CN103135151B - 基于超材料与半导体低维量子材料的复合结构及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的基于超材料与半导体低维量子材料的复合结构，其由自下而上排列的衬底（1）、缓冲层（2）、半导体低维量子材料（3）、半导体隔层材料（4）、超材料（5）组成，所述超材料（5）是周期排布的金属线阵列、周期排布的金属开口谐振环阵列或者渔网结构；所述半导体隔层材料（4）的厚度为5～50纳米。本发明同时利用了半导体低维量子材料的光增益以及半导体材料对光信号的高速响应特性，具有补偿超材料损耗，调控超材料性能的双重功能；在外加控制光或者泵浦光的情况下，这种基于超材料与半导体低维量子材料的复合结构可以实现全光开关或者全光波长转换的功能，而且具有大消光比的优点。
Description
技术领域
本发明涉及光纤通信领域的全光信号处理技术领域，尤其是涉及一种基于超材料与半导体低维量子材料的复合结构及其应用。
背景技术
超材料的英文名称是metamaterial，它具备天然材料所不具有的超常电磁性质。超材料的研究开展尽管只有十余年时间，其概念已经从最初的、狭义的负折射率材料扩展到更宽的范畴中了，包涵了其他光学系统，例如，光子晶体、强各向异性材料、纳米传输线、手性材料以及超磁性材料等。众所周知，绝大多数天然材料的介电常数ε和磁导率μ取值为正，折射率n (n = )也为正值；而负折射率材料在一定频段下同时具有负ε和负μ，其电场强度E、磁场强度H和波矢k的方向不再遵守大家所熟知的右手关系，而是左手关系；因此负折射率材料也叫左手材料。负折射率材料属于超材料的一种，它可以用于制作不受光学衍射成像限制的超透镜、电磁隐形斗篷等；还可以应用在天线、太阳能电池、调制器、光开关、光传感、超薄谐振腔、微腔激光器，以及超级紧凑的滤波器、耦和器、光存储器等领域。
一般采用人工设计的多个结构单元来获得负的介电常数、负的磁导率以及负的折射率，而且这些结构单元的尺寸远小于电磁波的波长；此时材料性质由结构单元的尺寸、单元间相互作用以及所用材料的电磁特性共同决定，因此，这些结构单元又被称为超原子或者超分子。最常见的是利用金属构建亚波长的周期结构来获得负的介电常数、负的磁导率以及负的折射率。例如，周期排布的金属线阵列可实现负介电常数[参见J. B. Pendry, et al. Extremely low frequency plasmons in metallic mesostructures. Phys. Rev. Lett 76, 4773(1996)]、周期排布的金属开口谐振环阵列可实现负磁导率μ[参见J. B. Pendry, et al. Magnetism from conductors and enhanced nonlinear phenomena. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques 47, 2075(1999)]，将这两种结构优化组合就能获得负的折射率[参见R.A.,Shelby, D.R. Smith, et al. Experimental verification of a negative index of refraction. Science 292，77(2001)]。此外，渔网结构也可以实现介电常数和磁导率同时为负的所谓双负折射率材料[参见Zheng-Gao Dong, et al. Optical loss compensation in a bulk left-handed metamaterial by the gain in quantum dot. Appl. Phys. Lett. 96, 044104 (2010)]。
超材料一般采用金属来构建。在电磁波作用下，金属中的电子发生集体振荡，所需的能量是从电磁波吸收而来的。而且当金属尺寸很小的时候，电阻率急剧增加，金属的焦耳损耗很严重；在光通信波段以及可见光频段，焦耳损耗更大。大的损耗严重阻碍了超材料的实用化。除了要减少电磁波的损耗以外，性能可调控也是超材料得以广泛应用的前提。在外部信号刺激下，超材料性能必须发生相应的改变，这样它才能够实现光开关、波长转换、光调制、光探测等功能，从而应用在光通信、光传感等领域中。
利用半导体材料、有机染料、石墨烯的光增益可对超材料的损耗进行补偿。半导体材料不像有机染料那样存在光漂白的问题，性能更可靠稳定；而且其工作波段很宽，可以通过改变材料组分和尺寸来灵活调节波段范围。半导体材料除了能够提供增益来补偿电磁波的损耗以外，它还对电、光等信号具有高速灵敏的响应，因此将超材料制作在半导体材料之上，借助后者的电、光敏感性就可改变超材料所处的外部环境，进而调控超材料的性能。
在半导体材料补偿超材料损耗方面，有报道利用胶体PbS量子点包裹超材料，超材料中的光场与量子点之间通过局域近场作用相互耦合，由此补偿损耗[参见J. B. Pendry, et al. Removal of absorption and increase in resolution in a near-field lens via optical gain. Phys. Rev.B 67, 201101 (2003)]。除了采用量子点以外，将超材料制作在InGaAs量子阱之上也可补偿超材料的损耗[参见N. Meinzer, et al. Arrays of Ag split-ring resonators coupled to InGaAs single-quantum-well gain. Opt. Express 18, 24140 (2010)]。
在半导体材料调控超材料性能方面，有报道将超材料制作在硅衬底上，采用电学手段改变硅（Si）材料载流子浓度的方法实现了太赫兹波段超材料的调控性[参见Hou-Tong Chen, et al. Active terahertz metamaterial devices. Nature 444,596(2006)]、或者采用光学手段改变Si内载流子浓度的方法来改变超材料的电磁共振频率[参见Kebin Fan, et al. Broadband tunable 3D metamaterials at terahertz frequencies IEEE 24th International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS), p680(2011)]。此外，还有人应用电学手段或者光学手段改变GaAs、InAs、InSb、InGaAs、InP等半导体材料中的载流子浓度、进而调控超材料的特性[参见Xiaoyu Miao, et al. Doping tunable resonance:Toward electrically tunable mid-infrared metamaterials. Appl. Phys. Lett.96, 101111 (2010). T. Amemiya, et al. Magnetic interaction at optical frequencies in InP-based waveguide device combined with metamaterial.IEEE J. Quantum Electron. 47, 736 (2011)]。在这些报道中，所采用的半导体材料的尺寸厚度都较大，均大于电子的德布罗意波长，因而属于体材料的范畴，不属于半导体低维量子材料的范畴。半导体低维量子材料包涵了半导体量子阱、或者量子线、或者量子点。在这些低维量子材料中，由于材料的一个维度或者多个维度的尺寸比电子的德布罗意波长小，载流子在一个维度或者多个维度方向上的运动受到量子限制作用，因而呈现出优异的物理和光学性质。
光开关是一种实现光信号通断、路径改变的器件，波长转换器则是把光信号从一个波长转换到另一个波长上的器件；全光开关和全光波长转换器均是全光通信网的关键器件。与传统的机械式光开关、热光开关、液晶光开关相比，光控制光开关（即，全光开关）具有开关速度大，开关时间短的优点。与传统的光-电-光波长转换器相比，全光波长转换器则具有结构简单、响应速率高、成本低的优点。
经检索，本申请发明人尚未发现有将超材料与半导体低维量子材料相结合来构建全光开关或者全光波长转换器的报道。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于超材料与半导体低维量子材料的复合结构，该复合结构可以作为全光开关、全光波长转换器，具有大的消光比和短的响应时间，因而可以拓宽超材料的应用领域，满足市场的需求。
本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：
本发明提供的基于超材料与半导体低维量子材料的复合结构，其由自下而上排列的衬底、缓冲层、半导体低维量子材料、半导体隔层材料、超材料组成，所述超材料是周期排布的金属线阵列、周期排布的金属开口谐振环阵列或者渔网结构。所述半导体隔层材料的厚度为5～50纳米。
所述半导体低维量子材料可以由1～3个周期的垒区材料和阱区材料构成。
所述半导体低维量子材料可以是半导体量子阱、量子线或量子点。
本发明提供的上述基于超材料与半导体低维量子材料的复合结构，其在全光开关中的应用。
所述的全光开关，可以设有控制光和工作光，其中控制光的开启或者关断决定了输出工作光的开启与关断状态；工作光的光子能量E1小于控制光的光子能量E2；半导体隔层材料的禁带宽度和半导体低维量子材料中垒区材料的禁带宽度都是介于E1和E2之间，半导体低维量子材料中阱区材料的禁带宽度小于E1，衬底和缓冲层的禁带宽度大于E1；在无控制光入射的情况下，超材料的电磁共振波长与工作光的波长接近。
本发明提供的上述基于超材料与半导体低维量子材料的复合结构，其在全光波长转换器中的应用。
所述的全光波长转换器，可以设有泵浦光和探测光，其中探测光的光子能量E3小于泵浦光的光子能量E4；半导体隔层材料的禁带宽度、半导体低维量子材料中垒区材料的禁带宽度都是介于E3和E4之间，半导体低维量子材料中阱区材料的禁带宽度小于E3；衬底和缓冲层的禁带宽度大于E3；在无泵浦光入射的情况下，超材料的电磁共振波长与探测光的波长接近。
本发明与现有技术相比具有以下主要有益效果：
1.同时利用了半导体低维量子材料的光增益以及半导体材料对光信号的高速响应特性，具有补偿超材料损耗、调控超材料性能的双重功能。
国内外还未有相关报道。已有报道要么是半导体量子阱、量子点补偿超材料的光损耗；要么是用尺寸厚度较大的半导体材料(也即是体材料的半导体，不属于半导体低维量子材料的范畴)来调控超材料的性能。没有将半导体的光增益与调控功能合二为一的有关报道。
2.能够实现全光开关或者全光波长转换功能，具有多功能的优点，同时也拓宽了超材料的应用范围。
3.将超材料与半导体低维量子材料相结合，利用控制光（或者泵浦光）产生的载流子同时调控超材料的电磁共振特性以及半导体低维量子材料的增益特性，可以实现大消光比、响应时间小的全光开关、全光波长转换功能。
附图说明
图1为本发明基于超材料与半导体低维量子材料的复合结构的一种实施例。
图2给出了图1中半导体低维量子材料3的构成。
图3是本发明超材料5的一个结构单元的实施例。
图4为图1所示复合结构的应用实施例1所给出的全光开关的结构示意图。
图5为图4所示的全光开关在控制光被关断、开启的时候，模拟仿真得到的半导体低维量子材料3的增益谱。
图6为图4所示的全光开关在控制光被关断、开启的时候，模拟仿真得到的超材料5的透射谱。
图7为图1所示的复合结构的应用实施例2所给出的全光波长转换器的结构示意图。
图中：1.衬底； 2.缓冲层； 3.半导体低维量子材料； 4.半导体隔层材料； 5.超材料；6.控制光； 7.工作光；8.泵浦光； 9.探测光
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步的说明，但不限定本发明。
实施例1. 基于超材料与半导体低维量子材料的复合结构
参见图1，它是本发明基于超材料与半导体低维量子材料、可用于全光开关和全光波长转换的复合结构的一种实施例。
所述的复合结构由自下而上排列的衬底1、缓冲层2、半导体低维量子材料3、半导体隔层材料4、超材料5组成（图1）。其中：超材料5是周期排布的金属线阵列、周期排布的金属开口谐振环阵列或者渔网结构；而半导体低维量子材料3指的是半导体量子阱、量子线、量子点。在超材料5与半导体低维量子材料3之间是很薄的半导体隔层材料4，超材料5和半导体低维量子材料3之间存在近场光耦和作用。
所述半导体低维量子材料3由1-3个周期的垒区材料和阱区材料构成，如图2所示，其中的N代表量子阱的周期数，N≤3。例如，可以采用铟镓砷磷（InGaAsP）/磷化铟（InP）半导体量子阱来构成半导体低维量子材料3，其中的阱区材料是InGaAsP，垒区材料是InP。通过优化量子阱结构中的阱区材料InGaAsP的组分、厚度以及垒区材料InP的厚度，则在外加电泵浦或者光泵浦的时候，该量子阱结构可以为1.5微米波段附近的光提供光增益，这在半导体领域是很成熟的技术。例如，当InGaAsP/InP半导体量子阱结构的阱区材料取为In0.85Ga0.15As0.65P0.35、厚度10纳米，垒层材料InP厚度为11纳米的时候，则在外加电泵浦或者光泵浦的时候，该量子阱结构能够为1.5微米波长及其附近的光波提供光增益。注意，这并不是唯一的一组量子阱结构参数，有多种取值的量子阱结构参数均可以为1.5微米波长及其附近的光提供光增益。如果电磁波的波长改变，则相应结构的尺寸、材料等参数也相应改变。如果半导体低维量子材料3是采用量子点，则可以采用InAs/InP量子点（其阱区材料为InAs，垒区材料为InP）、或者InGaAs/InP量子点（其阱区材料为InGaAs，垒区材料为InP）等。根据实际应用对电磁波的波长要求，通过控制材料生长的工艺参数以及尺寸、组分是可以让该波长的电磁波获得光增益。
所述超材料5是由周期排布的、多个开口谐振环（SRR：split-ring resonator)所形成的SRR阵列构成，它采用金材料制作。由金属自由电子气的Drude模型可知，当电磁波频率小于金属的等离子共振频率时，金属的介电常数小于零。金的等离子共振频率在紫外波段，因此在光纤通信所处的红外波段，金本身就具有负的介电常数ε。而负磁导率??的实现则需要通过超原子来获得，此处的超原子就是由金制作的开口谐振环(SRR)。图3给出了一个SRR的结构示意图，其长度a、宽度b、条宽d、开口宽度w均小于全光开关中工作光7的波长或者全光波长转换器中探测光9的波长。多个SRR周期性排列形成的SRR阵列就构成了超材料5。
所述SRR阵列实现负??的基本原理是电磁感应。当电场偏振方向与图3中SRR开口方向一致的电磁波入射时，在SRR中会产生感应电流。根据楞次定理可知，感应电流的磁场总是反抗引起感应电流的磁通量变化，SRR由此获得磁响应。一个SRR可等效为LC电磁共振子，其中的金属对应电感L，开口部分对应电容C，SRR电磁共振频率fr粗略地等于，共振波长λr=光速/fr。磁响应的强弱以及等效磁导率??的取值与SRR的共振波长λr有关。当波长接近λr、且电场偏振方向与开口方向一致的电磁波入射时，金属中的自由电子发生强烈的局域等离子共振，吸收大量电磁波能量，此时磁响应最为强烈，??为负值。磁共振波长λr由SRR的尺寸参数、SRR单元间相互作用以及所用材料的特性共同决定的。实际应用的时候，设计合适的SRR尺寸参数，就可以在设定的波段获得获得负的磁导率??，而且由于金材料本身具有负的介电常数，因此该结构能为此波段的电磁波提供负的折射率。
本实施例选取波长为光纤通信第三窗口的1.5微米的电磁波为例来进行说明，能够在该波段附近提供负折射率的一组SRR结构参数取值如下：长度a=165纳米、宽度b =165纳米、条宽d=90纳米、开口宽度w=70纳米。在SRR阵列中，相邻SRR之间的距离，也即是周期为600纳米，金材料的厚度为30纳米。上述的SRR结构参数并不是唯一的，有多种取值均可以使得SRR阵列在1.5微米波段附近获得负的介电常数、负的磁导率以及负的折射率。此外，除了采用图1、图3所示的开口谐振环阵列来实现负折射率以外，也可以采取渔网结构、金属纳米线阵列等结构来获得1.5微米波段的负折射率，这在超材料领域是广为人知的。如果电磁波波长改变，则相应结构的尺寸等参数也相应改变，以便在该波长及其附近获得负折射率。
所述半导体隔层材料4厚度在5纳米至50纳米之间，因此超材料5和半导体低维量子材料3之间存在近场光耦和作用。当本发明复合结构作为全光开关或者全光波长转换器使用时，由于工作光7的波长或者全光波长转换器中探测光9的波长在1.5微米波段，因此半导体隔层材料4可以选取为InP、InGaAs、InGaAsP、或者其他半导体材料，也可以用半导体低维量子材料3中的垒区材料来充当。
所述衬底1的材料和缓冲层2的材料均是半导体材料。例如，对于1.3微米波段以及1.5微米波段的电磁波，衬底1和缓冲层2的材料均可以选取InP。根据不同的应用需求来选取不同的半导体材料作为衬底和缓冲层，这是半导体领域一项很成熟的技术。
实施例2. 基于超材料与半导体低维量子材料的复合结构的制备
下面简要地给出一个制作图1所示的、基于超材料与半导体低维量子材料的复合结构的工艺流程：
（1）在InP衬底上利用金属有机化学气相沉积（MOCVD）设备由下而上依次外延生长1微米-1.5微米厚的InP缓冲层、1-3个周期的InGaAsP/InP低维量子材料（阱区材料为In0.85Ga0.15As0.65P0.35、厚度10纳米；垒区材料InP厚度为11纳米）、5纳米-50纳米厚的InP隔层材料。
（2）接着在InP隔层材料之上，应用电子束曝光机写SRR阵列图形。
（3）利用电子束蒸发设备沉积30纳米厚的金。
（4）利用金属剥离工艺(lift-off工艺)，得到所需的SRR阵列（长度a=165纳米、宽度b =165纳米、条宽d=90纳米、开口宽度w=70纳米，周期600纳米）。
（5）对衬底进行减薄、抛光；然后解理、切割。切割出来的每个复合结构的厚度在100-150微米，长度5微米-300微米，宽度5微米-300微米。在实际制作的时候，也可以采用其他的设备进行半导体材料的外延生长，例如采用分子束外延、原子层外延、化学束外延等设备。在沉积金的时候，也可以采用等离子增强磁控溅射设备。这些工艺均是半导体领域中常用的工艺。
本发明提供的基于超材料与半导体低维量子材料的复合结构，能够拓宽超材料的应用领域，例如作为全光开关、全光波长转换器的用途。
实施例3. 基于超材料与半导体低维量子材料的复合结构的全光开关
在实施例1所述的基于超材料与半导体低维量子材料的复合结构的基础上，增加控制光6和工作光7，即可用作全光开关，如图4所示。控制光6和工作光7均从超材料5这一侧垂直入射，它们依次通过复合结构的各个组成部分，从衬底1这一侧透射出来。输出光指的是透射光。
全光开关涉及到两束入射光，其中之一是控制光6，另外一束是工作光7；控制光6的开启或者关断决定了输出工作光7的开启与关断状态。工作光7的光子能量E1小于控制光6的光子能量E2。例如，对于波长为1.5微米的工作光，其光子能量E1为0.826电子伏特。控制光6的波长则可以选为850nm(光子能量1.46电子伏特)、或者780nm(光子能量1.59电子伏特)。这几种波长的光源均是常用的光源。
由于超材料5是由SRR阵列构成，因此入射工作光7的电场偏振方向还要与SRR的开口方向平行，如图4所示。实际应用的时候，如果超材料5是周期排布的金属线阵列或者渔网结构时，则对入射工作光7的电场偏振方向要求相应地有所改变，这根据电磁感应定理可以推导出来。
本实施例3中，在无控制光6入射的情况下，超材料5的电磁共振波长与工作光7的波长接近。如前所述，工作光7的波长为1.5微米时，采用SRR阵列构成超材料5，当长度a=165纳米、宽度b =165纳米、条宽d=90纳米、开口宽度w=70纳米，周期为600纳米，金的厚度为30纳米的时候，超材料5的电磁共振波长会在1.5微米波段。
本实施例3中，半导体隔层材料4、半导体低维量子材料3中垒区材料的禁带宽度都是介于E1和E2之间，半导体低维量子材料3中阱区材料的禁带宽度小于E1，而衬底1、缓冲层2的禁带宽度都大于E1。例如，当工作光7波长为1.5微米（光子能量E1为0.826电子伏特）、控制光6波长为780nm(光子能量E2为1.59电子伏特)的时候，衬底1、缓冲层2、半导体隔层材料4以及垒区材料均可以采用InP材料（其禁带宽度为1.34电子伏特），阱区材料选用In0.85Ga0.15As0.65P0.35（禁带宽度为0.79电子伏特），则可以满足上述要求。
根据半导体理论可知，当电磁波的光子能量大于半导体材料的禁带宽度时，它能发生本征吸收，可以将半导体材料中的价带电子抽运到导带中形成自由载流子。由于控制光6的光子能量E2大于半导体隔层材料4的禁带宽度，也大于半导体低维量子材料3中阱区材料、垒区材料的禁带宽度，因此当光强较大的控制光6被开启输入时，控制光6可将半导体低维量子材料3以及半导体隔层材料4的价带电子抽运到导带，形成自由载流子。阱区材料中的自由载流子发生受激辐射可为工作光7提供光增益。而当控制光6被关断时，阱区材料中没有自由载流子，半导体低维量子材料3的增益谱将发生改变。由于工作光7的光子能量大于阱区材料的禁带宽度，因此工作光7不仅无法从量子阱结构获得光增益，还要遭受量子阱对它的本征吸收，也即是它的光增益为负值。由于半导体隔层材料4的厚度很薄，在5纳米-50纳米之间，超材料5与半导体低维量子材料3之间通过局域近场作用相互耦合，半导体低维量子材料3由此可以补偿工作光7在超材料5中经受的损耗。
参见图5，本实施例3所述全光开关在控制光6被关断、开启的时候，模拟仿真得到的半导体低维量子材料3的增益谱。其中，工作光7波长为1.55微米，InGaAsP/InP半导体量子阱结构的阱区材料取为In0.85Ga0.15As0.65P0.35、厚度10纳米；垒层材料InP厚度为11纳米，量子阱周期数为1。图5表明，关断控制光6（波长为850nm）的时候，工作光7波长处的增益为负值，也即是工作光7遭受了半导体低维量子材料3对它的光吸收作用。开启控制光6的时候，工作光7波长处的增益为正值，表明工作光7得到了半导体低维量子材料3对它的光放大作用。这种光放大可以补偿工作光7在超材料5中经受的损耗。
参见图6，本实施例3所述全光开关在控制光6被关断、开启的时候，模拟仿真得到的超材料5的透射谱。其中，工作光7波长为1.55微米，控制光6波长为850nm，SRR结构参数取值如下：长度a=165纳米、宽度b =165纳米、条宽d=90纳米、开口宽度w=70纳米，周期为600纳米，金的厚度为30纳米。图6表明，在无控制光6入射的情况下（也即是关断控制光6的时候），超材料5的透射率最小值与工作光7的波长接近，也即是说，工作光7波长处于电磁共振吸收的峰值附近。此时工作光7会遭受超材料5的强烈的光吸收，因此其透射率很低。但是一旦控制光6被开启入射的时候，它可将半导体隔层材料4的价带电子抽运到导带，形成自由载流子。这些自由载流子会使得半导体的电导率增加，SRR的等效电容C发生改变，超材料5发生电磁共振的波长与强度会发生改变，也即是其透射谱发生改变。此时工作光7由于偏离了电磁共振吸收的峰值位置，它经受超材料吸收的程度也有所减弱，因此，此时工作光7的透射率显著提高。
综上，本实施例3所述全光开关在控制光6被关断的时候，工作光7要经受半导体低维量子材料3以及超材料的双重吸收，因此，其透射光功率很低，也即是说，关断控制光6的时候，工作光7也被关断了，处于“关”态。而当控制光6被开启的时候，工作光7从半导体低维量子材料3获得光增益，而且其经受超材料吸收的程度也有所减弱，因此，在控制光6开启的时候，输出工作光7的光功率较大，处于“开”态。而且，这种光开关能获得很大的消光比。
考察一个没有超材料5的对照光开关（也即是将复合结构的超材料5去掉，而其它结构均保留，而且控制光和工作光的参数都与图4所述复合结构的光开关的相同），在关断控制光6的情况下，设输出工作光7的光功率为P0；在开启控制光的情况下，设输出工作光7的光功率为P1；输出工作光7的消光比为ER1，以分贝为单位，则有：。
而对于图4所述复合结构的光开关来说， 从图6的仿真结果可知，工作光7在关断控制光、开启控制光两种情况下的透射率分别为0.15、0.95。设输出工作光7的消光比为ER2，以分贝为单位，则有：。因此，复合结构的光开关的消光比ER2要比对照光开关的消光比ER1增加8 dB。
复合结构光开关的响应特性由半导体材料的响应特性决定。一般半导体材料的响应时间在1纳秒之内。因此，这种光开关的开关时间小于1纳秒。
实施例4. 基于超材料与半导体低维量子材料的复合结构的全光波长转换器
在实施例3所述的全光开关的基础上，若用波长转换中的泵浦光8取代图4中的控制光6，用波长转换中的探测光9取代图4中的工作光7，即可用作图7所示的全光波长转换器。泵浦光8和探测光9均从超材料5这一侧垂直入射，它们依次通过复合结构的各个组成部分，从衬底1这一侧透射出来。输出光指的是透射光。
在全光波长转换中，也涉及到两束光，其中之一是泵浦光8，入射泵浦光8携带了信号；另外一束是探测光9，入射探测光9是没有携带信号的连续光。波长转换的功能就是要将泵浦光8中的信号转换到输出的探测光9上去，也即是使得输出的探测光9不再是连续光，而是携带上入射泵浦光8的信息。
探测光9的光子能量E3小于泵浦光8的光子能量E4；半导体隔层材料4的禁带宽度、半导体低维量子材料3中垒区材料的禁带宽度都是介于E3和E4之间，半导体低维量子材料3中阱区材料的禁带宽度小于E3。衬底1和缓冲层2的禁带宽度均大于E3。
在无泵浦光8入射的情况下，超材料5的电磁共振波长与探测光9的波长接近。当满足这些条件时，根据半导体理论可知，当泵浦光8为“0”时，也即是泵浦光8功率很小的时候，探测光9不仅无法从半导体低维量子材料3获得光增益，还要遭受阱区材料对它的吸收。此外，根据超材料电磁共振原理可知，探测光9还要经受超材料5对它的强烈共振吸收。因此，探测光9的输出光功率非常小，此时输出的探测光9也为“0”。而当泵浦光8为“1”时，也即是泵浦光8功率很大的时候，它在半导体低维量子材料3和半导体隔层材料4中均会产生大量的载流子。一方面，半导体低维量子材料3可对探测光9提供较大的光增益，所以探测光9的输出光功率会显著增加。另一方面，半导体隔层材料4中产生的自由载流子使得其电导率增加，进而改变超材料5的等效电容，超材料5发生电磁共振的波长与强度均会发生改变，探测光9经受的超材料吸收也会随之减弱。这两种因素结合在一起，使得当泵浦光8为“1”时，探测光9输出的光功率较大，此时输出的探测光9为“1”。
综上所述，当泵浦光8为“0”时，也就是功率很小的泵浦光8入射到复合结构时，探测光9输出的光功率很小，此时输出的探测光9为“0”。而当泵浦光8为“1”时，也就是功率较大的泵浦光8入射到复合结构时，探测光9输出的光功率较大，此时输出的探测光9为“1”。因此，输出的探测光9中携带了泵浦光8的信号，实现了全光波长转换功能。而且，根据上述分析还可以知道，输出探测光9可以获得大的消光比。复合结构的全光波长转换器改善消光比的原理与前面所述全光开关改善消光比的原理是一样的，这里就不再赘述。波长转换的响应特性由半导体材料的响应特性决定。一般半导体材料的响应时间在1纳秒之内，因此，这种波长转换器的响应时间小于1纳秒，可以适合调制速率大于吉比特/秒的全光波长转换。
以上只是本发明的一些实施例，本发明涉及的并不局限于上述实施例。
Claims (4)
1.一种基于超材料与半导体低维量子材料的复合结构，其特征是该复合结构在全光开关中的应用，该复合结构由自下而上排列的衬底（1）、缓冲层（2）、半导体低维量子材料（3）、半导体隔层材料（4）、超材料（5）组成，所述超材料（5）是周期排布的金属线阵列、周期排布的金属开口谐振环阵列或者渔网结构；所述半导体隔层材料（4）的厚度为5～50纳米；
所述半导体低维量子材料（3）由1～3个周期的垒区材料和阱区材料构成；
所述的全光开关，设有控制光（6）和工作光（7），其中控制光（6）的开启或者关断决定了输出工作光（7）的开启与关断状态；工作光（7）的光子能量E1小于控制光（6）的光子能量E2；半导体隔层材料（4）的禁带宽度和半导体低维量子材料（3）中垒区材料的禁带宽度都是介于E1和E2之间，半导体低维量子材料（3）中阱区材料的禁带宽度小于E1，衬底（1）和缓冲层（2）的禁带宽度大于E1；在无控制光（6）入射的情况下，超材料（5）的电磁共振波长与工作光（7）的波长接近。
2.根据权利要求1所述的基于超材料与半导体低维量子材料的复合结构，其特征在于所述半导体低维量子材料（3）是半导体量子阱、量子线、量子点。
3. 一种基于超材料与半导体低维量子材料的复合结构，其特征是该复合结构在全光波长转换器中的应用，该复合结构由自下而上排列的衬底（1）、缓冲层（2）、半导体低维量子材料（3）、半导体隔层材料（4）、超材料（5）组成，所述超材料（5）是周期排布的金属线阵列、周期排布的金属开口谐振环阵列或者渔网结构；所述半导体隔层材料（4）的厚度为5～50纳米；
所述半导体低维量子材料（3）由1～3个周期的垒区材料和阱区材料构成；
所述的全光波长转换器，设有泵浦光（8）和探测光（9），其中探测光（9）的光子能量E3小于泵浦光（8）的光子能量E4；半导体隔层材料（4）的禁带宽度、半导体低维量子材料（3）中垒区材料的禁带宽度都是介于E3和E4之间，半导体低维量子材料（3）中阱区材料的禁带宽度小于E3；衬底（1）和缓冲层（2）的禁带宽度大于E3；在无泵浦光（8）入射的情况下，超材料（5）的电磁共振波长与探测光（9）的波长接近。
4.根据权利要求3所述的基于超材料与半导体低维量子材料的复合结构，其特征在于所述半导体低维量子材料（3）是半导体量子阱、量子线、量子点。
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