阅读说明：本技术 一种基于亚波长光栅超表面的热控相位调制器 (Thermal control phase modulator based on sub-wavelength grating super-surface ) 是由 何赛灵 刘振超 郭庭彪 谭沁 董红光 于 2020-08-05 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种基于亚波长光栅超表面的热控相位调制器,包括第一层底层的透明介质基底、第二层金属薄膜层、第三层介质薄膜层、第四层介质光栅层、第五层高折射率介质光栅层、第六层热光介质层；所述的介质光栅层和高折射率介质光栅层为周期性光栅阵列,光栅周期同为p,光栅占空比同为q,厚度分别为t1和t2,其中t1<t2；所述的基于该亚波长光栅超表面结构的热控相位调制器存在一个高Q值共振峰,高Q峰处伴随着剧烈的相位突变,且相位突变曲线将随着外界折射率改变而发生漂移。基于本发明可实现高灵敏的热控相位调制,从而实现空间光调制器的功能,可用于光通信、显示与成像、光信号处理、自动驾驶、微波信号处理等领域。(The invention relates to a thermal control phase modulator based on a sub-wavelength grating super-surface, which comprises a first bottom layer of transparent medium substrate, a second metal film layer, a third medium film layer, a fourth medium grating layer, a fifth high-refractive-index medium grating layer and a sixth thermal-optical medium layer, wherein the first bottom layer of transparent medium substrate is a transparent substrate; the medium grating layer and the high-refractive-index medium grating layer are periodic grating arrays, the grating periods are the same as p, the grating duty ratios are the same as q, the thicknesses are t1 and t2 respectively, wherein t1 is less than t 2; the thermal control phase modulator based on the sub-wavelength grating super-surface structure has a high-Q-value resonant peak, severe phase jump is accompanied at the high-Q-value resonant peak, and a phase jump curve drifts along with the change of an external refractive index. The invention can realize high-sensitivity thermal control phase modulation, thereby realizing the function of a spatial light modulator, and can be used in the fields of optical communication, display and imaging, optical signal processing, automatic driving, microwave signal processing and the like.)

一种基于亚波长光栅超表面的热控相位调制器

技术领域

本发明属于光学相位调制领域，涉及一种基于亚波长光栅超表面的热控相位调制器，可应用于光通信、显示与成像、光信号处理、自动驾驶、微波信号处理等领域。

背景技术

GMR (Guided-Mode Resonance, 导模共振)是指外部场与亚波长光栅波导的泄漏模之间产生耦合，发生共振的现象。可以将衍射光栅相当于周期调制的平面波导，当一个外部传播波和亚波长光栅波导所支持的导波模式满足波矢匹配时，会产生强耦合，耦合的能量再通过周期性光栅反射或透射出去，形成尖锐的反射或者透射共振峰，在谐振峰处，存在着剧烈的相位突变，且相位变化会随着谐振峰的漂移而改变。MAGMR (Metal AssistantGuided-Mode Resonance, 金属辅助导模共振)是在GMR的基础上，在亚波长光栅底部增加一层有一定厚度的金属薄膜，由于金属-电介质界面的损耗性质，波导内部的传播模式会经历更快的衰减。随着波长远离共振处，金属层开始显现其金属的高反特性，入射光被反射回去。MAGMR可以提供比GMR更尖锐的共振峰，及更剧烈的相位突变。基于GMR原理的器件已被广泛应用于滤波器、光调制器、光开关、传感器等领域。这其中，光调制器作为核心元件，在成像与显示、激光辅助自动驾驶、波前整形、全息存储、光镊等很多场合都有着重要应用。因而，利用GMR原理实现相位调制器具有许多潜在的应用。

但是，目前基于GMR和MAGMR的传感器的Q值还比较低，共振峰不够尖锐，从而导致其相位突变也不够剧烈，不利于高灵敏的相位调制器应用。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提出了一种基于亚波长光栅超表面的热控相位调制器，可实现高灵敏的热控相位调制，从而实现相位调制器、空间光调制器的功能，可用于光通信、光信号处理、微波信号处理等领域。

一种基于亚波长光栅超表面的热控相位调制器，包括第一层底层的透明介质基底、第二层金属薄膜层、第三层介质薄膜层、第四层介质光栅层、第五层高折射率介质光栅层、第六层热光介质层；

所述的介质光栅层和高折射率介质光栅层为周期性光栅阵列，光栅周期同为p，光栅占空比同为q，厚度分别为t1和t2，其中t1<t2；

所述的基于该亚波长光栅超表面结构的热控相位调制器存在一个高Q值共振峰，高Q峰处伴随着剧烈的相位突变，且相位突变曲线将随着外界折射率改变而发生漂移；通过改变光栅参数调整工作波长，通过改变光栅周期p参量，改变相位调制器工作波长，可用于可见光至近红外波段范围的相位调制；

所述的热光介质层具备热光效应，通过控制温度来调控工作波长的相位。

所述的第一层底层的透明介质基底、第二层金属薄膜层之间设有加热电极阵列，或者第六层热光介质层上设有加热电极阵列，实现单独调控单元像素的相位，加热电极阵列采用透明导电材料或者金属材料，所述的透明导电材料包括铟锡氧化物、石墨烯，所述的金属材料包括钛、铬、钨。

所述的透明介质基底为折射率低于1.6的透明材料，包括玻璃、塑料。

所述的金属薄膜层为具备金属损耗及金属高反特性的金属材料，包括Au、Ag、Al、Cu、Ti。

所述的介质薄膜层和介质光栅层材料包括Si₃N₄、ZnO、SiO₂。

所述的高折射率介质光栅层为折射率大于2的介质材料，包括TiO₂、ZrO₂、Ta₂O₅、Si。

所述的热光介质层为具备热光效应的材料，包括PDMS、液晶。

本发明的有益效果：

本发明的亚波长光栅超表面芯片具备很高的Q值及很剧烈的相位突变，结合热光效应良好的热光材料，可用于高灵敏度的热控相位调制。基于本芯片结构可实现高灵敏的热控相位调制，从而实现相位调制器、空间光调制器的功能，可用于光通信、光信号处理、微波信号处理等领域。

附图说明

图1为本发明一种基于亚波长光栅超表面的热控相位调制器的结构示意图。

图2为亚波长光栅超表面的热控相位调制器的反射谱。

图3为基于PDMS的热控相位调制曲线。

图4为热控相位调制器工作波长随光栅参数的变化曲线。

附图标记说明：

1-透明介质基底、2-金属薄膜层、3-介质薄膜层、4-介质光栅层、5-高折射率介质光栅层、6-热光介质层、7-加热电极阵列。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步阐述。

实施例1

如图１所示，本发明公开了一种基于亚波长光栅超表面的热控相位调制器，包括该亚波长光栅超表面芯片分为六层结构，第一层为底层的透明介质基底1，第二层为金属薄膜层2，第三层介质薄膜层3，第四层为介质光栅层4，第五层为高折射率介质光栅层5，第六层为热光介质层6，其中加热电极阵列7设于第一层和第二层之间（也可以设于第六层之上）；通过调整亚波长光栅超表面结构参数，在原有的GMR（Guided-Mode Resonance）共振峰的基础上，衍生出一个高Q的共振峰；高Q峰处伴随着剧烈的相位突变，且相位突变曲线将随着外界折射率改变而发生较大漂移，可用于高灵敏的相位调控；热光介质层6具备良好的热光效应，从而可通过控制温度来调控相位；高Q峰的波长可通过光栅参数来调控，可满足可见光至近红外的相位调制器的要求。材料和结构参数可以选择为：介质光栅层4和高折射率介质光栅层5的光栅周期p同设定为430nm；光栅占空比q=0.5；透明介质基底1选择SiO₂；金属薄膜层2选择Ag，厚度为150nm；介质薄膜层3选择Si₃N₄，厚度为160nm；介质光栅层4选择Si₃N₄，厚度t1为40nm；高折射率介质光栅层5选择TiO₂，厚度t2为280nm，满足t1<t2；热光介质层6选择PDMS（n=1.410）。附图2为亚波长光栅超表面的热控相位调制器的反射谱，在波长608.17 nm处有一个高Q值共振峰，其FWHM估计为~0.3nm，Q值为~2000。

实施例2

一种基于亚波长光栅超表面的热控相位调制器，材料和结构参数可以选择为：介质光栅层4和高折射率介质光栅层5的光栅周期p同设定为430nm；光栅占空比q=0.5；透明介质基底1选择SiO₂；金属薄膜层2选择Ag，厚度为150nm；介质薄膜层3选择Si₃N₄，厚度为160nm；介质光栅层4选择Si₃N₄，厚度t1为40nm；高折射率介质光栅层5选择TiO₂，厚度t2为280nm，满足t1<t2；热光介质层6选择PDMS（n=1.410）。假定PDMS的热光系数约为-4.2×10⁴ RIU/℃，当温度变化了±2.8℃，即ΔT=±2.8℃，则PDMS折射率变化约0.001 RIU，即：Δn=±0.001，从而折射率的变化又将引起相位调制曲线的漂移，如附图3所示。附图3为基于PDMS的热控相位调制曲线，当温度变化了±2.8℃，将引起相位调制曲线的漂移，这样当选定单一工作波长时，温度变化将引起较大的相位变化。假定选取608.17 nm为工作波长，则温度变化了+2.8℃和-2.8℃，将分别引起相位发生1.82rad和3.74rad，从而可以计算出基于热控的相位调制的灵敏度高于76.5°/℃。

实施例3

一种基于亚波长光栅超表面的热控相位调制器，当改变光栅参数时，可以相应的调节工作波长，可以适用于可见光至近红外波段范围的相位调制。附图4所示为热控相位调制器工作波长随光栅参数的变化曲线。可以看到亚波长光栅超表面的热控相位调制器，通过调整光栅参数，既可以在可见光波段（如光栅周期p=430nm时，工作波长为608nm附近）工作，也可以将工作波长延拓到近红外波段（如光栅周期p=600nm时，工作波长为850nm附近）。

尽管本发明的具体实施方式已经得到详细的描述，本领域技术人员将会理解，根据已经公开的教导和启示，可以对那些细节进行各种修改和替换，这些改变均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围由所附权利要求及其任何等同物给出。