[发明专利]一种基于相变材料的可调谐非对称传输光器件

说明书

技术领域

本发明属于传感、光开关和光波段二极管等领域，具体涉及一种基于相变材料的可调谐非对称传输光器件。 

背景技术

人工电磁材料(Metamaterials)是人工设计具有亚波长结构并呈现天然材料不具备的超常性质的材料，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，被美国《科学》杂志评为2003年度十大科技成就之一，超材料引发了光子晶体之后又一个人工新型媒质的研究热潮。 

手性是对物体对称性的一种纯粹几何性描述，是指物体结构自身缺乏几何对称性，典型手性介质有石英、葡萄糖等。为了描述2维平面结构的光学性质,引入了2维手性的概念:如果一个平面物体不能通过平面内的旋转和移位与它的镜像重合，即它在结构的平面内没有线对称性，则该物体为手性结构，具有螺旋性质。手性超材料的出现极大地丰富了电磁领域的研究内容，例如手性(Chirality)与人工电磁超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。 

非对称传输现象为光波段偏振光传输的方向调控提供了新的途径，对实现光波段隔离器、光波段二极管、偏振转换器件等超材料功能器件具有重大意义。而具有频率可调谐性的非对称传输器件更是引起了人们的广泛关注。Shadrivov和Chen等人分别提出在开口谐振环中外加变容二极管来调节其频率特性。Degiron等人通过在开口谐振环中引入电导率可调的半导体来实现可调左手材料。Zhao等人将开口谐振环浸在液晶之中，通过外加电场调节液晶的介电常数来实现结构的频率可调谐性。因此，我们相信通过上述方法也可实现非对称传输器件的频率可调谐性。 

但是，上述方法需要引入外加可调器件，这会增加非对称传输器件的复杂性。而液晶又具有流动性和腐蚀性，在实际应用方面有很大的难度。 

如果可以直接调节非对称传输器件的介电常数，将能有效地简化实现可调谐非对称传输器件的难度。因此，本发明提供一种基于相变材料的可调谐非对称传输光器件。通过将相变材料GST作为介质层，利用相变材料随外加电场或温度改变而变化的特性，实现非对称传输器件的可调谐性。 

若双I型的单元结构之间是连续的，要对基本单元进行调整将会变得十分困难，因此本发明将相邻单元结构的金属层断开，从而使单个单元结构进行调整变得十分方便。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单、操作容易、调整方便、工作频率调谐范围大，能真正实现红外光波段基于相变材料的基于相变材料的可调谐非对称传输光器件。 

本发明的目的是这样实现的： 

基于相变材料的可调谐非对称传输光器件，包括双层金属结构和间隔层，所述的双层金属结构位于相变材料两侧的表面，双层金属结构层由周期性排列的基本单元构成，每层金属结构膜层厚度为20-60nm；所述金属结构层的基本单元为双I型结构，一端连接在一起，相邻单元结构间是不连续的。金属结构采用金或银，相变材料采用Ge₂Sb₂Te₅，两层金属结构相对旋转角为90度，金属结构层的基本单元之间的旋转角为90度。 

本发明的有益效果在于：本发明提供了一种基于相变材料的可调谐非对称传输光器件，通过在所设计的双层手性结构中引用相变材料来实现非对称传输的可调谐性。该可调谐性非对称传输器件具有结构简单、操作容易、工作频率调谐范围大等优点，红外光波段线偏振光转换的谐振频率变化现象很明显，有效地实现了红外光波段针对双正交偏振态的双波段单向传输的可调谐性。本发明所提出的非对称传输光器件具有很强的可调谐性。该器件将可实现光波隔离器或光波二极管，对红外光波人工电磁材料功能器件的发展意义重大。 

附图说明

图1是可调谐非对称传输光器件S的立体结构示意图。 

图2是可调谐非对称传输光器件S及其基本结构参数。 

图3(a)是可调谐非对称传输光器件S的X方向偏振的线偏振光示意图。 

图3(b)是可调谐非对称传输光器件S的沿Z轴正向垂直入射的线偏振光示意图。 

图4是可调谐非对称传输光器件S在相变材料GST处于不同状态即不同介电常数时，以X方向偏振的线偏振光为入射光的透射幅值曲线。 

图5是可调谐非对称传输光器件S在X方向偏振的线偏振光负向入射时的透射幅值x曲线。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更加详细的描述。