一种基于ITO介电常数近零效应的偏振调控超构表面光器件制造技术

本发明专利技术属于偏振调控超构表面光器件，具体涉及一种基于ITO介电常数近零效应的偏振调控超构表面光器件，包括耦合纳米金光栅、金属‑绝缘体‑金属波导结构和调控电源，所述耦合纳米金光栅与金属‑绝缘体‑金属波导结构连接，所述金属‑绝缘体‑金属波导结构的底部连接有基片，所述金属‑绝缘体‑金属波导结构包括ITO光学活性层、氧化物层和金薄膜基底，所述ITO光学活性层通过氧化物层连接有金薄膜基底，所述调控电源分别连接在ITO光学活性层和金薄膜基底上。本发明专利技术在实现电场主动控制的同时具有较低的功耗，并且能够获得较高的响应频率。本发明专利技术具有可见光到近红外的宽光谱范围。本发明专利技术用于光的偏振调控。

A polarization controlled super structured surface optical device based on the near zero effect of ITO dielectric constant

The invention belongs to polarization controlled super structured surface optical device, in particular to a polarization controlled super structured surface optical device based on ITO dielectric constant near zero effect, which includes a coupling nano gold grating, a metal \u2011 insulator \u2011 metal waveguide structure and a regulating power supply, the coupling nano gold grating is connected with a metal \u2011 insulator \u2011 metal waveguide structure, and the metal \u2011 insulator \u2011 metal waveguide junction The bottom of the structure is connected with a substrate, and the metal insulator metal waveguide structure includes an ITO optical active layer, an oxide layer and a gold film substrate. The ITO optical active layer is connected with a gold film substrate through an oxide layer, and the regulating power supply is respectively connected with the ITO optical active layer and the gold film substrate. The invention has low power consumption and high response frequency while realizing the electric field active control. The invention has a wide spectrum range from visible light to near infrared. The invention is used for polarization regulation of light.

【技术实现步骤摘要】
一种基于ITO介电常数近零效应的偏振调控超构表面光器件
本专利技术属于偏振调控超构表面光器件，具体涉及一种基于ITO介电常数近零效应的偏振调控超构表面光器件。
技术介绍
偏振是光的关键属性之一。激光科学、光谱测量、显微成像和光学传感等领域均需要对光偏振进行调控。近年来，随着集成光学的飞速发展，光偏振调控在光通信、光计算、光信息处理等方面的应用趋于高速、微型和集成化。目前，最常用的光偏振调控技术是采用波片、补偿器、液晶可变相位延迟器和电光调控器等宏观光学器件，并利用各向异性材料的延迟效应实现的。然而，波片、补偿器等属于静态器件，且厚度一般相对较厚，通常超过数十微米(几十个波长)；液晶可变相位延迟器和电光调控器虽然能够实现光偏振的主动调控，但这些宏观光学器件无法实现超紧凑、集成化的光偏振调控应用。超构表面由于结构设计灵活和物理性质超常，在亚波长微尺度表现出优异的电磁调控能力，使其在超紧凑、低功耗、易集成的光偏振调控技术中脱颖而出。为了实现基于超构表面的主动光偏振调控，并满足光偏振调控技术在全光数据计算与处理、光通信等集成光学领域的发展需求。在已有技术1中提出利用氧化钒的热相变效应，形成折射率可调的等效介质，实现了基于氧化钒超构表面的光偏振转化器设计。该类型光偏振调控适用于可见光到近红外的宽光谱范围，响应时间可达数十纳秒，但受限于温度场调节精度和操控的灵活性，该类型主动光偏振调控不利于实际应用。在已有技术2中提出在石墨烯表面设计开口环谐振器，构建了基于石墨烯的金属—绝缘体—金属波导结构超构表面，通过栅压调节石墨烯化学势，实现了电场调控光偏振的石墨烯超构表面光器件设计，但是石墨烯超构表面主要工作在远红外和太赫兹波段，并且石墨烯的超净转移工艺复杂，残胶难以去除，易受污染，长期工作稳定性难以保证。
技术实现思路
针对上述技术问题，提供了一种高效可靠、宽光谱、微尺度、超紧凑、低功耗的基于ITO介电常数近零效应的偏振调控超构表面光器件。为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：一种基于ITO介电常数近零效应的偏振调控超构表面光器件，包括耦合纳米金光栅、金属-绝缘体-金属波导结构和调控电源，所述耦合纳米金光栅与金属-绝缘体-金属波导结构连接，所述金属-绝缘体-金属波导结构的底部连接有基片，所述金属-绝缘体-金属波导结构包括ITO光学活性层、氧化物层和金薄膜基底，所述ITO光学活性层通过氧化物层连接有金薄膜基底，所述调控电源分别连接在ITO光学活性层和金薄膜基底上。所述氧化物层采用Al2O3或SiO2。所述ITO光学活性层、氧化物层和金薄膜基底均采用磁控溅射的方法进行膜层制备，所述ITO光学活性层的厚度为15nm～20nm，氧化物层厚度为80nm～100nm，金薄膜基底厚度为100nm。一种基于ITO介电常数近零效应的偏振调控超构表面光器件的控制方法，待调控光源经耦合纳米金光栅耦合进入金属-绝缘体-金属波导结构，通过调控电源7控制待调控光源在超构表面光器件中ITO光学活性层3的介电常数近零频率，最后精确控制出射偏振光的偏振态。所述调控电源控制ITO光学活性层的介电常数近零频率的方法为：调控电源控制金属-绝缘体-金属波导结构中的电场分布，使得ITO光学活性层和氧化物层互作用界面附近的载流子通过施加正向电场实现堆积，通过施加反向电场实现耗尽，进而实现载流子浓度分布的电场调控，从而实现对ITO光学活性层的介电常数近零频率调控。所述ITO光学活性层的载流子浓度n为1019～1022cm-3，所述ITO光学活性层的介电常数近零频率为100THz～800THz。所述出射偏振光的偏振旋转角为0°～180°，所述出射偏振光的椭圆率χ为-45°～45°。本专利技术与现有技术相比，具有的有益效果是：1、本专利技术克服了氧化钒、石墨烯等光学活性层温度调节慢、制作工艺复杂成本高等不足，其光学活性层ITO能够采用磁控溅射成膜工艺制备，制备工艺成熟，膜厚控制精确，成本低廉。2、本专利技术实现偏振调控的本质在于通过电场调控ITO的介电常数近零频率，进而获得不同电场下的ITO介电常数色散关系。ITO薄膜的厚度一般为数十纳米，因此，控制电压一般为几伏量级便能够在ITO中形成较强的电场，在实现电场主动控制的同时具有较低的功耗，并且能够获得较高的响应频率。3、本专利技术采用ITO作为光学活性层，通过ITO介电常数近零频率的电场调控实现光偏振调控，其中ITO的载流子浓度在1019～1022cm-3范围内可控，ITO介电常数近零频率在100THz～800THz范围内可以实现调节，对应光谱范围为0.38μm～3μm内可以实现偏振调节。因此，本专利技术适用于可见光到近红外的宽光谱范围。附图说明图1为本专利技术的结构示意图；其中：1待调控光源；2为耦合纳米金光栅；3为ITO光学活性层；4为氧化物层；5基片；6为金薄膜基底；7为调控电源；8出射偏振光。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。一种基于ITO介电常数近零效应的偏振调控超构表面光器件，如图1所示，包括耦合纳米金光栅2、金属-绝缘体-金属波导结构和调控电源7，耦合纳米金光栅2与金属-绝缘体-金属波导结构连接，金属-绝缘体-金属波导结构的底部连接有基片5，金属-绝缘体-金属波导结构包括ITO光学活性层3、氧化物层4和金薄膜基底6，ITO光学活性层3通过氧化物层4连接有金薄膜基底6，调控电源7分别连接在ITO光学活性层3和金薄膜基底6上。进一步，优选的，氧化物层4采用Al2O3或SiO2。进一步，优选的，ITO光学活性层3、氧化物层4和金薄膜基底6均采用磁控溅射的方法进行膜层制备，ITO光学活性层3的厚度为15nm～20nm，氧化物层4厚度为80nm～100nm，金薄膜基底6厚度为100nm。由于金属-绝缘体-金属波导结构的膜层厚度在百纳米量级，调控电源7提供几伏量级的电压就能够获得较大的电场分布，可以使偏振调控超构表面光器件具有较低的功耗。一种基于ITO介电常数近零效应的偏振调控超构表面光器件的控制方法，待调控光源1经耦合纳米金光栅2耦合进入金属-绝缘体-金属波导结构，通过调控电源7控制待调控光源1在超构表面光器件中ITO光学活性层3的介电常数近零频率，最后精确控制出射偏振光8的偏振态。进一步，调控电源7控制ITO光学活性层3的介电常数近零频率的方法为：调控电源7控制金属-绝缘体-金属波导结构中的电场分布，使得ITO光学活性层3和氧化物层4互作用界面附近的载流子通过施加正向电场实现堆积，通过施加反向电场实现耗尽，进而实现载流子浓度分布的电场调控，从而实现对ITO光学活性层3的介电常数近零频率调控。进一步，优选的，ITO光学活性层3的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于ITO介电常数近零效应的偏振调控超构表面光器件，其特征在于：包括耦合纳米金光栅(2)、金属-绝缘体-金属波导结构和调控电源(7)，所述耦合纳米金光栅(2)与金属-绝缘体-金属波导结构连接，所述金属-绝缘体-金属波导结构的底部连接有基片(5)，所述金属-绝缘体-金属波导结构包括ITO光学活性层(3)、氧化物层(4)和金薄膜基底(6)，所述ITO光学活性层(3)通过氧化物层(4)连接有金薄膜基底(6)，所述调控电源(7)分别连接在ITO光学活性层(3)和金薄膜基底(6)上。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于ITO介电常数近零效应的偏振调控超构表面光器件，其特征在于：包括耦合纳米金光栅(2)、金属-绝缘体-金属波导结构和调控电源(7)，所述耦合纳米金光栅(2)与金属-绝缘体-金属波导结构连接，所述金属-绝缘体-金属波导结构的底部连接有基片(5)，所述金属-绝缘体-金属波导结构包括ITO光学活性层(3)、氧化物层(4)和金薄膜基底(6)，所述ITO光学活性层(3)通过氧化物层(4)连接有金薄膜基底(6)，所述调控电源(7)分别连接在ITO光学活性层(3)和金薄膜基底(6)上。


2.根据权利要求1所述的一种基于ITO介电常数近零效应的偏振调控超构表面光器件，其特征在于：所述氧化物层(4)采用Al2O3或SiO2。


3.根据权利要求1所述的一种基于ITO介电常数近零效应的偏振调控超构表面光器件，其特征在于：所述ITO光学活性层(3)、氧化物层(4)和金薄膜基底(6)均采用磁控溅射的方法进行膜层制备，所述ITO光学活性层(3)的厚度为15nm～20nm，氧化物层(4)厚度为80nm～100nm，金薄膜基底(6)厚度为100nm。


4.一种基于ITO介电常数近零效应的偏振调控超构表面光器件的控制方法，其特征在于：待调控光源(1)经耦合纳米金光栅...

【专利技术属性】
技术研发人员：李克武，王爽，王志斌，李晓，张敏娟，
申请(专利权)人：中北大学，
类型：发明
国别省市：山西;14