[发明专利]一种基于二氧化钒相变的等离激元超表面超快偏振选择性光调制器

说明书

一种基于二氧化钒相变的等离激元超表面超快偏振选择性光调制器，属于调制器技术领域。包括上下两层正交光栅，下层为金光栅结构，金光栅上为二氧化钒光栅，金光栅与二氧化钒光栅的栅线互相垂直。对与两栅线方向分别平行的两种线偏振光有着不同的局域场增强，产生的LSPR在不同波段，更有利于提高信噪比。采用光调控的方式引起二氧化钒相变，实现在亚皮秒时间内的超快调控。

技术领域

本发明涉及一种基于二氧化钒相变的等离激元超表面超快偏振选择性光调制器，属于调制器技术领域。

背景技术

光场调控通常是对光场的强度、相位、偏振和频率等参量的调控。偏振是描述光的重要物理量，体现了光作为横波的振荡特性，是电磁波的固有特性之一，在光通信、计算、成像、加密和显示中发挥着重要作用。不同偏振态可以加载不同信息，可以实现偏振复用。控制偏振态的传统方法通常涉及体积庞大的光学元件，如镜子、晶体和棱镜，这对于光学系统的小型化和集成是不可行的。实现超小尺寸、低能耗光子器件的大规模集成以及动态调控，成为了目前国内外微纳光子学领域的研究热点，因此各类不同性能的人工结构被设计出来。近年来，随着微纳加工技术以及方法的进步，构筑具有新颖偏振特性的微型光调制器成为解决复杂片上偏振技术难题的关键突破口。

近期，金属结构中的表面等离激元已被用于光场调控，电磁场在亚波长尺度的纳米结构中的局域得到增强，从而增强光—物质相互作用。等离激元超表面由微纳结构在平面内分布所构成，并且由于金属与电介质之间形成等离激元共振，因此可进一步对电磁波偏振、相位、振幅等特性进行调控。金属纳米结构可通过调节结构的几何参数或入射光角度调制其所具备的共振模式，也可让结构呈现各向异性进而实现偏振特性。表面等离激元光调制器具有工作带宽大、速率快、体积小等优点，越来越多的研究被提出来。

相变材料二氧化钒(VO₂)在经历半导体到金属的相变时光学常数的对比度很大。当温度超过68℃时，VO₂发生绝缘体—金属的一级相变。低温时，VO₂处于绝缘相，具有单斜晶体结构(Monoclinic，M1)；高温时，VO₂处于金属相，具有金红石晶体结构(Rutile，R)。伴随晶格结构变化，VO₂物理特性如电导率、复折射率、介电常数、功函数等都会发生剧变。VO₂相变不仅可以通过温度控制，也可以采用光泵浦的方法获得光速响应，其成熟的生长工艺和稳定的材料性能，使其适用于微加工工艺。当以光学方式触发时，这种转变发生在亚皮秒内，这使得该器件适用于超快脉冲激光器。

光调制器是光子学和光电子学中一种必不可少的核心器件，被广泛应用于光互联、医疗、生物和环境监测等领域，由于对高速、紧凑的光调制器要求越来越高，因此光调制器的设计向着小型且快速调制的方向研究。将相变材料二氧化钒与等离激元超表面相结合，实现超小尺寸的超快调制偏振光，对实现低功耗、集成化的光调制器有指导意义，同时有益于集成光子回路、全光互联的实现。光调制器按照其调制原理可以分为机械调控、热调控、声调控、电调控、光调控等，其中对相变材料VO₂的调控，大多数是利用直接加热进行调控或者施加电流产生电阻热实现热调控，此类调控方式的调控时间通常在毫秒量级，不能达到快速调制要求。

发明内容

本发明设计利用飞秒激光作为控制光照射在样品上产生的表面等离激元产生热电子注入到VO₂，降低VO₂的相变阈值进而降低对光强的要求。设置双层正交光栅对偏振态互相正交的线偏振光产生不同的局域场增强，进而对信号光实现偏振选择性光调控。设计微米尺寸的等离激元超表面实现了对线偏振光的调控，并且调控的响应时间在亚皮秒量级，实现超快调制。

制备微米尺寸的等离激元超表面光调制器，实现超快偏振选择性光调控。

一种基于二氧化钒相变的等离激元超表面超快偏振选择性光调制器，光调制器由单元结构周期性排列组成，其单元结构的俯视图如图1所示，单元结构包括上下两层正交光栅，下层为金光栅结构，金光栅上为二氧化钒光栅，金光栅与二氧化钒光栅的栅线互相垂直。