一種右旋圓偏振轉(zhuǎn)換的超材料薄膜的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及光通信領(lǐng)域，更具體地說，本發(fā)明涉及一種右旋圓偏振轉(zhuǎn)換的超材料 薄膜。
【背景技術(shù)】
[0002] 波在傳播過程中會(huì)在不同的方向上產(chǎn)生振動(dòng)，而這種振動(dòng)稱為波的偏振，它是波 的一種固有的特性。如電磁波、聲波和引力波等都具有偏振特性，而各種波的偏振特性亦不 盡相同，如聲波的偏振方向與其傳播方向一致，通常稱這種偏振方向與傳播方向一致的波 為縱波。波的偏振方向與傳播方向相垂直，這種波稱為橫波。電磁波為典型的橫波，其具有 電場和磁場的偏振，偏振方向與其傳播方向垂直，通常將電場的偏振方向定義為該電磁波 的偏振方向。偏振在許多科學(xué)研究領(lǐng)域中是一個(gè)不可或缺的參數(shù)，如光學(xué)、微波、無線電及 地震學(xué)等。同樣，在技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域中，如激光通信、無線通信、光纖通信及雷達(dá)等，對(duì)于偏振 的研究也是至關(guān)重要的一環(huán)。
[0003] 偏振旋轉(zhuǎn)器也稱偏振變換器，是一種用于改變信號(hào)偏振態(tài)的器件。而今主要通過 波片或法拉第旋轉(zhuǎn)器對(duì)信號(hào)偏振態(tài)進(jìn)行改造。
[0004] 波片是一種能使光振動(dòng)相互垂直的光波產(chǎn)生附加相位差的光學(xué)器件，通常由一些 具有雙折射特性的單軸晶體制備而成，如石英、云母及方解石等。當(dāng)光波通過一定厚度的波 片，由于光波的O光和e光在波片中的傳播速度不同，使其出射時(shí)產(chǎn)生一定的相位差，因此 光波出射合成后的偏振態(tài)將發(fā)生改變，而這種偏振態(tài)的變化取決于光波經(jīng)過波片后產(chǎn)生的 相位差。通常將能產(chǎn)生1/4波長相位差的波片稱為四分之一波片；將能產(chǎn)生1/2波長相位 差的波片稱為二分之一波片。若入射光波為線偏振光，光波以一定角度通過四分之一波片， 出射光波改變?yōu)閳A偏振光；同理，該線偏振光波以一定角度通過二分之一波片，出射光波仍 為線偏振光，但其偏振角度一般有改變。
[0005] 法拉第旋轉(zhuǎn)器是基于法拉第效應(yīng)的磁致旋光器件，當(dāng)線偏振光經(jīng)過一個(gè)具有外加 磁場的晶體后，光波的偏正面將發(fā)生旋轉(zhuǎn)，此現(xiàn)象為法拉第效應(yīng)。而該晶體稱為磁光晶體。 出射光波偏振面所旋轉(zhuǎn)的角度Θ與外加磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度B及光波在晶體中的作用距離 L成正比
[0006] Θ = VBL
[0007] 其中V為費(fèi)爾德常數(shù)，為磁光晶體的固有特性。
[0008] 波片按結(jié)構(gòu)可分為多級(jí)波片、復(fù)合波片和真零級(jí)波片，但無論哪一種波片都有其 自身的不足之處，如波長敏感度、溫度敏感度、入射角敏感性或制作工藝?yán)щy等。法拉第旋 轉(zhuǎn)器具有溫度特性差、光衰問題突出、插損高、控制精度低及體積大等問題。
[0009] 本發(fā)明所實(shí)現(xiàn)的光束偏振態(tài)變換并沒有采用現(xiàn)有傳統(tǒng)的變換技術(shù)，如波片或法拉 第旋轉(zhuǎn)器等，而是通過超材料技術(shù)對(duì)光束偏振態(tài)進(jìn)行調(diào)制。
[0010] 超材料是一種人工的結(jié)構(gòu)性功能材料，它具有一些自然界中材料無法達(dá)到的特殊 功能。超材料并不是傳統(tǒng)意義上所理解的"材料"，它通過具有一定物理尺寸的結(jié)構(gòu)，經(jīng)過有 序的設(shè)計(jì)排列，可實(shí)現(xiàn)自然界固有材料所不具備的超常材料功能。因此，亦可將超材料理解 為人工復(fù)合材料。由于現(xiàn)今的印刷電路制作工藝已非常成熟，對(duì)于制作微波波段的超材料 具有很大優(yōu)勢，因此，對(duì)微波波段的超材料應(yīng)用器件的研究已成為一個(gè)熱點(diǎn)。隨著現(xiàn)代制作 工藝的不斷發(fā)展，半導(dǎo)體工藝已由次微米時(shí)代發(fā)展至納米電子時(shí)代，超材料的物理尺寸可 通過現(xiàn)代制作工藝達(dá)到納米級(jí)別，因此光波段的超材料開發(fā)亦日漸成為科研界的焦點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種結(jié)構(gòu)簡單、轉(zhuǎn)換效率高，可將線偏振光 變換成右旋圓偏振轉(zhuǎn)換功能的超材料薄膜。
[0012] 為了解決上述存在的技術(shù)問題，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案：
[0013] 本發(fā)明的右旋圓偏振轉(zhuǎn)換的超材料薄膜為光頻段的超材料結(jié)構(gòu)，其包括金屬微結(jié) 構(gòu)層1、介質(zhì)基板層2和金屬微結(jié)構(gòu)層3,所述金屬微結(jié)構(gòu)層1和金屬微結(jié)構(gòu)層3位于介質(zhì) 基板層2的兩面；所述金屬微結(jié)構(gòu)層1的上表面為金屬面1、下表面為金屬面2,所述金屬微 結(jié)構(gòu)層3的上表面為金屬面3、下表面為金屬面4,所述金屬面1為入射面，所述金屬面4為 出射面；所述金屬微結(jié)構(gòu)層1和3為手征對(duì)稱性的左旋風(fēng)車結(jié)構(gòu)，或者為螺旋形的手征對(duì)稱 性左旋人造結(jié)構(gòu)，該金屬微結(jié)構(gòu)層1和3之間具有一個(gè)以結(jié)構(gòu)中心作為旋轉(zhuǎn)中心的右旋角， 輸出光波的兩個(gè)正交分量的振幅相等，該兩個(gè)正交分量的相位差為90°的奇數(shù)倍。
[0014] 所述金屬微結(jié)構(gòu)層1和3均由多個(gè)左旋萬字微結(jié)構(gòu)組成，呈陣列式周期排列。
[0015] 所述金屬微結(jié)構(gòu)層金屬微結(jié)構(gòu)層1和3包括金、銀、銅、金屬導(dǎo)電材料，或者銦錫氧 化物、石墨碳納米管、非金屬導(dǎo)電材料。
[0016] 所述金屬微結(jié)構(gòu)層1和3的厚度均為30~100nm。
[0017] 所述介質(zhì)基板層2制作材料包括氰酸脂、PMMA、PTFE、聚合物、氟化物、納米微孔。
[0018] 所述介質(zhì)基板層2為低介電常數(shù)和低介電損耗材料，材料介電常數(shù)介于1. 5~2. 0 之間。
[0019] 所述介質(zhì)基板層2的材料損耗正切值低于0. 003。
[0020] 所述介質(zhì)基板層2的介質(zhì)厚度為20~lOOnm。
[0021] 所述旋轉(zhuǎn)中心的右旋角為5~22.5°。
[0022] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，有如下積極效果。
[0023] 1.納米級(jí)金屬微結(jié)構(gòu)的超材料薄膜，具有圓偏振濾波功能，即濾除左旋圓偏振光 波而保留右旋圓偏振光通過的功能。左旋
[0024] 2.可將一束線偏振光轉(zhuǎn)換為右旋圓偏振光，其轉(zhuǎn)換效率可達(dá)98 %以上，且輸出光 束質(zhì)量高。
[0025] 3.結(jié)構(gòu)圖樣簡單、轉(zhuǎn)換效率高、插損小、體積小，為電磁波偏振態(tài)調(diào)制提供了一種 新穎、高效的調(diào)制方法，這種新型的偏振旋轉(zhuǎn)器對(duì)于通信技術(shù)的發(fā)展具有重要的意義及良 好的開發(fā)前景。
[0026] 4.通過以材料或化工技術(shù)中的自組裝方式，或以半導(dǎo)體技術(shù)中的微縮方式制備。
【附圖說明】
[0027] 圖1為本發(fā)明的疊層結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028] 圖2為本發(fā)明的人造金屬微結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029] 圖3為本發(fā)明的兩層金屬微結(jié)構(gòu)層疊放示意圖；
[0030] 圖4為本發(fā)明的超材料薄膜示意圖；
[0031] 圖5為本發(fā)明的兩個(gè)正交分量透射輸出結(jié)果示意圖；
[0032] 圖6為本發(fā)明的兩個(gè)正交分量透射輸出相位不意圖；
[0033] 圖7為本發(fā)明的輸出光束質(zhì)量分析圖；
[0034] 圖8為本發(fā)明的電磁耦合示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0035] 下面結(jié)合附圖與【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)闡述：
[0036] 如圖1所示，光頻段的超材料結(jié)構(gòu)，包括金屬微結(jié)構(gòu)層1 (第一金屬微結(jié)構(gòu)層）、介 質(zhì)基板層2和金屬微結(jié)構(gòu)層3 (第二金屬微結(jié)構(gòu)層），金屬微結(jié)構(gòu)層1 (第一金屬微結(jié)構(gòu)層） 和金屬微結(jié)構(gòu)層3 (第二金屬微結(jié)構(gòu)層）位于介質(zhì)基板層2的兩面；兩金屬微結(jié)構(gòu)層（金屬 微結(jié)構(gòu)層1和金屬微結(jié)構(gòu)層3)分為四個(gè)金屬面，即金屬微結(jié)構(gòu)層1 (第一金屬微結(jié)構(gòu)層）上 表面為金屬面1、下表面為金屬面2,金屬微結(jié)構(gòu)層3 (第二金屬微結(jié)構(gòu)層）上表面為金屬面 3、下表面為金屬面4,其中金屬面1為結(jié)構(gòu)的入射面，金屬面4為結(jié)構(gòu)的出射面；介質(zhì)基板 層2的制作材料包括聚氟化物、丙烯酸類樹酯等低介電常數(shù)、低材料損耗材料；金屬微結(jié)構(gòu) 層1和3 (第一金屬微結(jié)構(gòu)層和第二金屬微結(jié)構(gòu)層），金屬微結(jié)構(gòu)層1 (第一金屬微結(jié)構(gòu)層） 和金屬微結(jié)構(gòu)層3 (第二金屬微結(jié)構(gòu)層）位于介質(zhì)基板層2的兩面；兩金屬微結(jié)構(gòu)層（第 一、二金屬微結(jié)構(gòu)層）的制作材料包括金、銀、銅等金屬導(dǎo)電材料，或者銦錫氧化物、石墨碳 納米管等非金屬導(dǎo)電材料；
[0037] 本發(fā)明的金屬微結(jié)構(gòu)層1(第一金屬微結(jié)構(gòu)層）和金屬微結(jié)構(gòu)層3 (第二金屬微結(jié) 構(gòu)層）為周期排列的金屬微結(jié)構(gòu)，如圖2所示，該金屬微結(jié)構(gòu)為一種具有手征對(duì)稱性的左旋 風(fēng)車結(jié)構(gòu)，外形與風(fēng)車相似。其結(jié)構(gòu)的線寬為《，長臂為L 1，短臂為L2,單元結(jié)構(gòu)的邊長為 a，即超材料的晶格常數(shù)。
[0038] 超材料單元晶格中金屬微結(jié)構(gòu)層1 (第一金屬微結(jié)構(gòu)層）與金屬微結(jié)構(gòu)層3 (第二 金屬微結(jié)構(gòu)層）的金屬微結(jié)構(gòu)疊層方式如圖3所示，兩金屬微結(jié)構(gòu)（第一、二金屬微結(jié)構(gòu) 層）之間并不是正對(duì)疊放的，而是相互間存在一個(gè)以結(jié)構(gòu)中心作為旋轉(zhuǎn)中心的右旋角Θ。 如圖3所示，金屬線寬為w，金屬厚度為t，兩單元金屬微結(jié)構(gòu)間的右旋角為Θ，兩對(duì)應(yīng)金屬 面間的距離為d，其中兩金屬層的間距為d-t，即第二介質(zhì)層的厚度。
[0039] 超材料以微結(jié)構(gòu)單元作為晶格單元，晶格沿X軸向及Y軸向呈周期性排列，如圖 4所示為本發(fā)明的超材料示意圖，金屬微結(jié)構(gòu)層1 (第一金屬微結(jié)構(gòu)層）和金屬微結(jié)構(gòu)層 3(第二金屬微結(jié)構(gòu)層）均由多個(gè)左旋萬字微結(jié)構(gòu)組成，呈陣列式周期排列，晶格單元沿X軸 向周期排列數(shù)為3,沿Y軸向周期排列數(shù)為3,而在實(shí)際應(yīng)用中，所示周期排列數(shù)遠(yuǎn)大于3。
[0040] 本發(fā)明給出的實(shí)施例具體參數(shù)如下：線寬w為40nm，金屬厚度t為20nm，金屬長 臂Ll為350nm，金屬短臂L2為155nm，兩金屬微結(jié)構(gòu)疊放角度Θ為1〇°，金屬材料采用金； 介質(zhì)基板層材料采用金屬氟化物，介電常數(shù)為1. 9,磁導(dǎo)率為1