一种频率可调控的慢光器件及其制备方法

1.本发明涉及太赫兹超材料器件领域，具体指一种频率可调控的慢光器件及其制备方法。


背景技术：

2.慢光效应是光在介质中传播时群速度变慢的物理现象，一般存在于高色散器件和媒质中。慢光效应在量子光学、非线性光学、光信息存储、光学开关等科学和应用领域都有独特的价值。实现慢光有很多方法，比如采用玻色-爱因斯坦凝聚、电磁诱导透明以及光子晶体等。利用超材料模拟电磁诱导透明现象从而产生慢光效应是一种新兴的慢光方法。超材料模拟电磁诱导透明最早由美国加州大学伯克利分校张霜等人在2008年提出，他们在超材料结构单元中利用明态和暗态谐振单元之间的耦合，实现原子系统中的电磁诱导透明现象的模拟。电磁诱导透明超材料由于具有强色散的频谱特征，在慢光器件的设计中具有广泛的应用。
3.现有的慢光器件多是不可调谐的器件，这限制了慢光的使用范围。通过将半导体、相变材料或超导材料集成到超材料单元中，然后给予外部刺激(如热激励、光激励、电场激励、磁场激励)来实现调谐。已有的可调谐慢光器件往往只能进行群时延大小的调控，慢光窗口频率可调的慢光器件非常少。因此，设计频率可调谐的慢光器件将促进慢光的进一步发展和应用。


技术实现要素：

4.针对上述现有技术存在的问题和不足，本发明的目的是提供一种频率可调控的慢光器件，实现对慢光效应的主动调控，保证调控过程中谐振强度基本不变或变化不大。
5.技术方案
6.为实现上述发明目的，本发明提供的第一种技术方案为一种频率可调控的慢光器件。所述频率可调控的慢光器件由钛酸锶基片和生长在所述钛酸锶基片上的具有电磁诱导透明现象的金属结构阵列组成。所述金属结构阵列包含多个周期性分布的金属结构单元，所述金属结构单元由条形谐振器和双开口环形谐振器组成。所述条形谐振器的中心和所述双开口环形谐振器的中心处于同一水平线上。
7.进一步的，所述钛酸锶基片的晶向为《100》，厚度为0.5mm。
8.进一步的，所述条形谐振器在太赫兹电场竖直偏振激发下的谐振频率和所述双开口环形谐振器在太赫兹电场水平偏振激发下的谐振频率一致。从而使得条形谐振器和双开口环形谐振器复合而成的器件在太赫兹电场竖直偏振激发时，透射传输谱产生电磁诱导透明窗口并产生慢光效应。
9.本发明提供的第二种技术方案为一种对所述频率可调控的慢光器件进行制备的方法，包括以下步骤：
10.(1)清洗钛酸锶基片；
11.(2)在所述钛酸锶基片上涂覆光刻胶lor-10b并烘干；
12.(3)在所述光刻胶lor-10b上涂覆光刻胶az1500并烘干；
13.(4)对所述光刻胶lor-10b和光刻胶az1500进行紫外曝光并显影；
14.(5)在所述光刻胶az1500和露出的钛酸锶基片上蒸镀一层金属薄膜；
15.(6)将蒸镀完金属薄膜的钛酸锶基片进行剥离，完成器件的制备。
16.本发明提供的第三种技术方案为一种对所述频率可调控的慢光器件进行温度调控的方法，包括以下步骤：
17.(1)将频率可调控的所述慢光器件和作为参考的钛酸锶基片固定在杜瓦的样品架上，将杜瓦放入太赫兹时域光谱系统中，使所述慢光器件的中心处于光路中光轴附近；
18.(2)将杜瓦抽到真空状态，然后降低温度到180k；
19.(3)控制杜瓦逐渐升温，利用太赫兹时域光谱系统测量不同温度下的所述器件的归一化透射谱，并求出群时延谱。
20.有益效果
21.本发明的频率可调控的慢光器件，能够实现电磁诱导透明特性并产生慢光效应，通过改变温度可以调控慢光器件的透射传输谱和群时延谱的频率，在调控过程中，透射传输谱的透明窗口强度和最大群时延大小不会发生巨大变化。
附图说明
22.图1为频率可调控的慢光器件的单元结构示意图；
23.图2为频率可调控的慢光器件的切面结构示意图；
24.图3为频率可调控的慢光器件的制备流程图；
25.图4为频率可调控的慢光器件的在不同温度下的透射传输谱；
26.图5为频率可调控的慢光器件的在不同温度下的群时延谱。
具体实施方式
27.下面结合附图和具体实施例进一步阐明本发明，但是，应当理解为这些实施例仅仅用于更详细具体地说明本发明，而不应理解为用于以任何形式限制本发明。在阅读了本发明后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本技术所附权利要求所限定的范围。
28.一、频率可调控的慢光器件的设计
29.钛酸锶具有良好的晶格结构，是一种优秀的基片材料，以钛酸锶为基片的超材料器件在调谐时，谐振强度往往不会发生巨大变化。而且钛酸锶的介电常数随温度变化明显，当温度降低时，其介电常数迅速增大，可以作为良好的调控材料。基于此，我们选择钛酸锶作为频率可调控的慢光器件的基片材料，基片厚度为0.5mm，晶向为《100》。
30.为了实现慢光效应，我们需要设计能实现电磁诱导透明现象的超材料结构，要实现电磁诱导透明，超材料结构需要一个明模和一个暗模，明模与自由空间耦合，q值较小，暗模不能直接与自由空间耦合，q值较大。明模和暗模破坏性干涉产生电磁诱导透明现象。如图1所示，我们设计辐射损耗较大，q值较小的条形谐振器作为明模，而q值较大的双开口环形谐振器作为暗模。条形谐振器的中心和双开口环形谐振器的中心处于同一水平线上。
31.为确定该结构的具体参数，用电磁场仿真软件cst进行模拟仿真，使得条形谐振器阵列在太赫兹电场竖直偏振激发下的谐振频率和双开口环形谐振器阵列在太赫兹电场水平偏振激发下的谐振频率一致。然后仿真由条形谐振器和双开口环形谐振器复合而成的电磁诱导透明器件，在太赫兹电场竖直偏振激发时，透射传输谱会产生电磁诱导透明窗口并产生慢光效应。通过cst仿真确定了器件的最佳具体参数。如图1所示，金属单元结构中，周期p＝40μm，条形谐振器长l＝34μm，宽w1＝5μm，双开口环形谐振器上下两臂x＝20μm，开口宽度g＝10μm，线宽w2＝3μm，条形谐振器和双开口环形谐振器的耦合距离s＝5μm。如图2所示，钛酸锶基片的厚度h＝0.5mm，金材质的金属单元阵列的厚度h＝200nm。
32.二、频率可调控的慢光器件的制备方法
33.按照cst仿真确定的器件具体参数制作掩模版，然后按照图3的制备流程加工制作频率可调控的慢光器件，具体步骤如下：
34.(1)清洗钛酸锶基片
35.分别使用丙酮、无水乙醇和去离子水在超声清洗池中清洗钛酸锶基片，然后用气枪吹干并放在烘台上加热以去除基片上附着的水。
36.(2)旋涂两层光刻胶
37.设置匀胶机预转速600rpm，稳定转速4000rpm，时间分别为6s和40s。先使用匀胶机在钛酸锶基片上旋涂第一层光刻胶lor-10b，匀胶结束后放在烘台上以150℃加热5分钟。然后以相同的匀胶机参数旋涂第二层光刻胶az1500，匀胶结束后放在烘台上以90℃加热5分钟。
38.(3)紫外曝光与显影
39.将旋涂了两层光刻胶的钛酸锶基片放置在abm光刻机样品台上，校准掩模版的位置，使掩模版上的图形与基片对准，图形可以完全落在基片上。校准后使掩模版和基片贴紧，进行紫外曝光，时间为7s。然后使用正胶显影液显影16s，显影时要轻轻晃动样品，显影结束马上用去离子水清洗干净并吹干。
40.(4)蒸镀金属薄膜
41.使用磁控溅射先在显影后的钛酸锶基片上蒸镀一层10nm的钛作为粘合剂，然后再蒸镀一层200nm的金。
42.(5)剥离
43.先将蒸镀完金属薄膜的钛酸锶基片浸泡在n-甲基吡咯烷酮中24到36小时，然后依次用丙酮、无水乙醇和去离子水清洗。使用显微镜观察剥离效果，如果有些线宽较小的地方没有剥离掉，就用n-甲基吡咯烷酮以40％的功率超声1分钟，循环往复直到剥离干净。
44.三、频率可调控的慢光器件的调控方法
45.(1)搭建测试系统
46.将频率可调控的慢光器件和作为参考的钛酸锶基片分别固定在配有光学窗口的低温杜瓦的样品架的上下端，将载有样品的低温杜瓦放入太赫兹时域光谱系统中待测样品位置处，使慢光器件的中心处于光路中光轴附近。
47.(2)控制测试环境
48.将低温杜瓦抽到真空状态，然后降低温度到180k。
49.(3)温度调控慢光效应
50.使用温控仪控制杜瓦逐渐升温，利用低温太赫兹时域光谱系统测量不同温度下的所述频率可调控的慢光器件的归一化透射谱，并求出群时延谱。
51.四、频率可调控的慢光器件实验结果及讨论
52.本发明设计的频率可调控的慢光器件最主要的应用方面是慢光领域。图4是器件在不同温度下的透射传输谱。从图4可知，300k时，由于明模和暗模的耦合作用，器件的透射传输谱在0.436thz附近出现一个透明窗口。随着温度降低，透射传输谱逐渐红移。在此过程中，透明窗口的幅值变化不大。
53.图5是慢光器件在不同温度下群时延谱。从图5可知，300k时，最大群时延为3.4ps。随着温度降低，群时延谱线逐渐红移。慢光窗口频率从300k时的0.436thz频移到180k时的0.325thz，总频移为111ghz，约为300k时慢光窗口频率的26％。在此过程中，最大群时延的幅值变化不大。
54.我们将不同温度下的透明窗口的中心频率和最大群时延列表如下。
55.表1
56.温度(k)透明窗口中心频率(thz)最大群时延(ps)1800.3254.32100.3593.72400.3843.32700.4263.63000.4363.4
57.总之，我们设计的频率可调控的慢光器件，能够实现电磁诱导透明特性并产生慢光效应，通过改变温度可以调控透明窗口中心频率和最大群时延的频率，在调控过程中，透明窗口强度和最大群时延大小不会发生巨大变化。该器件具有结构简单，容易实现，调控效果好等优点。根据实际需要，通过对结构的优化设计，还可以得到其他频率、幅值调控性能更好的器件。因此，可以广泛应用于慢光领域。