[發明專利]一種頻率可調的寬帶紅外隔離元件

有效

• 申請號: 201810320850.8
• 申請日: 2018-04-11
• 公開（公告）號: CN108490540B
• 公開（公告）日: 2020-02-14
• 發明（設計）人: 劉志軍;李春雨;吳志明;蔣亞東
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: G02B6/124
• 分類號: G02B6/124
• 代理公司: 51229 成都正華專利代理事務所(普通合伙)
• 代理人: 何凡

本發明公開了一種頻率可調的寬帶紅外隔離元件，屬于光學元件技術領域。該隔離元件具有分層結構，從下到上依次為硅襯底、金屬光柵、介質膜和石墨烯層，石墨烯層和硅襯底分別與電源的正負極相連接；其中，石墨烯層上開設有“工”字形孔，“工”字形孔與所述金屬光柵中的金屬條之間的夾角為45°。采用本發明中隔離元件，可有效解決現有光隔離元件成本高、體積大、不易集成以及損耗高、透光率低、工作頻段不可調的技術問題。

技術領域

本發明屬于光學元件技術領域，具體涉及一種頻率可調的寬帶紅外隔離元件。

背景技術

光隔離元件類似于電路中的二極管，只允許光往一個方向通過，而阻擋相反方向傳播的光。光隔離器是光信息處理的關鍵器件，能有效管理光信號的傳播方向，避免光路中的回波對光源或者其他光學部件造成的干擾和損害，在光互聯和光電集成器件領域具有重要應用。

常規光隔離元件一般利用磁光晶體的法拉第效應(Faraday Effect)，也就是光通過磁場作用下的旋光材料后，光的偏振方向發生轉動。當光正向傳播時，旋轉后的光偏振方向正好與檢偏器方向相同，順利通過，而當光反向傳播時，旋轉后的光偏振方向與起偏器方向垂直，被阻擋，構成了光單向傳播的隔離功能。該基于法拉第效應的技術需要外部磁體或者磁性材料本身提供磁場，具有成本高、體積大和不易集成的缺點。

近年來出現了一類無需磁場、基于人工結構材料(包括光柵和超材料等)光隔離器技術。基于人工結構材料的光隔離器是基于破壞結構對稱性的原理，也即是通過在光傳播方向上引入結構非對稱性獲得光在正反兩個方向上不同的透過率，從而獲得光單向透射和隔離的性能。該技術具有損耗高、透光率低、工作頻段不可調的性能缺陷。

發明內容

針對上述現有技術，本發明提供一種頻率可調的寬帶紅外隔離元件，以解決現有光隔離元件成本高、體積大、不易集成以及損耗高、透光率低、工作頻段不可調的技術問題。

為了達到上述目的，本發明所采用的技術方案是：提供一種頻率可調的寬帶紅外隔離元件，隔離元件從下到上依次為硅襯底、金屬光柵、介質膜和石墨烯層，石墨烯層和硅襯底分別與電源的正負極相連接；其中，石墨烯層上開設有“工”字形孔，“工”字形孔與金屬光柵中的金屬條之間的夾角為45°。

在上述技術方案的基礎上，本發明還可以做如下改進。

進一步，硅襯底為N摻雜或P摻雜硅片，摻雜濃度為10¹⁷～10¹⁸cm^-3。

進一步，金屬光柵的金屬條為金、銀、銅、鐵或鋁。

進一步，金屬光柵的周期為440nm，金屬條的寬度為200nm。

進一步，介質膜為對紅外光透明的薄膜。

進一步，介質膜為ZnSe介質膜或CaF₂介質膜。

進一步，ZnSe介質膜的厚度(D)為1.85μm。

本發明的有益效果是：

1.本發明隔離元件中的石墨烯層與金屬光柵協同作用，光從不同方向射入時，光場共振產生旋光效應，使得該元件無需外加磁場就具有光的偏振旋轉性能，對光具有良好的隔離性能；由于不需要外加磁場，因此可去掉磁場發生裝置，使隔離器的體積大幅度縮小，降低制造成本。

2.石墨烯層上的“工”字形孔與金屬光柵中的金屬條之間成45°夾角，該45°角使得正向傳播的x方向光偏振經石墨烯轉動90°后，剛好與金屬條垂直，能順利透過，而反向傳播的x方向光偏振剛好與金屬條平行，被阻擋，起到光隔離的效果。如果是其他角度，則光隔離效果變差。另外，石墨烯材料具有良好的靜電調控性能，對其施加不同的電壓后，可調節隔離元件的工作頻率，實現了隔離元件工作頻率可調的目的。