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芯片级压电可调控式窄带全吸收光学天线

作者: 时间:2016-05-31 点击数:

天线是接收和辐射电磁波的工具,具有非常广泛的应用。常见的天线有智能手机中内置的平面倒F天线(PIFA),用于接收和辐射射频波段在2.4GHz和5GHz的电磁波信号。由于天线对电磁波的调控作用服从经典电磁学的基础方程,也即麦克斯韦方程(Maxwell Equations),而麦克斯韦方程在形式上具有频率(波长)不变性,因此在射频波段电磁天线的诸多功能,同样可以在光频段实现。近年来,随着以电子束刻蚀(Electron Beam Lithography)和聚焦离子束刻蚀(Focused Ion Beam Lithography)为代表的“至顶向下”式纳米加工技术的日趋成熟,大规模加工纳米尺度的金属与介质结构成为可能,光频段电磁天线(简称光学天线)的研究也随之成为研究热点。

光学天线的诸多光学特性,可以在流片工艺过程中通过改变天线的结构参数加以控制,但在加工完成之后便固定下来。如何实现光学天线特性的芯片级电调控,是当前的一个研究热点。目前学界提出的方法有在光学天线结构中覆盖石墨烯或氧化铟锡(ITO)层,通过施加电偏压注入载流子的方式改变石墨烯或ITO层的折射率,扰动光学天线表面的光学近场,以实现对天线光学特性的调控。然而,这种方法的局限性在于,无论是石墨烯还是ITO,由载流子注入造成折射率扰动区域都很薄(1nm左右),因此与外加光场的交互长度(overlapping length)很短,使得天线光学特性的电调控范围相当有限(天线谐振峰的移动在2%左右,而调制深度在10%左右)。

为解决光学天线特性的片上高效率电调控,光电信息学院博士生杨奥在副教授易飞的指导下,另辟蹊径,构建基于氮化铝压电薄膜的微光机电谐振腔(optomechanic cavity),与纳米条状光学天线耦合,实现了中红外波段的窄带全吸收光学天线。通过氮化铝薄膜的压电效应,微光机电腔的腔长可在电偏压的作用下得到线性调节,谐振峰移动效率为20nm /V,调制深度为75% /V,从而实现对窄带全吸收光学天线特性的芯片级高效电调控。这一工作为光学天线和光学超材料在光电子芯片中的实际应用开辟了路径。日前,该工作已被光学T2期刊Optics Letters (IF: 3.292) 接收。

(文章名:Piezoelectric tuning of narrowband perfect plasmonic absorbers via an optomechanic cavity)。 更多相关研究内容,请访问www.nanohust.com

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