雙層非對稱亞波長介質(zhì)光柵太赫茲隔離器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于太赫茲科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種太赫茲波隔離器及其工作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]太赫茲(THz，ITHz = 112THz)波是指頻率在0.l-ΙΟΤΗζ (對應(yīng)的波長為3mm?30 μm)范圍的電磁波，這一波段介于微波與光波之間，是電子學(xué)與光子學(xué)的交叉領(lǐng)域。由于其在電磁波譜中所處的特殊位置，太赫茲波具有透視性、安全性、高信噪比等許多優(yōu)越特性，在光譜、成像和通信等領(lǐng)域具有非常重要的學(xué)術(shù)和應(yīng)用價值。隔離器是二端口非互易器件，允許正向光高效地通過器件，而禁止光反向通過，是通信、雷達等諸多應(yīng)用系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件，主要用于器件單元間的級間隔離、阻抗匹配、去耦，防止系統(tǒng)中反射回波和散射造成有源器件的損壞，減少回波帶來的附加噪聲，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性。然而由于長期以來在太赫茲波段缺乏適合的低損耗、寬帶單向傳輸器件，如隔離器、環(huán)形器等，太赫茲應(yīng)用系統(tǒng)中元件的反射回波和散射噪聲嚴重地限制了系統(tǒng)的性能。
[0003]隔離器的性能主要由兩個方面來決定:一是正向傳輸時的透過率TfOT，高的正向透過率帶來低的插入損耗；二是反向波的透過率Tbadi與正向波透過率之比，即隔離度，表示為Iso = -101og(Tbadi/TfOT)，反向波越小、正向波越大，隔離度越大，器件的單向傳輸能力越強。
[0004]隔離器通常需要在器件中引入磁光材料通過光的非互易傳輸才能實現(xiàn)，由于在太赫茲波段具有磁光響應(yīng)的非互易材料十分有限，太赫茲單向傳輸器件在過去鮮有報道，直到最近，一些太赫茲波非互易傳輸機制和器件的研究才有初步進展。Fan等提出了基于鐵氧體旋磁材料的太赫茲光子晶體可調(diào)諧環(huán)形器[Opt.Commun.2012，285:3763-3769.]，盡管該環(huán)形器的隔離度高達65dB，但此類器件需要在很大的外磁場(大于7T，1特斯拉=14高斯)下工作，且工作頻率低、帶寬窄。Hu等提出了使用半導(dǎo)體旋電材料構(gòu)成金屬-絕緣體-半導(dǎo)體(MIS)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)太赫茲波的單向傳輸，該器件使用的半導(dǎo)體材料所需的磁場約為IT [Opt.Lett.2012，37，1895-1897]。然而由于MIS結(jié)構(gòu)其誘導(dǎo)產(chǎn)生的磁表面等離子模式的單向傳輸能力很弱，使得該類器件的傳輸透過率低于60%和隔離度低于30dB。Shalaby等利用SrFe12O19永磁材料首次在實驗上演示了太赫茲法拉第隔離器的單向傳輸功能，其缺點是該磁光材料對太赫茲波的吸收較強，導(dǎo)致器件插入損耗大于5dB[Nature Commun.，2013，4:1558]。因此，現(xiàn)有太赫茲磁光隔離器存在外加磁場大，器件磁滯損耗和插入損耗大，難以加工等缺點，使得太赫茲隔離器的研制遇到很大的瓶頸。
[0005]近年來也有不利用磁光效應(yīng)光隔離器的報道，具有非常誘人的前景。2012年，F(xiàn)an等提出來一種基于非線性效應(yīng)的光學(xué)二極管[Science，2012，335 (6067):447-450]，它像電子二極管一樣具有單向?qū)üδ?，在通信波段隔離度可以達到28dB，但受限于太赫茲非線性材料和太赫茲源的強度，太赫茲波段還沒有該類器件的報道。利用非對稱光子晶體[Scientific Reports，2012，2]、雙層非對稱金屬光柵[Opt Lett，2013，38 (6):839-841]以及手性超材料[Phys.Rev.A，2013，88(2):023823]等非對稱人工電磁微結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)太赫茲波的非對稱傳輸，即同一偏振態(tài)的太赫茲波沿正反向入射器件其透過率是不同的，這些器件不包含磁光效應(yīng)或非線性效應(yīng)，卻具有一定的單向傳輸功能。其中前兩種器件它們的機理是前后向傳輸?shù)纳⑸浠蜓苌浣遣煌瑢?dǎo)致一定方向入射光的單向傳輸，這兩種器件尚未在太赫茲波段見報道；而手性超材料己在太赫茲波段被報道，其作為隔離器有一個很大的缺點是它的出射光的偏振態(tài)與入射光相比通常會轉(zhuǎn)過90°，這在許多應(yīng)用中是不希望遇到的。
[0006]綜上所述，一方面太赫茲應(yīng)用系統(tǒng)的發(fā)展對高性能太赫茲隔離器的研制有著迫切的需求，另一方面國內(nèi)外對太赫茲隔離器的研究卻還處于起步階段，目前報道的太赫茲隔離器在隔離度、插入損耗、工作帶寬等方面還無法滿足應(yīng)用系統(tǒng)的實際需求，急需發(fā)展無需外加磁場、常溫工作的高隔離度、低損耗、易加工的太赫茲隔離器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于提供一種雙層非對稱亞波長介質(zhì)光柵太赫茲隔離器，解決【背景技術(shù)】中太赫茲隔離器的磁場大、低溫工作、隔離度低、損耗大、制作困難等關(guān)鍵技術(shù)問題。
[0008]本發(fā)明的技術(shù)方案為:采用雙層非對稱亞波長介質(zhì)光柵的結(jié)構(gòu)，利用前后兩層具有不同結(jié)構(gòu)的亞波長光柵中不同的零級導(dǎo)模諧振效應(yīng)和一級衍射效應(yīng)，使得正入射該光柵的THz波正向和反向傳輸所經(jīng)歷的光路是不對稱的，一定頻段的太赫茲波沿正面入射該非對稱亞波長介質(zhì)光柵可以透過，而沿反面不能透過，實現(xiàn)單向傳輸?shù)母綦x器功能。
[0009]雙層非對稱亞波長介質(zhì)光柵太赫茲隔離器包括:兩塊光柵常數(shù)和刻線寬度均不同的亞波長介質(zhì)光柵，記為亞波長光柵I和亞波長光柵2，均完全由電阻率大于1K Ω.cm的高阻硅構(gòu)成，在500 μ m厚高阻硅晶片上通過掩膜版光刻和等離子體刻蝕工藝刻蝕深度均為120 μ m的槽，形成周期性線狀脊和槽組成的深浮雕型光柵結(jié)構(gòu)，其中亞波長光柵I的光柵周期為400 μ m，脊寬180 μ m，亞波長光柵2的光柵周期為440 μ m，脊寬220 μ m，兩光柵娃基底厚均為380 μ m0用紫外樹脂膠將亞波長光柵I和亞波長光柵2的浮雕刻線面頭對頭緊密對齊粘合封裝，形成一塊雙層非對稱亞波長介質(zhì)光柵。將光柵2基底面記為非對稱光柵的正面，光柵I基底面記為反面。器件大小為1.5mmX 1.5mmX 0.5mm。
[0010]雙層非對稱亞波長介質(zhì)光柵太赫茲隔離器的工作方法是:將器件放入太赫茲光路中，由于器件為被動無源器件，無需施加任何額外電、磁或光作為能源驅(qū)動，對環(huán)境溫度和濕度等也無特殊要求，常溫下即可工作。器件對入射光的入射角度具有較強的依賴性，需要采用正入射光柵平面的工作方式，正面透射太赫茲波，而反面不透太赫茲波；單向傳輸?shù)念l段必須工作在亞波長光柵I和光柵2的O級和I級衍射的自由光譜范圍內(nèi)；當(dāng)入射光偏振方向沿平行于光柵刻線方向(TE偏振波)時，中心工作頻率為0.5、1.15和1.55THz,當(dāng)入射光偏振方向沿垂直于光柵刻線方向(TM偏振波)時，中心工作頻率為0.5,0.8和1.45THzo
[0011]本發(fā)明的有益效果和優(yōu)點是:
[0012]1.采用雙層亞波長介質(zhì)光柵結(jié)構(gòu)，利用兩層光柵常數(shù)和線寬略有不同的亞波長光柵中不同的零級導(dǎo)模諧振效應(yīng)和一級衍射效應(yīng)，實現(xiàn)器件的非對稱單向隔離傳輸。采用全介質(zhì)材料構(gòu)成非對稱光柵的方法國內(nèi)外尚屬首次，較之于過去雙層非對稱金屬光柵必須在一級衍射以上才能獲得非對稱傳輸相比，該器件的出射光束質(zhì)量得到很大提高，最大隔離度接近20dB。
[0013]2.采用全介質(zhì)材料構(gòu)成單向傳輸器件，相比于磁光隔離器，無需加入磁光材料，無需使用外加磁場，對器件工作溫度和環(huán)境沒有特殊要求，大大提高了器件的實用性；
[0014]3.采用高阻硅作為介質(zhì)材料制作成亞波長介質(zhì)光柵，與金屬光柵相比，降低了器件的材料損耗和插入損耗，該隔離器正向傳輸損耗小于5dB ；
[0015]4.采用高阻硅作為器件制作材料，材料成本低廉；采用半導(dǎo)體光刻和等離子體刻蝕工藝加工光柵器件，制作工藝簡單、魯棒性好；巧妙地將兩塊不同的介質(zhì)光柵利用紫外膠封裝起來，易于制作，同時又保護光柵浮雕面不受損壞，提高器件使用壽命和穩(wěn)定性。
【附圖說明】
[0016]圖1 (a)是雙層非對稱亞波長介質(zhì)光柵太赫茲隔離器上視圖；
[0017]圖1 (b)是雙層非對稱亞波長介質(zhì)光柵太赫茲隔離器三維結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖2 (a)是亞波長光柵I的顯微鏡照片；
[0019]圖2 (b)是亞波長光柵2的顯微鏡照片；
[0020]圖3 (a)是亞波長光柵I的在TE偏振波和TM偏振波下的透射譜線；
[0021]圖3 (b)是亞波長光柵2的在TE偏振波和TM偏振波下的透射譜線；
[0022]圖4(a)是正向和反向入射的TE偏振波對該隔離器的透射譜線；
[0023]圖4(b)是正向和反向入射的T