一种太赫兹偏振转换单元及太赫兹偏振转换器的制作方法
1.本发明涉及太赫兹技术领域，具体而言，涉及一种太赫兹偏振转换单元及太赫兹偏振转换器。
背景技术：
2.太赫兹波是一种具有极大的研究和开发价值的新频段。太赫兹波广义上指频率为100ghz-10thz的电磁辐射，其频段很宽；因此，如何对超宽带的太赫兹波进行更好的调制处理(例如，如何极大程度覆盖并处理更宽频带的太赫兹波)，是目前较为重要的研究方向。
3.现有的太赫兹偏振转换器可以利用金属条带结构与金属薄膜形成谐振腔，以实现将线偏振光转换为圆偏振光的功能。但当太赫兹波正入射时，该太赫兹偏振转换器相比于太赫兹光谱测试常用的0.2thz-2thz的带宽，其所能调制的带宽在0.73thz-1.39thz，该太赫兹偏振转换器对于太赫兹波的带宽覆盖范围偏小。
技术实现要素：
4.为解决上述问题，本发明实施例的目的在于提供一种太赫兹偏振转换单元及太赫兹偏振转换器。
5.第一方面，本发明实施例提供了一种太赫兹偏振转换单元，包括：依次层叠排列的金属膜底层、第一介质层、相变材料层、第二介质层以及谐振条带层；所述第一介质层和所述第二介质层在工作波段透明；所述谐振条带层包括位于同一平面且相互平行或相互垂直设置的相变材料条带和组合材料条带；所述组合材料条带包括：金属条带和连接在所述金属条带端部的相变材料端点；所述金属条带的长度大于所述相变材料条带的长度，所述组合材料条带在所述第二介质层上的正投影贯穿所述第二介质层；所述相变材料层、所述相变材料条带与所述相变材料端点在不同温度下呈现导体态或者半导体态。
6.可选地，相变材料条带的个数为多个。
7.可选地，组合材料条带与所述第二介质层的对角线重合设置。
8.可选地，相变材料条带的个数为非零偶数个，所述组合材料条带的两侧对称设置有所述相变材料条带。
9.可选地，相变材料层的材料包括：二氧化钒或者锗锑碲；所述相变材料条带的材料包括：二氧化钒或者锗锑碲；所述相变材料端点的材料包括：二氧化钒或者锗锑碲。
10.可选地，金属膜底层的材料包括：金、银、铜、铝、铂或铬；所述金属条带的材料包括：金、银、铜、铝、铂或铬。
11.可选地，金属膜底层的厚度大于或等于0.1μm。
12.可选地，相变材料层的厚度为0.1μm～5μm；所述谐振条带层的厚度为0.1μm～5μm。
13.可选地，第一介质层的厚度为25μm～45μm；所述第二介质层的厚度为20μm～30μm。
14.可选地，金属条带的长度为230μm～270μm；所述金属条带的宽度为2μm～30μm。
15.可选地，相变材料条带的长度为100μm～140μm；所述相变材料条带的宽度为5μm～
相变材料条带、52-组合材料条带、521-金属条带、522-相变材料端点、100-太赫兹偏振转换单元。
具体实施方式
36.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
37.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
38.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
39.本发明实施例提供了一种太赫兹偏振转换单元，参见图1所示，该太赫兹偏振转换单元包括：依次层叠排列的金属膜底层1、第一介质层2、相变材料层3、第二介质层4以及谐振条带层5；第一介质层2和第二介质层4在工作波段透明；图1示出了该太赫兹偏振转换单元的立体图。
40.如图1所示，谐振条带层5包括位于同一平面且相互平行或相互垂直设置的相变材料条带51和组合材料条带52；组合材料条带52包括：金属条带521和连接在金属条带521端部的相变材料端点522；金属条带521的长度大于相变材料条带51的长度，组合材料条带52在第二介质层4上的正投影贯穿第二介质层4；相变材料层3、相变材料条带51与相变材料端点522在不同温度下呈现导体态或者半导体态。
41.本发明实施例所提供的太赫兹偏振转换单元中，上述五个结构层(如图1中由下至上依次层叠设置的金属膜底层1、第一介质层2、相变材料层3、第二介质层4以及谐振条带层5)构成一体结构；其中，位于图1最上层的谐振条带层5包括相变材料条带51和组合材料条带52，其中，该相变材料条带51的个数可以为1个，本发明实施例为方便后续描述，并未示出该种情况的示意图，图1以包含两个相变材料条带51为例示出；可选地，该相变材料条带51的个数为多个；其中，当相变材料条带51数量大于1个时，该种结构的太赫兹偏振转换单元对于入射光的透过率更高。
42.本发明实施例中，相变材料条带51和组合材料条带52的摆放方式可以是二者相互平行地设置，或者，也可以是二者相互垂直地设置；图1中为相变材料条带51与组合材料条带52相互平行设置的一种示意图；或者，可以参见图2所示，图2示出了相变材料条带51与组合材料条带52为相互垂直设置的一种示意图，本发明实施例对该相变材料条带51和该组合材料条带52的设置方式不做限定。
43.本发明实施例所提供的太赫兹偏振转换单元用于接收由外界射向(如垂直照射)其表面的入射光，并对该入射光产生谐振，通过多重干涉效应对该入射光实现高反射和相位调制。其中，该入射光为线偏振光，该入射光能够以与组合材料条带52(或相变材料条带51)夹角为45度的偏振方向射入该谐振条带层5；该入射光通常为太赫兹波段的光，也就是说，该太赫兹偏振转换单元在通常情况下的工作波段为太赫兹波段；第一介质层2与第二介质层4在该太赫兹波段透明，即第一介质层2与第二介质层4均对该太赫兹波段的光线具有高透过率，通常情况下，第一介质层2与第二介质层4可以选用相同或者不同的太赫兹低损耗材料，包括石英、高阻硅、聚酰亚胺、pdms(聚n,n-二甲基丙烯酰胺材料)、su8(一种基于环氧的光刻胶材料)、pmma(polymethyl methacrylate，有机玻璃)、pet(polyethylene terephthalate，聚对苯二甲酸类塑料)、bcb(苯并环丁烯)、al2o3(氧化铝)或mgo(氧化镁)等。此外，太赫兹偏振转换单元接收入射光的表面为该太赫兹偏振转换单元远离金属膜底层1的一侧表面，如图1中具有谐振条带层5的一侧表面。需要说明的是：由于谐振条带层5的实际面积仅对应其所包含的相变材料条带51和组合材料条带52的面积，因此在入射光射入该侧表面时会有部分光线照射在该谐振条带层5所无法遮盖的部分第二介质层4上。
44.如图1所示，组合材料条带52包括两种不同材料，一种是金属材料，由该金属材料构成该组合材料条带52中的金属条带521；另一种是相变材料，由该相变材料构成该组合材料条带52中的相变材料端点522；其中，相变材料端点522的个数可以为两个，分别位于该金属条带521的两端，且与金属条带521相连接形成一整体结构(组合材料条带52)，并且两个相变材料端点522能够作为该组合材料条带52的两端点。本发明实施例中，金属条带521的长度大于相变材料条带51的长度，相应地，组合材料条带52的长度也大于相变材料条带51的长度；并且，该组合材料条带52的两端(如两个相变材料端点522)分别与第二介质层4的边缘或顶角接触，即组合材料条带52在第二介质层4上的正投影能够贯穿第二介质层4。
45.例如，参见图3所示(图3为第一种太赫兹偏振转换单元的俯视图)，以该第二介质层4远离金属膜底层1(图3中未示出)的一侧表面构建平面坐标系，图3中水平方向为x方向，垂直于x方向的竖直方向为y方向，该组合材料条带52在第二介质层4远离金属膜底层1的一侧表面竖直设置，且该组合材料条带52的长度与该第二介质层4的在y方向的长度一致，如该组合材料条带52两端的相变材料端点522分别与第二介质层4的上边缘与下边缘接触(或齐平)，该组合材料条带52在第二介质层4上的正投影能够贯穿第二介质层4；或者，如图4所示(图4为第二种太赫兹偏振转换单元的俯视图)，组合材料条带52水平设置在第二介质层4远离金属膜底层1(图4中未示出)的一侧表面，该组合材料条带52的长度与该第二介质层4的在x方向的长度一致，如该组合材料条带52两端的相变材料端点522分别与第二介质层4的左边缘与右边缘接触(或齐平)；再或者，如图5所示(图5为第三种太赫兹偏振转换单元的俯视图，并且与图1所示的结构一致)，组合材料条带52在第二介质层4远离金属膜底层1(图5中未示出)的一侧表面沿对角线设置，该组合材料条带52的长度与该第二介质层4的对角线长度一致，如该组合材料条带52两端的相变材料端点522分别与第二介质层4的两对角接触(或齐平)。
46.本发明实施例中，该太赫兹偏振转换单元所包括的相变材料层3、相变材料条带51和相变材料端点522均是一种能够根据所施加的激励(如光热激励或者电热激励等)改变自身状态，从而改变其功能的结构层，例如，在某种外加激励的作用下，该相变材料层3、相变
材料条带51和相变材料端点522可以从半导体态转变为导体态，进而可以使其功能由原本透射入射光，转变为反射入射光；或者，在另一种外加激励的作用下，该相变材料层3、相变材料条带51和相变材料端点522也可以从导体态转变为半导体态，进而可以使其功能由原本反射入射光，转变为透射入射光。
47.具体地，本发明实施例所提供的太赫兹偏振转换单元，在相变材料层3、相变材料条带51和相变材料端点522保持半导体态的情况下，相变材料层3、相变材料条带51和相变材料端点522对入射光透明，例如，相变材料层3、相变材料条带51和相变材料端点522均对入射光无谐振响应；如图5所示，入射光(图标为c)为线偏振光，其偏振方向以双箭头虚线表示，入射光垂直于第二介质层4射入，且该入射光的偏振方向与组合材料条带52呈45度夹角θ；此状态下，金属条带521与金属膜底层1形成谐振腔，腔体厚度为第一介质层2、相变材料层3和第二介质层4的总厚度(如图1所示)；入射光在该谐振腔(金属条带521与金属膜底层1之间的腔体)中产生谐振。
48.如图5所示，入射光的电场可以分解成平行于金属条带521和垂直于金属条带521的正交分量和该入射光的入射电场可表示为：其中，r1和r2分别为太赫兹波段的入射光在平行于金属条带521的方向的反射率，以及垂直于金属条带521的方向的反射率；θ＝45
°
；本发明实施例中，当太赫兹波段的入射光经该太赫兹偏振转换单元调制后，会反射得到太赫兹波，通过计算反射太赫兹波的斯托克斯参数，可以有效表征该太赫兹波的偏振转换性能。进一步地，斯托克斯参数的计算公式可以表示为：
[0049][0050][0051][0052][0053]
其中，s0、s1、s2和s3表示斯托克斯参数，表示反射的太赫兹波在垂直方向和平行方向之间的相位差；基于上述斯托克斯参数可以计算反射的太赫兹波所对应的椭圆极化率χ(一种确定偏振状态的标准参数)，其中，χ＝s3/s0；若计算得到椭圆极化率χ接近1，确定该太赫兹偏振转换单元反射的太赫兹波的偏振态为左旋圆偏振光；若计算得到椭圆极化率χ接近-1，确定该太赫兹偏振转换单元反射的太赫兹波的偏振态为右旋圆偏振光。
[0054]
本发明实施例中，由于金属条带521的长度较长，该金属条带521对应谐振的入射光的波长也会比较长，且因入射光的波长与频率成倒数关系，故此状态(相变材料层3、相变材料条带51和相变材料端点522保持半导体态)下，金属条带521与金属膜底层1形成的谐振腔可以处理低频段的入射光，入射光(宽带的太赫兹波段的光)在经过该太赫兹偏振转换单元时，可以在较低的频段被谐振与调制，且在此状态下，根据上述式子可以计算得到椭圆极化率χ接近-1，证明该状态下的太赫兹偏振转换单元可以将太赫兹波段的入射光由线偏振光转换为右旋圆偏振光，该太赫兹偏振转换单元呈现出与四分之一波片相同的调制效果。
[0055]
并且，本发明实施例所提供的太赫兹偏振转换单元，在相变材料层3、相变材料条带51和相变材料端点522保持导体态的情况下，相变材料层3、相变材料条带51和相变材料端点522对入射光进行反射(如全反射)；相变材料端点522与金属条带521(组合材料条带52)形成光栅结构，该光栅结构(组合材料条带52)周期较大，结构宽带较小，对太赫兹波段的入射光的调制作用较小，故可以忽略其对太赫兹波段的入射光的调制作用，即该组合材料条带52在相变材料端点522保持导体态的状态下，对入射光无谐振响应。并且，由于相变材料条带51与相变材料层3的状态均为导体态，此状态下，相变材料条带51与相变材料层3形成谐振腔，腔体厚度变小，如腔体厚度变为第二介质层4的厚度；入射光在该谐振腔(相变材料条带51与相变材料层3之间的腔体)中产生谐振。由于，相变材料条带51的长度较短，该相变材料条带51对应谐振的入射光的波长也会比较短，且因入射光的波长与频率成倒数关系，故此状态(相变材料层3、相变材料条带51和相变材料端点522保持导体态)下，相变材料条带51与相变材料层3形成谐振腔可以处理高频段的入射光，入射光(宽带的太赫兹波段的光)在经过该太赫兹偏振转换单元时，可以在较高的频段被谐振与调制，且在此状态下，根据上述式子可以计算得到椭圆极化率χ接近-1，证明该状态下的太赫兹偏振转换单元可以将太赫兹波段的入射光由线偏振光转换为右旋圆偏振光。
[0056]
本发明实施例所提供的太赫兹偏振转换单元，通过令相变材料层3、相变材料条带51和相变材料端点522产生相变，使其在导体态与非导体态之间转换，可以改变谐振单元(与入射的太赫兹波段的入射光产生谐振的单元)的结构，改变该太赫兹偏振转换单元中谐振腔的厚度以及谐振条带层5中产生谐振的条带长度(如产生谐振的条带发生改变，产生谐振的条带长度也改变)，从而利用不同状态下不同的谐振腔，对入射光进行高频段或低频段的调制，从而实现能够将更宽波段的太赫兹线偏光转变为圆偏光的调制效果。该太赫兹偏振转换单元对于太赫兹波的带宽覆盖范围大，可以覆盖到太赫兹波段的高频段和低频段。
[0057]
可选地，参见图1和图5所示，组合材料条带52与第二介质层4的对角线重合设置。
[0058]
本发明实施例中，因组合材料条带52重合设置在该第二介质层4的对角线上，组合材料条带52的长度比在其他位置设置时的长度要长，使得金属条带521的长度更长，其所能调制的入射光(宽带的太赫兹波段的光)的频段更低，可以覆盖传统太赫兹偏振转换器所不能调制的低频段。
[0059]
可选地，如图1至图5所示，相变材料条带51的个数为非零偶数个，组合材料条带52的两侧对称设置有相变材料条带51。
[0060]
其中，相变材料条带51的个数设置可以是2个或4个等，在这种情况下，组合材料条带52的两侧可以分别对称设置相同数量的相变材料条带51，例如，如图1至图5所示，相变材料条带51的个数均为2个，可以在组合材料条带52的两侧(如图1、图2或图5所示，组合材料条带52的左上方和右下方；或者，如图3所示，组合材料条带52的左侧和右侧；再或者，如图4所示，组合材料条带52的上侧和下侧)各设置1个相变材料条带51，使组合材料条带52两侧形成对称结构。可以通过这样的设置方式提高太赫兹偏振转换单元空间利用率，使其对太赫兹偏振转换单元的所能调制的入射光的带宽和调制效果都有提升作用。
[0061]
可选地，相变材料层3的材料包括：二氧化钒或者锗锑碲；相变材料条带51的材料包括：二氧化钒或者锗锑碲；相变材料端点522的材料包括：二氧化钒或者锗锑碲。
[0062]
本发明实施例中，二氧化钒是一种具有相变性质的金属氧化物，其相变温度为68
℃，而二氧化钒具体可以在金属态(导体态)与绝缘态(非导体态)之间相互转换，从而实现本发明实施例中相变材料层3、相变材料条带51以及相变材料端点522所需要起到的作用；或者，在本发明实施例中也可以选用锗锑碲(gst)材料作为相变材料层3、相变材料条带51或相变材料端点522的材料，在太赫兹波段的入射光照射下，锗锑碲材料在晶态和非晶态之间变化，也可以实现对入射光的反射。本发明实施例也可以选用其他具有上述功能的材质(如同体系的掺杂材料)作为相变材料层3、相变材料条带51以及相变材料端点522的材料，并且相变材料层3、相变材料条带51以及相变材料端点522三者可以同时选用相同的材料制作，例如可以同时选用二氧化钒材料，本发明实施例对此不做具体限定。
[0063]
可选地，金属膜底层1的材料包括：金、银、铜、铝、铂或铬；金属条带521的材料包括：金、银、铜、铝、铂或铬。
[0064]
本发明实施例中，可以选用高电导率的金属材料作为金属膜底层1或者金属条带521的材料，例如，上述所列举的几种金属材料中，金的使用效果更优，可以同时将金作为金属膜底层1和金属条带521的材料。
[0065]
可选地，该金属膜底层1的厚度大于或等于0.1μm，例如，其厚度可以是0.2μm。需要说明的是，有关金属膜底层1的具体厚度可以根据具体情况而定，本发明实施例对此不做限定。
[0066]
可选地，相变材料层3的厚度为0.1μm～5μm；谐振条带层5的厚度为0.1μm～5μm。例如，相变材料层3的厚度可以是1μm；谐振条带层5的厚度也可以是1μm。
[0067]
可选地，第一介质层2的厚度为25μm～45μm；第二介质层4的厚度为20μm～30μm。例如，第一介质层2的厚度可以是35μm，第二介质层4的厚度可以是25μm。
[0068]
可选地，金属条带521的长度为230μm～270μm；金属条带521的宽度为2μm～30μm。例如，金属条带521的长度可以是250μm，金属条带521的宽度可以是5μm。
[0069]
可选地，相变材料条带51的长度为100μm～140μm；相变材料条带51的宽度为5μm～35μm。例如，相变材料条带51的长度可以是120μm；相变材料条带51的宽度可以是20μm。
[0070]
可选地，相变材料条带51与组合材料条带52之间的间距为50μm～90μm。例如，相变材料条带51与组合材料条带52之间的间距可以是70μm。
[0071]
可选地，太赫兹偏振转换单元沿x方向的周期为180μm～220μm；太赫兹偏振转换单元沿y方向的周期为180μm～220μm。
[0072]
如图5所示，图5中水平方向为x方向，垂直于x方向的竖直方向为y方向，x方向的周期或者y方向的周期，对应该太赫兹偏振转换单元在x方向的长度或者在y方向上的长度。例如，太赫兹偏振转换单元沿x方向的周期可以与其在y方向上的周期相同，均为200μm。
[0073]
本发明实施例还提供了一种太赫兹偏振转换器，参见图6所示，该太赫兹偏振转换器包括：多个如上所述的任意一种太赫兹偏振转换单元100，且多个太赫兹偏振转换单元100为阵列式排布。其中，可以将多个太赫兹偏振转换单元100以阵列的形式进行排布(图6所示为6个太赫兹偏振转换单元100以阵列的形式进行排布的示意图)，且多个太赫兹偏振转换单元100中的组合材料条带52，在各自所包括的相变材料端点522为导体态的情况下，相互连接形成光栅，在该状态下对入射光无法实现谐振。本发明实施例所构成的太赫兹偏振转换器，可以扩大太赫兹偏振转换单元100对于太赫兹波段的入射光的接收面积，提高太赫兹偏振转换器的调制效率，且该太赫兹偏振转换器对于太赫兹波段的带宽覆盖范围大。
[0074]
实施例1：
[0075]
太赫兹偏振转换单元的具体结构如图1所示，其具体结构参数为：px＝py＝200μm；l1＝250μm；l2＝120μm；w1＝5μm；w2＝20μm；g＝70μm；t1＝1μm；t2＝1μm；t3＝0.2μm；d1＝35μm；d2＝25μm；其中，px(太赫兹偏振转换单元沿x方向的周期)、py(太赫兹偏振转换单元沿y方向的周期)、l1(金属条带521的长度)、l2(相变材料条带51的长度)、w1(金属条带521的宽度)、w2(相变材料条带51的宽度)和g(相变材料条带51与组合材料条带52之间的间距)均可以参见图7所示；t1(谐振条带层5的厚度)、t2(相变材料层3的厚度)、t3(金属膜底层1的厚度)、d1(第一介质层2的厚度)和d2(第二介质层4的厚度)均可以参见图8所示。
[0076]
可以将上述具体结构参数输入仿真软件进行数值仿真计算，得到图9和图10两个仿真结果示意图，以及图11所示的该实施例1所反射的太赫兹波段的入射光对应的椭圆极化率示意图。
[0077]
其中，在相变材料层3、相变材料条带51和相变材料端点522处于半导体态的情况下，当太赫兹波段的入射光以45度偏振方向入射金属条带521时，参见图9所示，从0.4thz到0.85thz，太赫兹波段的入射光的反射率接近100％；并且，由45度偏振方向的入射光分解得到的垂直于该金属条带521的分量，与水平于金属条带521的分量，该两个方向的相位延迟(图9中“相位差”所对应的曲线)接近270度(等效于负90度相位差)，表明在该波段(如0.4thz到0.85thz)，线偏振的太赫兹波段的入射光可以有效转换成圆偏振的太赫兹波段的光。
[0078]
在相变材料层3、相变材料条带51和相变材料端点522处于导体态的情况下，当太赫兹波段的入射光以45度偏振方向入射金属条带521时，参见图10所示，从0.8thz到1.5thz，太赫兹波段的入射光的反射率接近100％；并且，由45度偏振方向的入射光分解得到的垂直于该金属条带521的分量，与水平于金属条带521的分量，该两个方向的相位延迟接近270度(等效于负90度相位差)，表明在该波段(如0.8thz到1.5thz)，线偏振的太赫兹波段的入射光可以有效转换成圆偏振的太赫兹波段的光。因此，本实施例1可以转换0.4thz～1.5thz波段的光。
[0079]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换的技术方案，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
