[发明专利]一种频率可调的宽带红外隔离元件

说明书

本发明公开了一种频率可调的宽带红外隔离元件，属于光学元件技术领域。该隔离元件具有分层结构，从下到上依次为硅衬底、金属光栅、介质膜和石墨烯层，石墨烯层和硅衬底分别与电源的正负极相连接；其中，石墨烯层上开设有“工”字形孔，“工”字形孔与所述金属光栅中的金属条之间的夹角为45°。采用本发明中隔离元件，可有效解决现有光隔离元件成本高、体积大、不易集成以及损耗高、透光率低、工作频段不可调的技术问题。

技术领域

本发明属于光学元件技术领域，具体涉及一种频率可调的宽带红外隔离元件。

背景技术

光隔离元件类似于电路中的二极管，只允许光往一个方向通过，而阻挡相反方向传播的光。光隔离器是光信息处理的关键器件，能有效管理光信号的传播方向，避免光路中的回波对光源或者其他光学部件造成的干扰和损害，在光互联和光电集成器件领域具有重要应用。

常规光隔离元件一般利用磁光晶体的法拉第效应(Faraday Effect)，也就是光通过磁场作用下的旋光材料后，光的偏振方向发生转动。当光正向传播时，旋转后的光偏振方向正好与检偏器方向相同，顺利通过，而当光反向传播时，旋转后的光偏振方向与起偏器方向垂直，被阻挡，构成了光单向传播的隔离功能。该基于法拉第效应的技术需要外部磁体或者磁性材料本身提供磁场，具有成本高、体积大和不易集成的缺点。

近年来出现了一类无需磁场、基于人工结构材料(包括光栅和超材料等)光隔离器技术。基于人工结构材料的光隔离器是基于破坏结构对称性的原理，也即是通过在光传播方向上引入结构非对称性获得光在正反两个方向上不同的透过率，从而获得光单向透射和隔离的性能。该技术具有损耗高、透光率低、工作频段不可调的性能缺陷。

发明内容

针对上述现有技术，本发明提供一种频率可调的宽带红外隔离元件，以解决现有光隔离元件成本高、体积大、不易集成以及损耗高、透光率低、工作频段不可调的技术问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：提供一种频率可调的宽带红外隔离元件，隔离元件从下到上依次为硅衬底、金属光栅、介质膜和石墨烯层，石墨烯层和硅衬底分别与电源的正负极相连接；其中，石墨烯层上开设有“工”字形孔，“工”字形孔与金属光栅中的金属条之间的夹角为45°。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，硅衬底为N掺杂或P掺杂硅片，掺杂浓度为10¹⁷～10¹⁸cm^-3。

进一步，金属光栅的金属条为金、银、铜、铁或铝。

进一步，金属光栅的周期为440nm，金属条的宽度为200nm。

进一步，介质膜为对红外光透明的薄膜。

进一步，介质膜为ZnSe介质膜或CaF₂介质膜。

进一步，ZnSe介质膜的厚度(D)为1.85μm。

本发明的有益效果是：

1.本发明隔离元件中的石墨烯层与金属光栅协同作用，光从不同方向射入时，光场共振产生旋光效应，使得该元件无需外加磁场就具有光的偏振旋转性能，对光具有良好的隔离性能；由于不需要外加磁场，因此可去掉磁场发生装置，使隔离器的体积大幅度缩小，降低制造成本。

2.石墨烯层上的“工”字形孔与金属光栅中的金属条之间成45°夹角，该45°角使得正向传播的x方向光偏振经石墨烯转动90°后，刚好与金属条垂直，能顺利透过，而反向传播的x方向光偏振刚好与金属条平行，被阻挡，起到光隔离的效果。如果是其他角度，则光隔离效果变差。另外，石墨烯材料具有良好的静电调控性能，对其施加不同的电压后，可调节隔离元件的工作频率，实现了隔离元件工作频率可调的目的。