CN111999916A - 一种可工作于任意偏振态的光透过率调制超表面 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可工作于任意偏振态的光透过率调制超表面，其特征在于，包括基底层(1)，位于所述基底层(1)之上的导模共振超表面层；所述导模共振超表面层包括硅介质平板(2)，所述硅介质平板(2)上沿两正交方向周期性刻蚀出凹槽，其中凹槽深度小于所述硅介质平板(2)的厚度；在所述凹槽内表面依次填充介质层(3)、透明导电氧化物层(4)；所述硅介质平板(2)的非凹槽区设有第一电极(5)，所述透明导电氧化物层(4)上设有第二电极(6)。本发明能够同时独立调制两正交偏振态，可以用于更加复杂的应用场景，在未来光器件集成领域具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及光通信、光互联以及光器件集成领域，具体说，涉及一种基于导模共振与透明导电氧化物(Transparent-Conducting-Oxide,TCO)的可工作于任意偏振态的光透过率调制超表面。
背景技术
电磁超表面是具有波长级厚度的人造材料，可按需人工调整电磁响应，为控制入射波的局部幅度，相位和极化提供了一种很有前途的解决方案，从而在波前控制中开辟了新途径，广泛用于聚焦透镜、波片、分束器、波导模式控制和全息图。间隙等离子激元、米氏共振、Pancharatnam-Berry(PB)相位和导模共振常常用于设计和优化超表面。无源超表面已经被学者们深入研究，其卓越的性能、较高的设计自由度、激发了人们探索更复杂应用的欲望，有源超表面应运而生。目前已经提出了许多技术来实现在红外、近红外(NIR)和可见频率下的超表面的动态控制，包括机械驱动、弹性聚合物以及利用有源材料，例如液晶半导体、相变材料和透明导电氧化物(TCO)。但是，这些超表面中的大多数都包含金属，从而导致了较大的吸收损耗和反射结构的局限性。全透射型超表面具有损耗小，可以工作在透过模式，在片上集成，互连上具有广阔的应用前景。
透明导电氧化物具有光透明特性和良好的导电性，在集成光电子领域得到广泛应用，例如铝掺杂氧化锌(AZO)、镓掺杂氧化锌(GZO)、锡铟氧化物(ITO)。其中ITO具有较低的电阻率，与金属相比较小的损耗，相对介电常数近零区域(Epsilon-Near-Zero,ENZ)处于通信波段，使其成为光学调控领域极具潜力的有源材料。TCO的光学特性受其载流子浓度的影响，利用TCO构成类似于金属-氧化物-半导体(Metal-oxide-semiconductor,MOS)电容型结构时，通过改变外加电压使载流子浓度发生变化，从而导致折射率的变化，尤其是当相对介电常数调制到ENZ区域时，场被限制在损耗较大的TCO中可以实现更强的现调制。另外TCO与传统的CMOS制作工艺兼容，使其在光电子领域具有广阔的应用空间。
目前也有一系列的基于导模共振的TCO动态超表面的报道，但是其大部分是工作在反射模式，而且往往工作在单一偏振态模式，这限制了其在更复杂表面光子中的应用。
正如前所述的基于TCO的动态可调控超表面乃至所有动态可调控超表面所面临的问题，都是本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
针对现有技术存在的技术问题，本发明的目的在于提供一种基于导模共振与TCO的可工作于任意偏振态的透过率调制超表面。
本发明的技术方案为：
一种基于导模共振与透明导电氧化物的可工作于任意偏振态的透过率调制超表面，其特征在于，由下至上包括基底层，导模共振超表面层；所述导模共振超表面层包括硅介质平板，在硅介质平板上沿两个正交方向周期性刻蚀出凹槽；凹槽深度小于硅介质平板厚度；在凹槽中，依次填充介质层、透明导电氧化物层(即在凹槽包含底部和侧面的内表面先填充一介质层，然后再在该介质层内填充透明导电氧化物层)；所述硅平板层的非凹槽区设有第一电极，所述透明导电氧化物层上设有第二电极，第二电极可以位于任意一透明导电氧化物层之上。
进一步的，所述两正交方向可以具有相同或者不同的结构参数，即相同或不同的槽宽，介质宽度和透明导电氧化物宽度。
进一步的，所述介质层由绝缘材料制成。
进一步地，所述绝缘材料包括硅氧化物、氧化铪、氧化钛、氧化铝、硅氮氧化物。
进一步的，所述介质层厚度为5-50nm。
进一步地，所述透明导电氧化物层选用的材料包括铝掺杂氧化锌(AZO)、镓掺杂氧化锌(GZO)、锡铟氧化物(ITO)。
进一步的，所述第一电极为能与硅形成欧姆接触的金属。
进一步的，所述第二电极为能与透明导电氧化物形成欧姆接触的金属。
与现有技术相比，本发明的积极效果为：
本发明采用二维周期性结构，周期约等于或小于工作波长一半，使得超表面对任意偏振态都有响应。超表面在不加电压时具有导模共振响应，透射谱在某个波长下出现凹陷，该波长即导模共振波长。透明导电氧化物，介质层与Si一起构成MOS电容结构，透明导电氧化物与介质表面的载流子浓度随着Si与透明导电氧化物层间的偏置电压的变化而动态变化，从而导致透明导电氧化物的相对介电常数动态变化。该在偏执电压下，透明导电氧化物层和Si的折射率变化使导模共振波长偏移，实现对任意偏振态透过率调制。本发明提出的任意偏振态导模共振超表面结构，同时利用了两个正交方向的导模共振效应，可以同时独立调制两正交偏振态，可以用于更加复杂的应用场景，在未来光器件集成领域具有广阔的应用前景。
附图说明
图1本发明的超表面三维图；
图2实施例1无偏压时透过率与入射光偏振角度的关系图；
图3实施例1入射光为x方向偏振光时透过率与电压的关系图；
图4实施例1入射光为y方向偏振光时透过率与电压的关系图；
图5实施例2无偏压时透过率与入射光偏振角度的关系图。
其中，1-基底层，2-硅介质平板层，3-介质层，4-透明导电氧化物层，5-第一电极，6-第二电极。
具体实施方式
本发明的超表面结构参见附图1。一种基于导模共振与透明导电氧化物的可工作于任意偏振态的透过率调制超表面，由下至上包括基底层1，导模共振超表面层；所述导模共振超表面层包括硅介质平板2，在硅介质平板上沿两个正交方向周期性刻蚀出凹槽；凹槽深度小于硅介质平板厚度；在凹槽中，依次填充介质层3，透明导电氧化物层4；所述硅平板层均设有第一电极5，所述透明导电氧化物层均设有第二电极6。
所述两正交方向可以具有相同或者不同的结构参数，即相同或不同的槽宽，介质宽度和透明导电氧化物宽度。
所述介质层3由绝缘材料制成。
所述绝缘材料包括硅氧化物、氧化铪、氧化钛、氧化铝、硅氮氧化物。
所述介质层3厚度为5-50nm。
所述透明导电氧化物层4选用的材料包括铝掺杂氧化锌(AZO)、镓掺杂氧化锌(GZO)、锡铟氧化物(ITO)。
所述第一电极5为能与硅形成欧姆接触的金属。
所述第二电极6为能与透明导电氧化物形成欧姆接触的金属。
本发明的超表面的工作原理为：
导模共振是入射光激发了周期性刻蚀波导里的泄露模式，使透射率在某一波长处近0，而其他波长处近1。垂直入射任意偏振态的光到本发明的超表面上，两正交方向的凹槽会分别对偏振方向与其周期性凹槽方向一致的平面波响应，即周期沿x方向的凹槽会对x偏振态的光响应，即周期沿y方向的凹槽会对y偏振态的光响应。硅介质平板，介质层与透明导电氧化物层构成MOS电容结构，使TCO内的载流子浓度随电压变化，从而使TCO的折射率随电压变化，最终导致导模共振波长偏移，实现透过率调制。本发明采用二维结构，即两个正交方向均有周期性的MOS电容结构，使得该导模共振超表面对任意偏振态均有响应。
实施例1
结合附图1，所述基底层1为氧化硅，所述基底层上为导模共振超表面层，所述超表面层包括，硅介质平板2，厚度为hSi＝220nm，在所述硅平板的两个垂直方向上均以相同周期800nm刻蚀宽度为20nm的凹槽，凹槽深度为hslot＝210nm，凹槽中依次填充介质层3氧化铪，厚度为td＝5nm，透明导电氧化物层ITO，宽度为wITO＝10nm，在硅平板上覆盖第一电极Al，在ITO上覆盖第二电极Al。
附图2是本发明实施例1无偏压时透射率随入射光偏振角度的曲线。在不加电压时，由于导模共振作用，透射谱上会出现凹陷，而此凹陷的位置与周期有关，凹陷的宽度又与介质和TCO的结构参数有关，本实施例中，两垂直方向的所有结构参数均一致，所以对任意偏振响应也一致，即与偏振态无关。在电压作用下，两个方向的MOS电容对电压响应一致，即ITO折射率变化一致，所以最终电压响应也是偏振无关的。附图3是入射x偏振光时，透过率随电压的变化曲线。附图4是入射y偏振光时，透过率随电压的变化曲线，附图3与附图4完全一致，说明对电压响应一致。
显然若两垂直方向的任意一个结构参数不一致，那么对两偏振态的响应也是不一致的，实施例2给出了两正交方向周期不同的情况。
实施例2
结合附图1，所述基底层1为氧化硅，所述基底层上为导模共振超表面层，所述超表面层包括，硅介质平板2，厚度为hSi＝220nm，在所述硅平板的x方向上以周期800nm刻蚀宽度为20nm的凹槽，在所述硅平板的y方向上以周期850nm刻蚀宽度为20nm的凹槽，，凹槽深度为hslot＝210nm，凹槽中均依次填充介质层3氧化铪，厚度均为td＝5nm，透明导电氧化物层ITO，宽度均为wITO＝10nm，在硅平板上覆盖第一电极Al，在ITO上覆盖第二电极Al。
附图5是本发明实施例2无偏压时透射率随入射光偏振角度的曲线。因两个正交方向的周期不同，对不同偏振态响应的波长也不同，这个性质为更复杂应用提供了基础。
尽管前面公开的内容示出了本发明的示例性实施例，但应注意，在不背离权利要求限定的本发明的范围的前提下，可以进行多种改变和修改。所述实施例及实施例中的具体参数仅是为了清楚表述发明人的发明验证过程，并非用以限制本发明的专利保护范围。本实例中采用的SOI材料，目的是标准的COMS制作工艺兼容，还可以应用到其他材料。因此，本发明的保护范围应当由所附的权利要求书的内容确定。
Claims (8)
1.一种可工作于任意偏振态的光透过率调制超表面，其特征在于，包括基底层(1)，位于所述基底层(1)之上的导模共振超表面层；所述导模共振超表面层包括硅介质平板(2)，所述硅介质平板(2)上沿两正交方向周期性刻蚀出凹槽，其中凹槽深度小于所述硅介质平板(2)的厚度；在所述凹槽内表面依次填充介质层(3)、透明导电氧化物层(4)；所述硅介质平板(2)的非凹槽区设有第一电极(5)，所述透明导电氧化物层(4)上设有第二电极(6)。
2.如权利要求1所述的光透过率调制超表面，其特征在于，所述两正交方向的凹槽的槽宽相同或不同均可。
3.如权利要求1或2所述的光透过率调制超表面，其特征在于，不同凹槽内的介质层(3)厚度相同或不同均可；不同凹槽内的透明导电氧化物层(4)宽度、厚度相同或不同均可。
4.如权利要求1所述的光透过率调制超表面，其特征在于，所述第一电极(5)为能与硅形成欧姆接触的金属；所述第二电极(6)为能与透明导电氧化物形成欧姆接触的金属。
5.如权利要求1所述的光透过率调制超表面，其特征在于，所述介质层(3)的材料为绝缘材料、厚度为5-50nm。
6.如权利要求5所述的光透过率调制超表面，其特征在于，所述绝缘材料为硅氧化物、氧化铪、氧化钛、氧化铝或硅氮氧化物。
7.如权利要求1所述的光透过率调制超表面，其特征在于，所述透明导电氧化物层选用的材料为铝掺杂氧化锌、镓掺杂氧化锌或锡铟氧化物。
8.一种基于权利要求1所述光透过率调制超表面的调制方法：将任意偏振态的光垂直入射到所述光透过率调制超表面，其中两正交方向的每一方向上的所述硅介质平板(2)、介质层(3)与透明导电氧化物层(4)构成一MOS电容结构，调整第一电极(5)或第二电极(6)的电压，使透明导电氧化物层(4)内的载流子浓度随电压变化，从而使透明导电氧化物层(4)的折射率随电压变化，最终导致导模共振波长偏移，实现透过率调制。
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| CN116520587B (zh) * | 2023-07-05 | 2023-10-20 | 武汉中科锐择光电科技有限公司 | 一种基于超表面结构的光学平坦滤波器及光纤器件 |
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| CN111999916B (zh) | 2021-08-20 |
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