三个频率工作可调谐的石墨烯偏振转换器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种三个频率工作可调谐的石墨烯偏振转换器，该转换器包括该偏振转换器由多个偏振三维单元组成，多个偏振三维单元呈水平放置，且多个偏振三维单元的上下表面均在同一个水平面上；每个偏振三维单元包括位于最底层的金层、位于中间层的二氧化硅隔离层和位于最上面层的石墨烯层，金层、二氧化硅隔离层和石墨烯层三者由下至上依次固定，且石墨烯层上开设有多个打孔。本发明该结构的改进，使得该偏振转换器在工作频段内有三个可工作频率，在每个工作频率处的偏振转化率在75％以上，而且其中两个工作频率接近100％，且偏振工作频带可调谐。
【专利说明】
H个频率工作可调谐的石墨稀偏振转换器
技术领域
[0001] 本发明设及光电子技术领域，尤其设及一种=个频率工作可调谐的石墨締偏振转 换器。
【背景技术】
[0002] W微纳米技术制造的光电子器件，其性能大大优于传统的电子器件，其具有如下 优势：1.工作速度快，纳米光电子器件的工作速度是娃器件的1000倍，因而可使产品性能大 幅度提高。2.功耗低，微纳米光电子器件的功耗仅为娃器件的1/1000。而随着中红外(波长 3-30WI1)科学和技术的快速发展，对该波段的关键性微纳器件，包括激光器、探测器、调制器 W及各类功能器件的需求也在不断上升。
[0003] 偏振转换器是中红外技术的其中一项关键器件。电磁超材料由于能够通过结构、 尺寸和材料等选择对中红外波的振幅、相位、偏振W及传播实现灵活多样的控制，提供了一 种实现不同类型和参数中红外偏振转换器件的有效途径。对于中红外波偏振态的调控，可 W利用超材料的各向异性、手性和双各向异性实现中红外波偏振形态的改变，即实现偏振 转换。
[0004] 现有技术中，化a Cheng等人提出一种基于心型等离子体平面天线的偏振转换器。 该技术方案采用心型石墨締，实现了可在单个频率垂直方向的线偏振光的转换。
[0005] Jun Ding等人曾基于提出另一种基于L型等离子体平面天线的偏振转换器。该技 术方案采用单层石墨締的L型挖槽，实现了两个频率的垂直方向的线偏振光的转换。
[0006] 但是目前的市面上还不存在中红外多频率可调谐偏振转换器，而且不能实现=个 频率同时工作。
[0007] 2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈.海姆和康斯坦下.诺沃肖洛夫，成 功地在实验中从石墨中分离出石墨締，从而证实它可W单独存在，从此学术界和工程界开 始了对石墨締应用的探索。作为一种电磁超材料，石墨締已成为中红外技术领域的研究热 点。
[000引偏振转化率的英文缩写为PCR，英文为polarization conversion ratio。
【发明内容】
[0009] 针对上述技术中存在的不足之处，本发明提供一种=个频率工作可调谐的石墨締 偏振转换器，该偏振转换器在工作频段内有=个可工作频率，在每个工作频率处的偏振转 化率在75% W上，而且其中两个工作频率接近100%，且偏振工作频带可调谐。
[0010] 为实现上述目的，本发明提供一种=个频率工作可调谐的石墨締偏振转换器，该 偏振转换器由多个偏振=维单元组成，多个偏振=维单元呈水平放置，且多个偏振=维单 元的上下表面均在同一个水平面上；
[0011] 每个偏振=维单元包括位于最底层的金层、位于中间层的二氧化娃隔离层和位于 最上面层的石墨締层，所述金层、二氧化娃隔离层和石墨締层=者由下至上依次固定，且所 述石墨締层上开设有多个打孔。
[0012] 其中，所述金层的厚度在0.1皿左右，所述二氧化娃隔离层的厚度为1.1皿，且其介 电常数为2.1。
[0013] 其中，所述石墨締层的制备方法为:将边长P = O. 175WI1的正方形石墨締，对称割去 两块宽w = 65nm，长L=HOnm，相聚d = IOnm的长方形石墨締后得到该石墨締层。
[0014] 其中，所述宽w = 65nm，长L=140nm，相聚d = IOnm的长方形石墨締即为该打孔;且 所述打孔为矩形状;且所述打孔与石墨締层之间形成箭头结构。
[0015] 其中，在频率35THZ-40.7THZ的范围内，该偏振转换器的偏振转化率具有S个峰 值;且运S个峰值分别为35THZ、38THZ和40.7THZ。
[0016] 其中，所述峰值35THZ的偏振转化率大约为80% ;所述峰值38THZ的偏振转化率接 近100%，且所述峰值40.7THZ的也偏振转化率接近100%。
[0017] 本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明提供的=个频率工作可调谐的石 墨締偏振转换器，偏振转换器由多个偏振=维单元组成，且每个偏振=维单元包括位于最 底层的金层、位于中间层的二氧化娃隔离层和位于最上面层的石墨締层，石墨締层上开设 有多个打孔。该结构的改进，使得该偏振转换器在工作频段内有=个可工作频率，在每个工 作频率处的偏振转化率在75% W上，而且其中两个工作频率接近100%，且偏振工作频带可 调谐。
【附图说明】
[0018] 图1为本发明中偏振S维单元的结构图；
[0019] 图2为本发明中=个频率工作可调谐的石墨締偏振转换器的结构图；
[0020] 图3为本发明中石墨締层的结构图；
[0021 ]图4为本发明中偏振转换器的PCR结果图；
[0022] 图5为本发明中偏振转换器的反射率效果图；
[0023] 图6为本发明中偏振转换器的费米能级调控后的PCR结果图；
[0024] 图7为本发明中偏振转换器的=个共振频率处的磁场分布图；
[0025] 图8为本发明中偏振转换器SOP-A和SOP-B的吸收图。
[00%]主要元件符号说明如下：
[0027] 1、偏振转换器10、偏振=维单元
[00巧]101、金层 102、二氧化娃隔离层
[00巧]103、石墨締层1031、打孔。
【具体实施方式】
[0030] 为了更清楚地表述本发明，下面结合附图对本发明作进一步地描述。
[0031] 请参阅图1-3,本发明的=个频率工作可调谐的石墨締偏振转换器，该偏振转换器 1由多个偏振=维单元10组成，多个偏振=维单元10呈水平放置，且多个偏振=维单元10的 上下表面均在同一个水平面上；
[0032] 每个偏振=维单元0包括位于最底层的金层101、位于中间层的二氧化娃隔离层 102和位于最上面层的石墨締层103,金层101、二氧化娃隔离层102和石墨締层103 =者由下 至上依次固定，且石墨締层上开设有多个打孔1031。
[0033] 相较于现有技术的情况，本发明提供的=个频率工作可调谐的石墨締偏振转换 器，偏振转换器1由多个偏振=维单元10组成，且每个偏振=维单元10包括位于最底层的金 层101、位于中间层的二氧化娃隔离层102和位于最上面层的石墨締层103,石墨締层103上 开设有多个打孔1031。该结构的改进，使得该偏振转换器在工作频段内有=个可工作频率， 在每个工作频率处的偏振转化率在75% W上，而且其中两个工作频率接近100%，且偏振工 作频带可调谐。
[0034] 在本实施例中，金层101的厚度在0.1皿左右，二氧化娃隔离层102的厚度为1.1皿， 且其介电常数为2.1。当然，本案中并不局限于上述的厚度，可W根据实际需要进行改进。
[0035] 图1是本发明基于矩形结构的偏振转化器的一个单元的=维示意图；实际的偏振 转换器是W该单元为周期，向四周延伸的模型，如图2给出的3X3的效果。石墨締层的结构比 较复杂，石墨締层103的制备方法为:将边长P = O. 175皿的正方形石墨締，对称割去两块宽W =65加1，长L= 140加1，相聚d= IOnm的长方形石墨締后得到该石墨締层。宽w = 65nm，长L = 14化m，相聚d=10nm的长方形石墨締即为该打孔;且打孔为矩形状;且打孔与石墨締层之间 形成箭头结构。最终得到的如图3所示。
[0036] 请进一步参阅图4，图4给出了PCR值，由图可知，在频率35THZ-40.7THZ的范围内， 该偏振转换器的偏振转化率PCR具有S个峰值;且运S个峰值分别为35T化(A点）、38THZ (B 点)和40. n化(C点)S个峰值。其中PCR峰值A大约为80%，峰值B、C的PCR接近100%，意味着 运=个频率的入射光激发了矩形天线中的局域等离子体共振，共振峰处入射光绝大部分被 天线吸收后通过表面的微纳结构福射出垂直于原偏振方向的X方向线偏振光。图5给出了反 射率的计算结果，可W看到，Rxx在=个频率有极小值，即在=个频率X偏振光被吸收。而Ryx 在对应的=个频率有极大值，说明X偏光在运=个频率处转换为了 y偏光。由此说明，通过此 偏振转换器太赫兹光可W在=个频率发生偏振转换。本发明正是因为采用了箭头形天线结 构，使得工作模式的数量增加为=个。
[0037] 请进一步参阅图6,图6是通过改变费米能级调谐带宽的PCR结果图（费米能级取 0.6eV，0.7eV，0. SeV，0.9eV，1. OeV)，随着费米能级增大，其工作宽带右移。本偏振转换器能 够发生偏振转换的原因可W由下图说明。如图7所示，从左到右分别是石墨締表面在A、B、C =个共振频率处的磁场分布。可W看到，对于每个共振频率，都可W看做是箭头内部的磁场 禪合的效果，即石墨締表面等离子体震荡所致。具体的证明公式可W参考文献[3] ,Bludov Y V,Vasilevskiy M I,Peres N M R.Tunable graphene-based polarizer[J].Journal of Applied Physics，2012，112(8):084320-084320-5。
[003引如图7所示，如果经由两束偏振方向分别与X轴呈45度（SOP-A)的和-45度（SOP-B) 的入射光，石墨締表面等离子体效应使得运两束光有个共振吸收点，且如果共振吸收频率 很靠近，则会发生禪合，产生偏振转换效果。本偏振转换器在此种条件下的计算结果如图8 所示。可W看出，两束光的共振吸收点很靠近，且SOP-B有两个共振吸收频率，符合文献[2] 所指出的效应条件，从而进一步证明我们的器件可W发生=个频率偏振转换。该文献为： Jun Ding,et al.,Mid-Infrared Tunable Dual-Frequency Cross Polarization Converters Using Graphene-Based L-Shaped Nanoslot Array，（2015)10:351-356。
[0039]电磁波属于横波，其电矢量、磁矢量^及波矢方向满足右手定则。其中，电矢量是 引起导体中载流子集体运动W及引起介质极化的主要原因。因此，可W通过入射电磁波和 反射电磁波电场强度的比值来定义反射率。考虑到电磁波可W分解为相互正交的两个偏振 方向，反射率可W写为反射矩阵的形式
[0040]
[0041]
[0042]
[0043] x，y为两个相互正交的线偏振电磁波方向，i，r分别表示入射电磁波和反射电磁 波。Rmn等于反射电磁波m方向电场分量Emr与入射电磁波n方向电场分量化i的比值，d)皿为 相位。在我们的模型中，由于对称性，故Rmn = Rnm
[0044] 定义R巧与R巧之间的相位差为：
[0045]
[0046] 设入射电磁波为y方向的线偏振电磁波，则偏振转化率PCR可写为
[0047]
[004引 Rxy = O时，PCR=O,意味着y方向偏振的入射光经过反射后无X方向偏振光，无偏振 转换效应。Ryy = 0时，PCR= 1，意味着y方向偏振的入射光经过反射后无 y方向偏振光，即所 有反射光均为X方向偏振，实现了相互垂直方向的线偏振光的100 %转换效率。0<PCR<1时， 反射光含有两种偏振方向分量，为楠圆偏振光。由于PCR直接反映了平面天线实现偏振转化 的水平，因此用来作为偏振转化器的主要性能指标。上述为发明中PCR的计算方法。且图4、 图5、图6和图8都是通过运个计算方式得到的图形。
[0049] W上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是本发明并非局限于此，任何本领 域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种三个频率工作可调谐的石墨烯偏振转换器，其特征在于，该偏振转换器由多个 偏振三维单元组成，多个偏振三维单元呈水平放置，且多个偏振三维单元的上下表面均在 同一个水平面上； 每个偏振三维单元包括位于最底层的金层、位于中间层的二氧化硅隔离层和位于最上 面层的石墨烯层，所述金层、二氧化硅隔离层和石墨烯层三者由下至上依次固定，且所述石 墨烯层上开设有多个打孔。2. 根据权利要求1所述的三个频率工作可调谐的石墨烯偏振转换器，其特征在于，所述 金层的厚度在0. Ιμπι左右，所述二氧化硅隔离层的厚度为Ι.?μπι，且其介电常数为2.1。3. 根据权利要求1所述的三个频率工作可调谐的石墨烯偏振转换器，其特征在于，所述 石墨稀层的制备方法为:将边长ρ = 〇· 175μηι的正方形石墨稀，对称割去两块宽w = 65nm，长L = 140nm，相聚d = 10nm的长方形石墨稀后得到该石墨稀层。4. 根据权利要求3所述的三个频率工作可调谐的石墨烯偏振转换器，其特征在于，所述 宽w = 65nm，长L = 140nm，相聚d = 10nm的长方形石墨稀即为该打孔;且所述打孔为矩形状； 且所述打孔与石墨烯层之间形成箭头结构。5. 根据权利要求1所述的三个频率工作可调谐的石墨烯偏振转换器，其特征在于，在频 率35THZ-40.7THz的范围内，该偏振转换器的偏振转化率具有三个峰值;且这三个峰值分别 为35THz、38THz和40·7THz。6. 根据权利要求5所述的三个频率工作可调谐的石墨烯偏振转换器，其特征在于，所述 峰值35THz的偏振转化率大约为80% ;所述峰值38THz的偏振转化率接近100%，且所述峰值 40.7THz的也偏振转化率接近100%。
【文档编号】H01Q15/24GK106099387SQ201610416043
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月8日 公开号201610416043.7, CN 106099387 A, CN 106099387A, CN 201610416043, CN-A-106099387, CN106099387 A, CN106099387A, CN201610416043, CN201610416043.7
【发明人】杨晨, 张枫
【申请人】安徽枫慧金属股份有限公司