一种利用损耗工程的极化激元调控设备及方法

本发明涉及纳米光子学，更具体的说是涉及一种利用损耗工程的极化激元调控设备及方法。

背景技术：

1、声子极化激元作为光子与晶格振动耦合产生的混合准粒子，能够将电磁场能量限制在远小于衍射极限的纳米尺度，为深亚波长尺度下的光操控提供了可能，是片上纳米光子器件的核心构建单元。随着晶体对称性的降低，极化激元的等频线从圆形逐渐演化为双曲型乃至双曲剪切型，相应的材料体系也从六方晶系的h-bn、三方晶系的方解石，扩展到正交晶系的α-moo3和单斜晶系的β-ga2o3等低对称材料。

2、尽管晶体对称性的降低拓展了极化激元的类型和工作波段，但光学损耗长期以来被认为是限制极化激元器件性能的主要瓶颈。高质量薄膜中声子极化激元传播的光学损耗主要包括两类：本征材料损耗（主要是声子吸收）和非本征损耗，后者又包括向环境辐射的散射损耗和向衬底辐射耦合的泄漏损耗。传统的损耗应对策略从被动规避（如同位素工程）发展到主动补偿（如合成复频波），但这些方法无一例外地将损耗视为需要消除的缺陷。

3、对极化激元的有效调控是其走向实际应用的关键。目前主要的调控策略包括：直接调控材料本身的介电函数，例如通过超快光激发、晶面工程或超表面设计来改变等频线特性，但这种方法调谐范围有限且易引入额外损耗；基于不同极化激元模式之间的杂化，例如在扭转异质结或等离激元-声子混合系统中实现从双曲到圆形的拓扑性质调控，然而这种模式杂化严重依赖于严格的动量匹配机制，对于大动量模式其耦合强度往往很低，极大限制了调制性能和应用普适性。

4、此外，现有技术中实现高定向准一维极化激元的方法主要依赖扭转异质结、制备纳米结构或改变激发光源偏振方向，但至今仍缺乏一种能够原位、宽带调控此类准一维极化激元定向传播的有效方法

5、因此，针对现有技术的缺陷，如何提供一种利用损耗工程的极化激元调控设备及方法，突破传统动量匹配限制、将损耗从障碍转化为调控自由度的新型极化激元调控方法是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种利用损耗工程的极化激元调控设备及方法，利用损耗工程特别是泄漏损耗来调控极化激元拓扑形态和传播特性，突破了传统上将光学损耗视为性能瓶颈的技术偏见，将泄漏引起的损耗作为模式操控的自由度，不仅能够实现极化激元传播方向的频率依赖可重构旋转，还能实现超广角无反射传播，为零反射片上光路由和先进光学信息处理开辟了新途径。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种利用损耗工程的极化激元调控设备，包括：

3、异质结构，所述异质结构包括自上而下设置的二维范德华材料覆盖层、三维晶体衬底；

4、通过激发光源激发出二维范德华材料覆盖层内的二维双曲极化激元；

5、以三维晶体衬底中面外横向光学声子驱动的泄漏损耗通道作为调控自由度，将所述二维双曲极化激元拓扑重构为准一维极化激元；

6、通过改变激发频率完成准一维极化激元传播方向的连续旋转和突变切换。

7、优选的，所述三维晶体衬底支持体相双曲模式，作为极化激元能量泄漏通道，并具备面外横向光学声子共振特性。

8、优选的，通过改变激发光源的激发频率，利用衬底面外声子共振诱导的介电函数符号反转，完成准一维极化激元传播方向的连续旋转，且在声子共振频率处完成传播方向的突变切换。

9、优选的，所述二维范德华材料覆盖层采用支持面内双曲波导模式的二维范德华材料。

10、优选的，所述二维范德华材料覆盖层支持面内双曲声子极化激元。

11、优选的，所述二维范德华材料覆盖层的厚度为50~500nm。

12、优选的，所述二维范德华材料覆盖层与三维晶体衬底之间的扭转角为0°~90°。

13、优选的，所述在声子共振频率处完成传播方向的突变切换，包括：当激发频率低于面外横向光学声子频率时，准一维极化激元随频率升高顺时针旋转；当激发频率高于声子频率时，准一维极化激元随频率升高逆时针旋转；在声子共振频率处发生传播方向的不连续跳变。

14、优选的，一种利用损耗工程的极化激元调控方法，包括：

15、构建异质结构，所述异质结构包括二维范德华材料覆盖层、三维晶体衬底；

16、通过激发光源激发出二维范德华材料覆盖层内的二维双曲极化激元；

17、以三维晶体衬底中面外横向光学声子驱动的泄漏损耗通道作为调控自由度，将所述二维双曲极化激元拓扑重构为准一维极化激元；

18、通过改变激发频率完成准一维极化激元传播方向的连续旋转和突变切换。

19、经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种利用损耗工程的极化激元调控设备及方法，利用衬底面外声子开关控制的泄漏损耗将二维双曲极化激元拓扑重构为准一维极化激元，具有以下有益效果：

20、（1）概念创新：突破了传统上将光学损耗视为需要消除的性能瓶颈的技术偏见，首次将泄漏损耗作为极化激元模式调控的有效自由度，建立了损耗工程调控极化激元的全新框架；

21、（2）调控性能优异：实现了准一维极化激元传播方向的频率可重构调控，包括连续旋转和声子共振处的突变切换，且具有极高的定向性；

22、（3）独特的无反射特性：利用准一维极化激元极端不对称的等频线，实现了超过170°超宽角度范围内的跨界面无反射传播，远优于传统双曲极化激元仅在单一角度单频率实现零反射的限制；

23、（4）普适性强：该机制可推广到多种二维范德华材料与三维单斜晶体构成的异质结体系，工作波段可覆盖约7 μm的超宽中红外光谱范围，为设计不同波段的极化激元器件提供了通用平台；

24、（5）应用前景广阔：为片上彩虹路由、无反射纳米光子互连、超快片上信息处理等应用提供了全新的技术方案。

1.一种利用损耗工程的极化激元调控设备，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种利用损耗工程的极化激元调控设备，其特征在于，所述三维晶体衬底支持体相双曲模式，作为极化激元能量泄漏通道，并具备面外横向光学声子共振特性。

3.根据权利要求1所述的一种利用损耗工程的极化激元调控设备，其特征在于，通过改变激发光源的激发频率，利用衬底面外声子共振诱导的介电函数符号反转，完成准一维极化激元传播方向的连续旋转，且在声子共振频率处完成传播方向的突变切换。

4.根据权利要求1所述的一种利用损耗工程的极化激元调控设备，其特征在于，所述二维范德华材料覆盖层采用支持面内双曲波导模式的二维范德华材料。

5.根据权利要求1所述的一种利用损耗工程的极化激元调控设备，其特征在于，所述二维范德华材料覆盖层支持面内双曲声子极化激元。

6.根据权利要求1所述的一种利用损耗工程的极化激元调控设备，其特征在于，所述二维范德华材料覆盖层的厚度为50~500nm。

7.根据权利要求1所述的一种利用损耗工程的极化激元调控设备，其特征在于，所述二维范德华材料覆盖层与三维晶体衬底之间的扭转角为0°~90°。

8.根据权利要求3所述的一种利用损耗工程的极化激元调控设备，其特征在于，所述在声子共振频率处完成传播方向的突变切换，包括：当激发频率低于面外横向光学声子频率时，准一维极化激元随频率升高顺时针旋转；当激发频率高于声子频率时，准一维极化激元随频率升高逆时针旋转；在声子共振频率处发生传播方向的不连续跳变。

9.一种利用损耗工程的极化激元调控方法，应用于权利要求1-8任一项所述的一种利用损耗工程的极化激元调控设备，其特征在于，包括：