一種電磁波單向透射器件的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種電磁波單向透射器件，其特征在于包括:雙曲超材料結構以及雙曲超材料頂部的第一金屬周期陣列和底部的第二金屬周期陣列；其中所述雙曲超材料結構是由30nm厚的Ag和25nm厚的SiO2交替排列所組成的堆疊結構；所述第一金屬周期陣列由二維陣列分布的金屬衍射光柵構成，其周期為280nm；所述第二金屬周期陣列由二維陣列分布的金屬衍射光柵構成，其周期為200nm。將一維光柵結構改進為二維陣列光柵結構，形成了對于各個偏振態均有效的單向透射器件；再通過適當減少雙曲超材料的周期數，提高了單向透射的透過率和對比度；最終實現了偏振無依賴和增強透射的目的。本實用新型提出了一種能夠對各種偏振態均有效、具有較高對比度的單向透射器件。
【專利說明】
一種電磁波單向透射器件
技術領域
[0001] 本實用新型屬于亞波長光子學領域及集成光學領域，特別涉及一種基于雙曲超材 料和二維金屬光柵的單向透射器件。
【背景技術】
[0002] 單向透射器件在集成光學系統中多用于通信和信息處理，比如定向敏感分束器， 復用和光互連。其所擁有的特點是:反方向平行光照條件下，正向和反向傳輸的光擁有較高 的對比度。雖然單向透射器件不能用于實現只有非互易功能的有源器件，但是它們具有不 對稱傳輸和被動操作的獨特優點。單向透射器件可以通過人造結構如:非對稱光柵，光子晶 體等，通過打破空間反演對稱性來實現單向透射的目的。然而，由于這種器件本身所固有的 復雜性，在設計制造和性能方面仍具有很大的提升空間。
[0003] 基于金屬-電介質多層膜結構的雙曲超材料，其結構單元的尺度處于深度亞波長， 是一種具有雙曲空間頻率響應、高度各向異性的均勻電磁介質。這種材料提供了一種有效 操縱光傳播的方式，產生了許多新穎現象，如負反射、超高分辨率成像、增強光學態密度、慢 光等，因此雙曲超材料也成為近年來的研究熱點。
[0004] Ting Xu等人在題為《Visible-frequency asymmetric transmission devices incorporating a hyperbolic metamaterial》的文章中提出了一種能夠實現單向透射功 能的平面器件，它的上下表面是一維平行金屬衍射光柵，見nature communication卷5 : 4141，但是其只對一個偏振態有效。
[0005] 因此，發明一種具有較高對比度、能夠對各種偏振態都有效的單向透射器件顯得 很有必要。 【實用新型內容】
[0006] 本實用新型的目的是提供一種能夠對各種偏振態都有效的單向透射器件。
[0007] 為了實現上述目的，本實用新型采用以下技術方案:一種電磁波單向透射器件，其 特征在于包括:雙曲超材料結構以及雙曲超材料頂部的第一金屬周期陣列和底部的第二金 屬周期陣列;其中所述雙曲超材料結構是由30nm厚的Ag和25nm厚的Si〇2交替排列所組成的 堆疊結構;所述第一金屬周期陣列由二維陣列分布的金屬衍射光柵構成，其周期為280nm; 所述第二金屬周期陣列由二維陣列分布的金屬衍射光柵構成，其周期為200nm。
[0008] 所述雙曲超材料結構中30nm厚的Ag和25nm厚的Si〇2作為一個周期單元，所述雙曲 超材料結構的周期數為3~5。
[0009] 所述第一金屬周期陣列和第二金屬周期陣列光柵采用金屬鉻，光柵的高度為 50nm〇
[0010] -種具有較高對比度、能夠對各種偏振態都有效的單向透射器件，以解決現有的 單向透射器件的透射率和對比度低，而且只局限于一個偏振態TM偏振態的問題。雙曲超材 料是由30nm厚的Ag和25nm厚的Si〇2做為一個周期單元所組成的堆疊結構，通過減少雙曲超 材料的周期數來提高透過率，本實用新型周期數為3,周期數減少可以有效的降低銀帶來的 損耗，使光只有在正向入射時能透過去，但是雙曲超材料的厚度要大于光的衰減長度，來保 證反向入射時光不能透過。將入射光從底部照射向頂部定義為正向入射，入射光從頂部照 射向底部定義為反向入射。
[0011 ]入射端光柵和出射端光柵是由具有一定周期的二維陣列分布的金屬衍射光柵構 成，其周期分別為GA=200nm(底部)和GB = 280nm(頂部），入射光的波長為532nm。通過將一維 光柵調整為二維光柵，來實現對各個偏振態有效的單向透射，將一維光柵變成二維的陣列， 就可以使得在兩個方向的偏振態的衍射波同時能夠透過，從而實現了偏振無依賴性。
[0012] 本實用新型的有益效果為:本器件達到了單向透射的效果，并且具有相對較高對 比度且能夠對各種偏振態有效。在亞波長光子學領域、集成光學領域等相關領域擁有巨大 的應用價值。
【附圖說明】
[0013] 圖1是本實用新型電磁波單向透射器件的結構示意圖。
[0014] 圖2是本實用新型電磁波單向透射器件的側視圖。
[0015] 圖3是本實用新型電磁波單向透射器件的俯視圖。
[0016] 圖4是入射光波長為λ = 532ηπι時雙曲超材料的色散關系圖。
[0017]圖5是光正向入射時的場分布圖，雙曲超材料的周期為3。
[0018] 圖6是光反向入射時的場分布圖，雙曲超材料的周期為3。
【具體實施方式】
[0019] 下面結合具體實施例和附圖對本實用新型作進一步說明。
[0020] 如圖1所示，一種基于雙曲超材料和二維金屬光柵的單向透射器件，包括雙曲超材 料結構1，雙曲超材料頂部的第一金屬周期陣列2,雙曲超材料底部的第二金屬周期陣列3。 雙曲超材料結構是由30nm厚的Ag和25nm厚的S i 〇2做為一個周期單元所組成的堆疊結構。第 一金屬周期陣列由二維陣列分布的金屬衍射光柵構成，其周期GA=200nm;第二金屬周期陣 列由二維陣列分布的金屬衍射光柵構成，其周期為G B = 280nm。圖2為本實用新型結構的側 視圖。圖3為本實用新型結構的俯視圖。圖4為雙曲超材料色散關系圖。
[0021] 雙曲超材料的等效介電常數為：
[0022]
[0023] 由Wiener公式計算這兩個主介電常數(丨-/)、和〃 =&vw/[./Xva+(i-/')s]' 分別表不雙曲超材料中垂直于z軸方向的介電常數分量和平行于z軸的介電常數分量，選擇 銀的占空比f為0.54。在x-z截面上該雙曲超材料色散關系為k x2/e丄+kz2/e// = k〇2,其中kx = kx ' +ikx"，表示沿X方向波矢，kx '為波矢的實部、kx"波矢的虛部;kz = kz ' +kz"，表示沿z方向 波矢，kz'為波矢的實部、kz"波矢的虛部;真空波矢為= 對應與真空中波長。當入 射光的波長為532nm時雙曲超材料的色散關系如圖4所示。
[0024] 光在材料中的衰減長度公式為
'自由空間（真空中）波長λ〇 = / \ * / 532nm和633nm分別對應的衰減長度L = 42.20nm和38.56腦，結構的周期數選為3時：結構縱 向尺寸為(30+25) X3 = 165nm，結構單元的厚度要大于衰減長度，光不會在反向時通過該器 件，本實用新型周期數設置為3。
[0025] 圖5是光正向入射進該器件中時的電場分布圖，圖6是光反向進該器件中時的電場 分布圖。
[0026] 利用本實用新型所屬的技術方案或本領域的技術人員在本實用新型的技術方案 的啟發下，設計出類似的技術方案而達到上述技術效果的均落入本實用新型的保護范圍。
【主權項】
1. 一種電磁波單向透射器件，其特征在于包括:雙曲超材料結構以及雙曲超材料頂部 的第一金屬周期陣列和底部的第二金屬周期陣列;其中所述雙曲超材料結構是由30nm厚的 Ag和25nm厚的Si02交替排列所組成的堆疊結構;所述第一金屬周期陣列由二維陣列分布的 金屬衍射光柵構成，其周期為280nm;所述第二金屬周期陣列由二維陣列分布的金屬衍射光 柵構成，其周期為200nm〇2. 根據權利要求1所述的電磁波單向透射器件，其特征在于：所述雙曲超材料結構中 30nm厚的Ag和25nm厚的Si〇2作為一個周期單元，所述雙曲超材料結構的周期數為3~5〇3. 根據權利要求1所述的電磁波單向透射器件，其特征在于:所述第一金屬周期陣列和 第二金屬周期陣列光柵米用金屬絡，光柵的高度為50nm。
【文檔編號】G02B5/18GK205608219SQ201620361729
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年4月26日
【發明人】許吉, 何鑫, 潘美瞳, 李同, 王勝明
【申請人】南京郵電大學