基于超表面闪耀光栅的光路单向导通元件结构及其应用制造技术

本发明专利技术公开了基于超表面闪耀光栅的光路单向导通元件结构及其应用，所述光路单向导通元件结构包括一衬底、分别位于衬底一侧上部和下部的第一超表面闪耀光栅和第二超表面闪耀光栅、以及位于衬底另一侧中部的第三超表面闪耀光栅；第一超表面闪耀光栅、第二超表面闪耀光栅、第三超表面闪耀光栅均为尺寸相同的电介质纳米砖等间距排列构成的电介质纳米砖阵列，所构成的电介质纳米砖阵列中电介质纳米砖的朝向周期性变化；其中，第三超表面闪耀光栅中电介质纳米砖的朝向与第一超表面闪耀光栅、第二超表面闪耀光栅的相反。本发明专利技术结构简单，仅需三个超表面闪耀光栅即可独立实现光路单向导通，可用于光纤通信、激光光学系统点等中来实现光路的非互易控制。

【技术实现步骤摘要】
基于超表面闪耀光栅的光路单向导通元件结构及其应用
本专利技术属于微纳光学
，尤其涉及一种基于超表面闪耀光栅的光路单向导通元件结构及其应用。
技术介绍
各种光学系统的光路设计中，常常遇到需要正向传输、反向截止的工作情形。比如，光纤通信系统中，需要有单向导通的设计以防止光的回溯；在激光干涉系统中，为充分利用光能和避免干扰，也需要分束后的激光在反转后不沿着原光路返回。目前实现单向导通的方法主要是利用非互易器件，比如法拉第旋转器，再配合各种偏振分束器、波片完成光路的单向导通功能。但是存在价格昂贵、光路复杂、可靠性低、效率低、通用性差等问题，因此亟待新技术的创新和革命。
技术实现思路
针对现有技术中存在的问题，本专利技术提供了一种基于超表面闪耀光栅的光路单向导通元件结构及其应用。本专利技术提供的基于超表面闪耀光栅的光路单向导通元件结构，包括：一衬底、分别位于衬底一侧上部和下部的第一超表面闪耀光栅和第二超表面闪耀光栅、以及位于衬底另一侧中部的第三超表面闪耀光栅；第一超表面闪耀光栅为由若干第一阵列单元排列构成的第一电介质纳米砖阵列；第二超表面闪耀光栅为由若干第二阵列单元排列构成的第二电介质纳米砖阵列；第三超表面闪耀光栅为由若干第三阵列单元排列构成的第三电介质纳米砖阵列；第一阵列单元、第二阵列单元、第三阵列单元均由尺寸相同的N个电介质纳米砖沿衬底长轴方向等间距排列构成，电介质纳米砖为亚波长尺寸；其中，第一阵列单元和第二阵列单元中各电介质纳米砖的朝向角沿衬底长轴方向以m*2π/N为步长递增；第三阵列单元中各电介质纳米砖的朝向角沿衬底长轴方向以m*2π/N为步长递减；m为大于0的整数，m和N的取值要确保步长小于π/2；第一阵列单元、第二阵列单元中第一位电介质纳米砖和第三阵列单元中最后一位电介质纳米砖的朝向角相同；所构成的第一电介质纳米砖阵列、第二电介质纳米砖阵列、第三电介质纳米砖阵列中，电介质纳米砖为等间距排列。进一步的，所述衬底为二氧化硅衬底。进一步的，所述电介质纳米砖为硅纳米砖。本专利技术提供的基于超表面闪耀光栅的光路单向导通元件结构的应用为：所述光路单向导通元件结构用于实现光路的非互易控制。与传统的单向导通方法相比，本专利技术具有如下优点和有益效果：(1)结构简单，不需要其它光学元件，仅需三个超表面闪耀光栅即可独立实现光路单向导通。(2)由于本专利技术结构具有超微尺寸，因此还具有体积小、重量轻、结构紧凑、易于集成等重要优点，可广泛用于光子集成领域。附图说明图1是实施例中基于超表面闪耀光栅的光路单向导通元件结构的示意图；图2和图3是本专利技术结构实现同一入射点处的非互易透反射响应的原理图；图4是超表面闪耀光栅中纳米砖单元的结构示意图；图5是超表面闪耀光栅中电介质纳米砖朝向角示意图；图6是实施例中三个超表面闪耀光栅的电介质纳米砖排列方式，其中，图(a)为第三超表面闪耀光栅的电介质纳米砖排列方式，图(b)为第一超表面闪耀光栅和第二超表面闪耀光栅的电介质纳米砖排列方式；图7是实施例中阵列单元以及超表面闪耀光栅的示意图，其中，图(a)为构成第一超表面闪耀光栅和第二超表面闪耀光栅的阵列单元示意图；图(b)为第一超表面闪耀光栅和第二超表面闪耀光栅示意图。图中，1-第一超表面闪耀光栅，2-第二超表面闪耀光栅，3-衬底，4-第三超表面闪耀光栅，5-电介质纳米砖，6-衬底单元，7-阵列单元。具体实施方式为了更清楚地说明本专利技术和/或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本专利技术的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。需要注意的是，本文中所述电介质纳米砖的间距即电介质纳米砖中心的距离。为便于后文描述，特构建一坐标系，以衬底的宽、长、厚方向分别作为x轴、y轴、z轴方向。下面将结合附图进一步说明本专利技术的具体实施方式。参见图1，所示为基于超表面闪耀光栅的光路单向导通元件结构，包括衬底3、分别位于衬底3一侧上部和下部的第一超表面闪耀光栅1和第二超表面闪耀光栅2、以及位于衬底3另一侧中部的第三超表面闪耀光栅4，第三超表面闪耀光栅4与第一超表面闪耀光栅1、第二超表面闪耀光栅2中间的区域相对。第一超表面闪耀光栅1、第二超表面闪耀光栅2、第三超表面闪耀光栅4均为尺寸相同的电介质纳米砖5等间距排列构成的电介质纳米砖阵列，电介质纳米砖5为亚波长尺寸。所构成的电介质纳米砖阵列中电介质纳米砖的朝向周期性变化。第一超表面闪耀光栅1、第二超表面闪耀光栅2、第三超表面闪耀光栅4对应的电介质纳米砖阵列的结构和尺寸均相同，所述结构和尺寸相同指电介质纳米砖阵列中电介质纳米砖的数量、电介质纳米砖的间距、阵列的行数、以及阵列的列数均相同。其中，第一超表面闪耀光栅1和第二超表面闪耀光栅2为完全相同的电介质纳米砖阵列，包括各电介质纳米砖的朝向均相同。但第三超表面闪耀光栅4中电介质纳米砖的朝向与第一超表面闪耀光栅1、第二超表面闪耀光栅2的相反，以提供大小相同但方向相反的波矢改变量Δk，见图6所示。为便于理解电介质纳米砖阵列中朝向的周期性变化，提出了阵列单元的概念，阵列单元定义为由尺寸相同、朝向不同的若干电介质纳米砖沿y轴方向等间距排列构成。第一超表面闪耀光栅1、第二超表面闪耀光栅2、第三超表面闪耀光栅4均可看出由若干阵列单元沿x轴方向和/或y轴方向排列构成。用来构成第一超表面闪耀光栅1、第二超表面闪耀光栅2的阵列单元，其中各电介质纳米砖的朝向沿y轴方向以m*2π/N为步长递增；而用来构成第三超表面闪耀光栅4的阵列单元，其中各电介质纳米砖的朝向沿y轴方向以m*2π/N为步长递减，其中，m为大于0的整数，m和N的取值要确保步长小于π/2。本实施例中，第一阵列单元、第二阵列单元中第一位电介质纳米砖和第三阵列单元中最后一位电介质纳米砖的朝向角均为0。为便于理解本专利技术技术方案，下面将详细介绍本专利技术结构能实现光路单向导通所基于的技术原理。(1)行波和倏逝波相互转化的原理。当入射光经过物体散射后，一种能够传播到远场的散射光被称为行波，而另一种在近场很快衰减的散射光则被称为倏逝波。由于倏逝波幅值随与分界面相垂直的深度的增大而呈指数形式衰减，并随切向方向改变相位，因此也是表面波。真空中传播的光波表示为对于一个满足Maxwell方程组的电磁波来说，波矢k0应满足：其中，k0为真空中波矢，k0＝2π/λ0；kx是k0在x方向上的波矢分量，ky是k0在y方向上的波矢分量，kz是k0在z方向上的波矢分量；λ0和c分别是光在真空中的波长和光在真空中的传播速度；n为自由空间所在介质的折射率。当时，即此时kz为实数，光波为行波；当时，即此时kz为虚数，光波为倏逝波。可以看出，倏逝波转化为行波的关键在于波矢分量的改变。而超表面带入的相位突变其实就等效于波矢的变化量。光波经过超表面时，传统的折射定律需要做出相应的调整，因为超表面会对经过其的光波引入一个相位突变值Δφ。假设沿着界面的相位变化率dφ/dx为定值，结合费马定理可以推导出广义折射定律，如下：其中，θi为入射角，θt为出射角，ni和nt分别是入射介质和出射介质的折射率，λ0为入射光在真空中的波长。式(1)和式(2)就是传统折射定律应用本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于超表面闪耀光栅的光路单向导通元件结构，其特征是，包括：一衬底、分别位于衬底一侧上部和下部的第一超表面闪耀光栅和第二超表面闪耀光栅、以及位于衬底另一侧中部的第三超表面闪耀光栅；第一超表面闪耀光栅为由若干第一阵列单元排列构成的第一电介质纳米砖阵列；第二超表面闪耀光栅为由若干第二阵列单元排列构成的第二电介质纳米砖阵列；第三超表面闪耀光栅为由若干第三阵列单元排列构成的第三电介质纳米砖阵列；第一阵列单元、第二阵列单元、第三阵列单元均由尺寸相同的N个电介质纳米砖沿衬底长轴方向等间距排列构成，电介质纳米砖为亚波长尺寸；其中，第一阵列单元和第二阵列单元中各电介质纳米砖的朝向角沿衬底长轴方向以m*2π/N为步长递增；第三阵列单元中各电介质纳米砖的朝向角沿衬底长轴方向以m*2π/N为步长递减；m为大于0的整数，m和N的取值要确保步长小于π/2；第一阵列单元、第二阵列单元中第一位电介质纳米砖和第三阵列单元中最后一位电介质纳米砖的朝向角相同；所构成的第一电介质纳米砖阵列、第二电介质纳米砖阵列、第三电介质纳米砖阵列中，电介质纳米砖为等间距排列。

【技术特征摘要】
1.基于超表面闪耀光栅的光路单向导通元件结构，其特征是，包括：一衬底、分别位于衬底一侧上部和下部的第一超表面闪耀光栅和第二超表面闪耀光栅、以及位于衬底另一侧中部的第三超表面闪耀光栅；第一超表面闪耀光栅为由若干第一阵列单元排列构成的第一电介质纳米砖阵列；第二超表面闪耀光栅为由若干第二阵列单元排列构成的第二电介质纳米砖阵列；第三超表面闪耀光栅为由若干第三阵列单元排列构成的第三电介质纳米砖阵列；第一阵列单元、第二阵列单元、第三阵列单元均由尺寸相同的N个电介质纳米砖沿衬底长轴方向等间距排列构成，电介质纳米砖为亚波长尺寸；其中，第一阵列单元和第二阵列单元中各电介质纳米砖的朝向角沿衬底长轴方向以m*2π/N为步长递增；第三阵列单元中各电介...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑国兴，付娆，邓娟，戴琦，邓联贵，陶金，武霖，刘子晨，李子乐，刘勇，毛庆洲，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42