一种基于相变材料可调控传输特性的平板结构制造技术

本发明专利技术公开了一种基于相变材料可调控传输特性的平板结构，属于光电材料和电磁波传输调控技术领域。本发明专利技术解决了现有用于调控传输特性的结构复杂，调控频带窄等问题。本发明专利技术提供的平板结构由GST/SiO2/GST的三明治结构组成，该平板结构通过控制GST的状态实现宽带范围内透射光谱的调控，当GST在晶态和非晶态之间转换时，5.786

【技术实现步骤摘要】
一种基于相变材料可调控传输特性的平板结构


[0001]本专利技术涉及一种基于相变材料可调控传输特性的平板结构，属于光电材料和电磁波传输调控


技术介绍

[0002]近年来，红外波段的传输特性被广泛的关注和研究，其在成像系统、生物传感器、滤波器以及光学开光等方面拥有十分广阔的应用前景。
[0003]在实际中，可动态调控传输特性的结构具有更加广泛的应用。近年来，在可调传输特性结构的设计中，大多数情况是通过改变结构的尺寸，比如厚度或者谐振单元的周期等来调控透射光谱。在这种情况下结构一旦被加工出来就很难直接改变其透射光谱特性。
[0004]相变材料是一种极具潜力的光波操纵材料，可以采用控制温度的方式使其发生相变进而改变其光学特性。相变材料在可调控光学器件的设计中被广泛应用。Ge2Sb2Te5(GST)是一种典型的相变材料，可以在几十纳秒的时间范围内实现晶态(cGST)和非晶态(aGST)之间转换。若精确控制给予的能量和持续时间，处于晶态和非晶态之间任何结晶状态均可保持稳定。由于GST具有各状态之间转换速度快、热稳定性好以及复折射率有显著差别的特点，使其在可谐调光学器件(如吸收器、可变焦透镜、极化转化器)的设计中大放光彩。目前，利用相变材料调控传输的光学器件相继被提出，但存在的问题是结构复杂不易于加工，且调控传输特性大部分集中在窄带，只能实现在单一波长下的有效调控。因此，提供一种结构简单且在宽带范围内有效调控传输特性的结构是十分必要的。

技术实现思路

[0005]本专利技术为了解决现有用于调控传输特性的结构复杂，调控频带窄等问题，提供一种基于相变材料可调控传输特性的平板结构。
[0006]一种基于相变材料可调控传输特性的平板结构，该平板结构由三层平板堆叠形成，由上至下依次为顶层、中间层和底层，所述的顶层和底层为尺寸相同的相变材料GST，中间层为SiO2材料。
[0007]进一步地，顶层和底层的相变材料GST的厚度为0.65μm-0.8μm。
[0008]进一步地，顶层和底层的相变材料GST的厚度为0.764μm。
[0009]进一步地，顶层和底层的相变材料GST的折射率随波长变化，其折射率如图2所示。
[0010]进一步地，中间层与顶层的厚度不同。
[0011]更进一步地，中间层的厚度为0.8μm-1.2μm。
[0012]更进一步地，中间层的厚度为1μm。
[0013]进一步地，中间层的折射率为1.45。
[0014]进一步地，顶层、中间层和底层为无间隙堆叠。
[0015]本专利技术具有以下有益效果：本专利技术提供的可调控传输特性的平板结构实现了宽带透射光谱的调控，在大角度入射时仍能保持良好的性能，对入射角度有良好的容忍性，并且
所提出的三层平板结构弥补了现有技术中所设计结构复杂的缺陷。通过控制GST的状态实现宽带范围内透射光谱的调控，当GST在晶态和非晶态之间转换时，5.786-7.164μm的波长范围内透射率差值的平均值可达0.917，并且当入射角度在60
°
以内时仍能保持良好的性能。
附图说明
[0016]图1为基于相变材料可调控传输特性的平板结构示意图；
[0017]图2为顶层和底层相变材料GST的折射率；
[0018]图3为TM波正入射时实施例1的平板结构的透射光谱图；
[0019]图4是GST为非晶态aGST，入射波长为6μm时实施例1的平板结构的x-z平面的磁场图；
[0020]图5是GST为晶态cGST，入射波长为6μm时实施例1的平板结构的x-z平面的磁场图；
[0021]图6是GST为非晶态aGST，TM波以不同入射角度入射时实施例1的平板结构的透射光谱图；
[0022]图7是GST为晶态cGST，TM波以不同入射角度入射时实施例1的平板结构的透射光谱图；
[0023]图中，1-顶层，2-中间层，3-底层。
具体实施方式
[0024]下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明均为常规方法。所用材料、试剂、方法和仪器，未经特殊说明，均为本领域常规材料、试剂、方法和仪器，本领域技术人员均可通过商业渠道获得。
[0025]实施例1：
[0026]如图1所示，本实施例中基于相变材料可调控传输特性的平板结构由三层平板堆叠构成，顶层1为相变材料GST，厚度t1为0.764μm；中间层2为二氧化硅，折射率为1.45，厚度t2为1μm；底层3为相变材料GST，厚度t3为0.764μm。顶层1和底层3的相变材料GST的折射率如图2所示。由图2可知，aGST和cGST折射率的实部在红外波段存在很大的差异，并且这种差异在5-8微米保持稳定。由于aGST折射率的虚部为0，因此没有吸收。
[0027]通过软件仿真对上述基于相变材料可调控传输特性的平板结构的性能进行表征：
[0028]采用时域有限差分法(FDTD)进行数值模拟，在仿真时x和y方向采用周期边界条件，z方向采用完全匹配层(PML)，使用波长范围是5-8μm的平面波沿z轴入射，在正入射情况下，设置光源的模式为bloch/periodic，在结构以下仿真区域以上放置监视器，用来监测透射率。
[0029]根据以上设置进行仿真，得到了在aGST和cGST两种状态下的透射光谱图，如图3所示。由图3可知，在aGST状态下可以看到两个明显的透射峰，分别在波长6μm和6.866μm，透射率高达0.99，连续高透射率(T>80％)的波长范围是1.378μm。而在cGST状态下，整个仿真波段5-8μm的透射率平均值为0.016。为了定量描述对传输特性的调控情况，我们定义两种状态下传输差值为ΔT＝|T
cGST-T
aGST
|。当波长为6μm和6.866μm时，在GST的两种状态下透射率的差值可达0.99。并且在5.786-7.164μm的波长范围内透射率差值的平均值可达0.917。由
此可知，实施例1提供的平板结构能够在宽带范围内实现对传输特性的调控。
[0030]计算当波长为6μm时x-y平面的磁场分布，结果如图4所示。由图4可知，对于aGST来说，磁场在顶层和底层增强，这是由于在顶层和底层的aGST处产生了FP共振，然而对于cGST来说，光被局域在顶层cGST平板，因此透射几乎为0。
[0031]TM波在不同入射角(0
°
、20
°
、40
°
和60
°
)下的透射光谱，如图5所示。由图可知，对aGST来说，随着入射角度的增大高透射率的波段发生蓝移，但透射率并没有降低。对cGST来说，随着入射角度的增大，5-7μm波段的透射率曲线几乎和正入射时重合，虽然在长波长处透射率有略微的增大，但是当入射角小于60
°
时透射率仍小于0.2。由此可知，本专利技术所提出的平板结构在大角度入射的情况下仍能保持良好的性能。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于相变材料可调控传输特性的平板结构，其特征在于，该平板结构由三层平板堆叠形成，由上至下依次为顶层、中间层和底层，所述的顶层和底层为尺寸相同的相变材料GST，中间层为SiO2材料。2.根据权利要求1所述的基于相变材料可调控传输特性的平板结构，其特征在于，所述的顶层和底层的相变材料GST的厚度为0.65μm-0.8μm。3.根据权利要求1或2所述的基于相变材料可调控传输特性的平板结构，其特征在于，所述的顶层和底层的相变材料GST的厚度为0.764μm。4.根据权利要求1所述的基于相变材料可调控传输特...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴小虎，刘睿一，崔峥，
申请(专利权)人：山东高等技术研究院，
类型：发明
国别省市：