CN113300118B - 一种实现电磁诱导透明和完美吸收的双功能器件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的是一种实现电磁诱导透明和完美吸收的双功能器件。该器件在基本单元结构所在平面呈阵列结构，其基本单元结构特征是：由二氧化钒1、二氧化硅2、石墨烯开口环3和石墨烯条带4组成，石墨烯条带4沿长轴方向插到石墨烯开口环3中，与开口环内侧不接触。当二氧化钒电导率较小表现为绝缘体时，该结构可实现电磁诱导透明效果，调节石墨烯的费米能级和二氧化钒的电导率实现对透明窗口和群时延的调节、调制功能；增加二氧化钒电导率表现为金属性时，该结构可实现双频带完美吸收功能，吸收峰可通过控制石墨烯的费米能级来调谐。本发明可用于集成光学设备中的调制器、慢光器件、光开关和完美吸收器等。

Description

一种实现电磁诱导透明和完美吸收的双功能器件
技术领域
本发明涉及的是一种实现电磁诱导透明和完美吸收的双功能器件，可用于慢光效应、调制器、光开关和完美吸收等，属于电磁诱导透明和超材料吸波器领域。
背景技术
近年来，由于超材料的多功能性能和潜在应用，如完美的透镜，隐形斗篷，完美吸收器等，吸引了很多研究兴趣。石墨烯由于其高载流迁移率，低传输损耗和可通过外加电压调谐吸引了科研人员的注意。由于费米能量通过改变偏置电压来改变，因此与贵金属相比，石墨烯具有更大的动态调谐潜力。相变材料具有有趣的性质，例如从介质到金属的可切换现象，我们能够在电气，光或热激发下控制相变材料的介电常数和电导率。二氧化钒(VO2)作为一种相变材料，由于其低相变温度(340K)引起了很多关注。
随着微纳集成光学的发展，微型化、多功能化是一个值得研究的方向。目前的研究大多集中在实现某一功能，这显然降低了超材料的使用效率，因此研究如何在一种结构上实现多功能具有深远意义。目前已经有了关于多功能器件的研究，例如文献一(Z.Song andB.Zhang,“Controlling wideband absorption and electromagnetically inducedtransparency via a phase change material,” Europhys.Lett.129,57003(2020))和文献二(H.Li and J.Yu,"Bifunctional terahertz absorber with a tunable andswitchable property between broadband and dual-band,"Opt.Express 28,25225-25237(2020))都基于VO2实现在两种功能间的切换。但都无法对两种功能实现动态可调谐，这降低了实际应用中的便利性和适应性。
本发明公开了一种实现电磁诱导透明和完美吸收的双功能器件。当VO2为绝缘体时，器件能实现电磁诱导透明效应，通过改变石墨烯费米能级和VO2的电导率分别实现对透明峰的频移和透射率的调制；当VO2为金属时，器件变现为完美吸收器，太赫兹范围内产生两个完美吸收峰，改变石墨烯费米能级实现对吸收峰的频移和调制。相比之前的研究，本发明在实现两种功能可切换的同时，能分别对两种功能实现动态调谐，扩展了器件的使用范围，且结构简单易于集成。
发明内容
本发明的目的在于提供一种实现电磁诱导透明和完美吸收的双功能器件，具有动态可调谐，易于集成等优点。
本发明的目的是这样实现的：
本发明所提出的一种实现电磁诱导透明和完美吸收的双功能器件的基本特征是：由二氧化钒基底1、二氧化硅2、石墨烯开口环3和石墨烯条带4组成，石墨烯开口环的开口角度为α，将石墨烯条带沿长轴方向插到开口环中，与开口环内侧不接触，相隔距离为d，且石墨烯开口环和石墨烯条带的等离子共振频率接近。
二氧化硅相对介电常数设为3.9，VO2的相对介电常数可通过Drude模型计算得到：
Figure GDA0003689948370000021
设置入射光的电场方向平行于石墨烯条带长轴的方向，调节二氧化钒电导率使其表现为绝缘体，入射电磁波会激发石墨烯开口环和石墨烯条带的等离激元共振，并产生相消干涉，导致两个等离激元共振频率之间出现一个透明窗口，即电磁诱导透明效应，通过改变石墨烯费米能级EF实现对透明窗口和群时延的调节，增大VO2的电导率实现对透明峰的调制。
调节二氧化钒电导率使其表现为金属性，则会在石墨烯开口环和石墨烯条带的等离激元共振频率处实现完美吸收，改变EF同样可以控制吸收峰的频移。
本发明的有益效果是：1、能实现电磁诱导透明效应，且可以对透明峰和群时延动态调节；2、能实现双带完美吸收，可以对吸收峰动态调节；3、两种功能可以动态切换，能实现电磁诱导透明的开和关；4、可用于光开关、慢光器件、调制器和完美吸收器等。
附图说明
图1为实施例：一种实现电磁诱导透明和完美吸收的双功能器件单元结构的示意图。由二氧化钒1、二氧化硅2、石墨烯开口环3和石墨烯条带组成。
图2为实施例：一种实现电磁诱导透明和完美吸收的双功能器件单元结构的俯视图。l1和W1分别表示石墨烯条带的长和宽，R和W2分别表示石墨烯开口环的外径和环的宽度，d表示石墨烯开口环与石墨烯条带的耦合距离。
图3为实施例：一种实现电磁诱导透明和完美吸收的双功能器件的基本单元结构所在平面的阵列图，入射电场方向和石墨烯条带长轴方向平行。
图4为实施例：σ＝10S/m时，电磁诱导透明效应随石墨烯费米能级的变化。
图5为实施例：σ＝10S/m时，电磁诱导透明效应的群时延随石墨烯费米能级的变化。
图6为实施例：EF＝0.3eV时，电磁诱导透明效应随VO2电导率的变化。
图7为实施例：σ＝200000S/m时，完美吸收功能随石墨烯费米能级的变化。
图8为实施例：EF＝1.2eV时，完美吸收功能随不同入射角的变化。
具体实施方式
下面结合具体的实施例来进一步阐述本发明。
具体实施例：一种实现电磁诱导透明和完美吸收的双功能器件，如图1 和图3所示，该器件为阵列结构，单元结构以二氧化钒为基底，二氧化硅为介质层，石墨烯开口环和石墨烯条带为谐振结构且二者拥有相近的等离子体共振频率，入射电场方向跟石墨烯条带长轴方向平行。
如图2所示，石墨烯开口环的开口角度α为90°，外径R＝2.4μm，宽度 W2＝0.9μm；石墨烯条带长l＝3μm，宽W1＝0.8μm。
优选的，单元结构周期为P＝6μm，二氧化钒厚度为0.8μm，二氧化硅厚度为4μm。
如图4和图5所示，当EF从0.2eV增加到0.5eV时，透射峰发生蓝移且透射率有所下降，相反对应的群时延逐渐增大，这说明可通过改变EF实现对电磁诱导透明效应的动态调节。
图6表示EF为0.3eV时，不同σ对电磁诱导透明效应的影响：随着σ的逐渐增大，VO2渐从绝缘体过渡到金属，透射率下降而透射峰对应的频率不变，因此可通过改变σ实现对电磁诱导透明效应的动态调制。
图7和图8表示VO2为金属，即σ＝200000S/m时，器件的完美吸收功能：随着EF从0.8eV增加到1.2eV，两个吸收峰逐渐上升达到完美吸收，且不同的入射角度对吸收几乎没有影响，表示完美吸收功能的动态可调节和对入射角度的不敏感。
综上所述，本发明能实现电磁诱导透明效应和完美吸收之间的切换，且在两种功能下都能实现动态调制，对集成化的多功能器件研究有着积极作用。

Claims (6)

1.一种实现电磁诱导透明和完美吸收的双功能器件，该器件在基本单元结构所在平面呈阵列结构，其基本单元结构特征是：由二氧化钒基底1、二氧化硅2、石墨烯开口环3和石墨烯条带4组成，石墨烯开口环的开口角度为α，将石墨烯条带沿长轴方向插到开口环中，与开口环内侧不接触，相隔距离为d，且石墨烯开口环和石墨烯条带的等离子共振频率接近，入射光的电场方向平行于石墨烯条带长轴的方向，会激发石墨烯开口环和石墨烯条带的等离激元共振，调节二氧化钒电导率使其表现为绝缘体，两个等离激元共振频率之间会出现一个透明峰，即电磁诱导透明效应；调节二氧化钒电导率使其表现为金属性，则会在等离激元共振频率处实现完美吸收。
2.根据权利要求1所述的一种实现电磁诱导透明和完美吸收的双功能器件，其特征在于：石墨烯开口环的开口角度α为90°，外径R＝2.4μm，宽度W2＝0.9μm；石墨烯条带长l＝3μm，宽W1＝0.8μm。
3.根据权利要求1所述的一种实现电磁诱导透明和完美吸收的双功能器件，其特征在于：单元结构周期为P＝6μm，二氧化钒厚度为0.8μm，二氧化硅厚度为4μm且相对介电常数设为3.9。
4.根据权利要求1所述的一种实现电磁诱导透明和完美吸收的双功能器件，其特征在于：二氧化钒为绝缘体时，该结构可实现电磁诱导透明效果，调节石墨烯的费米能级和二氧化钒的电导率实现对透明窗口和群时延的调节、调制功能。
5.根据权利要求1所述的一种实现电磁诱导透明和完美吸收的双功能器件，其特征在于：二氧化钒表现为金属性时，该结构可实现双频带完美吸收功能，吸收峰可通过控制石墨烯的费米能级来调谐。
6.根据权利要求1所述的一种实现电磁诱导透明和完美吸收的双功能器件，其特征在于：实现双频带完美吸收功能时，对0°-70°的入射角度不敏感。
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