CN102681215B - 宽谱全光开关 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种宽谱全光开关，包括复合的二氧化钒薄膜和金属光栅。本发明利用控制光来控制二氧化钒薄膜的光致相变及其伴随的红外光透过率变化，并利用金属光栅的偏振选择特性，可实现对红外波段偏振选择。本发明能够提高消光比，而且整个结构的厚度和横向尺寸都远小于波长，可以在亚波长尺寸实现高的消光比。另外，本发明对入射角度不敏感，对光路准直要求不高。
Description
技术领域
本发明涉及一种宽谱全光开关，尤其涉及一种二氧化钒薄膜和金属光栅复合结构的宽谱全光开关。
背景技术
相比于传统的电学技术，光学信息采集和处理具有更快的处理速度、更宽的带宽及易于并行处理等优点。这不仅体现在光学通信、光学计算等领域，在人机交互终端，直接的光学图像采集和处理相比于电学手段具有更明显的优势。然而，尽管先进的光学技术已得到广泛应用，如光纤通信，其中一个必须的器件——光调制器（包括光开关）仍很大程度地依赖于电光调制技术，需通过电学信号来控制(Yariv,A,Quantum Electronics,1989)。这就降低了光学处理的速度，也给全光集成带来困难。因此，全光调制器和全光开关就成为实现全光通信中一项关键的技术(H.M.Gibbs,Optical Bistability:Controlling light with light,1985)。另外全光调制和全光开关还可以实现远程无线遥控，在军事和安全领域有着重要的应用价值。
全光开关，即是利用一束控制光来控制另一束信号光的通过与否。好的光开关要有高的消光比、快的开关速度和低的控制光阈值；由于集成光学的需求，还需要有小的结构尺寸。全光开关技术多是基于光学非线性材料或光致异构化材料的光致折射率变化，并与共振结构如光学微腔等结合，利用控制光的光致折射率变化导致结构的共振峰发生位移，从而达到对特定波长的打开或关闭(C.Min,P.Wang etal.,Opt Lett 33,869-871,2008;J.Chen,P.Wang et al.,Opt Commun 283,151-154,2010;X.Wang,H.Jiang et al.,Opt Express 19,19415-19421,2011;X.Wang,P.Wanget al.,Appl Phys Lett 98,021113,2011)。这样的光开关对于光路准直的要求比较高，其中的微纳结构加工也比较复杂，且只能对单一波长工作。
为发展宽谱的全光开关，人们考虑了半导体-金属相变材料二氧化钒。二氧化钒在68℃的时候，会发生可逆的半导体-金属相变，由低温半导体态的单斜结构，转变为高温金属态的金红石结构(F.J.MORIN,Phys Rev Lett 3,34-36,1959;L.Kang,Y.Gao,ACS Applied Materials & Interfaces 1,2211-2218,2009)。该相变伴随着材料一系列电学、光学性质的变化；如二氧化钒在半导体态时对红外光透过，而在金属态时对红外光有着很强的吸收，因此可以利用这一点来做红外波段的光开关。
有研究表明，二氧化钒薄膜在可逆相变中有着很好的重复性，可开关108次(F.Beteille and J.Livage,J Sol-Gel Sci Techn 13,915-921,1998)。另外，除了温度引发相变，二氧化钒在电激励和光激励下也可发生半导体-金属相变。在波长800nm、脉宽50fs的光激励下，200nm厚的二氧化钒薄膜相变阈值为7mJ/cm2；该相变可以在500fs内发生，远小于热弛豫时间(A.Cavalleri,C.Toth,and C.W.Siders,et al.,Phys Rev Lett 87,23740123,2001)。这是由于光激励下，材料的能带结构会发生变化，而不需要晶格结构的改变，即可发生半导体-金属相的转变。然而，虽然二氧化钒具有好的重复性可逆相变和高的开关速度，二氧化钒薄膜本身的消光比并不高。为了提高消光比必须增大二氧化钒薄膜的厚度，这又必然会导致信号光透过率的降低。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种宽谱全光开关，以提高消光比。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种宽谱全光开关，包括复合的二氧化钒薄膜和金属光栅。
可选地，控制光和信号光从同一方向入射，所述控制光和信号光都为自然偏振，所述二氧化钒薄膜通过对所述控制光的吸收控制开关的打开和关闭，其中横电波恒不透过，开关打开时信号光横磁波透过。
可选地，所述控制光的波长范围在可见-近红外波段内。
可选地，所述信号光的波长范围在红外波段宽谱范围内。
可选地，所述金属光栅位于所述二氧化钒薄膜的上层或掩埋在所述二氧化钒薄膜的下层。
可选地，所述二氧化钒薄膜的厚度为10~500nm。
可选地，所述金属光栅的周期为50~500nm。
可选地，所述金属光栅的厚度为20~500nm。
可选地，所述金属光栅的材料为银、金、铂、铝或铜。
可选地，所述金属光栅的空隙中填充有二氧化钒。
可选地，所述宽谱全光开关还包括透明衬底，所述复合的二氧化钒薄膜和金属光栅位于所述透明衬底上
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明实施例的宽谱全光开关包括复合的二氧化钒薄膜和金属光栅，控制光可以控制二氧化钒薄膜的相变来控制信号光的透过，从而实现开光的打开和关闭。其中金属光栅具有偏振选择的作用，又由于金属光栅对光的散射会激发表面等离激元，从而增强对控制光的吸收。金属光栅也增强了光在半导体态二氧化钒薄膜中的法布里-帕罗腔效应，从而提高整个全光开关的消光比。
此外，本发明实施例的宽谱全光开关通过控制二氧化钒薄膜的相变来达到对信号光的开关，该效应对入射角不敏感，金属光栅的偏振效应对入射角也不敏感。而且由于二氧化钒薄膜的折射率较高（约为3.5），光在其中的折射导致即使对于掠入射，光在二氧化钒薄膜中的入射角度也只有16°，因而就更加降低了全光开关对入射角的敏感度，使得该全光开关的性能基本不随入射角度变化，对光路准直的要求不高。
另外，本发明实施例的宽谱全光开关整个器件的厚度和横向尺寸都在亚波长范围内，易于集成。
附图说明
图1是本发明实施例的宽谱全光开关的剖面结构示意图；
图2是本发明实施例的宽谱全光开关在开关打开时对横磁波和横电波的透过特性的电磁场有限元模拟结果；
图3是本发明实施例的宽谱全光开关在开关打开时对横磁波和横电波的吸收特性的电磁场有限元模拟结果；
图4是本发明实施例的宽谱全光开关在开关关闭时对横磁波和横电波的透过特性的电磁场有限元模拟结果；
图5是本发明实施例的宽谱全光开关在开关关闭时对横磁波和横电波的吸收特性的电磁场有限元模拟结果；
图6是具有不同金属光栅厚度的宽谱全光开关在开关打开时的透过谱；
图7是具有不同金属光栅厚度的宽谱全光开关在开关打开时的吸收谱；
图8是具有不同二氧化钒薄膜厚度的宽谱全光开关在开关打开时的透过谱；
图9是具有不同二氧化钒薄膜厚度的宽谱全光开关在开关打开时的吸收谱；
图10是具有不同金属光栅填充因子的宽谱全光开关在开关打开时的透过谱；
图11是具有不同金属光栅填充因子的宽谱全光开关在开关打开时的吸收谱；
图12是具有不同金属光栅周期的宽谱全光开关在开关打开时的透过谱；
图13是具有不同金属光栅周期的宽谱全光开关在开关打开时的吸收谱；
图14是本发明实施例的宽谱全光开关在金属光栅的周期、厚度填充因子以及二氧化钒薄膜的厚度确定时，横磁波的消光比随信号光入射角的变化曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
图1示出了本实施例的宽谱全光开关的剖面结构示意图，包括复合的二氧化钒薄膜14和金属光栅15，复合后的二氧化钒薄膜14和金属光栅15位于透明衬底16上。
透明衬底16可以由各种适当的透明材料制成，本实施例中具体为玻璃基底。
金属光栅15可以位于二氧化钒薄膜14的上层或掩埋在二氧化钒薄膜14的下层。本实施例中，金属光栅15掩埋在二氧化钒薄膜14的下层，金属光栅15与透明衬底16接触。控制光11和信号光12都从二氧化钒薄膜14的上方入射，控制光11和信号光12二者可以交叠。
其中，金属光栅15的材料可以是银、金、铂、铝或铜，或其他适当的金属材料。金属光栅15的周期为50~500nm，厚度为20~500nm。二氧化钒薄膜14的厚度为10~500nm。
优选地，本实施例中金属光栅15的周期为200nm，厚度为100nm，占空比为1∶1，二氧化钒薄膜14的厚度为150nm。此外，金属光栅15的空隙中还填充有二氧化钒。
控制光11和信号光12都可以为自然偏振，其中控制光11的波长范围可以在可见-近红外波段内，信号光12的波长可以在红外波段宽谱范围内。在一具体实施例中，可以将产生控制光11和信号光12的部件包含在该宽谱全光开关内。
二氧化钒薄膜14通过对控制光11的吸收实现相变，在半导体态时对红外光透过，在金属态时对红外光高吸收，不能透过，从而控制整个开关的打开和关闭。其中，信号光12的横电波（TE waves）恒不透过，信号光12的横磁波（TM waves）在开关打开时透过，形成出射光13。需要说明的是，信号光12的功率应当小于二氧化钒薄膜14光致相变的阈值，使其对二氧化钒薄膜的相变不产生影响。
参考图2，在开关打开时，本实施例的宽谱全光开关对红外波段的横磁波有着良好的均匀的透过性，其透射率（transmittance）较为稳定，而对横电波截止。
参考图4，在开关关闭时，本实施例的宽谱全光开关对红外波段的横电波和横磁波都截止，其吸收率（absorbance）都较高。因此，本实施例的全光开关是一种偏振选择的光开关。
参考图3和图5，在开关打开和关闭时，本实施例的宽谱全光开关在可见-近红外波段有着强的吸收峰，因而将控制光优选在此波段，控制光可以是激光或宽带光源，较强的吸收可以保证低的控制光阈值和较快的开关速度。
需要说明的是，图2至图5中，所模拟的宽谱全光开关中金属光栅的周期为200nm，厚度为100nm，材料为银，银的填充因子为0.5，金属光栅的空隙中填充有二氧化钒，上层的二氧化钒薄膜厚度为150nm。
图6和图7分别示出了金属光栅的厚度t1在50nm至200nm之间改变而其他参数保持不变时对横磁波的透过谱和对自然偏振的吸收谱。需要说明的是，图6和图7中开关都是打开的，即二氧化钒薄膜为半导体态，金属光栅的厚度t1的取值分别为50nm、100nm、150nm、200nm，金属光栅的周期为200nm，金属光栅的填充因子为0.5，金属光栅的材料为银，金属光栅的空隙中填充有二氧化钒。由图6和图7可以看出，在金属光栅厚度t1的较宽范围的几何尺寸下，都具有相似的开关特性。
图8和图9分别示出了二氧化钒薄膜的厚度t2在50nm至200nm之间改变而其他参数保持不变时对横磁波的透过谱和对自然偏振的吸收谱。需要说明的是，图8和图9中开关都是打开的，即二氧化钒薄膜为半导体态，二氧化钒薄膜的厚度t2的取值分别为50nm、100nm、150nm、200nm，金属光栅的周期为200nm，金属光栅的填充因子为0.5，金属光栅的材料为银，金属光栅的空隙中填充有二氧化钒，金属光栅的厚度为100nm。由图8和图9可以看出，在二氧化钒薄膜厚度t2的较宽范围的几何尺寸下，都具有相似的开关特性。同时结合图6至图9，可以看出金属光栅的厚度t1和二氧化钒薄膜的厚度t2的变化具有一定的调谐作用。
图10和图11分别示出了金属光栅的填充因子f在从0.2至0.8之间改变而其他参数保持不变时对横磁波的透过谱和对自然偏振的吸收谱。需要说明的是，图10和图11中开关都是打开的，即二氧化钒薄膜为半导体态，金属光栅的填充因子f的取值分别为0.2、0.4、0.6、0.8，金属光栅的周期为200nm，金属光栅的厚度为100nm，二氧化钒薄膜的厚度为150nm。由图10和图11可以看出，调节金属光栅的填充因子，只影响透过和吸收谱的振幅，对峰的位置并没有影响。
图12和图13分别示出了金属光栅的周期p在150nm至300nm之间改变而其他参数保持不变时对横磁波的透过谱和对自然偏振的吸收谱。需要说明的是，图12和图13中开关都是打开的，即二氧化钒薄膜为半导体态，金属光栅的周期p的取值分别为150nm、200nm、250nm、300nm，金属光栅的厚度为100nm，金属光栅的材料为银，金属光栅的填充因子为0.5，二氧化钒薄膜的厚度为150nm。由图12和图13可以看出，小范围内改变金属光栅的周期，并不影响该全光开关的透过和吸收特性。
图14示出了本实施例的宽谱全光开关对横磁波在5μm处消光比随信号光入射角的改变。需要说明的是，图14中，金属光栅的周期为200nm，厚度为100nm，材料为银，填充因子为0.5，金属光栅的空隙中填充有二氧化钒，二氧化钒薄膜的厚度为150nm。由图14可以看出，在入射角由0°变化至80°时，本实施例的宽谱全光开关都保持了很好的消光比。由此可见，本实施例的宽谱全光开关对入射角度并不敏感，对光路准直的要求不高。
本实施例的全光开关采用复合的二氧化钒薄膜和金属光栅的结构，可以显著提高消光比，例如对于150nm厚的二氧化钒薄膜，加上100nm厚的金属光栅之后，消光比可以从50∶1提高到550∶1。采用上述结构，可以在亚波长尺寸器件中实现宽谱、偏振选择的全光开关，具有亚波长的尺寸，且对入射角度不敏感，对器件的准直要求不高。另外，通过控制二氧化钒薄膜厚度和金属光栅的厚度、周期等参数，可以对工作波段有一定的调谐效应。
本实施例的全光开关可以应用于光通信、红外成像、远程遥控等系统中。
本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。
Claims (9)
1.一种宽谱全光开关，其特征在于，包括二氧化钒薄膜和金属光栅，该二氧化钒薄膜和金属光栅复合，其中，所述金属光栅位于所述二氧化钒薄膜的上层或掩埋在所述二氧化钒薄膜的下层，所述金属光栅的空隙中填充有二氧化钒。
2.根据权利要求1所述的宽谱全光开关，其特征在于，控制光和信号光从同一方向入射，所述控制光和信号光都为自然偏振，所述二氧化钒薄膜通过对所述控制光的吸收控制开关的打开和关闭，其中横电波恒不透过，开关打开时信号光横磁波透过。
3.根据权利要求2所述的宽谱全光开关，其特征在于，所述控制光的波长范围在可见-近红外波段内。
4.根据权利要求2所述的宽谱全光开关，其特征在于，所述信号光的波长范围在红外波段宽谱范围内。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的宽谱全光开关，其特征在于，所述二氧化钒薄膜的厚度为10～500nm。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的宽谱全光开关，其特征在于，所述金属光栅的周期为50～500nm。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的宽谱全光开关，其特征在于，所述金属光栅的厚度为20～500nm。
8.根据权利要求1至4中任一项所述的宽谱全光开关，其特征在于，所述金属光栅的材料为银、金、铂、铝或铜。
9.根据权利要求1至4中任一项所述的宽谱全光开关，其特征在于，还包括透明衬底，所述复合后的二氧化钒薄膜和金属光栅位于所述透明衬底上。
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