基于固态等离子体的可调谐光缓存器的制作方法

1.本实用新型涉及无线电通信技术领域，尤其涉及一种基于固态等离子体的可调谐光缓存器。


背景技术：

2.电磁超材料具有与普通材料不同的电磁特性，因此在固体物理、材料学、光学以及电磁学等研究领域得到极大地关注和应用。
3.近些年来，基于电磁超材料的类电磁诱导透明成为了研究的热点。电磁诱导透明是三原子系统中一个重要的量子干涉现象，其特征是使原来吸收谱中出现一个陡峭的宽带传输峰，同时在窄带传输窗口中，传输的相位发生突变，因而产生光速减慢效果以及非线性作用。然而，这种三能级原子系统中的电磁诱导透明的发生条件极为苛刻，常常需要接近绝对零度的超低温以及高强度激光，实现成本较大且实验环境难以控制，因此大大限制了电磁诱导透明在实际工程上的应用。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种基于固态等离子体的可调谐光缓存器，能够实现光缓存功能。
5.为达到上述目的，本实用新型是采用下述技术方案实现的：
6.第一方面，本实用新型提供了一种基于固态等离子体的可调谐光缓存器，包括呈l型的介质基板，所述介质基板的内侧两个基板面上均设有一个锯齿型明模谐振单元和两个齿轮型准暗模谐振单元；
7.所述锯齿型明模谐振单元包括一个横切线和两组锯齿组，所述横切线沿介质基板的基板面水平中线设置，所述横切线的两端为三角形结构，两组所述锯齿组分别靠近所述横切线两端且异侧设置，所述锯齿组包括三个长度由大到小沿所述横切线方向依次排布的锯齿；
8.所述齿轮型准暗模谐振单元包括两个八边形齿轮组，两个所述齿轮组分别靠近所述横切线两端且与所述横切线两端的所述锯齿组异侧设置。
9.进一步的，所述齿轮组包括开口八边形齿轮和闭口八边形齿轮，所述开口八边形齿轮和闭口八边形齿轮由外向内依次同心设置。
10.进一步的，所述开口八边形齿轮的开口位于远离所述横切线的一侧。
11.进一步的，所述开口八边形齿轮的开口处两端和所述开口八边形齿轮的中间对称处的材料为固态等离子体，所述开口八边形齿轮的其余本体部分和所述闭口八边形齿轮的材料为铜；
12.所述横切线的中间部分的材料为固态等离子体，所述横切线中间部分以外的其余部分材料为铜。
13.进一步的，所述横切线长为158.4μm，宽为11.4μm，所述横切线两端的三角形高为
5.7μm，从所述横切线向中间的同侧三个所述锯齿长度依次为17μm、 12μm、7μm，所述锯齿宽为4μm，所述锯齿末端的三角形高为2μm，同一侧的所述锯齿间隔为16μm，所述中间部分的固态等离子体的长度为0.5μm，靠近中间的锯齿与中间部分的固态等离子体的间隔为20.75μm。
14.进一步的，所述齿轮型准暗模谐振单元的中心与所述介质基板的中心的二维间隔为60μm和65μm；
15.所述开口八边形齿轮为内半径为27.6μm，宽为11μm，开口大小为17μm的开口八边形环；
16.所述开口八边形齿轮的开口两端增加固态等离子体部分后的开口为 13.4μm，中间对称处的固态等离子体部分宽为0.2μm；
17.所述闭口八边形齿轮为内半径为4μm，宽为2μm的闭合八边形环。
18.进一步的，所述锯齿型明模谐振单元和所述齿轮型准暗模谐振单元的厚度均为0.3μm。
19.进一步的，所述介质基板的介电常数为4.41，损耗角正切为0。
20.第二方面，本实用新型提供了一种可调谐光缓存器，包括若干个周期矩阵排列的如第一方面中所述基于固态等离子体的可调谐光缓存器。
21.进一步的，若干所述基于固态等离子体的可调谐光缓存器的周期矩阵排列为3*3矩阵。
22.与现有技术相比，本实用新型所达到的有益效果：
23.本实用新型提供的基于固态等离子体的可调谐光缓存器，通过金属铜和固态等离子体构成的明模和准暗模谐振单元间的耦合作用，产生伴随着强烈慢光效应的电磁诱导透明窗口，实现可调谐的光缓存功能；
24.通过外加电压调控实现由固态等离子体构成的谐振单元金属、介质性质的转换，以此实现电磁诱导透明窗口及相应光缓存功能的可调控性；
25.能够在较小的微米量级的物理尺寸下实现光速的减慢和光信号的缓存功能，具有可调控、功能性强、极化不敏感、低损耗等特点。
附图说明
26.图1是本实用新型实施例提供的一种基于固态等离子体的可调谐光缓存器结构单元图；
27.图2为本实用新型实施例提供的一种基于固态等离子体的可调谐光缓存器结构单元右视图；
28.图3为本实用新型实施例提供的一种基于固态等离子体的可调谐光缓存器结构单元底部图；
29.图4为本实用新型实施例提供的一种基于固态等离子体的可调谐光缓存器结构单元正视图；
30.图5为本实用新型实施例提供的一种基于固态等离子体的可调谐光缓存器结构单元阵列(3*3)图；
31.图6为本实用新型实施例提供的一种基于固态等离子体的可调谐光缓存器 te模
式电磁波垂直入射时的状态一和状态二的透射曲线；
32.图7为本实用新型实施例提供的一种基于固态等离子体的可调谐光缓存器te模式电磁波垂直入射时的状态一和状态二的群折射率变化曲线；
33.图中：
34.1、介质基板；2、开口八边形齿轮；3、横切线；4、闭口八边形齿轮；5、锯齿组；6、开口处两端；7、中间对称处；8、横切线中间部分。
具体实施方式
35.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。
36.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。
37.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。
38.实施例1
39.如图1至图4所示，本实用新型实施例提供了一种基于固态等离子体的可调谐光缓存器，包括l型介质基板1，介质基板1内侧的两个锯齿型明模谐振单元和四个齿轮型准暗模谐振单元。l型介质基板1由两个基板相互垂直连接而成，可以是组装或一体成型结构。
40.锯齿型明模谐振单元包括一个横切线3和两组锯齿组5，横切线3沿介质基板1的基板面水平中线设置，横切线3的两端为三角形结构，两组锯齿组5分别靠近横切线3两端且异侧设置，锯齿组5包括三个长度由大到小沿横切线3 方向依次排布的锯齿；
41.齿轮型准暗模谐振单元包括两个八边形齿轮组，两个齿轮组分别靠近所述横切线3两端且与横切线3两端的锯齿组5异侧设置。
42.在本实施例中，齿轮组包括开口八边形齿轮2和闭口八边形齿轮4，开口八边形齿轮2和闭口八边形齿轮4由外向内依次同心设置。
43.具体地，开口八边形齿轮2的开口位于远离所述横切线3的一侧。
44.在本实施例中，开口八边形齿轮2的开口处两端6和开口八边形齿轮2的中间对称处7的材料为固态等离子体，开口八边形齿轮2的其余本体部分和闭口八边形齿轮4的材料为铜；
45.具体地，横切线中间部分8的材料为固态等离子体，横切线中间部分8以外的其余
部分材料为铜。
46.在本实施例中，该光缓存器的谐振单元通过外加电压调控。谐振单元的固态等离子体部分具有状态一和状态二两种模式。
47.其中，状态一为激励状态，呈金属特性，介电常数由drude模型描述，其公式如下：
[0048][0049]
其本征介电常数为ε
∞
＝12.4，等离子体频率为ω
p
＝2.9
×
10
15
rad/s，碰撞频率为ω
c
＝1.65
×
10
12
s
‑1，通过施加外加电压增加它的载流子密度达到激励状态。
[0050]
状态二为非激励状态，呈介质特性。
[0051]
本实用新型实施例提供的一种基于固态等离子体的可调谐光缓存器的工作原理为：
[0052]
该光缓存器对于入射的电磁波是极化不敏感的，电磁波垂直入射时，入射场的能量直接耦合到明模、准暗模谐振单元，明模能量大部分耦合给准暗模，准暗模的能量又再次耦合回明模，形成类似于三原子系统中电子跃迁的两条通道，产生类电磁诱导透明现象，同时伴随着相位的急剧变化和强烈的慢光特性。
[0053]
基于具有强烈慢光效应的电磁诱导透明窗口，实现光信号的缓存功能。同时基于可谐调材料固态等离子体，通过外加电压调控实现由固态等离子体构成的谐振单元状态一时的金属特性与状态二时的介质特性的转换，以此实现电磁诱导透明窗口及相应光缓存功能的可调控性。
[0054]
本实用新型实施例提供的一种基于固态等离子体的可调谐光缓存器由若干个锯齿型明模谐振单元和齿轮型准暗模谐振单元周期排列而成。结构单元的外侧是介质基板1，内侧是谐振结构(锯齿型明模谐振单元和齿轮型准暗模谐振单元)。
[0055]
介质基板1为两块分别位于x
‑
z平面、y
‑
z平面的互相垂直且边界处相连的方形介质基板1组成，其介电常数为4.41，损耗角正切为0。
[0056]
在本实施例中，周期排列而成的可调谐光缓存器的结构单元阵列(3
×
3)如图 5所示。
[0057]
本实用新型实施例提供的基于固态等离子体的可调谐光缓存器，能够在太赫兹波段实现良好的光缓存功能。
[0058]
如图2至图4所示，本实用新型实施例提供的一种基于固态等离子体的可调谐光缓存器，介质基板1内侧的明模谐振单元厚度t2＝0.3μm，由两个带有锯齿的横切线3组成，分别位于x
‑
z平面、y
‑
z平面的介质基板1的中心，横切线3 两端为三角形，从中间向两端各有三个长度由小到大且两端异侧排列的锯齿，在各自平面内关于原点中心对称。横切线中间部分8材料为固态等离子体，其余部分材料为铜。
[0059]
在本实施例中，锯齿型横切线3长l1＝158.4μm，宽w3＝11.4μm，两端三角形高s1＝5.7μm，从横切线3向中间的同侧锯齿长度依次为l2＝17μm，l3＝12μm， l4＝7μm，锯齿宽w4＝4μm，锯齿末端的三角形高s2＝2μm，同一侧的锯齿间隔p2＝16μm，中间固态等离子体部分的长度为c＝0.5μm，靠近中间的锯齿与中间固态等离子体部分间隔p1＝20.75μm。
[0060]
介质基板1内侧的准暗模谐振单元厚度t2＝0.3μm，由四个开口齿轮型谐振结构和每个开口齿轮型谐振结构中心的闭合齿轮型谐振结构组成，在x
‑
z平面、 y
‑
z平面的介质基
板1内侧分别有两个开口齿轮型谐振结构和闭合齿轮型谐振结构，放置于锯齿型横切线3的两侧，在各自平面内关于原点中心对称。开口齿轮型谐振结构的开口处两端6和中间对称处7(如图3白色部分)材料为固态等离子体，如图3中的，开口齿轮型谐振结构的其余部分和闭合齿轮型谐振结构材料为铜。
[0061]
齿轮型谐振结构中心与介质基板1中心间隔m＝60μm，n＝65μm。开口齿轮型谐振结构为内半径r1＝27.6μm，宽w1＝11μm，开口g3＝17μm的开口八边形环，开口两端增加固态等离子体部分后开口g2＝13.4μm，中间对称处7的固态等离子体部分宽g1＝0.2μm。闭合齿轮型谐振结构为内半径r2＝4μm，宽w2＝2μm 的闭合八边形环。介质基板1为两块分别位于x
‑
z平面、y
‑
z平面的互相垂直且边界处相连的方形介质基板1组成，厚度t1＝9.6μm，沿x轴方向长a＝256μm，沿z轴方向长b＝212μm。
[0062]
该可调谐光缓存器的相关参数如下表1所示。
[0063]
表1谐振单元的相关参数
[0064][0065][0066]
如图6所示，本实用新型实施例提供的可调谐光缓存器te模式工作时的透射曲线。
[0067]
在状态一时，该光缓存器在透射窗口中位于0.527 thz处有一个低频谷点，位于0.613 thz处有一个高频谷点，位于0.564 thz处有一个透射峰，透射峰值为88.90％。
[0068]
在状态二时，该光缓存器在透射窗口中位于0.74 thz处有一个低频谷点，位于0.8455 thz处有一个高频谷点，位于0.7815 thz处有一个透射峰，透射峰值为92.80％。从状态一到状态二，实现了0.2175 thz的透射峰频率移动。
[0069]
如图7所示，本实用新型实施例提供的可调谐光缓存器te模式工作时的群折射率变化图，灰色区域为电磁诱导透明窗口。
[0070]
群折射率由公式：
[0071]
n
g
＝(v/t)
×
τ
g
[0072]
计算得出，其中，τ
g
表示群时延，表示传输相位，n
g
表示群折射率，t表示电磁波入射时穿过的结构厚度，v表示真空中光速。
[0073]
由图7可知，在状态一时，该光缓存器件在透射窗口中位于0.527 thz处有一个群折射率峰值，最大群折射率为1350；在状态二时，该光缓存器件在透射窗口中位于0.74 thz处有一个群折射率峰值，最大群折射率为459。
[0074]
上述表明在状态一或状态二时，当入射电磁波通过该光缓存器件所花的时间是通过相同厚度空气所花的时间的1350或459倍，具有强烈的慢光效应，实现对光信号的缓存功能。
[0075]
实施例2
[0076]
本实用新型实施例提供的一种可调谐光缓存器，包括若干个周期矩阵排列的如实施例1中所述基于固态等离子体的可调谐光缓存器。
[0077]
具体地，若干所述基于固态等离子体的可调谐光缓存器的周期矩阵排列为 3*3矩阵。
[0078]
在经过特定的设计(介质基板1和谐振单元的位置、尺寸和形状，电压控制)后，本实用新型通过明模、准暗模谐振单元的耦合作用产生伴随着强烈慢光效应的电磁诱导透明窗口以及可谐调材料固态等离子体，实现了可谐调的光缓存功能。
[0079]
通过改变外加电压，改变固态等离子体的载流子密度，实现具有金属特性的激励状态和具有介质状态的非激励状态的转变，从而在不改变结构的情况下实现可调的电磁诱导透明窗口及相应的光缓存功能。
[0080]
同时通过将一个平面的介质基板1和谐振单元结构旋转90度实现极化不敏感特性，通过旋转准暗模谐振单元结构实现低损特性。本实用新型可以在较小的物理尺寸下实现可调谐的光缓存功能，具有可调控、设计灵活、功能性强、极化独立、低损耗等特点。
[0081]
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。