一种具有低对称性布洛赫模式的二维极化激元光子晶体

本发明涉及微纳光子学，具体涉及一种具有低对称性布洛赫模式的二维极化激元光子晶体。

背景技术：

1、光子晶体是一种具有周期性结构的人工电磁材料。与单一连续电磁介质相比，光子晶体能够周期性地调制光场，并形成与电子能带结构类似的光子带隙。通过改变光子晶体的元胞结构、周期、维度等参数，能够灵活地操控电磁波，并得到波导、滤波器、分束器、谐振腔等多种光子元器件。

2、极化激元是光子与物质元激发强耦合所产生的一种准粒子，具有强光场约束性，能够突破衍射极限，在亚波长尺度实现电磁波的精确操控。极化激元光子晶体是基于极化激元材料(即承载极化激元的介质)的一种特殊的光子晶体，能够继承并结合光子晶体和极化激元二者的优点。例如，极化激元光子晶体能够对极化激元进行周期性调制，激发布洛赫(bloch)模式并形成光子带隙，同时，极化激元光子晶体能够通过改变极化激元的色散关系等性质调控光子晶体的能带结构，并实现亚波长、甚至深亚波长尺度的光场调控，极大地丰富了电磁波的传输模式和调控手段。

3、传统的极化激元光子晶体通常基于面内各向同性极化激元材料，如金属、石墨烯[l.xiong，et al，science advances，7，eabe8087(2021)]、六方氮化硼[f.j.alfaro-mozaz，et al，nature communications，10，42，(2019)]等。这些材料中的极化激元为面内各向同性传输，所激发的布洛赫模式往往呈现高度对称性。在低晶格对称性的极化激元材料中极化激元呈现面内各向异性传输，得到的光子晶体有望通过改变元胞结构或排列方式等手段实现电磁波的取向传输。

技术实现思路

1、本发明提供了一种具有低对称性布洛赫模式的二维极化激元光子晶体，该光子晶体通过周期性调制面内各向异性极化激元，能够激发低对称性的布洛赫模式，使电磁波约束在面内特定方向，对其他方向的缺陷免疫，无需通过改变元胞结构即可实现电磁波的面内单向鲁棒传输，并且可以通过改变周期性结构的排列方向调控光子晶体的光学响应，极大地提高了光子晶体的调控自由度。

2、一种具有低对称性布洛赫模式的二维极化激元光子晶体，包括衬底层和位于衬底层上的极化激元层，所述极化激元层为面内各向异性极化激元材料，并且，所述极化激元层具有周期性缺陷结构。

3、优选的，所述衬底层为金属材料、无机介电材料或有机高分子材料中的至少一种。

4、更优选的，所述衬底层为金属材料时为以下至少一种：金、银、铝；所述衬底层为无机介电材料时为以下至少一种：二氧化硅、氟化镁、氟化钙；所述衬底层为有机高分子材料时为以下至少一种：聚甲基丙烯酸甲酯、聚二甲基硅氧烷、聚对苯二甲酸乙二醇酯。本申请中衬底层的材料可以是现有常用的衬底材料。

5、优选的，所述极化激元层的材质为α相三氧化钼、α相五氧化二钒、黑磷、碲化银、碲化钨、钨酸镉、方解石中的至少一种。

6、优选的，所述极化激元层的厚度为2nm～2μm。

7、优选的，所述周期性缺陷结构为呈周期性分布、贯穿极化激元层的通孔结构。更优选的，每个通孔结构的横截面为圆形、圆环形、椭圆形、长方形、三角形或六边形中的至少一种，每个通孔结构的特征尺寸(圆形、圆环形、椭圆形时为孔径，三角形、长方形或其他多边形时为边长)为20nm～5μm，孔的中心到相邻一个孔的中心的间距(即周期)为50nm～10μm。

8、更优选的，所述二维极化激元光子晶体的元胞形状为正方形、长方形、三角形或六边形中的至少一种，元胞的排列方式为一维线型排列或二维阵列式排列。

9、本发明又提供了所述具有低对称性布洛赫模式的二维极化激元光子晶体的制备方法，包括以下步骤：

10、(1)提供衬底层；

11、(2)在衬底层上制备极化激元层；

12、(3)在极化激元层中制备周期性缺陷结构；

13、(4)退火处理使结构固化，得到所述具有低对称性布洛赫模式的二维极化激元光子晶体。

14、优选的，步骤(2)中制备极化激元层采用以下任意一种方法：机械剥离法、化学沉积法或者磁控溅射法；

15、步骤(3)中制备周期性缺陷结构采用以下任意一种方法：聚焦离子束刻蚀、激光直写或反应离子刻蚀。

16、本发明的有益效果是：

17、(1)该光子晶体基于极化激元材料，激发的极化激元能够突破衍射极限，实现亚波长尺度的光场约束和调控，有望应用于高集成度的片上光子回路；

18、(2)由于光子晶体中极化激元的面内各向异性，该光子晶体中的布洛赫模式具有低对称性，光子晶体的能带结构沿着第一布里渊区(brillouin zone)边界的不同路径具有不同的结构；

19、(3)低对称性布洛赫模式使光子晶体中的能量局域在面内特定方向呈现高度取向性，使光场分布对特定方向的缺陷排列免疫，能够实现亚波长极化激元的面内单向鲁棒传输。

20、(4)利用面内各向异性极化激元可以通过旋转光子晶体周期性结构的取向调控极化激元光子晶体的光学响应，提供新的光子晶体调控手段。

技术特征：

1.一种具有低对称性布洛赫模式的二维极化激元光子晶体，其特征在于，包括衬底层和位于衬底层上的极化激元层，所述极化激元层为面内各向异性极化激元材料，并且，所述极化激元层具有周期性缺陷结构。

2.根据权利要求1所述具有低对称性布洛赫模式的二维极化激元光子晶体，其特征在于，所述衬底层为金属材料、无机介电材料或有机高分子材料中的至少一种。

3.根据权利要求2所述具有低对称性布洛赫模式的二维极化激元光子晶体，其特征在于，所述衬底层为金属材料时为以下至少一种：金、银、铝；

4.根据权利要求1所述具有低对称性布洛赫模式的二维极化激元光子晶体，其特征在于，所述极化激元层的材质为α相三氧化钼、α相五氧化二钒、黑磷、碲化银、碲化钨、钨酸镉、方解石中的至少一种。

5.根据权利要求1所述具有低对称性布洛赫模式的二维极化激元光子晶体，其特征在于，所述极化激元层的厚度为2nm～2μm。

6.根据权利要求1所述具有低对称性布洛赫模式的二维极化激元光子晶体，其特征在于，所述周期性缺陷结构为呈周期性分布、贯穿极化激元层的通孔结构。

7.根据权利要求6所述具有低对称性布洛赫模式的二维极化激元光子晶体，其特征在于，每个通孔结构的横截面为圆形、圆环形、椭圆形、长方形、三角形或六边形中的至少一种，每个通孔结构的特征尺寸为20nm～5μm，孔的中心到相邻一个孔的中心的间距为50nm～10μm。

8.根据权利要求6所述具有低对称性布洛赫模式的二维极化激元光子晶体，其特征在于，所述二维极化激元光子晶体的元胞形状为正方形、长方形、三角形或六边形中的至少一种，元胞的排列方式为一维线型排列或二维阵列式排列。

9.权利要求1～8任一所述具有低对称性布洛赫模式的二维极化激元光子晶体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

10.根据权利要求9所述制备方法，其特征在于，步骤(2)中制备极化激元层采用以下任意一种方法：机械剥离法、化学沉积法或者磁控溅射法；

技术总结
本发明公开了一种具有低对称性布洛赫模式的二维极化激元光子晶体。包括衬底层和位于衬底层上的极化激元层，所述极化激元层为面内各向异性极化激元材料，并且，所述极化激元层具有周期性缺陷结构。该光子晶体基于极化激元材料，激发的极化激元能够突破衍射极限，实现亚波长尺度的光场约束和调控，有望应用于高集成度的片上光子回路；由于光子晶体中极化激元的面内各向异性，该光子晶体中的布洛赫模式具有低对称性，光子晶体的能带结构沿着第一布里渊区(Brillouin zone)边界的不同路径具有不同的结构；利用面内各向异性极化激元可以通过旋转光子晶体周期性结构的取向调控极化激元光子晶体的光学响应，提供新的光子晶体调控手段。

技术研发人员：武英杰,崔震洋,郑斌,陈红胜
受保护的技术使用者：浙江大学杭州国际科创中心
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15