[发明专利]一种基于人工电磁材料的太赫兹波可调谐光控开关

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种对太赫兹波的传输控制装置，尤其是控制太赫兹波交叉偏振的传输，通过光控的方式实现太赫兹波交叉偏振传输的开/关功能。

背景技术

太赫兹波(THz)是指频率在0.1THz—10THz（波长为0.03-3mm）范围内的电磁波，其波段位于微波和红外波之间，在电磁波谱中占据着重要位置，是电子学向光学的过渡区域。但是上个世纪80年代以前，涉及太赫兹波段的研究结果和数据非常少，主要是受到太赫兹产生源和灵敏探测器的限制，因此这一波段也被称为太赫兹空白（THz gap）。随着一系列新技术、新材料的发展，THz技术得以迅速发展，在国际范围内掀起了太赫兹技术研究热潮。目前，科研人员在努力地寻求可以控制太赫兹波传输的器件，推动太赫兹技术的发展。然而常规材料在太赫兹波段具有较弱的电磁响应，使得人们在研制太赫兹器件，实现对太赫兹波的探测和操纵时面临很多限制。新型人工电磁材料（Metamaterials）的出现恰好弥补了这一缺憾。新型人工电磁材料，其独特新颖的物理性质和诱人的应用前景得到了国际学术界的广泛关注。近几年，太赫兹波段新型人工电磁材料的研究取得了一系列重要的理论和实验成果，基于新型人工电磁材料的太赫兹调制器、吸波器、滤波器等研究陆续出现，显示了新型人工电磁材料在太赫兹技术中的巨大应用潜力，但目前尚缺少性能优良、可调谐的太赫兹偏振功能器件。

新型人工电磁材料Metamaterials中“meta”相当于英文的“beyond”，意为超越，其结构单元的尺度在亚波长量级，可以实现天然材料所没有的电磁特性，如负折射、完美透镜、隐身斗篷等。新型人工电磁材料的出现极大地丰富了电磁领域的研究内容，例如手性与新型人工电磁材料结合后会出现巨大的旋光效应、电磁波的非对称传输等。2006年，英国南安普敦大学Zheludev教授的研究小组在平面手性新型人工电磁材料研究中发现了一个新的、重要的电磁学效应-圆转换二向色性，导致了宏观的非对称传输现象（A.V.Rogacheva,Phys.Rev.Lett.2006,97,177401）。近年来，半导体材料也被融入到新型人工电磁材料的设计中，目的是为了降低材料的本征损失或对新型人工电磁材料的实际响应实现动态的控制。通过控制外部激励（比如泵浦光的光强），新型人工电磁材料的工作频率或者电磁响应在一定的频率段内被动态调谐，它的特性不再只依靠基本结构单元的几何形状或者结构尺寸。对于太赫兹技术，新型人工电磁材料最大的优势在于其可随意设计的电磁谐振响应，可极大地增强太赫兹波与物质之间的相互作用，远胜于自然界的常规材料。新型人工电磁材料的出现为发展性能优良的太赫兹器件提供了契机，从而填补太赫兹空白（THz Gap）。2011年，美国爱荷华州立大学的一个研究组提出了一个太赫兹波段、可调谐的光开关，将半导体光敏材料融入新型人工电磁材料的设计，利用外部泵浦光提高半导体材料的光导率，导致太赫兹波谐振的响应频率蓝移，从而实现两个模式的光控切换（N.Shen,Phys.Rev.Lett.2011,106,037403）。但在这个光控的太赫兹波新型人工电磁材料研究中，光控方式仅能够实现能量传输效率60%的变化，最低传输效率大于10%，调制范围小，研究中未涉及偏振转化现象。

光可控的新型人工电磁材料为太赫兹偏振波传输的调制开拓了新的应用前景，对实现太赫兹滤波器、太赫兹二极管、太赫兹隔离器等新型人工电磁材料功能器件具有重大意义。新型人工电磁材料与光感材料相结合的研究领域中，尚未见基于太赫兹波交叉偏振传输的光开关器件相关报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够实现交叉偏振传输的开/关功能得基于人工电磁材料的太赫兹波可调谐光控开关。

本发明的目的是这样实现的：

包括介质层、第一人工电磁材料层和第二人工电磁材料层，所述介质层位于两层人工电磁材料层之间，两层人工电磁材料分别位于介质层两侧的表面，每层人工电磁材料层由周期性排列的人工电磁材料基本单元构成，两层人工电磁材料层的基本单元结构完全相同，但存在非0°和非180°的结构旋转角、形成手性特征，所述人工电磁材料层的基本单元是指人工电磁材料内嵌两段长度不同的半导体弧和空气弧构成的结构。

本发明还可以包括：

1、所述半导体弧和空气弧，是通过刻蚀覆于介质层表面的人工电磁材料层，形成2段圆心角分别为α和β的空气弧，α小于β，在圆心角为α的空气弧中填充半导体材料形成半导体弧状结构，半导体材料的厚度与人工电磁材料层的厚度相同。

2、人工电磁材料层的厚度为百纳米量级。