[发明专利]基于谐振腔增强波导传输的高效波片

说明书

一种基于谐振腔增强波导传输的高效波片，包括：介质衬底；一维周期性金属‑介质‑金属波导层，设置于介质衬底上；介质包覆层，设置于一维周期性金属‑介质‑金属波导层上；其中，一维周期性金属‑介质‑金属波导层由一维周期性排布的金属和介质矩形条带构成；相邻金属矩形条带与位于相邻金属矩形条带中的介质矩形条带构成金属‑介质‑金属波导，在工作波段同时支持TE模式与TM模式传输；介质衬底与介质包覆层以及波导层共同构成法布里珀罗谐振腔。本发明的基于谐振腔增强波导传输的高效波片，具有转换效率高、工作波段宽的特点。

技术领域

本发明涉及光学器件领域，尤其涉及一种基于谐振腔增强波导传输的高效波片。

背景技术

先进的光学技术已经渗透到了从日常生活、工业生产到前沿科学研究的方方面面。作为光的一项基本性质，偏振态所携带的信息在信号传输与传感测量方面都有着重要的价值。随着人们对光学偏振态所携带信息的不断开发利用，对光学偏振态的调控需求也变得越来越重要。波片是最常见的偏振调控器件，可以对光的偏振态进行各种灵活的调控。传统的波片大多由具有双折射特性的光学晶体制备而来，其利用双折射晶体对不同偏振方向光分量折射率不同的特性在相互正交的透射光之间产生需要的相位差，从而实现对偏振态的调控。由于自然晶体的光学活性较弱，传统波片相对较厚，而且分立的偏振调控器件不便于光学系统的集成化。

新兴的超材料波片以其亚波长量级的有效器件厚度、可灵活设计的工作波段与工作带宽而引起了人们的广泛关注。其中，基于介质超材料的波片可实现超宽的工作带宽与接近于100％的工作效率。但是绝大多数介质超材料波片都是以硅为工作介质，因受限于硅的禁带宽度，该类波片在300太赫兹以上的波段无法保持高效率工作。部分利用宽禁带介质材料如氧化钛的器件虽然能够适应更宽波段，但是其结构高宽比太大，制备难度极大，成本极高，难以普及。基于金属超材料的波片可以通过材料的结构设计来灵活地调节器件的工作波段，但是该类波片利用金属材料的表面等离激元共振，因而损耗会比较高。同时，利用厚度小于波长的单层金属纳米结构的波片无法有效地控制反射损耗，因而光波段的基于谐振腔增强波导传输的高效波片的效率普遍较低。而利用多层金属超材料之间的耦合来同时产生电共振与磁共振以形成惠更斯超表面可以提高基于谐振腔增强波导传输的高效波片的效率，但是目前金属超材料惠更斯超表面的效率仍然在50％以下，且其结构复杂、难于制备。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于谐振腔增强波导传输的高效波片，以期至少部分地解决上述提及的技术问题中的至少之一。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种基于谐振腔增强波导传输的高效波片，包括：

介质衬底；

一维周期性金属-介质-金属波导层，设置于所述介质衬底上；

介质包覆层，设置于所述一维周期性金属-介质-金属波导层上；

其中：

所述一维周期性金属-介质-金属波导层由位于介质衬底层之上呈一维周期性交替排列的金属矩形条带与介质矩形条带构成；

相邻金属矩形条带与位于相邻金属矩形条带之间的介质矩形条带构成了金属-介质-金属波导，该波导在工作波段同时支持TE模式与TM模式的光传输；

所述介质衬底与介质包覆层以及波导层共同形成法布里珀罗谐振腔。

利用所述金属-介质-金属波导对入射光的TE模式与TM模式的模式折射率不同，从波导层一端入射的TE与TM光分量在从波导层另一端出射后会产生附加相位延时差，从而实现波片的功能。

优选地，入射光被散射耦合到金属-介质-金属波导中沿波导厚度方向以波导模式传输。

优选地，所述金属矩形条带和介质矩形条带的宽度和厚度都为亚波长量级。