CN113495373A - 一种可调谐吸收器 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种可调谐吸收器。该可调谐吸收器，包括：衬底层；设置于衬底层上的至少一个谐振单元；其中，每个谐振单元包括：设置于预设的晶格周期内的至少两个调谐吸收单元；其中，每个调谐吸收单元均为中空结构，至少两个调谐吸收单元中的第n调谐吸收单元设置于第n+1调谐吸收单元内，n为不小于1的正整数；至少两个调谐吸收单元中的相邻两个调谐吸收单元的边框高度不同，且可根据不同波段的电磁波的波长调整边框高度，以形成法诺共振效应。根据本发明实施例，能够全场景地针对不同波段的电磁波的吸收峰值进行调谐。
Description
技术领域
本发明属于光通信领域，尤其涉及一种可调谐吸收器。
背景技术
在光通信领域，可调谐吸收器已广泛应用于热发射和成像，光热疗法和热电子收集。目前，科研人员在进行可调谐吸收器的生产设计时，往往直接使用相变材料、通过改变外部环境或外加偏置电压等方法，这些方法理论上能够实现对光谱吸收的调谐，但存在一定的局限性，表现如下：
相变材料虽然能够在一定程度上对吸收器的光谱吸收进行调谐，但是受周围环境影响很大，且调节频率单一。例如，二氧化钒做可调谐吸收器的功能材料，只有对环境温度为68℃上下变化时起作用。
而对于石墨烯材料，增加外部偏置电压等方法虽然能够不受制于外部环境的影响，但是对于功能材料石墨烯而言，目前的工艺技术很难达到制作要求，工艺成本较高，而且增加外部偏置电压又加大了设计的复杂性，限制了实际的应用。可见，相关技术中的可调谐吸收器的使用，受限于周围环境、相变材料以及外加偏置电压等特定条件，应用场景较少。
因此，如何提供一种可调谐吸收器，能够全场景地针对不同波段的电磁波的吸收峰值进行调谐是本领域技术人员亟需解决的技术问题。
发明内容
本发明实施例提供一种可调谐吸收器，能够全场景地针对不同波段的电磁波的吸收峰值进行调谐。
第一方面，提供了一种可调谐吸收器，包括：
衬底层；
设置于衬底层上的至少一个谐振单元；其中，每个谐振单元包括：
设置于预设的晶格周期内的至少两个调谐吸收单元；
其中，每个调谐吸收单元均为中空结构，至少两个调谐吸收单元中的第n调谐吸收单元设置于第n+1调谐吸收单元内，n为不小于1的正整数；至少两个调谐吸收单元中的相邻两个调谐吸收单元的边框高度不同，且可根据不同波段的电磁波的波长调整边框高度，以形成法诺共振效应。
可选地，可调谐吸收器还包括可移动的调谐部件，可移动的调谐部件设置于第n调谐吸收单元内，其中，n＝1。
可选地，至少两个调谐吸收单元中的每个调谐吸收单元均为方形中空结构，且以晶格周期的中心点为中心，等距排布。
可选地，至少两个调谐吸收单元中的每个调谐吸收单元的边框厚度相同。
可选地，至少两个调谐吸收单元中的每个调谐吸收单元均为半导体部件。
可选地，半导体部件包括半导体属性特征不同的第一半导体部件和第二半导体部件，相邻两个调谐吸收单元分别为第一半导体部件和第二半导体部件。
可选地，半导体属性特征包括光反射率、透射率、波长吸收特性及折射率中的至少一种。
可选地，衬底层为金属层。
可选地，衬底层的厚度为使电磁波的入射波的透射为零的厚度。
可选地，衬底层的厚度大于50nm。
本发明实施例的可调谐吸收器，能够全场景地针对不同波段的电磁波的吸收峰值进行调谐。该可调谐吸收器中的每个谐振单元包括至少两个调谐吸收单元，相邻两个调谐吸收单元的边框高度不同，且可根据不同波段的电磁波的波长调整边框高度以形成法诺共振效应，故能够针对不同波段的电磁波的吸收峰值进行调谐。而且，由于形成法诺共振效应只需要调整相邻两个调谐吸收单元的边框高度，避免了现有技术中受限于周围环境、相变材料以及外加偏置电压等特定条件的问题，该可调谐吸收器可适用于任何场景。综上所述，该可调谐吸收器能够全场景地针对不同波段的电磁波的吸收峰值进行调谐。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单的介绍，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种可调谐吸收器的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种谐振单元的结构示意图；
附图中，1-衬底层；
2-谐振单元，21-第一调谐吸收单元，22-第二调谐吸收单元，23-第三调谐吸收单元，24-可调谐方块。
具体实施方式
下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅被配置为解释本发明，并不被配置为限定本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明更好的理解。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
在光通信领域，可调谐吸收器已广泛应用于热发射和成像，光热疗法和热电子收集。为了实现针对不同波段的电磁波的吸收峰值进行调谐，可调谐吸收器需满足形成法诺共振效应。为了使可调谐吸收器满足形成法诺共振效应，现有技术中可调谐吸收器受限于周围环境、相变材料以及外加偏置电压等特定条件，故应用场景较少。
发明人经过研究发现，为了使可调谐吸收器的应用场景更广，需提供一种更为简单的方式使可调谐吸收器满足形成法诺共振效应，而根据不同波段的电磁波的波长动态调整相邻两个调谐吸收单元的边框高度恰可以满足该需求。
为了解决现有技术问题，本发明实施例提供了一种可调谐吸收器，图1是本发明实施例提供的一种可调谐吸收器的结构示意图。如图1所示，该可调谐吸收器包括：
衬底层1；
设置于衬底层1上的至少一个谐振单元2；其中，每个谐振单元2包括：
设置于预设的晶格周期内的至少两个调谐吸收单元；
其中，每个调谐吸收单元均为中空结构，至少两个调谐吸收单元中的第n调谐吸收单元设置于第n+1调谐吸收单元内，n为不小于1的正整数；至少两个调谐吸收单元中的相邻两个调谐吸收单元的边框高度不同，且可根据不同波段的电磁波的波长调整边框高度，以形成法诺共振效应。
该可调谐吸收器中的每个谐振单元2包括至少两个调谐吸收单元，相邻两个调谐吸收单元的边框高度不同，且可根据不同波段的电磁波的波长调整边框高度以形成法诺共振效应，故能够针对不同波段的电磁波的吸收峰值进行调谐。而且，由于形成法诺共振效应只需要调整相邻两个调谐吸收单元的边框高度，避免了现有技术中受限于周围环境、相变材料以及外加偏置电压等特定条件的问题，该可调谐吸收器可适用于任何场景。综上所述，该可调谐吸收器能够全场景地针对不同波段的电磁波的吸收峰值进行调谐。
在一个实施例中，衬底层1可以为金属层，该金属层的材质可以为金、铁、钨等中的任意一种。由于衬底层1仅充当谐振吸收的镜子，为了使谐振吸收效果更好，该金属层的材质可以为金。
在一个实施例中，衬底层1的厚度可以为使电磁波的入射波的透射为零的厚度。可选地，衬底层1的厚度大于50nm，具体可以为50nm-100nm。
设置于衬底层1上的至少一个谐振单元2，也即为图案化的功能材料层，每个谐振单元2包括设置于预设的晶格周期内的至少两个调谐吸收单元。其中，晶格周期是预设于衬底层1上的区域，其可以为方形区域。
在一个实施例中，至少两个调谐吸收单元中的每个调谐吸收单元均为方形中空结构，且以晶格周期的中心点为中心，等距排布。可选地，这些调谐吸收单元结构完全相同，且以周期性阵列规则排布于衬底层1的一个正方形的晶格周期内，共同形成了一个可调谐吸收器的谐振单元2。
在一个实施例中，至少两个调谐吸收单元中的每个调谐吸收单元的边框厚度相同。可选地，如图2所示，晶格周期的晶格边长为a，调谐吸收单元以晶格周期的中心处为中心规则排布，图2中由晶格周期的中心向外延伸，依次分别为第一调谐吸收单元21、第二调谐吸收单元22和第三调谐吸收单元23，图2中第二调谐吸收单元22和第三调谐吸收单元23之间的间距为g，第三调谐吸收单元23的厚度为w。
在一个实施例中，至少两个调谐吸收单元中的每个调谐吸收单元均为半导体部件。可选地，该半导体部件的半导体材料为硅、锗、砷化镓等半导体材料中的一种。
在一个实施例中，半导体部件包括半导体属性特征不同的第一半导体部件和第二半导体部件，相邻两个调谐吸收单元分别为第一半导体部件和第二半导体部件。相邻两个调谐吸收单元的结构材料不同，彼此构成法诺共振结构，并且彼此之间同时形成了光学谐振腔，对峰值吸收起到很大的共振吸收作用。
另外，图案化的功能材料层与衬底层1之间形成光腔，且图案化的功能材料层的结构自身也存在尖端共振效应，彼此之间的谐振形成了无数个微型谐振器，共同为特定波长的峰值吸收起到贡献作用。此外，相邻两个调谐吸收单元的边框高度不同，且可根据不同波段的电磁波的波长调整边框高度，彼此之间同样可以产生法诺共振效应，以实现对不同入射波长进行匹配。各种效应的调谐吸收单元对吸收频率的相互叠加，共同实现对于特殊波段的入射光的高效吸收。可选地，不同波段的电磁波可为400nm-1400nm波段的可见光、近红外。
在一个实施例中，半导体属性特征包括光反射率、透射率、波长吸收特性及折射率中的至少一种。
在一个实施例中，对于类似“回”型的可调谐吸收器，基于三维笛卡尔坐标器，可在可调谐吸收器的x方向和y方向上都采用周期边界条件来进行模拟，在可调谐吸收器的z方向上采用完美匹配的层(PML)。从元表面的顶部照射具有沿x轴线偏振的宽频率平面波，反射光谱在后向散射平面中被检测到。在上面所述的条件下，可以模拟半导体纳米谐振器基于表面的吸收体的光反射、透射、波长吸收特性及周围其它空间的折射率。可选地，折射率可为1。
在一个实施例中，可调谐吸收器还包括可移动的调谐部件，可移动的调谐部件设置于第n调谐吸收单元内，其中，n＝1。可选地，该调谐部件可具体为可调谐方块24。该可调谐方块24可与周围的调谐吸收单元形成法诺共振效应和光腔谐振，在一定范围内能够实现对特定波长的阻抗匹配，起到调谐吸收频率的作用，且不依赖于外部环境以及外加偏置电压。
为了兼顾可调谐吸收器的峰值吸收效率和可调谐特性，本发明实施例对整个可调谐吸收器做了特殊的设计。本发明实施例通过设计调谐吸收单元的尺寸大小，结构参数等，图案化的功能材料层与衬底层1之间及图案化的功能材料层的结构自身之间形成微型谐振器，使所设计的可调谐吸收器对该波段的入射光产生阻抗匹配以达到很高的吸收效率。
对于可调谐吸收器中调谐吸收单元的边框高度可以根据不同波长进行调谐，彼此之间同样可以产生法诺共振效应，以实现对不同入射波长进行匹配。各种效应的调谐吸收单元对吸收频率的相互叠加，共同实现对于特殊波段的入射光的高效吸收。本发明还引入了可调谐方块24，通过引入的可调谐方块24的动态调谐，与周围的调谐吸收单元形成法诺共振效应和光腔谐振，在一定范围内能够实现对特定波长的阻抗匹配和膜间共振，起到调谐吸收频率的作用，且不依赖于外部环境以及外加偏置电压。在保证高吸收峰值的前提下实现对多个峰值的调谐，甚至在一定范围的波段内，能够实现对吸收峰的动态可调。
通过设计，在峰值处，入射波对于衬底层1的反射率极小，当衬底层1的厚度足够时，透射为零，这样就实现了该峰值处的最大限度的吸收。其中，吸收公式为：A＝1-T-R，其中，A表示光吸收率，R表示光谱反射，T表示光谱透射。
本发明实施例提供的可调谐吸收器，由上下两层结构设计而成，上层为图案化的功能材料层，整个上层中的调谐吸收单元周期性排列分布，下层为金属材料的衬底层1，可以实现可见光400nm到1400nm波段形成多个可调谐吸收峰。
其中，衬底层1仅仅起到反射入射光的作用。通过对参数的优化和设计，可以在金属框与半导体之间形成谐振腔，增加对入射光的模间谐振吸收，而方框的尖端效应也对吸收起到贡献作用。此外，由于相邻方框的材料不同，可以产生法诺共振效应，这也是导致峰值吸收强烈的原因。而且，图案化的功能材料层与衬底层1之间形成的谐振光腔，加剧了吸收峰值的强吸收效果。值得注意的是，位于最内侧的可移动的可调谐方块24，该可调谐方块24通过移动，能够与周围的调谐吸收单元形成法诺共振以及相应的阻抗匹配，对吸收起着进一步的调谐作用。
与现有技术相比，本发明实施例提供的可调谐吸收器，解决了传统可调谐吸收器峰值吸收效率低，吸收器调谐设计复杂、需要增加外加偏置电压等复杂设计、可行性低以及制作成本高，占空比过大等缺陷。
本发明经过对可调谐吸收器的模型结构、尺寸大小等优化，在仅仅只有两种材料并且只有两层结构的情况小，能够实现可调谐吸收器在多个高的吸收峰值前提下，对400nm-1400nm波段的可见光、近红外的多个峰值进行吸收的调谐。并且，该发明设计制作流程简便，制作工艺简单，有广泛的材料来源，低制作成本，却做到了峰值吸收效率高，可调谐多个波段峰值的效果。
此外，该可调谐吸收器引入了可移动的可调谐方块24，在没有外加电场的设计下，可以在一定范围内动态的调谐吸收器的峰值位置，能够对一定范围内的吸收产生动态调谐效果，这就为未来可调谐吸收器的设计提供了理论指导，能够在一定程度上按需求进行吸收峰值的调谐。本发明实施例提供的可调谐吸收器设计简单，工艺成熟，容易在实际应用中得到广泛推广。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种可调谐吸收器，其特征在于，包括：
衬底层；
设置于所述衬底层上的至少一个谐振单元；其中，每个所述谐振单元包括：
设置于预设的晶格周期内的至少两个调谐吸收单元；
其中，每个所述调谐吸收单元均为中空结构，所述至少两个调谐吸收单元中的第n调谐吸收单元设置于第n+1调谐吸收单元内，n为不小于1的正整数；所述至少两个调谐吸收单元中的相邻两个所述调谐吸收单元的边框高度不同，且可根据不同波段的电磁波的波长调整所述边框高度，以形成法诺共振效应。
2.根据权利要求1所述的可调谐吸收器，其特征在于，所述可调谐吸收器还包括可移动的调谐部件，所述可移动的调谐部件设置于所述第n调谐吸收单元内，其中，n＝1。
3.根据权利要求1所述的可调谐吸收器，其特征在于，所述至少两个调谐吸收单元中的每个所述调谐吸收单元均为方形中空结构，且以所述晶格周期的中心点为中心，等距排布。
4.根据权利要求1所述的可调谐吸收器，其特征在于，所述至少两个调谐吸收单元中的每个所述调谐吸收单元的边框厚度相同。
5.根据权利要求1所述的可调谐吸收器，其特征在于，所述至少两个调谐吸收单元中的每个所述调谐吸收单元均为半导体部件。
6.根据权利要求5所述的可调谐吸收器，其特征在于，所述半导体部件包括半导体属性特征不同的第一半导体部件和第二半导体部件，相邻两个所述调谐吸收单元分别为所述第一半导体部件和所述第二半导体部件。
7.根据权利要求6所述的可调谐吸收器，其特征在于，所述半导体属性特征包括光反射率、透射率、波长吸收特性及折射率中的至少一种。
8.根据权利要求1所述的可调谐吸收器，其特征在于，所述衬底层为金属层。
9.根据权利要求1所述的可调谐吸收器，其特征在于，所述衬底层的厚度为使所述电磁波的入射波的透射为零的厚度。
10.根据权利要求9所述的可调谐吸收器，其特征在于，所述衬底层的所述厚度大于50nm。
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