[发明专利]双层非对称亚波长电介质光栅太赫兹隔离器

说明书

技术领域

本发明属于太赫兹科学技术领域，具体涉及一种太赫兹波隔离器及其工作方法。

背景技术

太赫兹(THz，1THz＝10¹²THz)波是指频率在0.1-10THz(对应的波长为3mm～30μm)范围的电磁波，这一波段介于微波与光波之间，是电子学与光子学的交叉领域。由于其在电磁波谱中所处的特殊位置，太赫兹波具有透视性、安全性、高信噪比等许多优越特性，在光谱、成像和通信等领域具有非常重要的学术和应用价值。隔离器是二端口非互易器件，允许正向光高效地通过器件，而禁止光反向通过，是通信、雷达等诸多应用系统中的关键器件，主要用于器件单元间的级间隔离、阻抗匹配、去耦，防止系统中反射回波和散射造成有源器件的损坏，减少回波带来的附加噪声，提高系统稳定性、可靠性。然而由于长期以来在太赫兹波段缺乏适合的低损耗、宽带单向传输器件，如隔离器、环形器等，太赫兹应用系统中元件的反射回波和散射噪声严重地限制了系统的性能。

隔离器的性能主要由两个方面来决定：一是正向传输时的透过率T_for，高的正向透过率带来低的插入损耗；二是反向波的透过率T_back与正向波透过率之比，即隔离度，表示为Iso＝-10log(T_back/T_for)，反向波越小、正向波越大，隔离度越大，器件的单向传输能力越强。

隔离器通常需要在器件中引入磁光材料通过光的非互易传输才能实现，由于在太赫兹波段具有磁光响应的非互易材料十分有限，太赫兹单向传输器件在过去鲜有报道，直到最近，一些太赫兹波非互易传输机制和器件的研究才有初步进展。Fan等提出了基于铁氧体旋磁材料的太赫兹光子晶体可调谐环形器[Opt.Commun.2012，285：3763-3769.]，尽管该环形器的隔离度高达65dB，但此类器件需要在很大的外磁场(大于7T，1特斯拉＝10⁴高斯)下工作，且工作频率低、带宽窄。Hu等提出了使用半导体旋电材料构成金属-绝缘体-半导体(MIS)结构实现太赫兹波的单向传输，该器件使用的半导体材料所需的磁场约为1T[Opt.Lett.2012，37，1895-1897]。然而由于MIS结构其诱导产生的磁表面等离子模式的单向传输能力很弱，使得该类器件的传输透过率低于60％和隔离度低于30dB。Shalaby等利用SrFe₁₂O₁₉永磁材料首次在实验上演示了太赫兹法拉第隔离器的单向传输功能，其缺点是该磁光材料对太赫兹波的吸收较强，导致器件插入损耗大于5dB[Nature Commun.，2013，4：1558]。因此，现有太赫兹磁光隔离器存在外加磁场大，器件磁滞损耗和插入损耗大，难以加工等缺点，使得太赫兹隔离器的研制遇到很大的瓶颈。

近年来也有不利用磁光效应光隔离器的报道，具有非常诱人的前景。2012年，Fan等提出来一种基于非线性效应的光学二极管[Science，2012，335(6067)：447-450]，它像电子二极管一样具有单向导通功能，在通信波段隔离度可以达到28dB，但受限于太赫兹非线性材料和太赫兹源的强度，太赫兹波段还没有该类器件的报道。利用非对称光子晶体[Scientific Reports，2012，2]、双层非对称金属光栅[Opt Lett，2013，38(6)：839-841]以及手性超材料[Phys.Rev.A，2013，88(2)：023823]等非对称人工电磁微结构，可以实现太赫兹波的非对称传输，即同一偏振态的太赫兹波沿正反向入射器件其透过率是不同的，这些器件不包含磁光效应或非线性效应，却具有一定的单向传输功能。其中前两种器件它们的机理是前后向传输的散射或衍射角不同，导致一定方向入射光的单向传输，这两种器件尚未在太赫兹波段见报道；而手性超材料已在太赫兹波段被报道，其作为隔离器有一个很大的缺点是它的出射光的偏振态与入射光相比通常会转过90°，这在许多应用中是不希望遇到的。

综上所述，一方面太赫兹应用系统的发展对高性能太赫兹隔离器的研制有着迫切的需求，另一方面国内外对太赫兹隔离器的研究却还处于起步阶段，目前报道的太赫兹隔离器在隔离度、插入损耗、工作带宽等方面还无法满足应用系统的实际需求，急需发展无需外加磁场、常温工作的高隔离度、低损耗、易加工的太赫兹隔离器。

发明内容

本发明的目的在于提供一种双层非对称亚波长电介质光栅太赫兹隔离器，解决背景技术中太赫兹隔离器的磁场大、低温工作、隔离度低、损耗大、制作困难等关键技术问题。