一種亞波長等離激元偏振轉換器的制造方法

一種亞波長等離激元偏振轉換器的制造方法
【專利摘要】本實用新型提供開了一種亞波長等離激元偏振轉換器，包括入射偏振片和出射偏振片，入射偏振片和出射偏振片之間由介質或空氣層間隔。其中，入射偏振片和出射偏振片均采用等離激元材料；兩個偏振片上刻有亞波長尺寸的小孔，入射偏振片上的每個小孔與出射偏振片上對應的小孔之間形成一夾角，且形成夾角的兩個小孔的端點交叉。當兩個小孔的夾角為90度時，入射偏振片只允許一種偏振的電磁波耦合進入，而出射偏振片只允許與前者偏振方向正交的電磁波出射。利用正交的矩形小孔之間的近場耦合效應，該系統能夠突破馬呂斯定律的限制，使得電磁波產生有效的透射且偏振方向旋轉90度。該轉換器可用作單向傳輸器、亞波長開關和調制器。
【專利說明】一種亞波長等離激元偏振轉換器
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種亞波長等離激元偏振轉換器，該轉換器由一對刻有亞波長小孔的金屬偏振片構成，它可以將電磁波的線偏振方向旋轉90度。該轉換器還可用作單向傳輸器、亞波長開關或調制器。
【背景技術】
[0002]傳統的偏振器及偏振轉換器主要是基于自然材料的二向色性、雙折射效應或光學活性等特性，由此可產生線偏振光或改變光波的偏振態。眾所周知，利用二個線偏振片可產生線偏振光并可將光的偏振方向加以旋轉。不過，根據馬呂斯定律，光的透射效率將隨著偏振片旋轉角度0的增大而減小。當θ=90°時,光的透射效率變為O。這意味著,光無法通過兩個極化方向正交的偏振片，利用正交的偏振片也無法獲得偏振方向90度的旋轉。與此不同，利用波片的雙折射和相位延遲效應，入射光波的偏振方向或偏振態可有效地加以控制。特別是，當入射偏振與半波片的光軸成45度夾角時，線偏振光的振動方向可旋轉90度。此外，由于某些物質具有自然旋光性或法拉第效應，光波的偏振面隨著傳播距離逐漸發生旋轉。因為旋轉角度與通光距離成正比，故光的偏振方向可自由地進行調控。然而，由于較弱的雙折射特性或較小的旋光系數，上述效應的實施需要較強的外加磁場或較大的通光距離(通光距離遠遠大于電磁波長)。這對微納光子學元器件的開發和集成而言是一個十分不利的因素。
[0003]近來，微結構的表面等離激元材料（即金屬材料）為開發亞波長的電磁波偏振器和轉換器提供了新的途徑。由于金屬獨特的介電響應，電磁場能夠與金屬表面自由電子振蕩產生耦合，形成表面等離激元或局域等離激元共振。通過表面等離激元材料的微結構設計和研究，人們陸續發現了許多有趣的物理效應，如增強透射效應、光束準直效應、負折射效應等。在偏振特性上，一維金屬狹縫光柵、二維橢圓形或矩形小孔陣列的透射具有強烈的偏振依賴性，可用以研制亞波長偏振器。基于增強透射效應，刻有亞波長小孔(如L或S形小孔陣列）的單層或雙層金屬膜也可用于偏振轉換，如實現90度的偏振旋轉。不過，這些偏振轉換器通常具有較低的轉換效率或較窄的工作帶寬(或運用于特定的工作波長)。另一方面，基于亞波長金屬開口環、金屬棒等粒子，人們構造了復合的超構材料。這些材料可擁有各向異性(類似于波片）或光學活性(手性材料）等性能，從而為實現各偏振態的轉換提供可能。然而，亞波長的超構材料通常具有制備復雜且損耗較大的缺點，這限制了其在短波長特別是可見和近紅外波段的應用。

【發明內容】

[0004]為了解決目前90度的偏振轉換器所具有的效率低下、帶寬較窄或制備復雜的缺點，本實用新型提供了一種亞波長偏振轉換器，該轉換器不僅結構簡單，而且轉換效率高、工作帶寬大。
[0005]本實用新型解決其技術問題所采用的技術方案是：[0006]—種亞波長等尚激兀偏振轉換器,包括入射偏振片和出射偏振片，入射偏振片和出射偏振片之間由介質或空氣層間隔。其中，入射偏振片和出射偏振片均采用等離激元材料；所述入射偏振片和出射偏振片上刻有亞波長尺寸的小孔，入射偏振片上的每個小孔與出射偏振片上對應的小孔之間形成一夾角，且形成夾角的兩個小孔的端點交叉。
[0007]兩個小孔形成的夾角為O?90度。
[0008]所述偏振片的形狀為矩形或者圓形等；入射偏振片和出射偏振片上的小孔為矩形、橢圓形或梯形等，偏振片和小孔的形狀不限。
[0009]入射偏振片和出射偏振片的間距為亞波長。入射偏振片和出射偏振片上的小孔為周期性排列或非周期性排列。
[0010]本實用新型利用二個極化方向正交的表面等離激元偏振片之間的近場耦合效應實現線偏振90度的旋轉。入射偏振片只允許一種偏振的電磁波耦合進入，而出射偏振片只允許與前者偏振方向正交的電磁波出射。這里，入射和出射金屬偏振片均刻有矩形亞波長小孔；從通光方向看，二個偏振片的對應小孔之間成垂直L形交叉。這一配置可增強兩個正交偏振態之間的耦合效應，進而提高透射/轉換效率并擴大工作帶寬。
[0011]本實用新型的科學價值在于揭示了一種異常的透射效應：電磁波能夠通過兩個極化方向正交的表面等離激元偏振片。這一效應突破了傳統的馬呂斯定律的限制。本實用新型的應用價值在于該轉換器能夠實現90度的偏振轉化，且轉換效率高、工作帶寬大；而且除了馬呂斯定律所禁止的正交方向，還可以將入射線偏振切換到任意偏振方向，實現“萬向”的偏轉轉換。在紅外波段，透射或轉換效率可達52%，工作帶寬可達12%。在微波段，透射效率可達100%，工作帶寬可達15%。該偏振轉換器的厚度為亞波長，其結構簡單，易于制備和集成，可應用于光頻、太赫茲或微波段。此外，該轉換器還可用作單向傳輸器、亞波長開關和調制器。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖I (a)是本實用新型的結構示意圖，(b)是兩個小孔形成的單個元胞的側面視圖，（C)是單個元胞的正面視圖。
[0013]圖2是利用聚焦離子束（FIB)系統在Au/SiN/Au上加工正交的出射（圖a)和入射(圖b)偏振片的局部掃描電鏡（SEM)圖片。
[0014]圖3是實驗測量（圖a)和理論模擬（圖b)的透射曲線。
[0015]圖4是模擬計算的入射偏振片（圖a)和出射偏振片（圖b)的電流分布。
[0016]圖5 Ca)是不同孔陣周期的透射效率Txy曲線，(b)是不同SiN厚度時的透射效率Txy曲線。
[0017]圖6 (a)和（b)分別是微波段加工的單個偏振片和正交配置的偏振轉換器的實物圖片，(c)是理論計算和實驗測得的單個偏振片的透射曲線，（d)是理論計算和實驗測得的偏振轉換器的透射曲線。
[0018]圖7 Ca)是偏振轉換器在不同間距下的理論和實驗透射效率Txy曲線，(b)是偏振轉換器在不同矩形小孔邊長下的理論透射效率Txy曲線。
[0019]圖8 (a)是30度傾斜角的出射偏振片的實物圖，（b)是實驗(上）和理論(下）的不同L型“交叉”夾角的透射曲線。[0020]圖9 (a)是“萬向”偏振轉換器的入射或出射偏振片的結構示意圖，(b)是局部小孔的設計示意圖，（C)是“萬向”偏振轉換器的入射或出射偏振片的實物加工圖片，（d)是實驗測量的“萬向”偏振轉換器在不同旋轉角度下的透射曲線。
【具體實施方式】
[0021]圖I給出了偏振轉換器的結構示意圖以及單個元胞的側面、正面視圖。該轉換器由兩個刻有亞波長矩形小孔的金屬膜/片M構成，兩者由電介質（或空氣）層I間隔。金屬膜上的矩形小孔陣列的周期皆為d，其余結構參數如圖I所示。從通光方向看，兩層矩形小孔之間成垂直L型“交叉”，即交叉夾角為90度。這里設定入射面小孔的長邊沿著水平y方向，X偏振的電磁波垂直入射于金屬表面。這一系統可保證只有電磁波的X偏振分量才能耦合進入，且只有I偏振分量才能出射。這樣，如果出現透射的話，必然導致線偏振90度的旋轉。下面結合附圖以紅外（圖2-5)和微波段（圖6-9)作為三個實施例對本實用新型作進一步說明。
[0022]實施例I
[0023]作為第一個實施例，偏振轉換器的工作頻率位于光頻段。該轉換器由金膜/氮化硅/金膜三明治結構構成，金膜上分別制備有預先設計的微結構。在實驗過程中，首先利用磁控濺射在懸空的50納米厚的氮化硅薄膜兩側分別鍍上100納米厚的金膜，然后利用聚焦離子束（FIB)系統在兩側的金膜上分別制備亞波長小孔陣列。制備的小孔陣列的周期為600納米，矩形小孔的長為400納米、寬150納米，整個陣列的尺寸為50微米*50微米。為了使得兩側的矩形小孔能夠對準成L型“交叉”，在加工過程中樣品的四個角落用FIB分別制作了四個貫穿的標記，用以輔助定位和加工。圖2 (a)和圖2 (b)分別為出射和入射偏振片的局部SEM圖片。從圖2 (b)可以看出，兩側加工的矩形小孔相互對應，基本成L型垂直“交叉”。
[0024]圖3 (a)給出了該偏振轉換器的實驗測量結果。圖中實心和空心標記分別代表出射波為y和X偏振的透射效率。從測試結果可以看出，在整個測試波段內，出射光中并無有效的X偏振分量；這也反映了出射面矩形小孔的良好的偏振特性。然而出射的I偏振分量，即與入射偏振相垂直的分量，在800納米、1000納米和1340納米附近分別取得透射效率的極大值。特別是在1000納米附近，透射效率達到40%，半高寬或工作帶寬約為80納米(相對帶寬為8%)。為了驗證上述實驗結果，圖3 (b)給出了基于時域有限差分（FDTD)方法模擬計算的該結構的透射譜。在計算過程中，氮化硅的折射率設為1^=2. 0，金的介電常數采用了Drude 模型 A = I-4)(6)+ 々），其中 ωρ=1· 37X 1016rad/s, Y =8. 5X IO13Hz0 計算結果顯
示，理論和實驗能夠很好地吻合。這些結果一致表明，在特定波段，兩個正交的表面等離激元偏振片不僅能產生有效的透射，而且還能使光的偏振方向旋轉90度。
[0025]理論分析表明，這些透射峰的產生與兩個金屬膜間的內部表面等離極化激元（ISPP)的激發有關。ISPP的激發條件可近似表達為kISPP=Gmn，其中
Iiispp = (n,(olcU\ + 2Slh , Gmn =(2πId)^nr + η1 ( δ =22nm 為金屬的趨膚深度，m 和 η 為兩個整數)。因而ISPP的共振波長近似為弋? n}d^(\ + 2δ?h)Km2 + η )據此，800納米、1000納米和1340納米處的透射峰可分別歸功于對應（2，I)、（2，O)、(I, I)倒格矢的ISPP激發[(I, O)倒格矢激發的透射峰位于測量波長范圍之外]。由于1000納米處的透射峰非常靠
近矩形小孔的截止波長(矩形孔的截止波長為人=2(/ + 2^1 + 2^/H- =1010納求），因而其
透射效率也遠高于其它的透射峰。但是，什么原因導致電磁偏振的轉化呢？實際上，在雙層穿孔金屬膜內，ISPP的激發必將和矩形小孔的波導模產生耦合(波導模又和小孔周圍的電子振蕩相關聯)。不僅如此，兩層金屬膜上的矩形小孔也會發生相互作用。這些互作用使得系統的共振波長偏離理想的ISPP共振，也使得系統的電磁偏振發生改變。為了簡要說明這個問題，本實用新型用FDTD方法模擬了波長為1000納米處的金屬偏振片內部的電流分布圖。圖4 (a)顯示的是入射偏振片xy面內的電流分布(金屬的一半厚度處)。在X偏振的入射電磁場和ISPP的共同作用下，入射端小孔內的電磁場或波導模獲得增強。波導模的激發在小孔周圍伴隨著環繞電流并同時聚集正負電荷。這些環繞電流和聚集的正負電荷將和出射偏振片的矩形小孔產生耦合作用，即在出射小孔附近感應出新的正負電荷和環繞電流(圖4 (b))。后者在出射小孔內激發電磁場并產生y偏振的電磁福射。
[0026]上述分析表明增強透射和偏振轉換效應起源于ISPP共振增強的近場耦合效應。這一效應將依賴于晶格周期d和兩個偏振片之間的間距h (也就是氮化硅層的厚度)。圖5
(a)給出了不同周期下的模擬透射譜Txy (d=550, 600, 650納米；h=50納米)。隨著周期的增加，透射峰發生明顯的紅移；紅移的幅度與ISPP共振預言的結果基本相當。圖5 (b)給出了理論計算的不同間距h下主峰的透射效率曲線（Txy)。當h=30納米時，透射峰位于1080納米，透射效率為12.5%。隨著間距的增加，ISPP共振波長將逐漸減小，透射峰藍移(不過，當h?S時，這一變化趨勢將變緩并趨于消失)。與此同時，由于藍移的透射峰逐漸靠近截止波長，透射效率增大。在截止波長附近，ISPP模和入射、出射偏振片的波導模發生強烈的耦合作用，導致透射峰發生劈裂。分裂的兩個透射峰隨著h的增大逐漸分離，并在h=80納米時透射效率達到 最大值。模擬顯示，雙峰的產生與雙孔作用形成的對稱和反對稱模式有關。也就是說，入射小孔在圖4 (a)的電荷和電流分布下，出射小孔可產生如圖4 (b)的分布模式或和圖4 (b)完全相反的電荷電流模式。透射峰的分裂效應可用以構造寬帶的偏振轉換器。比如，當h=80納米時，透射或轉換效率達到52%，半高寬可達122納米，相對帶寬約為12%。不過，隨著h的進一步增大，兩層小孔之間的耦合作用得以消弱，雙峰的透射效率將顯著降低。
[0027]實施例2
[0028]作為第二個實施例，偏振轉換器的工作頻率位于微波段。圖6 (a)和圖6 (b)分別為利用水切割(水刀）加工而成的單個偏振片和偏振轉換器的實物圖片。穿孔金屬平板由鋁材構成，其厚度為t=l. 5毫米，孔陣的周期為d=60毫米，矩形孔的邊長為1=40毫米、寬W=IO毫米。整個樣品的邊長為660毫米，共包含11*11個矩形小孔。轉換器的兩個金屬平板由空氣層間隔，小孔成L型垂直“交叉”，且平板間距可自由調節。圖6 (c)給出了實驗測量的單個偏振片的透射譜(圓和方塊)。實驗在入射偏振X方向上探測到2個透射峰（Txx，方塊）：主峰位于3. 53GHz，次峰位于5. 92GHz。主峰的透射效率達到98% ;如果對小孔的面積占空比進行歸一化，則歸一化透射效率將達到880%。這一效應正是穿孔金屬膜的增強透射效應。另外，實驗測量了與入射偏振正交的y偏振方向的透射效率（Txy，圓)。在整個測試波段2-7GHZ范圍內，該偏振的效率小至可忽略不計。這表明，在測試的微波波段內（尤其在透射峰附近)，該偏振片具有良好的偏振特性。測試結果和FDTD計算(見實線和虛線）能夠較好的吻合。圖6 (d)給出了偏振轉換器在兩個偏振片間距為h=10毫米時的實驗和理論透射效率曲線。實驗發現，在入射偏振為X方向的情況下，X偏振的出射信號在整個測試波段內幾乎為O (Txx，方塊)。與此相反，y偏振的出射信號在3. 6GHz和6. OGHz附近出現兩個透射極大（Txy，圓)。在3. 6GHz，透射峰的效率達到了 98%。這表明，在微波段入射電磁波也能有效透過該類型的偏振轉換器：不僅電磁波的偏振方向旋轉了 90度，而且透射或轉化效率接近100%。值得注意的是，實驗和理論發現上述效應的工作帶寬（半高寬）約為400MHz，相對帶寬達到11%。這與光頻段的結果基本相當。在微波段，雖然金屬表面真實的SPP模并不存在，但通常認為金屬表面結構的調制可產生“偽”表面等離激元（spoof SPP)模。后者將起著類似SPP的作用并產生增強透射。可以理解，上述偏振轉換效應的出現與“偽”表面等離激元共振以及雙層小孔間的近場耦合效應密切相關。
[0029]微波段的偏振轉換效應可以利用結構參數的改變自由調控。一方面，近場耦合效應強烈依賴于兩個正交偏振片之間的距離。當兩個偏振片之間的距離增大時，這一耦合效應必將減弱。圖7 (a)描繪了實驗測量和理論計算的不同偏振片間距下的透射譜(這里只給出I分量的透射效率Txy，Txx可忽略)。容易看到，理論(實線）和實驗(實心標記）吻合良好。隨著偏振片間距的增大（h=10_30毫米)，透射峰的位置僅僅發生微小的紅移(顯示出耦合模能量的減小)，但是透射效率顯著降低。當h=30毫米時，透射效率已不足2%。這表明，當偏振片距離較大時，電磁波的透射被隔斷；而當距離較小且允許近場耦合時，馬呂斯定律的限制將被打破。這一現象可用以構造亞波長調制器或開關，即通過控制偏振片的距離來調節微波透射效率或實現微波的通與斷。另外發現，當h小于10毫米時，透射峰發生劈裂。這同樣與強烈作用所導致的對稱和反對稱模式有關。這一效應也可用于開發寬帶的微波偏振轉換器。比如，當h=5毫米時，所得的半高寬可達540MHz，相對半高寬約為15%。另一方面，通過調節結構參數可以調控該效應的工作頻率，使得它能夠在不同的頻率需求下運作。一個方法是根據頻率需求按比例縮減系統的尺寸，或者單純地改變小孔的大小。圖7 (b)給出了理論計算的三個不同小孔長度（1=40，35，30毫米，h=10毫米；其它參數不變）下的透射譜（Txy)。結果顯示，隨著小孔邊長(和截止波長）的減小，透射峰從3. 6GHz移到3. 9和
4.2GHz，且透射峰處的偏振轉換效率都接近100%。
[0030]實施例3
[0031]基于上述結果，本實用新型進而提出一個“萬向”偏振轉換器的設計方法。該轉換器可以將入射線偏振切換到任意偏振方向，包括馬呂斯定律所禁止的正交方向。為實現這一目的，這里提出兩種方案。第一種方案作為過渡方案，它使用圖6 (a)中的偏振片作為入射偏振片，而出射偏振方向通過不同的出射偏振片加以控制。出射偏振片仍由金屬招板構成，上面刻有周期性的傾斜矩形小孔(矩形小孔的長邊與水平方向的夾角Θ可根據需要設定；入射和出射偏振片的對應矩形小孔形成Z形“交叉”)。作為例子，圖8 (a)給出θ=30度時的出射偏振片的實物圖片。圖8 (b)給出了實驗測量(上）和理論計算(下）的不同傾斜角度Θ下的透射譜(輸出電場分量與出射小孔長邊垂直)。可以看到，在3. 6GHz附近，轉換器能夠產生有效的輸出。當θ=0度時，透射效率的最大值為55%;當θ=30、45、60和90度時，透射或轉換效率的峰值大于90%甚至于接近100%。除O度以外，一般的相對工作帶寬介于10%和17%之間。[0032]第二種方案采用一個單個的偏振轉換器實現上述所有功能，從而實現“萬向”偏振轉換。該“萬向”偏振轉換器由兩個相同的圓形偏振片構成，其中入射偏振片固定，出射偏振片可繞著中心軸自由旋轉。圖9 (a)給出了入射或出射偏振片的結構設計圖。每個偏振片在半徑為d、2d、3d和4d的同心圓周上“均勻”地刻有亞波長矩形小孔，且所有的矩形小孔平行排列。這里，“均勻”是指利用徑向直線將圓周均勻分割，在徑向直線與圓周的交點處刻出矩形小孔：該交點距離小孔的上、下和左側分別為w/2[見圖9 (b)]。為避免近鄰的小孔相互交疊，在半徑為d的圓周上小孔具有準8重旋轉對稱性；在半徑為2d的圓周上，小孔具有準12重旋轉對稱性；在半徑為3d和4d的圓周上，小孔具有準24重旋轉對稱性。這樣，通過旋轉出射偏振片以一定的角度（比如15、30、45、60、75、90度等)，兩個偏振片的對應矩形小孔之間能夠形成相同夾角的Z或L形“交叉”。因而，基于近場耦合效應，入射偏振可向其它方向切換。圖9 (c)給出了實驗制備的偏振片的實物圖片。這里，整個樣品的直徑為600毫米，同心圓周的間距為d=60毫米，小孔的尺寸、鋁板的厚度與先前相同。圖9 Cd)為實驗測量的不同旋轉角度（0、30、45、60、90度）下的透射譜(輸出電場分量與出射小孔長邊垂直)。由圖可見，在不同的旋轉角度下，該轉換器都能夠在3. 5GHz附近產生有效的透射(與周期結構相比，由于缺少周期性，其透射效率得到一定程度的消弱)。這些結果也表明，通過旋轉出射偏振片，該轉換器可將微波的偏振方向加以旋轉(包括90度)，且轉換效率能夠維持在較高的水平。與之相比，兩個傳統偏振片的透射或轉換效率隨著旋轉角度的增大而減小，且在極化方向正交時光的透射被切斷。此外應該指出，在其它的旋轉角度時，雖然兩個偏振片的矩形小孔之間偏離Z或L形“交叉”，但近場耦合效應仍能產生有效的偏振轉換。可見，“萬向”偏振轉換器為線偏振方向的調控提供了有力的工具。
[0033]在實際應用中，材料結構參數可以根據需要進行適當調整或改變。比如，金屬的厚度、孔陣的周期、矩形小孔的大小以及電介質的折射率等，都可以自由調控。兩個偏振片的矩形小孔還可以由相同的尺寸變為不同的尺寸，以改善帶寬。而且，矩形小孔還可以利用橢圓形或梯形等狹長形小孔來代替。此外，除了光頻和微波段，本實用新型可以自然地推廣到太赫茲波段。這些改變都不違背本實用新型的精神。值得注意的是，除了偏振轉換器、亞波長調制器或開關，本實用新型還可用作單向傳輸器。即X偏振的電磁波能夠沿著z向有效地傳播，而同一偏振的反向傳播被嚴格禁止。這些有可能在構造新型微波器件上獲得潛在的應用。
【權利要求】
1.一種亞波長等尚激兀偏振轉換器，包括入射偏振片和出射偏振片，入射偏振片和出射偏振片之間由介質或空氣層間隔，其特征在于，入射偏振片和出射偏振片均采用等離激兀材料；所述入射偏振片和出射偏振片上刻有亞波長尺寸的小孔，在通光方向上，入射偏振片上的每個小孔與出射偏振片上對應的小孔之間形成一夾角，且形成夾角的兩個小孔的端點交叉。
2.根據權利要求I所述的一種亞波長等離激元偏振轉換器，其特征在于，所述夾角為.O?90度。
3.根據權利要求I或2所述的一種亞波長等離激元偏振轉換器，其特征在于，所述偏振片的形狀為矩形或者圓形；所述入射偏振片和出射偏振片上的小孔為矩形、橢圓形或梯形。
4.根據權利要求3所述的一種亞波長等離激元偏振轉換器，其特征在于，所述入射偏振片和出射偏振片的間距為亞波長。
5.根據權利要求I所述的一種亞波長等離激元偏振轉換器，其特征在于，所述入射偏振片和出射偏振片上的小孔為周期性排列或非周期性排列。
【文檔編號】G02B27/28GK203616532SQ201320808420
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2013年12月10日 優先權日:2013年12月10日
【發明者】黃成平, 張勇 申請人:南京工業大學