一种基于等离子体超表面单元的光学双稳态器件的制作方法

本实用新型涉及等离子体超表面的技术领域，尤其是涉及一种基于等离子体超表面单元的光学双稳态器件。

背景技术：

通常，仅仅当设备的光学厚度或输入光功率过大时才发生光学双稳态。光学双稳态是一种非线性光学现象，在光电子学和逻辑元件中具有潜在的应用，例如光学开关、光学存储器、光学晶体管、光学二极管和光学计算等。光学双稳态器件是利用物质的非线性光学特性而制成的一种新型光学器件，输入光在同一状态下,输出光可能有二个稳定的状态，在某一时刻光学双稳态器件究竟处于二个稳定状态中的哪一个状态，取决于器件的前一时刻的状态。

常规的光学双稳态设备由充满非线性介质的法布里-珀罗(fp)谐振器组成。为了能够维持适当的fp模式以提供放大输入信号的必要反馈机制，谐振器的光学厚度至少为工作波长的数量级，或者输入信号必须很强。这样的约束严重限制了光学双稳态器件的应用和集成。

技术实现要素：

针对现有技术存在的不足，本实用新型的目的是提供一种基于等离子体超表面单元的光学双稳态器件，可以实现光学双稳态低阈值，并与器件的光学厚度无关，不会限制光学双稳态器件的应用与集成。

本实用新型的上述实用新型目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种基于等离子体超表面单元的光学双稳态器件，包括至少一个等离子体超表面单元，所述至少一个等离子体超表面单元呈周期性排列并无缝拼接形成超表面；每个等离子体超表面单元均包括金属板，所述金属板设有亚波长通孔，所述亚波长通孔内嵌入非线性介质；所述亚波长通孔包括十字形通孔，所述十字形通孔由两个第一一字形通孔相互垂直交叉构成，所述十字形通孔的四个端部各连接有一类凸形通孔，四个所述类凸形通孔以所述十字形通孔的中心为旋转中心呈四重旋转对称设置；每个所述类凸形通孔均包括第二一字形通孔，所述第二一字形通孔的两端各连接有一直角形通孔，每个所述直角形通孔均与所述第二一字形通孔呈直角z形连接，两个所述直角形通孔以所述第二一字形通孔的垂直中心线为对称轴呈轴对称；所述十字形通孔的端部与所述第二一字形通孔的中心垂直连接。

通过采用上述技术方案，通过将人工超材料中的改变过的表面等离子体激元(sp)共振与光学非线性相结合来减弱器件光学厚度至少为工作波长的数量级或者输入信号必须很强这种约束，实现双稳态低阈值，光学双稳性阈值基本与金属板1的厚度无关；物理过程受亚波长结构的形状共振决定，强烈增强了嵌入非线性材料的孔径内部的局部场。

本实用新型在一较佳示例中可以进一步配置为：所述亚波长通孔的孔径为20μm或者15μm。

通过采用上述技术方案，可以影响器件的双稳态阈值场。

本实用新型在一较佳示例中可以进一步配置为：所述非线性介质为kerr非线性介质。

通过采用上述技术方案，通过将kerr非线性介质嵌入到亚波长通孔中，可以为透射谱的强εd依赖性提供通过输入功率调制透射的能力。

本实用新型在一较佳示例中可以进一步配置为：所述金属板的平面形状为正方形、长方形、圆形、椭圆形或者菱形。

本实用新型在一较佳示例中可以进一步配置为：所述第一一字形通孔的长度为100μm。

本实用新型在一较佳示例中可以进一步配置为：所述直角形通孔由两个第三一字形通孔相互垂直交叉构成，其中，垂直于所述第二一字形通孔的第三一字形通孔的长度为40μm，平行于所述第二一字形通孔的第三一字形通孔的长度为60μm；所述第二一字形通孔的长度为40μm。

本实用新型在一较佳示例中可以进一步配置为：所述金属板厚度为60μm，所述亚波长通孔的高度为60μm。

本实用新型在一较佳示例中可以进一步配置为：所述金属板采用铜制成。

综上所述，本实用新型包括以下至少一种有益技术效果：

1.通过将人工超材料中的改变过的表面等离子体激元(sp)共振与光学非线性相结合来减弱器件光学厚度至少为工作波长的数量级或者输入信号必须很强这种约束，实现双稳态低阈值，光学双稳性阈值基本与金属板1的厚度无关；物理过程受亚波长结构的形状共振决定，强烈增强了嵌入非线性材料的孔径内部的局部场；

2.通过将kerr非线性介质嵌入到亚波长通孔中，可以为透射谱的强依赖性提供通过输入功率调制透射的能力。

附图说明

图1是本实用新型实施例的xy平面结构示意图。

图2是本实用新型实施例中单个等离子体超表面单元的xy平面结构示意图。

图3是本实用新型实施例中单个等离子体超表面单元的立体结构示意图。

图4是本实用新型实施例通过fdtd模拟(圆圈)和分析模型(实线)计算出的随εd变化的透射谱线图。

图5是具有金属板厚度h＝60μm、亚波长通孔孔径w＝20μm的本实用新型实施例的双稳态滞后图。

图6是具有金属板厚度h＝80μm、亚波长通孔孔径w＝20μm的本实用新型实施例的双稳态滞后图。

图7是具有金属板厚度h＝60μm、亚波长通孔孔径w＝15μm的本实用新型实施例的双稳态滞后图。

图8是本实用新型实施例中阈值场(三角形)和饱和度场(圆圈)随金属板厚度的变化关系图。

图9是fp平板中阈值场(三角形)和饱和度场(圆圈)随金属板厚度的变化关系图。

图10是在不同金属板厚度的双稳态阈值场和饱和度场图。

图中，1、金属板，2、亚波长通孔，21、十字形通孔，22、类凸形通孔，221、第二一字形通孔，222、直角形通孔，3、等离子体超表面单元。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型作进一步详细说明。

参照图1，为本实用新型实施例公开的一种基于等离子体超表面单元的光学双稳态器件，包括至少一个等离子体超表面单元3，所有等离子体超表面单元3在xy平面上沿x轴和y轴向外延伸，呈周期性排列并无缝拼接形成超表面。

需要注意的是，图1仅示出了利用9个等离子体超表面单元3呈周期性排列组成超表面结构的一种示例，等离子体超表面单元3的数量与入射电磁波的面积有关。

如图2所示，每个等离子体超表面单元3均包括金属板1，金属板1设有亚波长通孔2，亚波长通孔2内嵌入非线性介质；亚波长通孔2包括十字形通孔21，十字形通孔21由两个第一一字形通孔相互垂直交叉构成，十字形通孔21的四个端部各连接有一类凸形通孔22，四个类凸形通孔22以十字形通孔21的中心为旋转中心呈四重旋转对称设置；每个类凸形通孔22均包括第二一字形通孔221，第二一字形通孔221的两端各连接有一直角形通孔222，每个直角形通孔222均与第二一字形通孔221呈直角z形连接，两个直角形通孔222以第二一字形通孔221的垂直中心线为对称轴呈轴对称；十字形通孔21的端部与第二一字形通孔221的中心垂直连接。

本实施例中，两个第一一字形通孔的中心重合，且长度l1为100μm。

可选的，如图2所示，直角形通孔222由两个第三一字形通孔相互垂直交叉构成。如图3所示，垂直于第二一字形通孔221的第三一字形通孔的长度l3为40μm，平行于第二一字形通孔221的第三一字形通孔的长度l4为60μm；第二一字形通孔221的长度l2为40μm。

如图3所示，亚波长通孔2的孔径w为20μm或者15μm，其高度与金属板1的厚度h一致，都是60μm。

可选的，金属板1的平面形状为正方形、长方形、圆形、椭圆形或者菱形，例如，若金属板1为正方形，其边长d为240μm(如图3所示)。金属板1的材质可以是铜。

可选的，非线性介质为介电常数为εd的kerr非线性介质，对此本实施例不做具体限定。

在thz频段中操作该光学双稳态器件，由于金属的趋肤深度可忽略不计，因此可以将金属视为理想的电导体。需要强调的是，在必须考虑金属损失和色散的频率上，通过适当优化器件的几何尺寸，非线性特性可以在质量上保持不变。

入射光极化沿着x轴，但是可以注意到，该器件的光学特性与偏振无关，因为结构在xy平面上具有四重的旋转对称性。数值结果表明，该结构在特定的频率下存在完美的透射峰，当εd增加时，该透射峰会发生红移，这种透明是由亚波长结构金属系统中的人工sps引起的。

以下通过一个简单的分析模型来预测本实施例所述光学双稳态器件的光学双稳态行为。对于图1至图3所示的结构，可以将亚波长通孔2视为支持一系列本征模的金属波导，与这种结构有关的波散射问题可以在一般的模式扩展框架内得到严格解决。

图4示出了本实用新型实施例通过fdtd模拟和分析模型计算出的随变化的透射谱线图。其中，通过模型计算的线性透射光谱如实线所示，fdtd模拟结果如带圆圈的曲线所示。通过fdtd仿真发现，对于w＝15μm和w＝20μm，s0分别为0.22和0.25。如图4所示，使用模型计算的线性透射光谱与fdtd结果具有极好的一致性。由于通过改变εd，波导截止频率wc被调制，因此透射峰值也相应地移动。

图5至图7绘制了fdtd计算得出的具有变化的厚度h和线宽w的器件的双稳态滞后情况，图中箭头表示输入功率的变化方向，带线圈的线表示通过非线性fdtd计算所得结果，实线表示利用模型计算所得结果。其工作频率为f＝0.2thz；kerr介质的介电常数εd＝2.25+χ⁽³⁾|e|²，其中χ⁽³⁾＝1×10^-18m²/v²。如图5和图6所示，对于厚度h仅为60μm(即工作波长的1/25)的器件，可能会出现双稳性，并且，双稳态阈值场基本与厚度h无关，但是在很大程度上取决于孔径w(如图5和图7所示)。

为进一步证明超低阈值行为，针对本实施例所述光学双稳态器件和相同厚度的kerr介质平板的受控情况，采用fdtd模拟研究阈值/饱和场对厚度h的依赖性。由于非线性介质嵌入亚波长通孔2内，因此改变金属板1的厚度h等同于改变非线性介质的厚度。图8、图9清楚地显示了本实施例所述的超薄光学双稳态器件的阈值比fp系统的阈值小几个数量级。此外，本实施例所述光学双稳态器件的光学双稳态阈值/饱和场在质量上表现出不同的行为，这表明，与常规fp平板相比，可能存在异常的控制机制。

透射峰的谱位置对膜厚h不敏感，因为高透射主要由孔中截止的波导模式引起；这种模式的本质是在xy平面上产生横向共振。结果，只要横向结构(孔径)不变，光学双稳态阈值也几乎与h无关。另一方面，饱和场对h的依赖性更大，因为当h增大时透射峰变窄(如图10所示)。

通过将人工超材料中的改变过的表面等离子体激元(sp)共振与光学非线性相结合来减弱器件光学厚度至少为工作波长的数量级或者输入信号必须很强这种约束，工作频率为0.2thz，它由一个λ/25厚、带亚波长通孔2的金属板1组成，并填充有非线性介质。时域有限差分(fdtd)仿真表明，在这样的设备中，与使用相同厚度的fp谐振器相比，其激发功率低3500倍时，可能会发生光学双稳性，并且光学双稳性阈值基本上与金属板1的厚度无关。物理过程受亚波长结构的形状共振决定，强烈增强了嵌入非线性材料的孔径内部的局部场。

本具体实施方式的实施例均为本实用新型的较佳实施例，并非依此限制本实用新型的保护范围，故：凡依本实用新型的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本实用新型的保护范围之内。