图案的横向和纵向的臂长l相等,l为0.45a~0.95a,臂宽w为l/15~l/5。
3.根据权利要求1或2所述的转换器,其特征在于,所述绝缘层为Al2O3或MgF2或SiO2或TiO2。
4.根据权利要求3所述的转换器,其特征在于,所述半导体导电层为Si或Ge或GaAs或InSb。
5.根据权利要求4所述的转换器,其特征在于,所述衬底的电介质为SiO2或TiO2或Si。
6.根据权利要求5所述的转换器,其特征在于,所述衬底的金属膜的材料为Au或Ag或Cu或Pt或Al或Cr。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
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CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20210406 |