一種左旋圓偏振轉換的超材料薄膜的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及光通信領域，更具體地說，本發明涉及一種左旋圓偏振轉換的超材料 薄膜。
【背景技術】
[0002] 波在傳播過程中會在不同的方向上產生振動，而這種振動稱為波的偏振，是波的 一種固有的特性。如電磁波、聲波和引力波等都具有偏振特性，而各種波的偏振特性亦不盡 相同，如聲波的偏振方向與其傳播方向一致，通常稱這種偏振方向與傳播方向一致的波為 縱波。波的偏振方向與傳播方向相垂直，這種波稱為橫波。電磁波為典型的橫波，其具有電 場和磁場的偏振，偏振方向與其傳播方向垂直，通常將電場的偏振方向定義為該電磁波的 偏振方向。偏振在許多科學研究領域中是一個不可或缺的參數，如光學、微波、無線電及地 震學等。同樣，在技術應用領域中，如激光通信、無線通信、光纖通信及雷達等，對于偏振的 研究也是至關重要的一環。
[0003]偏振旋轉器也稱偏振變換器，是一種用于改變信號偏振態的器件。而今主要通過 波片或法拉第旋轉器對信號偏振態進行改造。
[0004] 波片是一種能使光振動相互垂直的光波產生附加相位差的光學器件，通常由一些 具有雙折射特性的單軸晶體制備而成，如石英、云母及方解石等。當光波通過一定厚度的波 片，由于光波的O光和e光在波片中的傳播速度不同，使其出射時產生一定的相位差，因此 光波出射合成后的偏振態將發生改變，而這種偏振態的變化取決于光波經過波片后產生的 相位差。通常將能產生1/4波長相位差的波片稱為四分之一波片；將能產生1/2波長相位 差的波片稱為二分之一波片。若入射光波為線偏振光，光波以一定角度通過四分之一波片， 出射光波改變為圓偏振光；同理，該線偏振光波以一定角度通過二分之一波片，出射光波仍 為線偏振光，但其偏振角度一般有改變。
[0005] 法拉第旋轉器是基于法拉第效應的磁致旋光器件，當線偏振光經過一個具有外加 磁場的晶體后，光波的偏正面將發生旋轉，此現象為法拉第效應。而該晶體稱為磁光晶體。 出射光波偏振面所旋轉的角度0與外加磁場的磁感應強度B及光波在晶體中的作用距離 L成正比
[0006] 0 = VBL
[0007] 其中V為費爾德常數，為磁光晶體的固有特性。
[0008] 波片按結構可分為多級波片、復合波片和真零級波片，但無論哪一種波片都有其 自身的不足之處，如波長敏感度、溫度敏感度、入射角敏感性或制作工藝困難等。法拉第旋 轉器具有溫度特性差、光衰問題突出、插損高、控制精度低及體積大等問題。
[0009] 本發明所實現的光束偏振態變換并沒有采用現有傳統的變換技術，如波片或法拉 第旋轉器等，而是通過超材料技術對光束偏振態進行調制。
[0010] 超材料是一種人工的結構性功能材料，它能實現一些自然界中材料所無法實現的 特殊功能。超材料并不是傳統意義上所理解的"材料"，它通過具有一定物理尺寸的結構， 經過有序的設計排列，可實現自然界固有材料所不具備的超常材料功能。因此，亦可將超材 料理解為人工復合材料。由于現今的印刷電路制作工藝已非常成熟，對于制作微波波段的 超材料具有很大優勢，因此，對微波波段的超材料應用器件的研究已成為一個熱點。隨著現 代制作工藝的不斷發展，半導體工藝已由次微米時代發展至納米電子時代，超材料的物理 尺寸可通過現代制作工藝達到納米級別，因此光波段的超材料開發亦日漸成為科研界的焦 點。

【發明內容】

[0011] 本發明克服了現有技術中的不足，提供一種結構簡單、轉換效率高，可將線偏振光 變換成左旋圓偏振轉換功能的超材料薄膜。
[0012] 本發明的一種左旋圓偏振轉換的超材料薄膜為光頻段的超材料結構，其包括金屬 微結構層1、介質基板層2和金屬微結構層3,所述金屬微結構層1和金屬微結構層3位于 介質基板層2的兩面；所述金屬微結構層1的上表面為金屬面1，下表面為金屬面2,所述金 屬微結構層3的上表面為金屬面3,下表面為金屬面4,所述金屬面1為入射面，所述金屬面 4為出射面；所述金屬微結構層1和3為手征對稱性的右旋風車結構，或者為螺旋形的手征 對稱性右旋人造結構，該金屬微結構層1和3之間具有一個以結構中心作為旋轉中心的左 旋角，輸出光波的兩個正交分量的振幅相等，該兩個正交分量的相位差為90°的奇數倍。 [0013] 所述金屬微結構層1和3均由多個右旋萬字微結構組成，呈陣列式周期排列。
[0014] 所述金屬微結構層1和3包括金、銀、銅、金屬導電材料，或者銦錫氧化物、石墨碳 納米管、非金屬導電材料。
[0015] 所述金屬微結構層1和3的厚度均為30~100nm。
[0016] 所述介質基板層2制作材料包括氰酸脂、PMMA、PTFE、聚合物、氟化物、納米微孔。
[0017] 所述介質基板層2為低介電常數和低介電損耗材料，材料介電常數介于1. 5~2. 0 之間。
[0018] 所述介質基板層2的材料損耗正切值低于0. 003。
[0019] 所述介質基板層2的介質厚度為20~lOOnm。
[0020] 所述旋轉中心的左旋角為5~22.5°。
[0021] 本發明與現有技術相比，有如下積極效果。
[0022] 1.納米級金屬微結構的超材料薄膜，具有圓偏振濾波功能，可濾除右旋圓偏振光 波而保留左旋圓偏振光通過的功能。
[0023] 2.可將一束線偏振光轉換為右旋圓偏振光，其轉換效率可達98 %以上，且輸出光 束質量高。
[0024] 3.結構圖樣簡單、轉換效率高、插損小、體積小，為電磁波偏振態調制提供了一種 新穎、高效的調制方法，這種新型的偏振旋轉器對于通信技術的發展具有重要的意義及良 好的開發前景。
[0025] 4.通過以材料或化工技術中的自組裝方式，或以半導體技術中的微縮方式制備。
【附圖說明】
[0026] 圖1為本發明的疊層結構示意圖；
[0027]圖2為本發明的人造金屬微結構示意圖；
[0028] 圖3為本發明的兩層金屬微結構層疊放示意圖；
[0029]圖4為本發明的超材料薄膜示意圖；
[0030] 圖5為本發明的兩個正交分量透射輸出結果示意圖；
[0031] 圖6為本發明的兩個正交分量透射輸出相位不意圖；
[0032] 圖7為本發明的輸出光束質量分析圖；
[0033] 圖8為本發明的電磁耦合示意圖。
【具體實施方式】
[0034] 下面結合附圖與【具體實施方式】對本發明作進一步詳細闡述：
[0035] 如圖1所示，左旋圓偏振轉換的超材料薄膜為光頻段的超材料結構，其包括金屬 微結構層1 (第一金屬微結構層）、介質基板層2和金屬微結構層3 (第二金屬微結構層）， 金屬微結構層1 (第一金屬微結構層）和金屬微結構層3 (第二金屬微結構層）附著于介質 基板層2的兩面，兩金屬微結構層1和3 (第一金屬微結構層和第二金屬微結構層）分為四 個金屬面，即金屬微結構層1的上表面為金屬面1，下表面為金屬面2,金屬微結構層3的上 表面為金屬面3,下表面為金屬面4,其中金屬面1為結構的入射面，金屬面4為結構的出射 面。
[0036] 介質基板層2的制作材料包括聚氟化物、丙烯酸類樹酯等低介電常數、低材料損 耗材料；第一、二金屬微結構層的制作材料包括金、銀、銅等金屬導電材料，或者銦錫氧化 物、石墨碳納米管等非金屬導電材料。
[0037] 金屬層的單元結構如圖2所示，該金屬微結構為一種具有手征對稱特性的右旋風 車結構，外形與風車相似，其中，該結構的線寬為《，長臂為L1，短臂為L2,單元結構的邊長 為a，即超材料的晶格常數。
[0038] 超材料單元晶格中金屬微結構層1與金屬微結構層3的金屬微結構疊層方式如圖 3所示，兩金屬微結構（第一、二金屬微結構層）之間并不是正對疊放的，而是相互間存在一 個以結構中心作為旋轉中心的左旋角 0。如圖3所示，金屬線寬為w，金屬厚度為t，兩單元 金屬微結構（第一金屬微結構層和第二金屬微結構層）之間的左旋角為9，兩對應金屬面 間的距離為d，其中兩金屬層的間距為d-t，即第二介質層的厚度。
[0039] 超材料以微結構單元作為晶格單元，晶格沿X軸向及Y軸向呈周期性排列，如圖4 所示為本發明的超材料示意圖，金屬微結構層1和3 (第一金屬微結構層和第二金屬微結構 層）均由多個右旋萬字微結構組成，呈陣列式周期排列，晶格單元沿X軸向周期排列數為3， 沿Y軸向周期排列數為3,而在實際應用中，所示周期排列數遠大于3。
[0040] 本發明實施例具體參數如下：線寬w為40nm，金屬厚度t為20nm，金屬長臂Ll為 350nm，金屬短臂L2為155nm，兩金屬微結構疊放角度0為10°，金屬材料采用金；介質基 板層材料采用金屬氟化物，介電常數為1. 9,磁導率為1，厚度為30nm;晶格常數a為400nm。
[0041] 本發明的超材料薄膜可將一束線偏振光波轉換成一束左旋圓偏振光波，系統的輸 出光波需滿足兩個條件：（1)輸出光波的兩個正交分量的振