一种电磁波单向透射器件的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种电磁波单向透射器件，其特征在于包括:双曲超材料结构以及双曲超材料顶部的第一金属周期阵列和底部的第二金属周期阵列；其中所述双曲超材料结构是由30nm厚的Ag和25nm厚的SiO2交替排列所组成的堆叠结构；所述第一金属周期阵列由二维阵列分布的金属衍射光栅构成，其周期为280nm；所述第二金属周期阵列由二维阵列分布的金属衍射光栅构成，其周期为200nm。将一维光栅结构改进为二维阵列光栅结构，形成了对于各个偏振态均有效的单向透射器件；再通过适当减少双曲超材料的周期数，提高了单向透射的透过率和对比度；最终实现了偏振无依赖和增强透射的目的。本实用新型提出了一种能够对各种偏振态均有效、具有较高对比度的单向透射器件。
【专利说明】
一种电磁波单向透射器件
技术领域
[0001] 本实用新型属于亚波长光子学领域及集成光学领域，特别涉及一种基于双曲超材 料和二维金属光栅的单向透射器件。
【背景技术】
[0002] 单向透射器件在集成光学系统中多用于通信和信息处理，比如定向敏感分束器， 复用和光互连。其所拥有的特点是:反方向平行光照条件下，正向和反向传输的光拥有较高 的对比度。虽然单向透射器件不能用于实现只有非互易功能的有源器件，但是它们具有不 对称传输和被动操作的独特优点。单向透射器件可以通过人造结构如:非对称光栅，光子晶 体等，通过打破空间反演对称性来实现单向透射的目的。然而，由于这种器件本身所固有的 复杂性，在设计制造和性能方面仍具有很大的提升空间。
[0003] 基于金属-电介质多层膜结构的双曲超材料，其结构单元的尺度处于深度亚波长， 是一种具有双曲空间频率响应、高度各向异性的均匀电磁介质。这种材料提供了一种有效 操纵光传播的方式，产生了许多新颖现象，如负反射、超高分辨率成像、增强光学态密度、慢 光等，因此双曲超材料也成为近年来的研究热点。
[0004] Ting Xu等人在题为《Visible-frequency asymmetric transmission devices incorporating a hyperbolic metamaterial》的文章中提出了一种能够实现单向透射功 能的平面器件，它的上下表面是一维平行金属衍射光栅，见nature communication卷5 : 4141，但是其只对一个偏振态有效。
[0005] 因此，发明一种具有较高对比度、能够对各种偏振态都有效的单向透射器件显得 很有必要。 【实用新型内容】
[0006] 本实用新型的目的是提供一种能够对各种偏振态都有效的单向透射器件。
[0007] 为了实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案:一种电磁波单向透射器件，其 特征在于包括:双曲超材料结构以及双曲超材料顶部的第一金属周期阵列和底部的第二金 属周期阵列;其中所述双曲超材料结构是由30nm厚的Ag和25nm厚的Si〇2交替排列所组成的 堆叠结构;所述第一金属周期阵列由二维阵列分布的金属衍射光栅构成，其周期为280nm; 所述第二金属周期阵列由二维阵列分布的金属衍射光栅构成，其周期为200nm。
[0008] 所述双曲超材料结构中30nm厚的Ag和25nm厚的Si〇2作为一个周期单元，所述双曲 超材料结构的周期数为3~5。
[0009] 所述第一金属周期阵列和第二金属周期阵列光栅采用金属铬，光栅的高度为 50nm〇
[0010] -种具有较高对比度、能够对各种偏振态都有效的单向透射器件，以解决现有的 单向透射器件的透射率和对比度低，而且只局限于一个偏振态TM偏振态的问题。双曲超材 料是由30nm厚的Ag和25nm厚的Si〇2做为一个周期单元所组成的堆叠结构，通过减少双曲超 材料的周期数来提高透过率，本实用新型周期数为3,周期数减少可以有效的降低银带来的 损耗，使光只有在正向入射时能透过去，但是双曲超材料的厚度要大于光的衰减长度，来保 证反向入射时光不能透过。将入射光从底部照射向顶部定义为正向入射，入射光从顶部照 射向底部定义为反向入射。
[0011 ]入射端光栅和出射端光栅是由具有一定周期的二维阵列分布的金属衍射光栅构 成，其周期分别为GA=200nm(底部)和GB = 280nm(顶部），入射光的波长为532nm。通过将一维 光栅调整为二维光栅，来实现对各个偏振态有效的单向透射，将一维光栅变成二维的阵列， 就可以使得在两个方向的偏振态的衍射波同时能够透过，从而实现了偏振无依赖性。
[0012] 本实用新型的有益效果为:本器件达到了单向透射的效果，并且具有相对较高对 比度且能够对各种偏振态有效。在亚波长光子学领域、集成光学领域等相关领域拥有巨大 的应用价值。
【附图说明】
[0013] 图1是本实用新型电磁波单向透射器件的结构示意图。
[0014] 图2是本实用新型电磁波单向透射器件的侧视图。
[0015] 图3是本实用新型电磁波单向透射器件的俯视图。
[0016] 图4是入射光波长为λ = 532ηπι时双曲超材料的色散关系图。
[0017]图5是光正向入射时的场分布图，双曲超材料的周期为3。
[0018] 图6是光反向入射时的场分布图，双曲超材料的周期为3。
【具体实施方式】
[0019] 下面结合具体实施例和附图对本实用新型作进一步说明。
[0020] 如图1所示，一种基于双曲超材料和二维金属光栅的单向透射器件，包括双曲超材 料结构1，双曲超材料顶部的第一金属周期阵列2,双曲超材料底部的第二金属周期阵列3。 双曲超材料结构是由30nm厚的Ag和25nm厚的S i 〇2做为一个周期单元所组成的堆叠结构。第 一金属周期阵列由二维阵列分布的金属衍射光栅构成，其周期GA=200nm;第二金属周期阵 列由二维阵列分布的金属衍射光栅构成，其周期为G B = 280nm。图2为本实用新型结构的侧 视图。图3为本实用新型结构的俯视图。图4为双曲超材料色散关系图。
[0021] 双曲超材料的等效介电常数为：
[0022]
[0023] 由Wiener公式计算这两个主介电常数(丨-/)、和〃 =&vw/[./Xva+(i-/')s]' 分别表不双曲超材料中垂直于z轴方向的介电常数分量和平行于z轴的介电常数分量，选择 银的占空比f为0.54。在x-z截面上该双曲超材料色散关系为k x2/e丄+kz2/e// = k〇2,其中kx = kx ' +ikx"，表示沿X方向波矢，kx '为波矢的实部、kx"波矢的虚部;kz = kz ' +kz"，表示沿z方向 波矢，kz'为波矢的实部、kz"波矢的虚部;真空波矢为= 对应与真空中波长。当入 射光的波长为532nm时双曲超材料的色散关系如图4所示。
[0024] 光在材料中的衰减长度公式为
'自由空间（真空中）波长λ〇 = / \ * / 532nm和633nm分别对应的衰减长度L = 42.20nm和38.56腦，结构的周期数选为3时：结构纵 向尺寸为(30+25) X3 = 165nm，结构单元的厚度要大于衰减长度，光不会在反向时通过该器 件，本实用新型周期数设置为3。
[0025] 图5是光正向入射进该器件中时的电场分布图，图6是光反向进该器件中时的电场 分布图。
[0026] 利用本实用新型所属的技术方案或本领域的技术人员在本实用新型的技术方案 的启发下，设计出类似的技术方案而达到上述技术效果的均落入本实用新型的保护范围。
【主权项】
1. 一种电磁波单向透射器件，其特征在于包括:双曲超材料结构以及双曲超材料顶部 的第一金属周期阵列和底部的第二金属周期阵列;其中所述双曲超材料结构是由30nm厚的 Ag和25nm厚的Si02交替排列所组成的堆叠结构;所述第一金属周期阵列由二维阵列分布的 金属衍射光栅构成，其周期为280nm;所述第二金属周期阵列由二维阵列分布的金属衍射光 栅构成，其周期为200nm〇2. 根据权利要求1所述的电磁波单向透射器件，其特征在于：所述双曲超材料结构中 30nm厚的Ag和25nm厚的Si〇2作为一个周期单元，所述双曲超材料结构的周期数为3~5〇3. 根据权利要求1所述的电磁波单向透射器件，其特征在于:所述第一金属周期阵列和 第二金属周期阵列光栅米用金属络，光栅的高度为50nm。
【文档编号】G02B5/18GK205608219SQ201620361729
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年4月26日
【发明人】许吉, 何鑫, 潘美瞳, 李同, 王胜明
【申请人】南京邮电大学