一種基于雙桿天線結構的中紅外偏振轉換器的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于無線通訊技術領域，具體設及一種基于雙桿天線結構的中紅外偏振轉 換器。
【背景技術】
[0002] 中紅外（波長3-30微米）是整個電磁波譜當中重要的頻譜資源。首先，很多與人 類環(huán)境、疾病息息相關的氣態(tài)分子（如臭氧化、二氧化碳C〇2等）由分子自身振動或轉動產(chǎn) 生的指紋吸收剛好在中紅外波段，而且運些分子在中紅外的指紋吸收比其他任何波段要高 幾個量級。其次，自然界中一切溫度高于絕對零度（-273C)的物體都無時無刻的產(chǎn)生著 熱福射，其福射能量也集中在中紅外波段。此外，由于地球大氣中的各種粒子對電磁波的吸 收和散射，只有中紅外特殊波段才能透過大氣層，并形成兩個主要中紅外大氣窗口，即波長 3. 5-5. 5微米和8-12微米。
[0003] 鑒于上述分子強特征吸收、熱體福射W及大氣透明窗口運些在中紅外波段才具有 的獨特性質，中紅外波在物質檢測、紅外成像、寬帶通訊、光譜學W及軍事對抗領域具有廣 闊應用前景。例如中紅外技術可用來檢測各類氣態(tài)分子，在天文學上用來觀測受到宇宙塵 埃掩蔽的天體，在醫(yī)學上用來診斷人體腫瘤，W及在軍事上應用于各類安全檢查和對抗技 術等。
[0004] 中紅外技術的大規(guī)模實際應用依賴于關鍵器件的發(fā)展，包括激光器、探測器、調制 器W及各類功能器件。目前基于電子帶內子帶躍遷的量子級聯(lián)激光器具有體積小、功率 高、室溫工作、可調諧等特點，已成為中紅外波段主要相干光源；在探測器方面，基于蹄儒隸 化gCdTe)的單像素或焦平面探測器具有無可比擬的熱靈敏度，已成為當前主流的中紅外探 測技術，同時也先后出現(xiàn)了量子阱探測器（QWIP)、量子點（QDIP)W及InAs/Ga訊第二型超 晶格探測器等新技術并逐漸走向實用化。 陽0化]除了上述日趨成熟的中紅外激光器和探測器外，偏振轉換器也是中紅外技術的一 項關鍵器件。偏振轉換器可W對中紅外波的偏振方向進行調控或調制，是紅外相干檢測、偏 振復用無線通訊等領域重要而必不可少的元件。 陽006] 現(xiàn)有技術中，法國如entinL6vesque等人提出一種基于k型等離子體平面天 線的偏振轉換器。該技術方案采用k型金屬天線的兩個局域等離子體模式，實現(xiàn)了帶寬 1ym的兩個垂直方向的線偏振光的轉換，但運種偏振轉換器的波長范圍受限在短波長范圍 3ym-4. 4ym，而且只有兩個局域等離子體模式的疊加，偏振轉化帶寬較小，為中屯、波長的 38%。

【發(fā)明內容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于提供一種基于雙桿天線結構的中紅外偏振轉換器，運種偏振轉 換器中屯、波長為9. 58ym、偏振轉化率PCR超過80%，帶寬為中屯、波長的77%，性能較優(yōu)。
[0008] 本發(fā)明采用技術方案如下：
[0009] 本發(fā)明提供了一種基于雙桿天線結構的中紅外偏振轉換器，由多個單元器件構成 的單元陣列，每個所述單元器件從下到上依次為n-型高滲雜娃片襯底、銅膜、二氧化娃隔 罔層、雙桿天線。
[0010] 進一步，所述單元矩陣為Immx1mm的單元陣列，每個所述單元器件的周期均為 Sum。
[0011] 進一步，所述襯底的厚度為0. 4-0. 6mm，所述銅膜的厚度為0. 2-0. 4ym，所述二氧 化娃隔離層厚度為0. 8-1. 2ym，所述雙桿天線中每桿天線的厚度為0. 1-0. 3ym、長度為 3. 2-3. 6ym、寬度為0. 9-1. 05ym，兩桿天線之間的間距為0. 08-0. 12ym。
[0012] 優(yōu)選地，所述襯底的厚度為0.5mm，所述銅膜的厚度為0.3ym，所述二氧化娃隔 離層厚度為1. 036ym，所述雙桿天線中每桿天線的厚度為0. 2ym、長度為3. 5ym、寬度為 0. 95ym，兩桿天線之間的間距為0. 1ym。
[0013] 本發(fā)明的理論依據(jù)及有益效果為：
[0014] 理論依據(jù)：
[0015] 電磁波屬于橫波，其電矢量、磁矢量W及波矢方向滿足右手定則。其中，電矢量是 引起導體中載流子集體運動W及引起介質極化的主要原因。因此，可W通過入射電磁波和 反射電磁波電場強度的比值來定義反射率?？紤]到電磁波可W分解為相互正交的兩個偏振 方向，反射率可W寫為反射矩陣的形式
[0019] X，y為兩個相互正交的線偏振電磁波方向，i，r分別表示入射電磁波和反射電磁 波。町。等于反射電磁波m方向電場分量Emf與入射電磁波n方向電場分量E的比值，恥皿 為相位。根據(jù)運一定義Ryy與Ryy之間的相位差為
[0020]
餅
[0021] 設入射電磁波為y方向的線偏振電磁波，則偏振轉化率PCR可寫為 柳巧
（4)
[002引Rxy= 0時，PCR= 0,意味著y方向偏振的入射光經(jīng)過反射后無X方向偏振光，無 偏振轉換效應。R"= 0時，PCR= 1，意味著y方向偏振的入射光經(jīng)過反射后無y方向偏 振光，即所有反射光均為X方向偏振，實現(xiàn)了相互垂直方向的線偏振光的100%轉換效率。 0<PCR<1時，反射光含有兩種偏振方向分量，為楠圓偏振光。由于PCR直接反映了平面天線 實現(xiàn)偏振轉化的水平，因此用來作為偏振轉化器的主要性能指標。
[0024] 本發(fā)明的有益效果：
[0025] 本技術發(fā)明采用了雙桿天線結構，增加了疊加模式的數(shù)目，從而實現(xiàn)了寬帶更寬 的相互垂直線偏振光的轉換，制得了波長為7ym-16ym，中屯、波長為9. 58ym的中紅外偏 振轉換器，運種中紅外偏振轉換器的偏振轉化率超過了 80%，工作帶寬達到中屯、波長的 77%，是現(xiàn)有技術的兩倍W上。
【附圖說明】
[00%] 下面結合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步詳細的說明。
[0027] 圖1為本發(fā)明結構示意圖；
[0028] 圖2為本發(fā)明單元器件結構示意圖；
[0029] 圖3為本發(fā)明單元器件側示圖；
[0030] 圖4為本發(fā)明實施例1中反射光y方向偏振分量的反射系數(shù)和X方向偏振分量的 反射系數(shù)，W及PCR值的變化曲線圖； 陽03U 圖5為本發(fā)明實施例1中波長為14.2ym(頻率21.ITHz)，圖4中A點對應的電場 分布圖； 陽03引圖6為本發(fā)明實施例1中波長為9. 8ym(頻率30.eraz)，圖4中B點對應的電場 分布圖； 陽03引圖7為本發(fā)明實施例1中波長為7 iim(頻率化5raz)，圖4中C點對應的電場分 布圖；
[0034] 圖8為本發(fā)明實施例2中反射光y方向偏振分量的反射系數(shù)和X方向偏振分量的 反射系數(shù)，W及PCR值的變化曲線圖；
[0035] 圖中：1、單元器件；2、襯底；3、銅膜；4、二氧化娃隔離層；5、雙桿天線；6、y方向偏 振分量的反射系數(shù)；7、X方向偏振分量的反射系數(shù)；8、偏振轉化率PCR值。
【具體實施方式】
[0036]下面將結合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完 整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；?本發(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他 實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
[0037] 實施例1，如圖1~圖3所示，由多個單元器件構成的ImmX1mm單元陣列，單元 器件的周期均為5ym，單元器件襯底為厚度0. 5mm的n-型高滲雜娃片，娃片上采用電 子束蒸發(fā)鍛有0.3ym的銅，銅膜上面采用等離子體增強化學氣相沉積法（PECVD)長有 1. 036ym的二氧化娃隔離層，最上面采用電子束掩膜和金屬沉積方法制作的厚度0. 2ym、 長3. 5ym、寬度0. 95ym的雙桿天線，雙桿之間的間距為0. 1ym。
[0038] 圖4給出了反射光y方向偏振分量的反射系數(shù)和X方向偏振分量的反射系數(shù)，W 及PCR值。由圖可知，在中屯、波長為9.58ym的7ym-16ym(19.2THZ-43. 4THz)的范圍內， 偏振轉化率PCR值大于80%。帶寬達到中屯、波長的77%，運一性能是現(xiàn)有技術的兩倍W上。 此外，14. 2ym(A點），9.8ym度點），7ym(C點）S個峰值處的PCR接近100%，意味著運 =個頻率的入射光激發(fā)了雙桿天線中的局域等離子體共振，共振峰處入射光完全被天線吸 收后通過表面的微納結構福射出垂直于原偏振方向的X方向線偏振光。圖5~圖7分別是 A、B、C=個頻率對應的電場分布。從圖中可W看出，=個頻率對應的響應位置和電場分布 各不同。運一結果表明，寬帶偏振轉化的實現(xiàn)正是=個頻率間距適當?shù)墓舱衲Ｊ蒋B加的結 果。而現(xiàn)有技術中，k型天線在響應范圍內，只激發(fā)了兩個共振峰，因此疊加后的相對帶寬 較小。本發(fā)明正是因為采用了適當?shù)碾p桿天線結構，增加了疊加模式的數(shù)目，從而實現(xiàn)了寬 帶更寬的相互垂直線偏振光的轉換。
[0039] 實施例2,本發(fā)明基于雙桿天線結構的偏振轉換器還可W根據(jù)具體應用要求推廣 到中紅外其他任意波段。圖8給出了一個實施例。在實施例1的基礎上，如果將天線的尺 寸等比例縮小50%，偏振轉換器的工作波長將從7ym-16ym(圖8虛線）變?yōu)椴ㄩL較短的 3. 5ym-7. 8ym范圍（圖8實線），并且保持寬帶寬優(yōu)點不變（為中屯、波長的77% )。
[0040] W上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用W限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精 神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。
【主權項】
1. 一種基于雙桿天線結構的中紅外偏振轉換器，其特征在于：由多個單元器件構成的 單元陣列組成，每個所述單元器件從下到上依次為n-型高摻雜硅片襯底、銅膜、二氧化硅 隔離層、雙桿天線。2. 根據(jù)權利要求1所述的一種基于雙桿天線結構的中紅外偏振轉換器，其特征在于： 所述單元矩陣為1mmX Imm的單元陣列，每個所述單元器件的周期均為5 ym。3. 根據(jù)權利要求1所述的一種基于雙桿天線結構的中紅外偏振轉換器，其特征在于： 所述襯底的厚度為〇. 4-0. 6mm，所述銅膜的厚度為0. 2-0. 4 y m，所述二氧化硅隔離層厚度 為0. 8-1. 2 ym，所述雙桿天線中每桿天線的厚度為0. 1-0. 3 ym、長度為3. 2-3. 6 ym、寬度 為0? 9-1. 05 y m，兩桿天線之間的間距為0? 08-0. 12 y m。4. 根據(jù)權利要求3所述的一種基于雙桿天線結構的中紅外偏振轉換器，其特征在 于：所述襯底的厚度為〇. 5mm，所述銅膜的厚度為0. 3 ym，所述二氧化硅隔離層厚度為 L 036 ym，所述雙桿天線中每桿天線的厚度為0? 2 ym、長度為3. 5 ym、寬度為0? 95 ym，兩 桿天線之間的間距為0.Iym。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于雙桿天線結構的中紅外偏振轉換器，器件由多個單元器件構成的單元陣列，每個所述單元器件從下到上依次為n-型高摻雜硅片襯底、銅膜、二氧化硅隔離層、雙桿天線。這種偏振轉換器中心波長為9.58μm，偏振轉化率PCR超過80％，帶寬為中心波長的77％，性能優(yōu)越。
【IPC分類】G02B27/28, G02B5/30
【公開號】CN105182462
【申請?zhí)枴緾N201510695811
【發(fā)明人】劉志軍, 何德, 蔣亞東
【申請人】電子科技大學
【公開日】2015年12月23日
【申請日】2015年10月23日