[发明专利]一种基于亚波长光栅超表面的热控相位调制器

说明书

本发明涉及一种基于亚波长光栅超表面的热控相位调制器，包括第一层底层的透明介质基底、第二层金属薄膜层、第三层介质薄膜层、第四层介质光栅层、第五层高折射率介质光栅层、第六层热光介质层；所述的介质光栅层和高折射率介质光栅层为周期性光栅阵列，光栅周期同为p，光栅占空比同为q，厚度分别为t1和t2，其中t1t2；所述的基于该亚波长光栅超表面结构的热控相位调制器存在一个高Q值共振峰，高Q峰处伴随着剧烈的相位突变，且相位突变曲线将随着外界折射率改变而发生漂移。基于本发明可实现高灵敏的热控相位调制，从而实现空间光调制器的功能，可用于光通信、显示与成像、光信号处理、自动驾驶、微波信号处理等领域。

技术领域

本发明属于光学相位调制领域，涉及一种基于亚波长光栅超表面的热控相位调制器，可应用于光通信、显示与成像、光信号处理、自动驾驶、微波信号处理等领域。

背景技术

GMR (Guided-Mode Resonance, 导模共振)是指外部场与亚波长光栅波导的泄漏模之间产生耦合，发生共振的现象。可以将衍射光栅相当于周期调制的平面波导，当一个外部传播波和亚波长光栅波导所支持的导波模式满足波矢匹配时，会产生强耦合，耦合的能量再通过周期性光栅反射或透射出去，形成尖锐的反射或者透射共振峰，在谐振峰处，存在着剧烈的相位突变，且相位变化会随着谐振峰的漂移而改变。MAGMR (Metal AssistantGuided-Mode Resonance, 金属辅助导模共振)是在GMR的基础上，在亚波长光栅底部增加一层有一定厚度的金属薄膜，由于金属-电介质界面的损耗性质，波导内部的传播模式会经历更快的衰减。随着波长远离共振处，金属层开始显现其金属的高反特性，入射光被反射回去。MAGMR可以提供比GMR更尖锐的共振峰，及更剧烈的相位突变。基于GMR原理的器件已被广泛应用于滤波器、光调制器、光开关、传感器等领域。这其中，光调制器作为核心元件，在成像与显示、激光辅助自动驾驶、波前整形、全息存储、光镊等很多场合都有着重要应用。因而，利用GMR原理实现相位调制器具有许多潜在的应用。

但是，目前基于GMR和MAGMR的传感器的Q值还比较低，共振峰不够尖锐，从而导致其相位突变也不够剧烈，不利于高灵敏的相位调制器应用。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提出了一种基于亚波长光栅超表面的热控相位调制器，可实现高灵敏的热控相位调制，从而实现相位调制器、空间光调制器的功能，可用于光通信、光信号处理、微波信号处理等领域。

一种基于亚波长光栅超表面的热控相位调制器，包括第一层底层的透明介质基底、第二层金属薄膜层、第三层介质薄膜层、第四层介质光栅层、第五层高折射率介质光栅层、第六层热光介质层；

所述的介质光栅层和高折射率介质光栅层为周期性光栅阵列，光栅周期同为p，光栅占空比同为q，厚度分别为t1和t2，其中t1t2；

所述的基于该亚波长光栅超表面结构的热控相位调制器存在一个高Q值共振峰，高Q峰处伴随着剧烈的相位突变，且相位突变曲线将随着外界折射率改变而发生漂移；通过改变光栅参数调整工作波长，通过改变光栅周期p参量，改变相位调制器工作波长，可用于可见光至近红外波段范围的相位调制；

所述的热光介质层具备热光效应，通过控制温度来调控工作波长的相位。

所述的第一层底层的透明介质基底、第二层金属薄膜层之间设有加热电极阵列，或者第六层热光介质层上设有加热电极阵列，实现单独调控单元像素的相位，加热电极阵列采用透明导电材料或者金属材料，所述的透明导电材料包括铟锡氧化物、石墨烯，所述的金属材料包括钛、铬、钨。

所述的透明介质基底为折射率低于1.6的透明材料，包括玻璃、塑料。

所述的金属薄膜层为具备金属损耗及金属高反特性的金属材料，包括Au、Ag、Al、Cu、Ti。