基于NbSe2-金属多层结构的电控偏振调制器

基于nbse2-金属多层结构的电控偏振调制器
技术领域
1.本发明涉及调制元件的技术领域，尤其涉及一种基于nbse2-金属多层结构的电控偏振调制器。


背景技术：

2.二维层状材料具有十分优异的光学特性，一种特殊的二维材料分子组成，基于主原子链作为主轴的结构，具有明显的各向异性特性，此外基于材料的压电效应，在沿着主原子链方向施加额外偏置电压时，可以实现对主原子链的拉伸，从而实现对材料结构的主动控制，因此，通过外加电场可以实现对入射到材料上的电磁波实现偏振选择和调制。基于这一特性的二维层状材料偏振调制器得到了研究人员的广泛关注和深入研究。由于目前大多偏振调制器调制范围有限，调制带宽很窄。对于波长较短的电磁波，常用的调制器件晶体价格较贵，且调制深度不可控。而且对于长波长的电磁波，由于现有的金属网栅调制器件，其线间距尺寸固定，因此对于宽带的电磁波，偏振器件的调制深度均较小。因此，现有技术方法中调制元件对电磁波进行调制时存在调制带宽较窄的问题。


技术实现要素：

3.本发明实施例提供了一种基于nbse2-金属多层结构的电控偏振调制器，旨在解决现有技术方法中调制元件对电磁波进行调制时所存在的调制带宽较窄的问题。
4.第一方面，本发明实施例提供了一种基于nbse2-金属多层结构的电控偏振调制器，其包括衬底、设置于所述衬底上的nbse2薄膜层、设置于所述nbse2薄膜层上端面的第一电极对以及设置于所述衬底下端面的第二电极对；所述nbse2薄膜层由多层nbse2薄膜层叠组成；所述第一电极对由第一电极及第二电极组成，所述第一电极与所述第二电极相对的位置处、所述第二电极与所述第一电极相对的位置处均向内凹陷，以形成金属环形电极；所述第二电极对由第三电极及第四电极组成，所述第三电极与所述第四电极相对的位置处、所述第四电极与所述第三电极相对的位置处均向内凹陷，以形成金属环形电极；所述第一电极对及所述第二电极对上施加电压进行电控，以对电磁波进行主动调制。
5.所述的基于nbse
2-金属多层结构的电控偏振调制器，其中，所述nbse2薄膜层所包含薄膜的层数为5-9。
6.所述的基于nbse
2-金属多层结构的电控偏振调制器，其中，所述nbse2薄膜层的厚度为12-50nm。
7.所述的基于nbse
2-金属多层结构的电控偏振调制器，其中，所述nbse2薄膜层采用液相剥离、机械剥离或化学气相沉积法制备得到。
8.所述的基于nbse
2-金属多层结构的电控偏振调制器，其中，所述第一电极对及所述第二电极对的厚度均为120-400μm。
9.所述的基于nbse
2-金属多层结构的电控偏振调制器，其中，所述第一电极、所述第二电极、所述第三电极及所述第四电极均包含向内侧凹陷的半圆结构，所述半圆结构的直
径为1.2-4mm。
10.所述的基于nbse
2-金属多层结构的电控偏振调制器，其中，所述第一电极对及所述第二电极对均采用磁控溅射技术或真空蒸镀技术制备得到。
11.所述的基于nbse
2-金属多层结构的电控偏振调制器，其中，所述衬底为氧化铟锡衬底，所述氧化铟锡衬底的厚度为12-50nm。
12.所述的基于nbse
2-金属多层结构的电控偏振调制器，其中，所述衬底为半导体元素衬底，所述半导体元素衬底的厚度为30-80μm。
13.所述的基于nbse
2-金属多层结构的电控偏振调制器，其中，所述半导体元素衬底为硅衬底或锗衬底。
14.本发明实施例提供了一种基于nbse
2-金属多层结构的电控偏振调制器。包括衬底、设置于衬底上的nbse2薄膜层、设置于nbse2薄膜层上端面的第一电极对以及设置于衬底下端面的第二电极对；nbse2薄膜层由多层nbse2薄膜层叠组成；第一电极对由第一电极及第二电极组成，第一电极与第二电极组合形成金属环形电极；第二电极对由第三电极及第四电极组成，第三电极与第四电极组合形成金属环形电极；第一电极对及第二电极对上施加电压进行电控，以对电磁波进行主动调制。上述的电控偏振调制器，基于nbse2薄膜层制备得到电控偏振调制器，可实现对可见光波段到毫米波波段的电磁波的偏振态进行动态调制，通过金属环形电极施加外加电场可增加调制深度、使调制深度均匀，大幅提高了对电磁波进行调制的带宽。
附图说明
15.为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
16.图1为本发明实施例提供的基于nbse
2-金属多层结构的电控偏振调制器的整体结构图；
17.图2为本发明实施例提供的基于nbse
2-金属多层结构的电控偏振调制器的剖面结构图；
18.图3为本发明实施例提供的基于nbse
2-金属多层结构的电控偏振调制器的平面结构图。
具体实施方式
19.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
20.应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
21.还应当理解，在此本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目
的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
22.还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
23.请参阅图1至图3，图1为本发明实施例提供的基于nbse
2-金属多层结构的电控偏振调制器的整体结构图；图2为本发明实施例提供的基于nbse
2-金属多层结构的电控偏振调制器的剖面结构图；图3为本发明实施例提供的基于nbse
2-金属多层结构的电控偏振调制器的平面结构图。该基于nbse
2-金属多层结构的电控偏振调制器包括：衬底1、设置于所述衬底1上的nbse2薄膜层2、设置于所述nbse2薄膜层2上端面的第一电极对3以及设置于所述衬底1下端面的第二电极对4；所述nbse2薄膜层2由多层nbse2薄膜层叠组成；所述第一电极对3由第一电极31及第二电极32组成，所述第一电极31与所述第二电极32相对的位置处、所述第二电极32与所述第一电极31相对的位置处均向内凹陷，以形成金属环形电极；所述第二电极对4由第三电极41及第四电极42组成，所述第三电极41与所述第四电极42相对的位置处、所述第四电极42与所述第三电极41相对的位置处均向内凹陷，以形成金属环形电极；所述第一电极对3及所述第二电极对4上施加电压进行电控，以对电磁波进行主动调制。
24.上述nbse2薄膜层2采用nbse2材料制作得到，nbse2作为过渡族金属元素化合物，是1t’相结构的二维层状材料，具有很强的各向异性，为近零带隙，可实现宽频调制；载流子迁移率高，可对毫米波至可见光进行电压调控。采用nbse2薄膜层2与衬底1进行组合，即可形成nbse
2-金属多层结构，这一nbse
2-金属多层结构可实现对波长位于毫米波至可见光的电磁波进行频率、振幅及相位调制。
25.在更具体的实施例中，所述nbse2薄膜层2所包含薄膜的层数为5-9。其中，所述nbse2薄膜层2的厚度h2为12-50nm。具体的，所述nbse2薄膜层2采用液相剥离、机械剥离或化学气相沉积法制备得到。
26.解决现有调制元件所存在的问题，本发明实施例在nbse2薄膜层2与衬底1组合形成的nbse
2-金属多层结构上下两侧分别添加一组金属环形电极，也即是第一电极对3及第二电极对4各作为一组金属环形电极，通过增加金属环形电极可通过外加电场实现对毫米波至可见光波长范围内的电磁波进行主动控制，也即得到具有宽频调制功能的偏振调制器，该电控偏振调制器结构简单，且调制深度大。采用液相剥离、机械剥离或者化学气相沉积法制备nbse2薄膜层2，然后利用透射电镜标记其主原子链方向，最后在主原子链方向上利用磁控溅射或者真空蒸镀方法制备金属环形电极，以实现器件的加工。其中nbse2薄膜层的厚度h2通常设置为12-50nm，在最优实施例中可设置厚度h2为30nm，此厚度下电控偏振调制器可实现最优调制效果；nbse2薄膜层由多层薄膜层叠组成，其层数为5-9。
27.在更具体的实施例中，所述第一电极对3及所述第二电极对4的厚度h1均为120-400μm。具体的，所述第一电极31、所述第二电极32、所述第三电极41及所述第四电极42均包含向内侧凹陷的半圆结构，所述半圆结构的直径d为1.2-4mm。其中，所述第一电极对3及所述第二电极4对均采用磁控溅射技术或真空蒸镀技术制备得到。
28.具体的，可采用金、银、铜、铁、铝或铂等金属材料制作得到第一电极对3及第二电极对4，金属环形电极的厚度h1通常可设置为120-400μm，在最优实施例中可设置金属环形电极的厚度h1为200μm，此厚度下电控偏振调制器可实现最优调制效果。第一电极31向内侧
凹陷的半圆结构的直径d可设置为1.2-4mm，同样，第二电极32、第三电极41及第四电极42中半圆结构的直径d也可设置为1.2-4mm，在最优实施例中，可设置半圆结构的直径d为2mm，电控偏振调制器可实现最优调制效果。通过在第一电极对3及第二电极对4中施加外加电场调节电压，从而实现对毫米波至可见光的电磁波进行主动调制。
29.在更具体的实施例中，所述衬底1为氧化铟锡衬底，所述氧化铟锡衬底的厚度h3为12-50nm；或者是，所述衬底1为半导体元素衬底，所述半导体元素衬底的厚度h3为30-80μm。其中，所述半导体元素衬底为硅衬底或锗衬底。
30.具体的，衬底1为矩形，如尺寸为2cm
×
2cm，衬底1可采用氧化铟锡(ito)制作得到，当采用氧化铟锡制作得到氧化铟锡衬底时，可配置其厚度h3为12-50nm，基于氧化铟锡衬底制作得到的电控偏振调制器可对波长位于可见光至红外光的电磁波进行调制，在最优实施例中可配置氧化铟锡衬底的厚度h3为25nm，此厚度的氧化铟锡衬底对波长位于可见光至红外光的电磁波具有最优的调制效果。衬底1还可以采用硅(si)或锗(ge)等半导体元素制作得到，当采用硅或锗制作得到硅衬底或锗衬底时，可配置其厚度h3为30-80μm，基于硅衬底或锗衬底制作得到的电控偏振调制器具有优异的透明度，可对波长位于毫米波至可见光的电磁波进行调制，在最优实施例中可配置硅衬底或锗衬底的厚度h3为50μm，此厚度的硅衬底或锗衬底对波长位于毫米波至可见光的电磁波具有最优的调制效果。
31.实施例1：
32.将第一电极31作为正极、第二电极32作为负极，并施加外加电压，调制得到的电磁波偏振度增加，调制深度小幅升高，产生椭圆偏振光。
33.实施例2：
34.将第一电极31作为正极、第三电极作41为负极，并施加外加电压，调制得到的电磁波偏振度增加，调制深度升高，产生线偏振光。
35.实施例3：
36.将第一电极31作为正极、第二电极32作为负极，同时将第三电极41作为正极、第四电极42作为负极，并施加外加电压，调制得到的电磁波偏振度增加值较实施例2更大，且可以实现最大调制深度，因此产生更强的线偏振光。
37.其中，上述三个实施例中可通过可编程直流电源施加外加电压，从而在金属环形电极之间施加电控所需的直流电压，电压范围为0-30v。
38.目前，可以通过磁控、光控、电控等方法来实现对波长为毫米波至可见光的电磁波进行控制。通常，磁控方法的调制速度较慢(最大调制速度仅仅是微秒量级)，器件尺寸较大，不适用于快速成像和通信中。温控的方法受到成本和结构复杂性的限制，而且调制深度也不够理想。电控的方法具有兼容性大，易集成、结构紧凑新颖、控制效果好、调制深度大等优点。本发明基于nbse
2-金属多层结构的宽波段电控偏振调制器的技术特点和效果如下：(1)nbse2薄膜层的制备采用液相剥离、机械剥离或者化学气相沉积法，制备工艺简单，成本较低；(2)金属环形电极使用磁控溅射或者真空蒸镀，可以实现亚波长级的精密结构；(3)nbse2薄膜层属于超导材料，自身就可以对毫米波至可见光波段进行调制，外加电场可以增加调制深度且使调制深度均匀；(4)外加电场的强度可由可编程直流电源调节，实现偏振信号的任意调控；(5)nbse
2-金属多层结构可以扩展有效带宽、提高偏振转换效率和透射率。(6)上述电控偏振调制器具有较宽的波段，能够实现对波长位于可见光波段到毫米波波段
的电磁波的偏振态进行动态调控。(7)利用nbse
2-金属多层结构的压电效应可以实现对偏振态的调制。测试施加不同电压时的入射电磁波与出射电磁波的偏振态，标记偏振态与电压之间的对应关系，以实现对偏振态的精确控制。
39.本发明实施例提供了一种基于nbse
2-金属多层结构的电控偏振调制器。包括衬底、设置于衬底上的nbse2薄膜层、设置于nbse2薄膜层上端面的第一电极对以及设置于衬底下端面的第二电极对；nbse2薄膜层由多层nbse2薄膜层叠组成；第一电极对由第一电极及第二电极组成，第一电极与第二电极组合形成金属环形电极；第二电极对由第三电极及第四电极组成，第三电极与第四电极组合形成金属环形电极；第一电极对及第二电极对上施加电压进行电控，以对电磁波进行主动调制。上述的电控偏振调制器，基于nbse2薄膜层制备得到电控偏振调制器，可实现对可见光波段到毫米波波段的电磁波的偏振态进行动态调制，通过金属环形电极施加外加电场可增加调制深度、使调制深度均匀，大幅提高了对电磁波进行调制的带宽。
40.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。