缺陷光栅超表面的免磁太赫兹隔离器及控制方法
本发明涉及太赫兹波隔离器，尤其涉及一种缺陷光栅超表面的免磁太赫兹隔离器及控制方法。
背景技术：
1、太赫兹波(terahertz,thz)是指电磁频率范围在0.1thz-10thz范围内的一段电磁波，太赫兹波在电磁波波谱中的位置介于微波与红外波段之间，其波长位于电子学与光学之间，使得太赫兹波具有微波和红外波段的一些特性，相比于微波和红外光波，太赫兹波具有非电离、宽带、对非极性材料吸收小等特点。太赫兹频率通常被称为“thz gap”，这是因为它被夹在微波和红外电磁能量之间，许多障碍和困难使科学家和工程师无法探索这一光谱规律。目前，太赫兹波在生物医学、材料识别、光谱学和成像等领域都有广泛的研究，研究太赫兹波谱具有十分重要的科学价值和应用前景。太赫兹功能器件对于这些太赫兹应用至关重要。其中太赫兹隔离器只允许正向电磁波通过，禁止反向电磁波通过。该器件表现出非互易性的单向导通器件可以类比电学的二极管，是未来太赫兹系统的基本单元器件之一，在太赫兹源的保护、消除多路径干涉以及抑制多余太赫兹信号等方面具有重要价值，对于各种太赫兹系统的搭建与实现都极具重要性。传统的太赫兹隔离器依赖太赫兹磁光效应，法拉第旋光效应等方案。但无论是磁光材料还是用来产生磁场的磁铁均无法与当前的半导体大规模集成工艺兼容，多数太赫兹隔离器存在结构笨重和偏置磁场强等缺点。为了实现太赫兹系统的集成，开发免磁太赫兹隔离器件具有重要意义。
技术实现思路
1、本发明的目的是为了克服现有技术难以集成，结构复杂的不足，提供一种缺陷光栅超表面的免磁太赫兹隔离器。
2、为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：
3、第一方面，本发明提供了一种缺陷光栅超表面的免磁太赫兹隔离器，该免磁太赫兹隔离器由若干缺陷光栅超表面单元结构周期排布拼接而成；所述缺陷光栅超表面单元结构包括衬底和基光栅，所述基光栅由光栅底层以及平行布置于光栅底层上的第一光栅和第二光栅组成，且第二光栅上靠近第一光栅侧的顶角处通长设有缺陷，第一光栅的横截面形状为矩形，第二光栅的横截面形状为直角台阶形；第一光栅的宽度与第二光栅的最大宽度相同，第一光栅的厚度与第二光栅的最大厚度相同；该免磁太赫兹隔离器以衬底与空气的接触面为第一端口，以基光栅与空气的接触面为第二端口。
4、作为上述第一方面的优选，所述衬底的厚度为40μm～70μm。
5、作为上述第一方面的优选，所述基光栅的厚度为20μm～60μm，光栅底层厚度为5μm～20μm；第一光栅和第二光栅的间距为10μm～30μm；第一光栅的宽度与第二光栅的最大宽度均为30μm～50μm；第二光栅上的缺陷深度为25μm～38μm，缺陷宽度为10μm～25μm。
6、作为上述第一方面的优选，所述缺陷光栅超表面单元结构的周期为200μm～300μm。
7、作为上述第一方面的优选，相邻缺陷光栅超表面单元结构之间的第一光栅和第二光栅间距为10μm～30μm。
8、作为上述第一方面的优选，所述衬底的材质采用二氧化硅。
9、作为上述第一方面的优选，所述基光栅的材质采用硅，硅的非线性折射率n2＝1.12×10-12cm2/w。
10、第二方面，本发明提供了一种如上述第一方面任一项方案所述免磁太赫兹隔离器的控制方法，其包含线性条件和非线性条件两种控制模式；
11、在线性条件下，从第一端口到第二端口以及从第二端口到第一端口均可实现太赫兹波传输，由此该免磁太赫兹隔离器结构无法实现非互易传输；
12、在非线性条件下，通过调节入射光强度，实现从第一端口到第二端口可传输太赫兹波，从第二端口到第一端口无法传输太赫兹波，由此该免磁太赫兹隔离器结构能实现非互易传输，达到太赫兹波隔离目的。
13、相对于现有技术而言，本发明的有益效果如下：
14、本发明设计了一种缺陷光栅超表面的免磁太赫兹隔离器，其利用材料的非线性与超表面结构的不对称性相结合，通过改变结构参数来调节非互易强度，实现对太赫兹波的非互易传输调控。本发明设计的免磁太赫兹隔离器件结构简单，操作功率低，无需外加外部磁场偏置，可用于未来太赫兹集成系统中。
技术特征：
1.一种缺陷光栅超表面的免磁太赫兹隔离器，其特征在于，由若干缺陷光栅超表面单元结构周期排布拼接而成；所述缺陷光栅超表面单元结构包括衬底(3)和基光栅，所述基光栅由光栅底层(4)以及平行布置于光栅底层(4)上的第一光栅(5)和第二光栅(6)组成，且第二光栅(6)上靠近第一光栅(5)侧的顶角处通长设有缺陷(7)，第一光栅(5)的横截面形状为矩形，第二光栅(6)的横截面形状为直角台阶形；第一光栅(5)的宽度与第二光栅(6)的最大宽度相同，第一光栅(5)的厚度与第二光栅(6)的最大厚度相同；该免磁太赫兹隔离器以衬底(3)与空气的接触面为第一端口(1)，以基光栅与空气的接触面为第二端口(2)。
2.根据权利要求1所述的一种缺陷光栅超表面的免磁太赫兹隔离器，其特征在于，所述衬底(3)的厚度为40μm～70μm。
3.根据权利要求1所述的一种缺陷光栅超表面的免磁太赫兹隔离器，其特征在于，所述基光栅的厚度为20μm～60μm，光栅底层(4)厚度为5μm～20μm；第一光栅(5)和第二光栅(6)的间距为10μm～30μm；第一光栅(5)的宽度与第二光栅(6)的最大宽度均为30μm～50μm；第二光栅(6)上的缺陷(7)深度为25μm～38μm，缺陷(7)宽度为10μm～25μm。
4.根据权利要求1所述的一种缺陷光栅超表面的免磁太赫兹隔离器，其特征在于，所述缺陷光栅超表面单元结构的周期为200μm～300μm。
5.根据权利要求1所述的一种缺陷光栅超表面的免磁太赫兹隔离器，其特征在于，相邻缺陷光栅超表面单元结构之间的第一光栅(5)和第二光栅(6)间距为10μm～30μm。
6.根据权利要求1所述的一种缺陷光栅超表面的免磁太赫兹隔离器，其特征在于，所述衬底(3)的材质采用二氧化硅。
7.根据权利要求1所述的一种缺陷光栅超表面的免磁太赫兹隔离器，其特征在于，所述基光栅的材质采用硅，硅的非线性折射率n2＝1.12×10-12cm2/w。
8.一种如权利要求1所述免磁太赫兹隔离器的控制方法，其特征在于，包含线性条件和非线性条件两种控制模式；
技术总结
本发明公开了一种缺陷光栅超表面的免磁太赫兹隔离器及控制方法，属于太赫兹器件领域。该太赫兹隔离器由若干单元结构周期拼接而成，该单元结构包括二氧化硅衬底和含缺陷光栅的硅超表面。本发明利用材料的非线性与超表面结构的不对称性相结合，通过改变结构参数来调节非互易强度，实现对太赫兹波的非互易传输调控。本发明设计的免磁太赫兹隔离器件结构简单，操作功率低，无需外加外部磁场偏置，可用于未来太赫兹集成系统中。
技术研发人员：李九生,刘亚丽,郭风雷
受保护的技术使用者：中国计量大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5