复合光栅的偏振转换与单向传输特性研究

利用介质光栅的双折射特性和金属光栅的偏振选择特性,并把两者结合起来就构成了介质-金属复合光栅结构,如图5.12(a)所示。其主要分为三层：第一层是硅介质光栅层;第二层是未被刻蚀的中间介质层;第三层为金属光栅层。其中介质光栅与金属光栅取向成45°角,器件实物图如图5.12(b)所示。

图5.12　

(a)介质金属复合光栅结构示意图;(b)器件实物图[5]

器件的工作原理如图5.13所示,当一束x方向的线偏振光入射到45°取向的介质光栅时,由于介质光栅具有双折射特性,使得平行和垂直于光栅取向的正交分量之间产生相位延迟,进而实现偏振转换的作用。当满足πrad的相位延迟时,从介质光栅出射的偏振态将会转变成y方向的线偏振光。另外,器件在45°取向的状态下,背面金属光栅取向正好与x方向平行,因此只有y方向的偏振光可以自由透过金属光栅,所以该器件可以实现100%的线偏振输出。假设介质光栅在宽带范围内可以实现半波片的功能,那么介质-金属复合光栅可以实现宽带的正交偏振转换。然而,对于介质光栅来说,对于πrad的相位延迟一般只存在于单个频点,绝大部分线偏振的THz波经介质光栅后只能转化为椭圆偏振,所以最终输出的偏振光中只有一部分y偏振分量可以透过金属光栅。然而,通过下面的实验测试,发现事实并非如此。

图5.13　介质-金属复合光栅的偏振转换机制及单向传输示意图[5]

(a)正向入射;(b)反向入射

加工制备的四种介质光栅的栅脊宽度均为30μm。其中,D1为普通周期光栅,光栅常数为50μm,栅槽宽度为20μm。D2~D4为梯度渐变光栅,刻槽最窄处均为20μm,并向一侧递增。D2、D3的栅槽递增量均为5μm。D2由5个栅格组成,单个周期宽度为300μm。D3由10个栅格组成,单个周期宽度为725μm。D4的栅槽递增量为10μm,同样由10个周期组成,单个周期宽度为950μm。我们以D2 M1为例分析了刻蚀深度h=200μm和h=120μm下器件的偏振转化特性。其中,D i M j(i=1,2,3,4;j=1,2)表示复合结构由介质光栅D i和金属光栅M j构成。从图5.14(d)可以看出介质光栅取向为45°和-45°时,背面金属光栅分别与入射THz波的偏振方向平行或垂直,因此这两种情况下输出的偏振态必将是沿y方向或沿x方向的线偏振光。如图5.14(a)所示,当刻蚀深度h=200μm、介质光栅取向为45°时,D2 M1在0.72 THz处的透过率为90%,并且在0.2~1.2 THz内的透过率在50%以上。而在刻蚀深度h=200μm、介质光栅取向为-45°的情况下,D2 M1在0.72 THz处的透过率仅为9%。当刻蚀深度h=120μm时,D2 M1在1.16 THz处、介质光栅取向为±45°时对应的最高透过率和最低透过率分别为85%和8%。

图5.14　

(a)D2M1在h=200μm和h=120μm、介质光栅取向为45°和-45°时的透过率的实验结果;(b)模拟透过率曲线;(c)介质光栅D2在不同刻蚀深度下的相移曲线;(d)介质光栅取向为45°和-45°时的传输示意图[5]

对比图5.14(a)和图5.14(b),可以发现模拟结果与实验结果基本一致。偏振转化效率最高的频率位置分别位于0.72 THz和1.16 THz处,正好对应πrad的相移频点,如图5.14(c)所示。刻蚀深度会使πrad相移频点发生平移,因此可以通过改变刻蚀深度来调整工作频段。相移的计算公式如下：

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式中,φ0°(f)和φ90°(f)分别表示偏振方向平行或垂直于介质光栅时的相位。

值得注意的是,复合结构D2 M1在0.6~0.8 THz的透过率可以达到90%,远远高于单个金属光栅70%的透过率。此外,通过上面的分析我们知道只有在πrad相位延迟处才会得到较高的y偏振输出,而实验结果显示在远离πrad相位延迟的宽带范围内仍然具有较高的透过效率,比如刻蚀深度h=200μm时D2 M1在0.36~0.86 THz的透过率均高于70%。综合以上两点,可以认为介质-金属复合器件并不是两个光栅的简单叠加,器件内部存在某种局域谐振机制,大大增强了复合结构的偏振转化效率,扩展了工作带宽。

为了进一步了解器件内部的物理机制,我们模拟了D2 M1在h=200μm下不同频率处的电场分布,如图5.15所示。如图5.15(a)所示,当f=0.65 THz,一束x方向偏振光入射到45°取向的介质光栅时,在介质光栅层的作用下,偏振态会转化为部分y方向的线偏振和大部分椭圆偏振,即产生E y和部分E x、E z电场分量。其中只有E y电场分量可以直接透过背面金属光栅,其余电场分量被反射回介质光栅层。在介质中间层的亚波长尺度下,被反射的电场分量形成局域谐振在前后光栅层组成的腔内不断振荡。特别是E z电场分量被完全局域在光栅层附近,而不能泄漏出腔外,如图5.15(a)中第三幅图所示。每一次反射过程中,当E x和E z经过介质光栅时,总有一部分转化为新的E y电场分量从金属光栅层输出,而剩余部分继续经历以下过程：偏振转换(产生E y)→偏振选择(输出E y)→反射→偏振转换(产生新的E y)。

图5.15　D2M1在h=200μm下不同频率处的电场分布,分为总电场矢量、E xy和E z电场分量[5]

(a)f=0.65 THz;(b)f=1.4 THz

从上面的电场分布图中,能够看出器件内部存在的偏振转换及耦合谐振机制类似于Fabry-Perot效应,这大大增强了偏振转化效率,扩展了工作带宽。图5.15(b)所示为f=1.4 THz处的电场分布,从图中可以发现几乎没有电场从器件输出,这是由于该频率位置过于远离πrad相移频点,介质光栅失去了对偏振光的偏振转换作用,因而不会产生E y电场分量,而E z电场分量仅局域在介质光栅内部,所以不存在偏振增强的物理机制。

此外,我们研究了器件的非对称传输特性。如图5.16所示,当正向入射一x方向的线偏振光时,在介质光栅的偏振转换下能够转化为y方向线偏振光从金属光栅输出,而同一x方向的线偏振光反向入射时,由于该偏振方向与金属线栅平行而被禁止传输,即可以实现单向传输的功能。图5.16(a)为D1 M1~D4 M1四种复合结构的正反向透过率曲线,结果显示在中心频率处,正向透过率随介质光栅D4~D1梯度减弱而逐渐变大,其中D1具有最高94%的透过率。介质光栅的色散越小,其偏振转化效率越高。而在反向入射时THz波几乎完全被金属光栅反射,由于四种复合结构的金属光栅参数完全相同,所以反向透过率均为2%。正反向非对称传输的消光比可由下式得出：

式中,T正向和T反向分别表示正反向透过率。从图5.16(b)可以看出,器件在宽带范围内具有很好的消光特性。其中在0.2~1.2 THz,D1 M 1的消光比接近30 dB。

图5.16　h=200μm时四种复合结构的非对称传输透过率及消光比[5]

(a)正反向透过率;(b)消光比