本發(fā)明涉及微納光學(xué)器件領(lǐng)域，尤其涉及光學(xué)器件和單向?qū)РńY(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

電磁波光學(xué)器件是一種用于電磁波單向傳輸?shù)幕ヒ仔怨鈱W(xué)器件，其在通訊、光電集成，光傳輸?shù)阮I(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。利用磁致旋光效應(yīng)和晶體的雙折射效應(yīng)是兩種經(jīng)典的實現(xiàn)光學(xué)器件和單向?qū)РńY(jié)構(gòu)的兩個基本原理。然而受限于自然界中磁致旋光材料和雙折射介質(zhì)的性能，通過這兩種經(jīng)典原理制作的光學(xué)器件尺寸較大，單向?qū)ǖ男阅芎筒◣Х秶卜浅Ｓ邢?，極大限制了其在目前光集成器件等方向的應(yīng)用。

人工結(jié)構(gòu)材料是最近發(fā)展起來的一種基于人工電磁結(jié)構(gòu)單元的電磁特異性材料，通過控制電磁單元的形貌、尺寸以及單元的排列方式，能夠有效實現(xiàn)對器件的電磁性能的操控。通過這種方式，科學(xué)家已經(jīng)實現(xiàn)了負折射率超材料、隱身斗篷、超全息等通過自然介質(zhì)無法實現(xiàn)了一些特殊材料和器件。非互易性電磁器件是人工結(jié)構(gòu)材料研究領(lǐng)域中非常重要的研究方向之一，目前已經(jīng)發(fā)展出兩類最具特色的實用型非互易性電磁器件：一類是基于光子晶體的非互易性電磁器件。其適用于任意線性偏振光的單向傳輸；另外一類是基于手性超材料的費互易性電磁器件。其適用于圓偏振光的單向傳輸。這些基于人工電磁材料的單向波導(dǎo)器件具有體積小、易于集成化等等優(yōu)點，然而在單向傳輸?shù)男阅苌厦鎱s存在很多缺點。

現(xiàn)有技術(shù)的技術(shù)方案有：

(1)光隔離器：又稱光單向器，是一種光非互易傳輸?shù)墓饫w無源器件。其利用磁光材料對光偏振態(tài)調(diào)整的非互易性實現(xiàn)光信號的正向傳輸，同時抑制反向光，即具有不可逆性。根據(jù)光隔離器的偏振特性可將隔離器分為偏振相關(guān)型和偏振無關(guān)型。

(2)光子晶體：光子晶體是一種某些性質(zhì)周期性變化的人造納米結(jié)構(gòu)材料，通常這種材料的電容率(也稱介電常數(shù))呈周期性變化，可以產(chǎn)生“光子帶隙”從而使光的傳播變得可控。光子晶體的實現(xiàn)也是通過有目的的摻雜，使晶體具備控制光傳播的能力。光子帶隙：指某一頻率范圍的波不能在此周期性結(jié)構(gòu)中傳播，即這種結(jié)構(gòu)本身存在“禁帶”。由于光子晶體禁帶的存在，在其中的光波只能被限制在線缺陷內(nèi)進行傳輸。而對磁光光子晶體構(gòu)成的單向波導(dǎo)，由于它的表面模式具有單向傳播的特性，其構(gòu)成的波導(dǎo)即所謂的單向波導(dǎo)。

(3)非對稱傳輸：三維手性材料顯示出圓雙折射和圓二向色性，而平面各向異性手性材料顯示出圓轉(zhuǎn)換二向色性。對于三維手性材料，圓雙折射特性將旋轉(zhuǎn)入射電磁波的偏振態(tài)，圓二向色性導(dǎo)致右旋、左旋圓偏振光不同的透射率，這兩種現(xiàn)象都與光的傳播方向無關(guān)。對于二維手性材料，圓轉(zhuǎn)換二向色性導(dǎo)致右旋、左旋圓偏振光之間不同的圓轉(zhuǎn)換效率，當(dāng)光反向通過二維手性材料時，圓轉(zhuǎn)換效率倒置，因此相同旋性的偏振光正反2個方向通過二維手性材料時透過率不同，導(dǎo)致非對稱傳輸。

現(xiàn)有技術(shù)的缺點：

(1)、傳統(tǒng)器件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大，無法實現(xiàn)器件的小型化，以及用于現(xiàn)代的集成光子器件當(dāng)中；

(2)、傳統(tǒng)器件的加工工藝流程繁瑣、加工成本昂貴；

(3)、傳統(tǒng)的由人工電磁結(jié)構(gòu)加工而成的器件的工作波段很窄，不適用寬波帶的需求，同時正反向透射率的比值比較??；

(4)、傳統(tǒng)的基于磁致旋光效應(yīng)的器件，對入射電磁波的偏振態(tài)非常敏感。在非理想偏振光的照射下，器件的能量利用效率很低；

(5)、傳統(tǒng)的光學(xué)器件和單向?qū)РńY(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍很窄，比如，無法適用于波導(dǎo)、太陽能電池等需要對電磁波進行高效耦合輸入的器件當(dāng)中。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：提供一種光學(xué)器件和單向?qū)РńY(jié)構(gòu)，實現(xiàn)電磁波的非對稱傳輸。

為解決上述問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：光學(xué)器件，包括基底以及基底上周期性排列的棱臺，所述棱臺為金字塔結(jié)構(gòu)?；咨现芷谂帕械睦馀_會形成光子晶體，可以有選擇的使某個波段的光通過；同時，光波從空間介質(zhì)中入射到棱臺時，將棱臺做成類似金字塔的上大下小結(jié)構(gòu)，能夠有效實現(xiàn)非對稱傳輸，進而產(chǎn)生電磁波正反向?qū)实牟町悺?/p>

經(jīng)過實驗，我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)光從一個介質(zhì)中入射到另一個介質(zhì)中時，在兩種介質(zhì)的界面上面做一些類似金字塔的上大下小結(jié)構(gòu)，能夠有效實現(xiàn)非對稱傳輸。本發(fā)明正是利用上述實驗結(jié)果，將棱臺做成類似金字塔的上大下小結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)電磁波的非對稱傳輸；同時，將棱臺周期地排列，形成光子晶體，通調(diào)整排列的周期，可以有選擇的使某個波段的光通過。

調(diào)整棱臺的頂角對背向入射的透射率影響非常大，而對正向入射影響不大。我們將電磁波非對稱傳輸?shù)男识x為p＝T1/T2，其中T1為正向入射率，T2為背入射率。當(dāng)頂角(或者其它參數(shù))達到一定值時候，才能使得p達到最大，因此在實際實施時，為獲得最大的p，應(yīng)選取合適的頂角。同時，棱臺的折射率對非對稱傳輸?shù)男视绊懸埠艽?，具體的來說：當(dāng)棱臺上方的空間介質(zhì)一定時，棱臺的折射率越大非對稱傳輸?shù)男试酱?，因此制作棱臺時應(yīng)選取高折射率的材料。

具體的，所述棱臺的橫截面的形狀為圓形或者橢圓形或者任意多邊形。

極端情況下，所述棱臺的上端橫截面的大小為0。此時棱臺為棱錐。

進一步的，為獲得一個具有單向?qū)ü鈱W(xué)器件，上述基底應(yīng)分為上層結(jié)構(gòu)和下層結(jié)構(gòu)，所述上層結(jié)構(gòu)的折射率均勻設(shè)置、且與棱臺的折射率相等，所述下層結(jié)構(gòu)的折射率從上到下依次減小，且所述下層結(jié)構(gòu)的上端的折射率與所述上層結(jié)構(gòu)的折射率相等。基底的下層結(jié)構(gòu)的折射率漸變可以避免在基底中形成F-P(法布里-珀羅)腔，避免將光限制在基底內(nèi)部，從而達到器件增透減反的效果。同時，將所述下層結(jié)構(gòu)的上端的折射率與所述上層結(jié)構(gòu)的折射率設(shè)置成相等或者接近，將所述下層結(jié)構(gòu)的下端的折射率與棱臺下方的空間介質(zhì)設(shè)置成相等或者接近，實現(xiàn)上層結(jié)構(gòu)的上下兩端的折射率平滑過渡，保證光學(xué)性能。

進一步的，所述基底和/或棱臺的材質(zhì)為：介質(zhì)材料、金屬材料、聲子材料、磁性材料中的一種或者多種組合。

單向?qū)РńY(jié)構(gòu)，包括吸波材料以及上述的光學(xué)器件，所述吸波材料設(shè)置在所述單向?qū)РńY(jié)構(gòu)的基底的下方，且所述吸波材料與所述單向?qū)РńY(jié)構(gòu)的基底接觸連接。如果基底的折射率沒有設(shè)置漸變的下層結(jié)構(gòu)，即整個基底的折射率是均勻的，當(dāng)基底采用折射率比較高的材料時，基底與基底下方的空間介質(zhì)會形成較高的折射率差，這種高折射率差條件下，基底內(nèi)部會形成F-P腔，對入射光高增透，高反射，我們在光學(xué)器件的基底下方設(shè)置可以吸收電磁波的吸波材料，光學(xué)器件中的電磁波透過率將大于反射率，進而所述單向?qū)РńY(jié)構(gòu)實現(xiàn)單向?qū)Рüδ堋?/p>

進一步的，所述吸波材料為太陽能電池的硅片或者光波導(dǎo)耦合器或者光線耦合器或者光隔離器。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明光學(xué)器件結(jié)構(gòu)簡單，易于小型化，可用于集成光子器件當(dāng)中；通過調(diào)整棱臺的排列周期，光學(xué)器件具有很寬的波帶適用范圍；本發(fā)明光學(xué)器件的應(yīng)用范圍廣泛，可用作單向?qū)ㄆ骷?，用作光隔離器等，也可用作光耦合器件，實現(xiàn)波導(dǎo)的高耦合輸入和太陽能電池的高外量子效率等。

附圖說明

圖1是棱臺的空間圖

圖2是棱臺的剖面圖；

圖3是棱臺排列的俯視圖；

圖4是實施例正向和反向的入射率圖。

圖中編號：1為基底，2為棱臺，101為基底的上層結(jié)構(gòu)，102為基底的下層結(jié)構(gòu)，θ為棱臺的頂角,T為周期值，T1為正向入射率曲線，T2為背入射率曲線。

具體實施方式

以下通過實施例對本發(fā)明做進一步的描述。

實施例是利用人工微納米結(jié)構(gòu)在電磁波調(diào)控方面的巨大優(yōu)勢，通過采用棱臺2型人工結(jié)構(gòu)陣列實現(xiàn)對電磁波的高效調(diào)控。如圖1、2所示，實施例棱臺的上端橫截面的大小為0，此時棱臺為特殊結(jié)構(gòu)——棱錐2，棱錐的尺寸參數(shù)為dx＝dy＝500nm，dz＝450nm，空間介質(zhì)為空氣，空氣的折射率取n₁＝1，棱錐2和基底的上層結(jié)構(gòu)101的折射率為2.59，基底的下層結(jié)構(gòu)102的折射率為上到下依次減小，且基底的下層結(jié)構(gòu)的上端折射率為2.59，基底的下層結(jié)構(gòu)的下端折射率為1。

如圖3所示，將棱錐按周期值T＝600nm進行排列，經(jīng)過多種波段的電磁波實驗測試，結(jié)果如圖4所示，可以看出：1)由于實施例的dx＝dy＝500nm，因此當(dāng)使用500nm波長的光波時，其背入射率曲線明顯減?。?)由于實施例的周期值為600nm，600nm左右的波段內(nèi)，電磁波的正向透射率達到99.5％以上，反向透射率小于0.025％.正反向透射比可以達到1000以上，因此實施例的選擇波段為600nm左右。

此外，實施例也可以將基底的折射率均勻設(shè)置，即基底1與棱錐2的折射率都為2.59，并將其與太陽能電池的硅片、光波導(dǎo)耦合器、光線耦合器或者光隔離器等吸波材料結(jié)合，組成單向?qū)РńY(jié)構(gòu)，由于上述吸波材料具有很強的接收電磁波能力，即使基底設(shè)置成折射率均勻的也不會在基底的內(nèi)部會形成F-P腔，實現(xiàn)單向?qū)Рā?/p>

本例中棱錐的橫截面為正方形。實際上，棱錐2的橫截面的形狀還可以是其他任意多邊形，比如三角形、五邊形，棱錐2的橫截面的形狀也可以是圓形、橢圓形，各種形狀的橫截面對光的偏正態(tài)不一樣，實際在使用時可以根據(jù)需求自由選擇。棱錐2和基底1的材料可以相同，也可以不同。棱錐2或基底1的材料可以采用介質(zhì)材料、金屬材料、聲子材料、磁性材料等，或者這些材料組合而成的復(fù)合材料。

實際運用中，棱錐2的尺寸可以任意調(diào)節(jié)，以滿足不同的應(yīng)用需求。實施例是放在空氣或者真空當(dāng)中，即棱錐周圍的折射率為1。實際上，此種結(jié)構(gòu)也可以放在其它任意介質(zhì)當(dāng)中，適當(dāng)調(diào)整棱臺2的頂角、折射率、排列周期等結(jié)構(gòu)參數(shù)即可。

值得說明的是，本發(fā)明的一個重要特點是光線器件采用二維光柵結(jié)構(gòu)，很容易加工成人工微結(jié)構(gòu)，如實施例在可見光波段的高度只有500nm左右微結(jié)構(gòu)，器件的體積非常小，可以用于集成光子器件當(dāng)中；并且，很小的體積還可以減少器件的加工用料，降低器件的加工成本。

當(dāng)棱臺的橫截面為圓或者正多邊形是，納米結(jié)構(gòu)的棱臺具有四重對稱性，因此本發(fā)明的光學(xué)器件對電磁波的偏振態(tài)不敏感，可適用于任意偏振態(tài)的電磁波；本發(fā)明的光學(xué)器件可以采用可塑性很高的有機材料，結(jié)構(gòu)納米壓印技術(shù)進行加工，因此其加工成本低廉、加工效率極高。

需要指出的是，上面所述只是說明本發(fā)明的一些原理，由于對相同技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說是很容易在此基礎(chǔ)上進行若干修改和改動的。因此，本說明書并非是要將本發(fā)明局限在所示和所述的具體結(jié)構(gòu)和適用范圍內(nèi)，故凡是所有可能被利用的相應(yīng)修改以及等同物，均屬于本發(fā)明所申請的專利范圍。