基于GST相变材料的双功能光学单元及器件制造技术

本申请涉及一种基于GST相变材料的双功能光学单元及器件。该基于GST相变材料的双功能光学单元，包括依次层叠设置的金属基底层、中间介质层和功能材料层；功能材料层包括GST相变材料部和金属材料部，GST相变材料部和金属材料部均位于中间介质层的远离金属基底层的表面上，GST相变材料部和金属材料部相接触；GST相变材料部的材料包括Ge2Sb2Te5，GST相变材料部的垂直于厚度方向的横截面为手性结构。该基于GST相变材料的双功能光学单元具有光开关和圆偏振检测双功能，且具有较高的光开关效率及较高的圆偏振检测的效率较高。及较高的圆偏振检测的效率较高。及较高的圆偏振检测的效率较高。

【技术实现步骤摘要】
基于GST相变材料的双功能光学单元及器件


[0001]本申请涉及相变材料
，特别是涉及一种基于GST相变材料的双功能光学单元及器件。

技术介绍

[0002]超表面是在亚波长尺度上人工设计的二维阵列，为实现轻质、紧凑、功能新颖的光子器件提供了重要的技术手段，可对电磁波相位、幅值、极化方式进行有效的调控。近年来，基于超表面提出了许多微型光学器件，如光开关、吸波器、偏振转换器、圆偏振检测器等。光开关是高速光网络以及集成光学系统重要的组成部分，在光通信领域具有广泛的应用。相较于传统电子开关而言，光开关具有响应速度快、低能耗、高效以及尺寸小等优点。圆偏振光可以携带大量的矢量信息，基于圆偏振光的该特性，圆偏振检测器件在3D显示、自旋信息通信、生物探针及检测等领域具有广泛的应用。
[0003]近年来，石墨烯、VO2和Ge2Sb2Te5(GST)等可调材料被广泛用于光开光以及圆偏振检测器中。石墨烯的载流子密度可调特性只在中红外和太赫兹波段比较明显，VO2的相变是不可逆的。相比之下，GST具有可以通过热、光、电的激发来实现晶态和非晶态间可逆的转换，且相变后GST的两种状态都比较稳定的优点。然而，传统的基于GST设计的光学微结构器件仍存在功能单一的问题。

技术实现思路

[0004]基于此，有必要提供一种基于GST相变材料的双功能光学单元及器件。该基于GST相变材料的双功能光学单元可以实现光开关及圆偏振检测的双功能，能够解决传统的基于GST设计的光学微结构器件存在的功能单一的问题。
[0005]第一方面，本申请提供一种基于GST相变材料的双功能光学单元，包括依次层叠设置的金属基底层、中间介质层和功能材料层；
[0006]所述功能材料层包括GST相变材料部和金属材料部，所述GST相变材料部和所述金属材料部均位于所述中间介质层的远离所述金属基底层的表面上，所述GST相变材料部和所述金属材料部相接触；
[0007]所述GST相变材料部的材料包括Ge2Sb2Te5，所述GST相变材料部的垂直于厚度方向的横截面为手性结构。
[0008]在一些实施例中，所述功能材料层为长方体形；所述功能材料层的宽度为160nm～180nm。
[0009]在一些实施例中，所述金属基底层和所述中间介质层的宽度相同，均为350nm～390nm。
[0010]在其中一个实施例中，所述金属材料部具有间隙，所述GST相变材料部嵌入所述间隙中。
[0011]在其中一个实施例中，所述GST相变材料部包括第一GST相变材料部和第二GST相
变材料部，所述第一GST相变材料部和所述第二GST相变材料部在沿所述功能材料层的长度方向上部分贴合设置，所述第一GST相变材料部和所述第二GST相变材料部的垂直于各自厚度方向的横截面均为正方形。
[0012]在其中一个实施例中，所述正方形的边长为120nm～140nm。
[0013]在一些实施例中，所述金属基底层的厚度为140nm～180nm。
[0014]在一些实施例中，所述中间介质层的厚度为140nm～160nm。
[0015]在一些实施例中，所述功能材料层的厚度为110nm～130nm。
[0016]在一些实施例中，所述金属基底层、所述中间介质层和所述功能材料层的长度相同，均为510nm～570nm。
[0017]在一些实施例中，所述中间介质层的材料包括二氧化硅和氮化硅中的至少一种。
[0018]在一些实施例中，所述中间介质层的折射率为1.3～1.6。
[0019]在一些实施例中，所述金属材料部的材料包括Au、Ag、Pt、Ru、Rn、Pd、Os和Ir中的至少一种。
[0020]在一些实施例中，所述金属基底层的材料包括Au、Ag、Pt、Ru、Rn、Pd、Os和Ir中的至少一种。
[0021]第二方面，本申请提供一种基于GST相变材料的双功能光学器件，包括多个上述任一所述的基于GST相变材料的双功能光学单元。
[0022]在其中一个实施例中，多个所述基于GST相变材料的双功能光学单元于同一平面上周期性排布，每相邻两个所述基于GST相变材料的双功能光学单元的金属基底层的长度方向上的表面相重合或者宽度方向上的表面相重合。
[0023]上述基于GST相变材料的双功能光学单元具有光开关和圆偏振检测双功能。基于GST相变材料的双功能光学单元包括金属基底层、中间介质层和功能材料层；功能材料层包括手形结构的GST相变材料部和金属材料部；GST相变材料部的材料包括Ge2Sb2Te5。通过温度控制能够实现GST相变材料在晶态和非晶态之间的可逆转变，利用GST相变材料处于晶态与非晶态时光学性质的差异，该结构的光学单元在右旋圆偏振光激发时，在GST相变材料相变前后能够产生不同共振程度的类电偶极子与类磁偶极子共振，进而导致光学单元在GST相变材料处于非晶态与晶态时的吸收差异较大，以形成一个高效率的光开关。同时，手性结构的GST相变材料部破坏了光学单元的对称性，从而产生较强的圆二色性。该金属基底层
‑
中间介质层
‑
功能材料层结构的光学单元在左旋和右旋圆偏振光的激发下能够产生不同共振程度的类电偶极子与类磁偶极子共振，被激发的类电偶极子和类磁偶极子共振强度较大的圆偏振光吸收率较大，被激发的类电偶极子和类磁偶极子共振强度较小的圆偏振光吸收率较小，从而左旋和右旋圆偏振光的吸收率和反射率也会不同，因此能直接通过反射光的强度判断入射光的偏振态，进而实现了高效率区分入射左旋和右旋圆偏振光的圆偏振检测。
附图说明
[0024]图1为本申请一实施例提供的基于GST相变材料的双功能光学单元的结构示意图；其中图1(a)为基于GST相变材料的双功能光学单元的主视图，图1(b)为基于GST相变材料的双功能光学单元的俯视图；
[0025]图2为本申请实施例1提供的基于GST相变材料的双功能光学单元在右旋圆偏振光照射下，GST材料分别处于晶态和非晶态时功能层的吸收光谱；
[0026]图3为本申请实施例1提供的基于GST相变材料的双功能光学单元中的GST材料处于晶态和非晶态时的偏振选择光谱图；其中图3(a)为GST材料处于非晶态时的两种圆偏振光的反射系数光谱仿真结果图，图3(b)为GST材料处于非晶态时的两种圆偏振光偏振吸收光谱仿真结果图，图3(c)为GST材料处于晶态时的两种圆偏振光偏振吸收光谱仿真结果图，图3(d)为GST材料处于晶态和非晶态时的圆二色性光谱仿真结果图；
[0027]图4为本申请实施例1提供的基于GST相变材料的双功能光学单元的右旋圆偏振光的电场分布图。
[0028]附图标记说明
[0029]1、功能材料层；2、中间介质层；3、金属基底层；4、GST相变材料部；41、第一GST相变材料部；42、第二GST相变材料部；5、金属材料部。
具体实施方式
[0030]为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于GST相变材料的双功能光学单元，其特征在于，包括依次层叠设置的金属基底层、中间介质层和功能材料层；所述功能材料层包括GST相变材料部和金属材料部，所述GST相变材料部和所述金属材料部均位于所述中间介质层的远离所述金属基底层的表面上，所述GST相变材料部和所述金属材料部相接触；所述GST相变材料部的材料包括Ge2Sb2Te5，所述GST相变材料部的垂直于厚度方向的横截面为手性结构。2.根据权利要求1所述的基于GST相变材料的双功能光学单元，其特征在于，所述功能材料层为长方体形；所述功能材料层的宽度为160nm～180nm；和/或，所述金属基底层和所述中间介质层的宽度相同，均为350nm～390nm。3.根据权利要求2所述的基于GST相变材料的双功能光学单元，其特征在于，所述金属材料部具有间隙，所述GST相变材料部嵌入所述间隙中。4.根据权利要求3所述的基于GST相变材料的双功能光学单元，其特征在于，所述GST相变材料部包括第一GST相变材料部和第二GST相变材料部，所述第一GST相变材料部和所述第二GST相变材料部在沿所述功能材料层的长度方向上部分贴合设置，所述第一GST相变材料部和所述第二GST相变材料部的垂直于各自厚度方向的横截面均为正方形。5.根据权利要求4所述的基于GST相变材料的双功能光学单元，其特征在于，所述正方形的边长为120n...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜欢，彭康准，王靖裕，赵韦人，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：