三個頻率工作可調諧的石墨烯偏振轉換器的制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種三個頻率工作可調諧的石墨烯偏振轉換器，該轉換器包括該偏振轉換器由多個偏振三維單元組成，多個偏振三維單元呈水平放置，且多個偏振三維單元的上下表面均在同一個水平面上；每個偏振三維單元包括位于最底層的金層、位于中間層的二氧化硅隔離層和位于最上面層的石墨烯層，金層、二氧化硅隔離層和石墨烯層三者由下至上依次固定，且石墨烯層上開設有多個打孔。本發明該結構的改進，使得該偏振轉換器在工作頻段內有三個可工作頻率，在每個工作頻率處的偏振轉化率在75％以上，而且其中兩個工作頻率接近100％，且偏振工作頻帶可調諧。
【專利說明】
H個頻率工作可調諧的石墨稀偏振轉換器
技術領域
[0001] 本發明設及光電子技術領域，尤其設及一種=個頻率工作可調諧的石墨締偏振轉 換器。
【背景技術】
[0002] W微納米技術制造的光電子器件，其性能大大優于傳統的電子器件，其具有如下 優勢：1.工作速度快，納米光電子器件的工作速度是娃器件的1000倍，因而可使產品性能大 幅度提高。2.功耗低，微納米光電子器件的功耗僅為娃器件的1/1000。而隨著中紅外(波長 3-30WI1)科學和技術的快速發展，對該波段的關鍵性微納器件，包括激光器、探測器、調制器 W及各類功能器件的需求也在不斷上升。
[0003] 偏振轉換器是中紅外技術的其中一項關鍵器件。電磁超材料由于能夠通過結構、 尺寸和材料等選擇對中紅外波的振幅、相位、偏振W及傳播實現靈活多樣的控制，提供了一 種實現不同類型和參數中紅外偏振轉換器件的有效途徑。對于中紅外波偏振態的調控，可 W利用超材料的各向異性、手性和雙各向異性實現中紅外波偏振形態的改變，即實現偏振 轉換。
[0004] 現有技術中，化a Cheng等人提出一種基于心型等離子體平面天線的偏振轉換器。 該技術方案采用心型石墨締，實現了可在單個頻率垂直方向的線偏振光的轉換。
[0005] Jun Ding等人曾基于提出另一種基于L型等離子體平面天線的偏振轉換器。該技 術方案采用單層石墨締的L型挖槽，實現了兩個頻率的垂直方向的線偏振光的轉換。
[0006] 但是目前的市面上還不存在中紅外多頻率可調諧偏振轉換器，而且不能實現=個 頻率同時工作。
[0007] 2004年，英國曼徹斯特大學物理學家安德烈.海姆和康斯坦下.諾沃肖洛夫，成 功地在實驗中從石墨中分離出石墨締，從而證實它可W單獨存在，從此學術界和工程界開 始了對石墨締應用的探索。作為一種電磁超材料，石墨締已成為中紅外技術領域的研究熱 點。
[000引偏振轉化率的英文縮寫為PCR，英文為polarization conversion ratio。
【發明內容】
[0009] 針對上述技術中存在的不足之處，本發明提供一種=個頻率工作可調諧的石墨締 偏振轉換器，該偏振轉換器在工作頻段內有=個可工作頻率，在每個工作頻率處的偏振轉 化率在75% W上，而且其中兩個工作頻率接近100%，且偏振工作頻帶可調諧。
[0010] 為實現上述目的，本發明提供一種=個頻率工作可調諧的石墨締偏振轉換器，該 偏振轉換器由多個偏振=維單元組成，多個偏振=維單元呈水平放置，且多個偏振=維單 元的上下表面均在同一個水平面上；
[0011] 每個偏振=維單元包括位于最底層的金層、位于中間層的二氧化娃隔離層和位于 最上面層的石墨締層，所述金層、二氧化娃隔離層和石墨締層=者由下至上依次固定，且所 述石墨締層上開設有多個打孔。
[0012] 其中，所述金層的厚度在0.1皿左右，所述二氧化娃隔離層的厚度為1.1皿，且其介 電常數為2.1。
[0013] 其中，所述石墨締層的制備方法為:將邊長P = O. 175WI1的正方形石墨締，對稱割去 兩塊寬w = 65nm，長L=HOnm，相聚d = IOnm的長方形石墨締后得到該石墨締層。
[0014] 其中，所述寬w = 65nm，長L=140nm，相聚d = IOnm的長方形石墨締即為該打孔;且 所述打孔為矩形狀;且所述打孔與石墨締層之間形成箭頭結構。
[0015] 其中，在頻率35THZ-40.7THZ的范圍內，該偏振轉換器的偏振轉化率具有S個峰 值;且運S個峰值分別為35THZ、38THZ和40.7THZ。
[0016] 其中，所述峰值35THZ的偏振轉化率大約為80% ;所述峰值38THZ的偏振轉化率接 近100%，且所述峰值40.7THZ的也偏振轉化率接近100%。
[0017] 本發明的有益效果是：與現有技術相比，本發明提供的=個頻率工作可調諧的石 墨締偏振轉換器，偏振轉換器由多個偏振=維單元組成，且每個偏振=維單元包括位于最 底層的金層、位于中間層的二氧化娃隔離層和位于最上面層的石墨締層，石墨締層上開設 有多個打孔。該結構的改進，使得該偏振轉換器在工作頻段內有=個可工作頻率，在每個工 作頻率處的偏振轉化率在75% W上，而且其中兩個工作頻率接近100%，且偏振工作頻帶可 調諧。
【附圖說明】
[0018] 圖1為本發明中偏振S維單元的結構圖；
[0019] 圖2為本發明中=個頻率工作可調諧的石墨締偏振轉換器的結構圖；
[0020] 圖3為本發明中石墨締層的結構圖；
[0021 ]圖4為本發明中偏振轉換器的PCR結果圖；
[0022] 圖5為本發明中偏振轉換器的反射率效果圖；
[0023] 圖6為本發明中偏振轉換器的費米能級調控后的PCR結果圖；
[0024] 圖7為本發明中偏振轉換器的=個共振頻率處的磁場分布圖；
[0025] 圖8為本發明中偏振轉換器SOP-A和SOP-B的吸收圖。
[00%]主要元件符號說明如下：
[0027] 1、偏振轉換器10、偏振=維單元
[00巧]101、金層 102、二氧化娃隔離層
[00巧]103、石墨締層1031、打孔。
【具體實施方式】
[0030] 為了更清楚地表述本發明，下面結合附圖對本發明作進一步地描述。
[0031] 請參閱圖1-3,本發明的=個頻率工作可調諧的石墨締偏振轉換器，該偏振轉換器 1由多個偏振=維單元10組成，多個偏振=維單元10呈水平放置，且多個偏振=維單元10的 上下表面均在同一個水平面上；
[0032] 每個偏振=維單元0包括位于最底層的金層101、位于中間層的二氧化娃隔離層 102和位于最上面層的石墨締層103,金層101、二氧化娃隔離層102和石墨締層103 =者由下 至上依次固定，且石墨締層上開設有多個打孔1031。
[0033] 相較于現有技術的情況，本發明提供的=個頻率工作可調諧的石墨締偏振轉換 器，偏振轉換器1由多個偏振=維單元10組成，且每個偏振=維單元10包括位于最底層的金 層101、位于中間層的二氧化娃隔離層102和位于最上面層的石墨締層103,石墨締層103上 開設有多個打孔1031。該結構的改進，使得該偏振轉換器在工作頻段內有=個可工作頻率， 在每個工作頻率處的偏振轉化率在75% W上，而且其中兩個工作頻率接近100%，且偏振工 作頻帶可調諧。
[0034] 在本實施例中，金層101的厚度在0.1皿左右，二氧化娃隔離層102的厚度為1.1皿， 且其介電常數為2.1。當然，本案中并不局限于上述的厚度，可W根據實際需要進行改進。
[0035] 圖1是本發明基于矩形結構的偏振轉化器的一個單元的=維示意圖；實際的偏振 轉換器是W該單元為周期，向四周延伸的模型，如圖2給出的3X3的效果。石墨締層的結構比 較復雜，石墨締層103的制備方法為:將邊長P = O. 175皿的正方形石墨締，對稱割去兩塊寬W =65加1，長L= 140加1，相聚d= IOnm的長方形石墨締后得到該石墨締層。寬w = 65nm，長L = 14化m，相聚d=10nm的長方形石墨締即為該打孔;且打孔為矩形狀;且打孔與石墨締層之間 形成箭頭結構。最終得到的如圖3所示。
[0036] 請進一步參閱圖4，圖4給出了PCR值，由圖可知，在頻率35THZ-40.7THZ的范圍內， 該偏振轉換器的偏振轉化率PCR具有S個峰值;且運S個峰值分別為35T化(A點）、38THZ (B 點)和40. n化(C點)S個峰值。其中PCR峰值A大約為80%，峰值B、C的PCR接近100%，意味著 運=個頻率的入射光激發了矩形天線中的局域等離子體共振，共振峰處入射光絕大部分被 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給出了反 射率的計算結果，可W看到，Rxx在=個頻率有極小值，即在=個頻率X偏振光被吸收。而Ryx 在對應的=個頻率有極大值，說明X偏光在運=個頻率處轉換為了 y偏光。由此說明，通過此 偏振轉換器太赫茲光可W在=個頻率發生偏振轉換。本發明正是因為采用了箭頭形天線結 構，使得工作模式的數量增加為=個。
[0037] 請進一步參閱圖6,圖6是通過改變費米能級調諧帶寬的PCR結果圖（費米能級取 0.6eV，0.7eV，0. SeV，0.9eV，1. OeV)，隨著費米能級增大，其工作寬帶右移。本偏振轉換器能 夠發生偏振轉換的原因可W由下圖說明。如圖7所示，從左到右分別是石墨締表面在A、B、C =個共振頻率處的磁場分布。可W看到，對于每個共振頻率，都可W看做是箭頭內部的磁場 禪合的效果，即石墨締表面等離子體震蕩所致。具體的證明公式可W參考文獻[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引如圖7所示，如果經由兩束偏振方向分別與X軸呈45度（SOP-A)的和-45度（SOP-B) 的入射光，石墨締表面等離子體效應使得運兩束光有個共振吸收點，且如果共振吸收頻率 很靠近，則會發生禪合，產生偏振轉換效果。本偏振轉換器在此種條件下的計算結果如圖8 所示。可W看出，兩束光的共振吸收點很靠近，且SOP-B有兩個共振吸收頻率，符合文獻[2] 所指出的效應條件，從而進一步證明我們的器件可W發生=個頻率偏振轉換。該文獻為： Jun Ding,et al.,Mid-Infrared Tunable Dual-Frequency Cross Polarization Converters Using Graphene-Based L-Shaped Nanoslot Array，（2015)10:351-356。
[0039]電磁波屬于橫波，其電矢量、磁矢量^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。考慮到電磁波可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
[0040]
[0041]
[0042]
[0043] 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。Rmn等于反射電磁波m方向電場分量Emr與入射電磁波n方向電場分量化i的比值，d)皿為 相位。在我們的模型中，由于對稱性，故Rmn = Rnm
[0044] 定義R巧與R巧之間的相位差為：
[0045]
[0046] 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
[0047]
[004引 Rxy = O時，PCR=O,意味著y方向偏振的入射光經過反射后無X方向偏振光，無偏振 轉換效應。Ryy = 0時，PCR= 1，意味著y方向偏振的入射光經過反射后無 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。上述為發明中PCR的計算方法。且圖4、 圖5、圖6和圖8都是通過運個計算方式得到的圖形。
[0049] W上公開的僅為本發明的幾個具體實施例，但是本發明并非局限于此，任何本領 域的技術人員能思之的變化都應落入本發明的保護范圍。
【主權項】
1. 一種三個頻率工作可調諧的石墨烯偏振轉換器，其特征在于，該偏振轉換器由多個 偏振三維單元組成，多個偏振三維單元呈水平放置，且多個偏振三維單元的上下表面均在 同一個水平面上； 每個偏振三維單元包括位于最底層的金層、位于中間層的二氧化硅隔離層和位于最上 面層的石墨烯層，所述金層、二氧化硅隔離層和石墨烯層三者由下至上依次固定，且所述石 墨烯層上開設有多個打孔。2. 根據權利要求1所述的三個頻率工作可調諧的石墨烯偏振轉換器，其特征在于，所述 金層的厚度在0. Ιμπι左右，所述二氧化硅隔離層的厚度為Ι.?μπι，且其介電常數為2.1。3. 根據權利要求1所述的三個頻率工作可調諧的石墨烯偏振轉換器，其特征在于，所述 石墨稀層的制備方法為:將邊長ρ = 〇· 175μηι的正方形石墨稀，對稱割去兩塊寬w = 65nm，長L = 140nm，相聚d = 10nm的長方形石墨稀后得到該石墨稀層。4. 根據權利要求3所述的三個頻率工作可調諧的石墨烯偏振轉換器，其特征在于，所述 寬w = 65nm，長L = 140nm，相聚d = 10nm的長方形石墨稀即為該打孔;且所述打孔為矩形狀； 且所述打孔與石墨烯層之間形成箭頭結構。5. 根據權利要求1所述的三個頻率工作可調諧的石墨烯偏振轉換器，其特征在于，在頻 率35THZ-40.7THz的范圍內，該偏振轉換器的偏振轉化率具有三個峰值;且這三個峰值分別 為35THz、38THz和40·7THz。6. 根據權利要求5所述的三個頻率工作可調諧的石墨烯偏振轉換器，其特征在于，所述 峰值35THz的偏振轉化率大約為80% ;所述峰值38THz的偏振轉化率接近100%，且所述峰值 40.7THz的也偏振轉化率接近100%。
【文檔編號】H01Q15/24GK106099387SQ201610416043
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月8日 公開號201610416043.7, CN 106099387 A, CN 106099387A, CN 201610416043, CN-A-106099387, CN106099387 A, CN106099387A, CN201610416043, CN201610416043.7
【發明人】楊晨, 張楓
【申請人】安徽楓慧金屬股份有限公司