CN113703247B - 一种基于非对称超表面的载流子色散型全光开关 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于非对称超表面的载流子色散型全光开关。该全光开关的基本结构为周期排列的二维非对称半导体颗粒结构单元组成的超表面阵列。在泵浦光的照射下，半导体颗粒材料内部发生载流子色散效应，光生载流子密度的大幅增加使全光开关器件的谐振波长发生偏移，在信号光工作波长附近发生特征频谱的峰‑谷(或谷‑峰)转换。通过该过程，泵浦光束完成了对信号光束的通/断操控，实现了以光控光的全光开关。同时，本发明还提供了一种有效降低全光开关泵浦光强的方法。

Description

一种基于非对称超表面的载流子色散型全光开关
技术领域
本发明属于全光信息技术领域，具体涉及一种基于非对称超表面的载流子色散型全光开关。
背景技术
现代信息社会的互联网、物联网、大数据、云计算等新兴技术是建立在数据的存储、传输和处理等最基础的信息技术之上的。数据量的剧增使需要传递和处理的信息量激增，传统的电子器件在功耗、延迟、带宽、串扰和噪声等方面的瓶颈限制越来越凸显，信息的传输和处理面临严峻挑战。目前，以光子作为信息载体的全光信息技术被认为是突破电子器件物理极限的主要途径。在全光信息技术中，最重要、最基本的全光器件是全光开关。全光开关的工作过程与电子开关类似，关键的不同点在于全光开关利用控制光实现对信号光传输过程的开/关控制，是构建超快全光交换网络和全光处理器的基础器件。全光开关器件的使用可以使光通信避开光电转换及电子交换环节，真正实现信息的光速传输；用全光开关等光子器件构成各种光学逻辑门，替代当前的电子逻辑门，数据以光的方式编码，实现全光计算。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于非对称超表面的载流子色散型全光开关。
本发明将半导体颗粒超表面的Mie散射理论与该半导体材料的载流子色散效应结合起来，利用超表面特征频谱的谐振波长移动来完成对信号光传输过程的开/关控制，实现以光控光的全光开关。
本发明所依据的原理为：
组成所述超表面全光开关的结构单元在单个或多个对称标准下具有不对称性，根据Mie散射理论，当外部电磁波照射超表面时，将在结构单元中激发对称性破缺的束缚模式，该模式对应于光谱中尖锐的特征频谱。
所述超表面全光开关特征频谱的谐振波长移动是通过半导体颗粒材料的载流子色散效应实现的。具体过程为，通过泵浦光的照射来改变半导体材料中的载流子浓度，引起该材料复折射率的变化，进而达到利用泵浦光动态调控半导体颗粒材料谐振波长的目的。
根据载流子色散方程，大的折射率变化需要大的泵浦光强。为了减小泵浦光强，必须降低器件特征频谱的谐振波长移动所需的折射率变化。器件的特征频谱越尖锐，实现器件开关功能所需要的谐振波长移动越小，对应的折射率变化越小。本发明通过调整半导体颗粒结构单元的不对称度来实现具有尖锐的特征频谱的超表面，用较低的泵浦光强实现全光开关所需的动态频移，有效降低了全光开关的驱动功耗。降低泵浦光功率是全光开关实用化的关键，也是本专利的重要创新点所在。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种基于非对称超表面的载流子色散型全光开关，其基本结构为周期排列的二维非对称半导体颗粒结构单元组成的超表面阵列。
所述超表面阵列可以排列于衬底的表面上，也可以置于衬底的内部。具体方式视需求而定。
所述二维非对称半导体颗粒结构单元在单个或多个对称标准下具有不对称性，并具有亚波长尺寸。所述结构单元结构设计为非对称结构的目的是实现当外部电磁波(即信号光)照射超表面时，结构单元内部或结构单元之间不同颗粒之间的多极模式耦合，激发非对称超表面的束缚模式。该模式具有尖锐的特征频谱，信号光工作波长处对应着谐振峰(或谷)，即高(或低)的透射强度(或反射强度、漫反射强度等)。当光子能量大于半导体材料禁带宽度的泵浦光照射超表面时，半导体颗粒内部将产生大量的光生载流子，进而导致半导体颗粒的介电常数(或折射率)减小，使超表面的谐振波长发生偏移。此时工作波长处对应谐振谷(或峰)，即低(或高)的透射强度(或反射强度、漫反射强度等)。通过该过程，泵浦光束可以完成对信号光束的通/断操控，实现以光控光的全光开关。
所述半导体颗粒的材料应在泵浦光波长处具有较强的载流子色散效应，在信号光波长处具有较高的折射率和较低的损耗。可以采用的材料包括但不限于：Si、Ge、GaAs等各种半导体材料。
根据本发明的一个实施例，选用由多晶硅非对称(长度不同)双棒结构组成的方形单元作为结构单元，并在二维平面上周期排列为超表面。所述超表面和结构单元示意图如附图1所示。
所述衬底的材料应为对入射光(包括信号光和泵浦光)透射较高、损耗较低的材料，包括但不限于：各种高分子材料(如特氟龙、聚酰亚胺等)、介质材料(如SiO2、CaF2、Al2O3等)以及其他固体材料。
所述半导体颗粒和衬底的构成材料之间的介电常数(或折射率)之间应存在差异(所谓差异就是介电常数不能相同，可以是衬底材料的介电常数小于半导体颗粒材料，也可以互换，但不能相等。)，以满足束缚态谐振模式激发。
通过调整所述超表面中半导体颗粒的不对称度(如实施例中是通过调整两棒的长度差，实现不对称)，可以调整谐振频谱的尖锐程度。通过调整所述超表面中半导体颗粒的尺寸，则可以把超表面的谐振波长调谐到期望的信号光工作波长处，可调范围可覆盖从射频到所使用半导体颗粒材料的禁带宽度所对应的光子波长之间的光波段。
所述基于非对称超表面的载流子色散型全光开关的入射信号光的偏振方向与颗粒不对称方向有关。由于颗粒是不对称的，因此，所述基于非对称超表面的载流子色散型全光开关的入射信号光必须为偏振光。
本发明具有以下优点：
1)本发明在超表面结构单元中引入对称性破缺，实现束缚模式激发，该模式具有尖锐的特征透射频谱。结构单元的不对称度越小，超表面的特征频谱越尖锐，所需要的泵浦光强就越小。可以通过调整颗粒结构单元的不对称度来定制特征频谱的尖锐程度，来减小或定制合理的泵浦光强。
2)所述全光开关器件的动态机制来源于半导体材料的载流子色散效应，其响应速度高。例如，硅材料的响应速度为皮秒量级。
3)所述超表面可采用微纳加工工艺制备，容易实现与电子和光电子***集成。
附图说明
图1是本发明的结构示意图，其中，1为全光开关器件的衬底，2为非对称半导体颗粒，3为结构单元，即晶胞的划分；
图2是泵浦光和线偏振(图中为x轴方向)信号光照射超表面全光开关器件的示意图；
图3是本发明中工作波长附近的信号光照射全光开关器件的透射特性曲线，其中，横坐标为自由空间波长，纵坐标为透射率，实线为器件在无泵浦情况下的透射特性曲线，虚线为器件泵浦时的透射特性频移曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步阐述，但本发明并不限于以下实施例。所述方法如无特别说明均为常规方法。所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径获得。
实施例1、制备基于非对称超表面的载流子色散型全光开关
1.全光开关器件信号光的工作波长选择。根据实际需要，本实施例中选定的信号光工作波长为光通信中广泛使用的1550nm的光通信波长。
2.全光开关器件的材料选择。选用具有较强的载流子色散效应，并在信号光工作波长处具有较高的折射率的多晶硅作为半导体颗粒的材料。选用在信号光工作波段具有较低折射率和吸收系数的熔融石英片作为衬底。
3.全光开关器件泵浦光(控制光)的波长选择。为了激发高密度的光生载流子，选择光子能量大于半导体材料禁带宽度的光作为泵浦光源。室温下多晶硅禁带对应的光波长为1107nm，选择小于该波长的光作为泵浦光。这里我们选择用途广泛的808nm半导体激光器作为泵浦光源。
4.全光开关器件的设计。本实施例中选用由多晶硅非对称双棒结构组成的方形单元作为结构单元，并在二维平面上周期排列为超表面，所述超表面和结构单元示意图如附图1所示。非对称多晶硅棒的长度分别为584nm和616nm，双棒的宽度和高度均为200nm，双棒的间距为358nm，结构单元的排列周期为1000nm，石英衬底的厚度为0.5mm。双棒的取向与入射信号光的偏振方向一致。器件的工作方式示意图如附图2所示，全光开关器件的透射特性和开关原理示意图如附图3所示。本实施例中的器件工作在1550nm波长处。没有控制光/泵浦光照射器件时，器件的透射特性为实线所示，1550nm波长的信号光无衰减透过，为光开关的“开”状态；当控制光/泵浦光照射器件时，器件的透射特性为点线所示，1550nm波长的信号光衰减极大，无法透过，为光开关的“关”状态。
采用数值仿真方法，通过调节多晶硅棒的尺寸和周期等参数来调控所述超表面全光开关谐振峰的谐振波长位置，使谐振峰波长与选定的信号光工作波长重合，如附图3中实线谐振峰处。当泵浦光以一定光强照射在多晶硅棒上时，多晶硅棒内部产生载流子色散效应，载流子密度大幅增加，导致多晶硅棒的折射率减小，超表面的透射频谱向短波长方向偏移，偏移后的频谱如附图3中虚线所示，该虚线的谐振谷对应于信号光的工作波长。因此，用所述泵浦光照射该多晶硅非对称双棒结构超表面，可以完成对信号光束的通/断操纵，实现以光控光的全光开关。
5.全光开关器件的加工。根据设计，多晶硅非对称双棒阵列排列在衬底上，如附图1所示。器件的加工可采用低压化学气相沉积(Low Pressure Chemical VaporDeposition，LPCVD)工艺在0.5mm熔融石英基底上沉积200nm厚的多晶硅，然后采用聚焦离子束(Focused Ion Beam，FIB)工艺或电子束光刻(Electron Beam Lithography，EBL)+反应离子刻蚀(Reactive Ion Etching，RIE)工艺在衬底上加工多晶硅双棒阵列图案。
上述实施例仅用于说明本发明的工作原理和技术方案，其中各实施步骤等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (8)

1.一种基于非对称超表面的载流子色散型全光开关，其结构为周期排列的二维非对称半导体颗粒结构单元组成的超表面阵列；所述超表面阵列排列于衬底的表面上，或置于衬底的内部；所述半导体颗粒的材料在泵浦光波长处具有较强的载流子色散效应，在信号光波长处具有较高的折射率和较低的损耗；所述半导体颗粒构成材料和所述衬底构成材料的介电常数之间存在差异，以满足束缚态谐振模式激发。
2.根据权利要求1所述的基于非对称超表面的载流子色散型全光开关，其特征在于：所述二维非对称半导体颗粒结构单元在单个或多个对称标准下具有不对称性，并具有亚波长尺寸。
3.根据权利要求1或2所述的基于非对称超表面的载流子色散型全光开关，其特征在于：所述半导体颗粒采用的半导体材料选自下述至少一种：Si、Ge、GaAs。
4.根据权利要求1所述的基于非对称超表面的载流子色散型全光开关，其特征在于：所述衬底的材料为对入射光透射较高、损耗较低的材料；所述入射光包括信号光和泵浦光；所述衬底的材料包括但不限于：高分子材料、介质材料以及其他固体材料。
5.根据权利要求1或2所述的基于非对称超表面的载流子色散型全光开关，其特征在于：所述结构单元设计为二维非对称半导体颗粒，其目的是实现当外部电磁波照射超表面时，结构单元内部或结构单元之间不同颗粒之间的多极模式耦合，激发非对称超表面的束缚模式，该模式对应于光谱中尖锐的特征频谱。
6.根据权利要求1或2所述的基于非对称超表面的载流子色散型全光开关，其特征在于：所述全光开关的特征频谱在信号光工作波长处对应着谐振峰(或谷)；
当光子能量大于半导体材料禁带宽度的泵浦光照射超表面时，半导体颗粒内部将产生大量的光生载流子，进而导致半导体颗粒的介电常数或折射率减小，使超表面的谐振波长发生偏移，通过该过程，泵浦光束可以完成对信号光束的通/断操控，实现以光控光的全光开关。
7.根据权利要求1或2所述的基于非对称超表面的载流子色散型全光开关，其特征在于：通过调整所述超表面中半导体颗粒的不对称度来调整所述全光开关特征频谱的尖锐程度；通过调整所述超表面中半导体颗粒的尺寸，把超表面的谐振波长调谐到期望的信号光工作波长处，可调范围可覆盖从射频到所使用半导体颗粒材料的禁带宽度所对应的光子波长之间的光波段。
8.根据权利要求1或2所述的基于非对称超表面的载流子色散型全光开关，其特征在于：所述超表面的特征频谱越尖锐，实现全光开关所需要的泵浦光强就越小，通过调整颗粒结构单元的不对称度来定制特征频谱的尖锐程度，来减小或定制合理的泵浦光强。
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