太赫兹磁光偏振转换器制造技术

本发明专利技术公开了一种太赫兹磁光偏振转换器。该器件由在YIG铁氧体两侧贴附矩形金属孔阵列和正交矩形金属孔阵列构成，实现在常温、弱偏置磁场下的太赫兹波磁光线偏振态转换和单向传输的功能。利用两矩形金属孔阵列之间形成的F‑P谐振和选模效应，增强了YIG铁氧体原本微弱的法拉第旋转效应，提高了该器件的线偏振态转换率。该器件工作频率在0.1‑1.5THz，最高透过率与偏振转换率＞70％、Q值＞200，偏振消光比＞60dB。该器件的高Q值和梳状频谱输出使得该器件在太赫兹宽带通信中的滤波、波分复用、信号处理等有着应用价值。同时，该器件实现高透过率、线偏振选择、高偏振度线偏振态转换和单向传输的功能，为提高检测信噪比、减小串扰提供保障。

Terahertz magneto-optical polarization converter

The invention discloses a terahertz magneto optic polarization converter. The device consists of a rectangular metal hole array attached to both sides of YIG ferrite and an orthogonal rectangular metal hole array, which can realize the polarization state conversion and one-way transmission of terahertz wave magnetic light under normal temperature and weak bias magnetic field. The weak Faraday rotation effect of YIG ferrite is enhanced by using the F_P resonance and mode selection effect formed between two rectangular metal hole arrays, and the linear polarization state conversion rate of the device is increased. The device operates at a frequency of 0.1 1.5 THz, with a maximum transmittance and polarization conversion ratio > 70%, Q value > 200, and a polarization extinction ratio > 60 dB. The high Q value and comb spectrum output of the device make it valuable for filtering, wavelength division multiplexing and signal processing in terahertz broadband communication. At the same time, the device achieves high transmittance, linear polarization selection, high degree of polarization linear polarization state conversion and one-way transmission functions, to improve the detection signal-to-noise ratio and reduce crosstalk.

【技术实现步骤摘要】
太赫兹磁光偏振转换器
本专利技术属于太赫兹科学
，具体涉及一种高透过率、线偏振态转换、线偏振选择和单向传输器件。
技术介绍
太赫兹波是指频率在0.1-10THz(1THz＝1012THz，对应的波长为3mm～30μm)范围的电磁波，这一波段介于微波与光波之间，是电子学与光子学的交叉领域。由于其在电磁波谱中所处的特殊位置，太赫兹波具有透视性、安全性、高信噪比等许多优越特性，在光谱、成像和通信等领域具有非常重要的学术和应用价值。这些太赫兹应用系统离不开滤波、调制、相移、偏振转换等太赫兹功能元件的支撑。偏振转换器件在旋光光谱测试、偏振成像、偏振光通信等领域有着极为重要的应用。其中，通过磁光材料的法拉第磁致旋光效应可以引起磁光材料中线性偏振光的非互易旋转，如果能够实现大的法拉第旋转角度，就可以广泛用作偏振旋转、单向隔离传输和磁光调制器件。近年来在一些高电子迁移率半导体和石榴石铁氧体中观察到了太赫兹波的法拉第旋转。如Shuvaev等首次在室温下观察到在太赫兹光谱范围内HgTe薄膜中的巨磁化法拉第效应[Phys.Rev.Lett.106(10)，107404(2011)]，当B＝1T时，法拉第旋转的最大值在0.35THz时达到0.25rad。A.Fallahi等提出了一个石墨烯超表面结构来操控在太赫兹波段的巨磁化法拉第旋转[Appl.Phys.Lett.101(23)，231605(2012)]，在7T外磁场下偏振旋转达到0.1rad，工作带宽超过1THz。然而这类电回旋媒质材料都需要很低的工作温度(＜200K)和较高的偏置磁场(＞1T)，对工作环境要求较为苛刻，很难实际应用。而采用石榴石铁氧体等磁回旋媒质材料可以在室温下工作，例如Shalaby等利用SrFe12O19永磁材料在实验上演示了太赫兹法拉第旋光隔离器的单向传输功能，插入损耗5dB[Nat.Commun.，4，1558(2013)]。但这类材料的磁共振一般位于微波波段，即使施加很大的外磁场其在太赫兹波段的法拉第旋光效应也非常微弱，不足以实现90°的正交线偏振波的偏振变换。这就需要特殊的微纳光子结构来增强磁光器件的法拉第旋转，才可能实现有效的太赫兹波磁光偏振变换和单向传输的功能。综上所述，一方面太赫兹应用系统的发展对高性能太赫兹磁光偏振转换器件的研制有着迫切的需求，另一方面国内外对太赫兹磁光偏振转换和单向传输器件的研究仍处于起步阶段，目前此类器件在工作温度、外加磁场、偏振转换率、消光比、插入损耗、工作带宽等方面都无法满足应用系统的实际需求，急需发展弱外加磁场、常温工作的高消光比、低损耗、高效太赫兹磁光偏振转换器件。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种太赫兹波磁光偏振转换器件，其具有在室温和弱磁场条件下实现太赫兹波正交偏振态转换及单向传输的功能，具有高Q值、高偏振转换率、高消光比的梳状频率输出谱，以解决
技术介绍
中的该类器件偏置磁场大、低温工作、偏振转换率和消光比低、损耗大等关键技术问题。本专利技术采取的技术方案是：该器件由YIG铁氧体、矩形金属孔阵列和正交矩形金属孔阵列共三层结构构成，其中矩形金属孔阵列贴附于YIG铁氧体的前表面，其矩形长边沿着Y轴方向；正交矩形孔阵列贴附于YIG铁氧体的后表面，结构与矩形金属孔阵列相同，但其矩形长边沿X轴方向、与矩形金属孔阵列呈正交状态；外加偏置磁场和入射太赫兹波方向均垂直于矩形金属孔阵列平面，即沿着Z轴方向。YIG铁氧体是亚铁磁性旋磁材料，在室温、饱和磁化和弱偏置磁场条件下，该材料具有微弱的法拉第旋光效应。由于前后矩形金属孔阵列间的法布里-珀罗谐振效应(F-P效应)，增强了YIG铁氧体的法拉第旋转效应，提高了该太赫兹磁光偏振转换器的偏振转换率，使其表现出高Q值、高透过率的梳状频率谱，并具有高消光比偏振旋转和单向传输功能。该太赫兹磁光偏振转换器包括：厚度为250-350μm的YIG铁氧体(1)，铁磁谐振线宽＜200Oe，饱和磁化率＞3000Gs；YIG铁氧体(1)前表面的矩形金属孔阵列(2)和后表面的正交矩形孔阵列(3)，均是在厚度为500nm的金膜上刻蚀矩形孔所构成，其孔的宽度为0.5μm，长度为36-44μm；沿着短边方向的周期为1μm，沿着长边方向的周期为50μm。该太赫兹磁光偏振转换器的工作方法是：将该器件放入太赫兹光路中，需施加沿Z轴方向的弱偏置磁场，磁感应强度＞1000Gs，器件对环境温度和湿度无特殊要求，常温下工作即可。0.1-1.5THz范围内的太赫兹波以正入射的角度入射该器件平面，器件具有明显的偏振依赖性。当偏振方向沿着X轴的TE偏振太赫兹波沿着Z轴方向正向入射矩形金属孔阵列(2)时，能透过该偏振转换器，出射光被转换为偏振方向沿着Y轴的TM偏振，可以实现线偏振态转换的功能；其输出的偏振转换谱线表现出高Q值、高透过率的梳状频率谱，透过率＞70％。当以TM偏振波正向入射时，太赫兹波不能透过该器件，可以实现线偏振选择的功能；当以TE偏振波反向入射正交矩形金属孔阵列(3)时，太赫兹波也不能透过该器件，可以实现对于TE偏振波的单向传输功能。本专利技术的有益效果和优点是：1.采用YIG铁氧体材料来提供磁光法拉第偏振旋转，相比于半导体和石墨烯等电回旋磁光材料，旋磁铁氧体的磁光效应对温度没有明显的依赖性，使得器件可以在常温下工作。同时，在磁材料矫顽力较强的情况下仅需在磁化后依靠剩磁工作，对偏置磁场依赖性较小，饱和磁化强度也在合理范围。2.采用正交的矩形金属孔阵列的结构，一方面起到偏振选择的作用，仅有准TE偏振模可以入射金属孔阵列，又仅有准TM偏振模可以输出金属孔阵列，使得器件相比于其他光学薄膜和金属光栅具有了更强的偏振选择特性和模式选择特性。这样的设计使得器件的输出偏振态是完美的正交线偏振波，偏振消光比和转换率超过60dB。3.两层矩形金属孔阵列之间形成法布里-珀罗(F-P)谐振腔。在F-P共振频率处的电磁波可以在两个矩形金属孔阵列之间不断地反射与透射，并且在经过多次往复后，增强了YIG铁氧体的法拉第旋转效应，从而提高了该太赫兹磁光偏振转换器的透过率和线偏振态转换率，并得到宽带、高Q的梳状频谱。4.该器件除磁光偏振转换的功能外，还具有良好的偏振选择功能和单向传输功能，使得器件在太赫兹通信系统、安检成像系统、偏振光谱系统等众多应用系统中具有广泛的应用潜力。器件的材料和结构制备简单，工作环境要求低，相比于现有的太赫兹磁光偏振转换器件具有明显优势。附图说明图1是太赫兹磁光偏振转换器的三维结构示意图；图2是金属光栅的部分正视图；图3是该器件的工作原理示意图；图4(a)是正向入射的TE偏振波和TM偏振波对该器件的透射谱线；图4(b)是正向入射的TE偏振波对该器件的偏振转换度谱线；图5是不同饱和磁化强度下的正向入射TE偏振波的透射谱线；图6是饱和磁化强度为3000Gs时，不同矩形金属孔长度时正向入射TE偏振波的透射谱线；图7(a)是在不同的YIG铁氧体厚度(50-200μm)下，正向入射的TE偏振波的透射谱线；图7(b)是在不同的YIG铁氧体厚度(250-350μm)下，正向入射的TE偏振波的透射谱线；其中，YIG铁氧体(1)、矩形金属孔阵列(2)、正交矩形金属孔阵列(3)、外加偏置磁场(4)、TE偏振波(5)、TM偏振波(本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种太赫兹磁光偏振转换器，其特征在于包括YIG铁氧体(1)、矩形金属孔阵列(2)、正交矩形孔阵列(3)和外加偏置磁场(4)，其中矩形金属孔阵列(2)贴附于YIG铁氧体(1)的前表面，其矩形长边沿着Y轴方向；正交矩形孔阵列(3)贴附于YIG铁氧体(1)的后表面，结构与矩形金属孔阵列(2)相同，但其矩形长边沿X轴方向、与矩形金属孔阵列(2)呈正交状态；偏置磁场方向垂直于矩形金属孔阵列平面，沿着Z轴方向。

【技术特征摘要】
1.一种太赫兹磁光偏振转换器，其特征在于包括YIG铁氧体(1)、矩形金属孔阵列(2)、正交矩形孔阵列(3)和外加偏置磁场(4)，其中矩形金属孔阵列(2)贴附于YIG铁氧体(1)的前表面，其矩形长边沿着Y轴方向；正交矩形孔阵列(3)贴附于YIG铁氧体(1)的后表面，结构与矩形金属孔阵列(2)相同，但其矩形长边沿X轴方向、与矩形金属孔阵列(2)呈正交状态；偏置磁场方向垂直于矩形金属孔阵列平面，沿着Z轴方向。2.根据权利要求1所述的太赫兹磁光偏振转换器，其特征是：YIG铁氧体(1)是亚铁磁性旋磁材料，铁磁谐振线宽＜200Oe，饱和磁化率＞3000Gs，其厚度为300μm。3.根据权利要求1所述的太赫兹磁光偏振转换器，其特征是：矩形金属孔阵列(2)和正交矩形孔阵列(3)是在厚度为500nm的金膜上刻蚀矩形孔所构成；孔的宽度为0.5μm，长度为47μm；沿着短边方向的周期为1μm，沿着长边方向的周期为50μm。4.根据权利要求1所述的太赫兹磁光偏振转换器，其特征是：偏置磁场(4)...

【专利技术属性】
技术研发人员：范飞，熊传中，常胜江，
申请(专利权)人：南开大学，
类型：发明
国别省市：天津,12