基于宽带电磁诱导透明的多功能慢光器件的制作方法

1.本实用新型涉及无线电通信技术领域，尤其涉及基于宽带电磁诱导透明的多功能慢光器件。


背景技术：

2.现在己经广泛应用于电磁诱导透明的并且深入研究的电磁超材料有很多种，包含了固态等离子体、石墨烯、液晶等超材料。其中，石墨烯超材料作为一种具有蜂窝状晶格结构的二维材料，不仅在光电学、力学等方面有出色特性，而且在电磁场、栅极电压和化学掺杂等因素控制下的表面电导率可调，已成为具有良好前景的材料。
3.电磁诱导透明效应原属于原子领域，即介质在其谐振吸收频率处，由于强耦合光束的干涉作用，在探测光入射时，于原能级处产生尖锐透射的光学现象。伴随电磁诱导透明效应产生的高强色散及折射率急剧变化，使之能够有效地应用于慢光器件、光开关、光储存、光信号处理等领域。但是这种三原子系统中的电磁诱导透明需要低温和高强度激光等苛刻的实验条件，大大限制了电磁诱导透明的应用。为此，利用电磁超材料模拟三原子系统中的电磁诱导透明，通过明模和暗模或准暗模的耦合作用实现电磁诱导透明窗口，引起了极大的关注。
4.目前，很多研究人员已经提出了各种类型各种形制的慢光器件，大多数慢光器件仅能在某一单一波段有良好的慢光效果，无法实现宽频带范围的慢光效应。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种基于宽带电磁诱导透明的多功能慢光器件，能够在太赫兹波段有宽频带范围的慢光效应。
6.为达到上述目的，本实用新型是采用下述技术方案实现的：
7.本实用新型提供了一种基于宽带电磁诱导透明的多功能慢光器件，包括介质基板；
8.所述介质基板的顶表面上固定设有石墨烯准暗模谐振单元，所述石墨烯准暗模谐振单元包括四个准暗模谐振子单元，所述准暗模谐振子单元呈笑脸型结构，每个所述准暗模谐振子单元的笑脸型结构绕原点中心旋转90度后与相邻所述准暗模谐振子单元的笑脸型结构相同；
9.所述介质基板的底表面上固定设有石墨烯明模谐振单元，所述石墨烯明模谐振单元包括呈正八边环型的第一明模谐振子单元和呈八瓣花型的第二明模谐振子单元，所述第一明模谐振子单元和所述第二明模谐振子单元均以所述原点中心为中心点设置。
10.进一步的，所述准暗模谐振子单元和所述石墨烯明模谐振单元均采用可动态调谐的石墨烯材料。
11.进一步的，若干所述石墨烯明模谐振单元和若干所述石墨烯准暗模谐振单元均呈周期性阵列均匀排布。
12.进一步的，所述第二明模谐振子单元的每个八瓣花型的花瓣沿所述第一明模谐振子单元的正八边环型内角点与所述原点中心的连线设置。
13.进一步的，所述石墨烯明模谐振单元的厚度为0.001μm。
14.进一步的，所述第一明模谐振子单元的正八边环型的内半径为3.8μm，外半径为5.8μm；
15.所述第二明模谐振子单元的八瓣花型的内部花蕊结构半径为0.2μm的圆，外部花瓣结构为长半径是0.2μm、短半径是0.1μm的椭圆，所述内部花蕊结构和所述外部花瓣结构间隔为0.1μm。
16.进一步的，所述准暗模谐振子单元包括一个圆弧台和两个圆柱体，所述圆柱体对称地位于所述圆弧台两端的外侧，所述圆柱体相距所述圆弧台一定距离。
17.进一步的，所述石墨烯准暗模谐振单元的厚度为0.001μm。
18.进一步的，所述圆弧台的内半径为1.65μm、外半径为2.85μm以及高度为2.2μm，所述圆柱体的半径为0.4μm。
19.进一步的，所述介质基板为正方形板所述介质基板的边长为13μm，厚度为0.5μm，所述介质基板的介电常数为3.1，损耗角正切为0。
20.与现有技术相比，本实用新型所达到的有益效果：
21.本实用新型提供的基于宽带电磁诱导透明的多功能慢光器件，通过明模、准暗模谐振单元的耦合作用以及在此慢光器件基础上适当地增加谐振频差，能够实现宽频带的电磁诱导透明窗口和大范围的波速减慢效果；
22.利用本实用新型提供的慢光器件，通过外加门电压的调控实现石墨烯费米能级、电导率的转变，以此实现慢光器件的动态调控；
23.利用本实用新型提供的慢光器件，采用可谐调材料石墨烯和电磁诱导透明的传输峰和传输谷，实现光开关功能；
24.本实用新型的慢光器件通过采用石墨烯超材料构成的谐振单元，使之在不改变谐振结构的条件下实现动态调节，并可以在较小的物理尺寸下实现对太赫兹电磁波的波速减慢效果，具有设计灵活、功能性强、可动态调控等特点。
附图说明
25.图1为本实用新型实施例提供的一种基于宽带电磁诱导透明的多功能慢光器件的结构示意图；
26.图2为本实用新型实施例提供的一种基于宽带电磁诱导透明的多功能慢光器件的石墨烯明模谐振单元的结构示意图；
27.图3为本实用新型实施例提供的一种基于宽带电磁诱导透明的多功能慢光器件中呈八瓣花型的第二明模谐振子单元的结构示意图；
28.图4为本实用新型实施例提供的一种基于宽带电磁诱导透明的多功能慢光器件的石墨烯准暗模谐振单元的结构示意图；
29.图5为本实用新型实施例提供的一种基于宽带电磁诱导透明的多功能慢光器件的侧视图；
30.图6为本实用新型实施例提供的一种基于宽带电磁诱导透明的多功能慢光器件的
底部阵列图；
31.图7为本实用新型实施例提供的一种基于宽带电磁诱导透明的多功能慢光器件的顶部阵列图；
32.图8为本实用新型实施例提供的一种基于宽带电磁诱导透明的多功能慢光器件的te模式电磁波垂直入射时的不同费米能级ef的透射曲线；
33.图9为本实用新型实施例提供的一种基于宽带电磁诱导透明的多功能慢光器件的te模式电磁波垂直入射时的不同费米能级ef的群折射率变化曲线；
34.图中：
35.1、石墨烯明模谐振单元；2、石墨烯准暗模谐振单元；3、介质基板。
具体实施方式
36.下面结合附图对本实用新型作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。
37.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，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”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
38.在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”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，可以通过具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
39.如图1所示，本实用新型实施例提供了一种基于宽带电磁诱导透明的多功能慢光器件，能够通过明模谐振单元和准暗模谐振单元的耦合作用以及适当地增加谐振频差，实现宽带的电磁诱导透明窗口和大范围的波速减慢效果，并利用可谐调材料石墨烯和电磁诱导透明的传输峰和传输谷，实现光开关功能。同时使用石墨烯可谐调材料作为谐振单元，通过外加门电压动态调控实现在太赫兹波段的可调谐透射窗口和慢光效应。其中，超材料慢光器件由结构单元周期排列而成。
40.如图1至图5所示，一种基于宽带电磁诱导透明的多功能慢光器件，其结构包括介质基板3，介质基板下方的石墨烯明模谐振单元1和介质基板上方的石墨烯准暗模谐振单元2。
41.该多功能慢光器件的谐振单元由石墨烯构成，它的介电常数公式如下：
[0042][0043]
d2为石墨烯厚度，ω为角频率，ε0为真空介电常数，σ为石墨烯电导率，其电导率可
由kubo模型描述，公式如下：
[0044][0045]
e为电子电量，k
b
为玻尔兹曼常数，为约化普朗克常数，ω为角频率，e
f
为石墨烯费米能级，温度为t＝300k，载流子弛豫寿命为τ＝10ps。该多功能慢光器件的石墨烯谐振单元通过外加门电压动态调控。
[0046]
基于宽带电磁诱导透明的多功能慢光器件对于入射的电磁波是极化不敏感的，电磁波垂直入射时，通过明模、准暗模谐振单元的耦合作用，实现了电磁诱导透明窗口和波速减慢效果。不同外加门电压下透射窗口及波速减慢效果的差异是由于石墨烯谐振单元的介电常数受可由外加门电压调控的费米能级影响，在不同费米能级下，石墨烯谐振单元的电导率、介电常数不同，产生谐振效果不同，电磁诱导透明窗口及相应的慢光效应不同。通过适当地增加明模谐振单元和准暗模谐振单元的谐振频差，使得电磁诱导透明窗口带宽展宽，实现宽带的慢光效应。同时通过可谐调材料石墨烯和电磁诱导透明窗口的传输峰和传输谷，实现光开关功能。
[0047]
如图6和图7所示，基于宽带电磁诱导透明的多功能慢光器件由若干个谐振单元周期排列而成。结构单元中间是介质基板3，介质基板3底部是明模谐振单元1，介质基板3顶部是准暗模谐振单元2，介质基板3的介电常数为3.1，损耗角正切为0。在本实施例中，其结构单元阵列(3
×
3)，如图6、7所示。
[0048]
在本实施例中，基于宽带电磁诱导透明的多功能慢光器件，谐振单元的材料是石墨烯超材料。
[0049]
在本实施例中，基于宽带电磁诱导透明的多功能慢光器件，能够在宽的太赫兹波段实现良好的慢光效应。
[0050]
如图1
‑
图5所示，在本实施例中，基于宽带电磁诱导透明的多功能慢光器件，介质基板3底部的石墨烯明模谐振单元1厚度d2＝0.001μm，由一个呈正八边环型的第一明模谐振子单元和一个呈八瓣花型的第二明模谐振子单元组合而成，其中，第二明模谐振子单元的花型呈“八瓣千里光”结构，并在x
‑
y平面内关于原点中心对称。
[0051]
八边形环内半径r1＝3.8μm，外半径r2＝5.8μm。内部花型“八瓣千里光”花蕊为半径r3＝0.2μm的圆，花瓣为长半径r4＝0.2μm、短半径r5＝0.1μm的椭圆，花瓣与花蕊间隔p＝0.1μm。
[0052]
介质基板3顶部的准暗模谐振单元2厚度d2＝0.001μm，由四个“笑脸”结构的准暗模谐振子单元组合而成，在x
‑
y平面内关于原点中心对称，并且相邻两个“笑脸”由绕原点中心旋转90度得到。
[0053]
准暗模谐振子单元包括一个圆弧台和两个圆柱体，圆柱体对称地位于所述圆弧台两端的外侧，圆柱体相距所述圆弧台一定距离，共同构成“笑脸”型。其中，圆弧台即可看做“笑脸”的“嘴巴”，其为内半径r6＝1.65μm，外半径r7＝2.85μm，高度l＝2.2μm的部分圆环；两个圆柱体即可看作是“笑脸”的“眼睛”，其横截面为半径r8＝0.4μm的圆。
[0054]
在本实用新型的一种实施例中，该多功能慢光器件的相关参数如下表1所示。
[0055]
参数ad1d2lmn
数值(μm)130.50.0012.21.41.4参数pr1r2r3r4r5数值(μm)0.13.85.80.20.60.1参数r6r7r8s
ꢀꢀ
数值(μm)1.652.850.43
ꢀꢀ
[0056]
表1多功能慢光器件的相关参数
[0057]
如图8所示，是该多功能慢光器件te模式工作时的透射曲线。在费米能级为0.4ev时，该慢光器件在透射窗口中位于1.988thz处有一个低频谷点，位于3.14thz处有一个高频谷点，位于2.608thz处有一个透射峰，透射峰值为99.87％，该慢光器件在频带2.1584thz到2.97thz内的透射系数高于80％，其相对带宽为31.7％。当费米能级不同时，其透射窗口的相关结果数据不同，具体如表2所示。
[0058]
如图9所示，是该多功能慢光器件te模式工作时的群折射率变化图。群折射率由公式n
g
＝(c/d)
×
τ
g
计算得出，τ
g
表示群时延，表示传输相位，n
g
表示群折射率，d表示结构厚度。
[0059]
由图8可知，费米能级为0.1ev时，该慢光器件在透射窗口中位于1.5656thz处有一个群折射率峰值，最大群折射率为1104，表明当入射电磁波通过该慢光器件所花的时间是通过相同厚度空气所花的时间的1104倍，实现波速减慢功能。当费米能级不同时，其透射窗口的群折射率不同，具体如下表2所示。
[0060][0061]
[0062]
表2多功能慢光器件的相关结果数据
[0063]
在经过特定的设计(石墨烯谐振单元的尺寸和形状，费米能级控制)后，本实用新型通过明模、准暗模谐振单元的耦合作用实现了宽带的可谐调电磁诱导透明窗口和波速减慢功能。通过改变外加门电压，改变石墨烯的费米能级，在不改变结构的情况下实现动态可调的电磁诱导透明窗口及相应的慢光效应。同时利用电磁诱导透明窗口的传输峰和传输谷以及不同费米能级下该频率处传输峰、传输谷的转换，实现光开关功能。
[0064]
该多功能慢光器件设计为中心对称结构，实现了极化不敏感特性。该多功能慢光器件的准暗模准暗模谐振结构由旋转90度得到，实现了低损耗特性。本实用新型可以在较小的物理尺寸下实现慢光效应和光开关功能，具有设计灵活，功能性强，可动态调控，极化独立，低损耗，功能多样等特点。
[0065]
综上，本实用新型提供的基于宽带电磁诱导透明的多功能慢光器件，通过明模、准暗模谐振单元的耦合作用以及在此慢光器件基础上适当地增加谐振频差，能够实现宽频带的电磁诱导透明窗口和大范围的波速减慢效果；
[0066]
利用本实用新型提供的慢光器件，通过外加门电压的调控实现石墨烯费米能级、电导率的转变，以此实现慢光器件的动态调控；
[0067]
利用本实用新型提供的慢光器件，采用可谐调材料石墨烯和电磁诱导透明的传输峰和传输谷，实现光开关功能；
[0068]
本实用新型的慢光器件通过采用石墨烯超材料构成的谐振单元，使之在不改变谐振结构的条件下实现动态调节，并可以在较小的物理尺寸下实现对太赫兹电磁波的波速减慢效果，具有设计灵活、功能性强、可动态调控等特点。以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本实用新型的保护范围。