一种基于相变材料的可调谐非对称传输光器件的制作方法
【专利摘要】本发明属于传感、光开关和光波段二极管等领域，具体涉及一种基于相变材料的可调谐非对称传输光器件。基于相变材料的可调谐非对称传输光器件，包括双层金属结构和间隔层，所述的双层金属结构位于相变材料两侧的表面，双层金属结构层由周期性排列的基本单元构成。本发明提供了一种基于相变材料的可调谐非对称传输光器件，通过在所设计的双层手性结构中引用相变材料来实现非对称传输的可调谐性。该可调谐性非对称传输器件具有结构简单、操作容易、工作频率调谐范围大等优点，红外光波段线偏振光转换的谐振频率变化现象很明显，有效地实现了红外光波段针对双正交偏振态的双波段单向传输的可调谐性。
【专利说明】一种基于相变材料的可调谐非对称传输光器件
【技术领域】
[0001] 本发明属于传感、光开关和光波段二极管等领域，具体涉及一种基于相变材料的 可调谐非对称传输光器件。
【背景技术】
[0002] 人工电磁材料（Metamaterials)是人工设计具有亚波长结构并呈现天然材料不 具备的超常性质的材料，其独特新颖的物理性质和诱人的应用前景得到了国际学术界的广 泛关注，被美国《科学》杂志评为2003年度十大科技成就之一，超材料引发了光子晶体之后 又一个人工新型媒质的研究热潮。
[0003] 手性是对物体对称性的一种纯粹几何性描述，是指物体结构自身缺乏几何对称 性，典型手性介质有石英、葡萄糖等。为了描述2维平面结构的光学性质，引入了 2维手性 的概念：如果一个平面物体不能通过平面内的旋转和移位与它的镜像重合，即它在结构的 平面内没有线对称性，则该物体为手性结构，具有螺旋性质。手性超材料的出现极大地丰富 了电磁领域的研究内容，例如手性（Chirality)与人工电磁超材料结合后会出现巨大的旋 光效应、电磁波的非对称传输等。
[0004] 非对称传输现象为光波段偏振光传输的方向调控提供了新的途径，对实现光波段 隔离器、光波段二极管、偏振转换器件等超材料功能器件具有重大意义。而具有频率可调谐 性的非对称传输器件更是引起了人们的广泛关注。Shadrivov和Chen等人分别提出在开口 谐振环中外加变容二极管来调节其频率特性。Degiron等人通过在开口谐振环中引入电导 率可调的半导体来实现可调左手材料。Zhao等人将开口谐振环浸在液晶之中，通过外加电 场调节液晶的介电常数来实现结构的频率可调谐性。因此，我们相信通过上述方法也可实 现非对称传输器件的频率可调谐性。
[0005] 但是，上述方法需要引入外加可调器件，这会增加非对称传输器件的复杂性。而液 晶又具有流动性和腐蚀性，在实际应用方面有很大的难度。
[0006] 如果可以直接调节非对称传输器件的介电常数，将能有效地简化实现可调谐非对 称传输器件的难度。因此，本发明提供一种基于相变材料的可调谐非对称传输光器件。通 过将相变材料GST作为介质层，利用相变材料随外加电场或温度改变而变化的特性，实现 非对称传输器件的可调谐性。
[0007] 若双I型的单元结构之间是连续的，要对基本单元进行调整将会变得十分困难， 因此本发明将相邻单元结构的金属层断开，从而使单个单元结构进行调整变得十分方便。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的在于提供一种结构简单、操作容易、调整方便、工作频率调谐范围 大，能真正实现红外光波段基于相变材料的基于相变材料的可调谐非对称传输光器件。
[0009] 本发明的目的是这样实现的：
[0010] 基于相变材料的可调谐非对称传输光器件，包括双层金属结构和间隔层，所述的 双层金属结构位于相变材料两侧的表面，双层金属结构层由周期性排列的基本单元构成， 每层金属结构膜层厚度为20-60nm ;所述金属结构层的基本单元为双I型结构，一端连接在 一起，相邻单元结构间是不连续的。金属结构采用金或银，相变材料采用Ge 2Sb2Te5,两层金 属结构相对旋转角为90度，金属结构层的基本单元之间的旋转角为90度。
[0011] 本发明的有益效果在于：本发明提供了一种基于相变材料的可调谐非对称传输光 器件，通过在所设计的双层手性结构中引用相变材料来实现非对称传输的可调谐性。该可 调谐性非对称传输器件具有结构简单、操作容易、工作频率调谐范围大等优点，红外光波段 线偏振光转换的谐振频率变化现象很明显，有效地实现了红外光波段针对双正交偏振态的 双波段单向传输的可调谐性。本发明所提出的非对称传输光器件具有很强的可调谐性。该 器件将可实现光波隔离器或光波二极管，对红外光波人工电磁材料功能器件的发展意义重 大。
【专利附图】
【附图说明】
[0012] 图1是可调谐非对称传输光器件S的立体结构示意图。
[0013] 图2是可调谐非对称传输光器件S及其基本结构参数。
[0014] 图3 (a)是可调谐非对称传输光器件S的X方向偏振的线偏振光不意图。
[0015] 图3(b)是可调谐非对称传输光器件S的沿Z轴正向垂直入射的线偏振光示意图。
[0016] 图4是可调谐非对称传输光器件S在相变材料GST处于不同状态即不同介电常数 时，以X方向偏振的线偏振光为入射光的透射幅值曲线。
[0017] 图5是可调谐非对称传输光器件S在X方向偏振的线偏振光负向入射时的透射幅 值Gx曲线。
【具体实施方式】
[0018] 下面结合附图对本发明做更加详细的描述。
[0019] 本发明提供的是一种基于相变材料（GST)的可调谐非对称传输光器件。包括双层 金属结构和间隔层，两层金属结构相对旋转角为90度；间隔层是相变材料Ge 2Sb2Te5，厚度 为百纳米量级，使该光器件具有可调谐性并支撑两层金属结构；所述的双层金属结构位于 相变材料两侧的表面，双层金属结构层由周期性排列的基本单元构成，每层金属结构膜层 厚度为20-60nm ;所述金属结构层的基本单元为双I型的结构，相邻单元结构间是不连续 的，从而可以对单个单元结构进行调整。本发明通过在基于多层结构的人工电磁材料中引 入相变材料，使其谐振频率具有可调谐性，对红外光波段人工电磁材料功能器件的发展具 有重要意义。本发明利用相变材料Ge 2Sb2Te5的介电常数在非晶态和晶态具有显著差别的 特性，实现非对称传输光谱的可调谐性。
[0020] 基于相变材料（GST)的可调谐非对称传输光器件。包括双层金属结构和间隔层， 两层金属结构相对旋转角为90度；间隔层是相变材料Ge 2Sb2Te5，厚度为百纳米量级，使该 光器件具有可调谐性并支撑两层金属结构；所述的双层金属结构位于相变材料两侧的表 面，双层金属结构层由周期性排列的基本单元构成，每层金属结构膜层厚度为20-60nm ;所 述金属结构层的基本单元为双I型的结构，相邻单元结构间是不连续的。所述的金属结构 采用金、银等贵金属材料（Noble metal)。所述的相变材料采用Ge2Sb2Te5。双层金属结构 层的基本单元的结构形状相同。双层金属结构层的基本单元的结构形状均为双I型，基本 单元结构尺寸相同，结构单元之间的旋转角为90度。器件可直接在自由空间使用，也可将 其置于石英玻璃等红外透明介质基底材料上使用。
[0021] 器件包括双层金属结构和间隔层；间隔层是相变材料Ge2Sb2Te 5，厚度为百纳米 量级，使该光器件具有可调谐性并支撑两层金属结构；所述的双层金属结构位于相变材 料两侧的表面，双层金属结构层由周期性排列的基本单元构成，每层金属结构膜层厚度为 20-60nm ;所述双层金属结构层的基本单元为双I型的结构且基本单元的结构形状和尺寸 均相同，两层金属结构单元之间的旋转角为90度，相邻单元结构是不连续的。所述的介质 层可以通过控制外加电场或温度，改变相变材料GST的介电常数，从而使其非对称传输具 有可调谐性。
[0022] 本发明还可以包括：
[0023] 所述金属结构采用金、银等贵金属材料（Noble metal)材料。
[0024] 器件可直接在自由空间使用，也可将其置于石英玻璃等红外透明介质基底材料上 使用。
[0025] 人工电磁材料基本单元的周期为P，金属结构的线宽为w，间隔层厚度为t，器件 工作在红外光波段。
[0026] 本发明的实施方式如图1-2所示，可调谐非对称传输光器件S，包括间隔层2和金 属材料层1、3 ;间隔层位于双金属材料层之间，采用相变材料Ge2Sb2Te5，厚度t = 40nm ;金 属材料层位于间隔层两侧的表面，每层由周期性排列的不连续双I型金属材料基本单元构 成，金属材料基本单元为正方形，其周期P = 1200nm,金属线的宽度w = 200nm,长度h = 390nm, 12 = 400nm，金属材料层厚度 h = t2 = 50nm。
[0027] 下面再结合附图3进一步说明实施方案，首先为可调谐非对称传输器S设置一个 XYZ坐标轴作为工作空间，Z轴垂直于可调谐非对称传输器的表面。如图3(a)所示，X方 向偏振的线偏振光4沿Z轴负向垂直入射到上述可调谐非对称传输器表面后，透射光为5。 再令其沿Z轴正向垂直入射到上述可调谐非对称传输器表面，透射光为6,如图3 (b)。分别 计算其透射率<(透射波振幅/入射波振幅），下标i、j分别代表透射光和入射光的偏振 态，上标d代表入射光的波矢方向，沿Z轴正向则为+，Z轴负向则为_。可调谐非对称传输 器S的透射幅值<，C曲线如图4所示。图中可以看出，在135THZ附近，G和&有着显 著的差异，线偏振光表现出正向与反向传输之间的非对称性。分别计算相变材料GST处于 不同状态（即不同介电常数）时的透射率。可调谐非对称传输光器件S在X方向偏振的线 偏振光负向入射时的透射幅值7?曲线如图5所示，从图中可以看出，晶态和非晶态分别达 到极值，偏振转换程度很高，且谐振频率发生明显变化，体现了其可调谐性。
【权利要求】
1. 一种基于相变材料的可调谐非对称传输光器件，包括双层金属结构和间隔层，其特 征在于：所述的双层金属结构位于相变材料两侧的表面，双层金属结构层由周期性排列的 基本单元构成，每层金属结构膜层厚度为20-60nm ;所述金属结构层的基本单元为双I型结 构，一端连接在一起，相邻单元结构间是不连续的。
2. 根据权利要求1所述的一种基于相变材料的可调谐非对称传输光器件，其特征在 于：所述的金属结构米用金或银，相变材料米用Ge 2Sb2Te5，两层金属结构相对旋转角为90 度，金属结构层的基本单元之间的旋转角为90度。
【文档编号】G02F1/01GK104155775SQ201410246825
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年6月5日 优先权日:2014年6月5日
【发明者】史金辉, 徐轶群, 聂光宇, 刘星辰, 朱正, 关春颖 申请人:哈尔滨工程大学