CN103309119B - 非对称dmd结构的金属表面态双稳全光逻辑控制器件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种非对称DMD结构的金属表面态双稳全光逻辑控制器件，主要由第一和第二两中心频率失配的分布式布拉格反射镜DBR、金属薄膜以及Kerr介质构成，Kerr介质紧邻金属薄膜左侧，第一分布式布拉格反射镜位于Kerr介质左侧，第二分布式布拉格反射镜位于所述金属薄膜右侧。波长略大于短波长OTS1的控制光和波长略大于长波长OTS2的被控制光从左侧入射到该结构；控制光强度或入射角改变时，反射谱整体移动，被控制光的反射部分将随控制光发生双稳效应。本发明具有全光操作、低工作阈值和控制波长可调谐等特点，为相关全光器件的研制提供了新的手段，有助于进一步推动其在光通信与光传感等领域的应用。

Description

非对称DMD结构的金属表面态双稳全光逻辑控制器件
技术领域
本发明属于光电子技术领域，涉及全光控制器件，具体涉及一种利用光学金属表面态的全光双稳逻辑控制器。
背景技术
全光器件的出现避免了光电-电光转换的过程，在当今光通信及光传感等领域有着广泛的应用，是实现全光控制的关键器件。
作为一种特殊的金属表面态，光学Tamm态 (OTS) 是一种新型界面模式,  在固体物理中Tamm态指的是一种电子局域表面态，塔姆在20世纪30年代就预言了在截断的周期原子势边缘处Tamm态的存在，但首次观测到Tamm态却是在20年前于半导体超晶格中。光学Tamm态是由Tamm态类比而来，是一种界面局域模，亦即增强的场局域在两不同材料的分界面处。与传统的表面态相比，光学Tamm态可由TE或TM偏振态的光直接激发，即使是在垂直入射的情形下。此外，由于光学Tamm态在传感器、滤波器、极化激元激光器、光开关、及光非线性效应增强等方面有着广泛的应用，因此对光学Tamm态的研究在近年来倍受关注。
金属-分布式布拉格反射镜（DBR）结构是获得光学Tamm态比较理想的一种结构。光学Tamm态OTS形成时，光被限制在金属DBR的分界面处，分界面处光强度最强, 远离该交界面后, 强度逐渐衰减。与金属表面等离子体 SP 相比，OTS可同时被横电和横磁波在较宽的入射角度范围内直接激发, 不需要特定的入射角或色散调节元件。
光学Tamm态 OTS形成时金属与DBR交界面的电场强度极大增加，相应的非线性效应增强，可以利用此特性设计低阈值光学器件。
发明内容
针对上述现有技术，本发明的目的在于，如何提供一种基于金属表面态双稳现象的低阈值全光逻辑控制器件。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
非对称DMD结构的金属表面态双稳全光逻辑控制器件，其特征在于，包括第一和第二两中心频率失配的分布式布拉格反射镜DBR、金属薄膜以及Kerr介质，所述Kerr介质紧邻金属薄膜左侧，所述第一分布式布拉格反射镜DBR位于Kerr介质左侧，第二分布式布拉格反射镜DBR位于所述金属薄膜右侧；
选择波长略大于短波长OTS1对应波长的入射光为控制光，选择波长略大于长波长OTS2对应波长的入射光为被控制光；控制光垂直入射第一分布式布拉格反射镜DBR时，控制光强度增大（即正向扫描）和减小（即反向扫描）时，反射谱发生红移，产生的顺时针双稳态现象同时带动被控制光产生相应的变化，从而实现对被控制光的全光双稳逻辑控制；当控制光强度为某一固定值，通过其入射角增大（即正向扫描）和减小（即反向扫描）使反射谱发生蓝移，来控制被控制光，使被控制光随控制光入射角度变化出现逆时针双稳态现象。
作为本发明更进一步的描述，所述第一分布式布拉格反射镜DBR和第二分布式布拉格反射镜DBR均由光吸收小且折射率不同的半导体材料交替生长而成；各层的厚度为λ/ 4n，其中λ为DBR中心波长，n为该层介质折射率；令第一分布式布拉格反射镜层数适当小于第二分布式布拉格反射镜，且两DBR中心波长存在一个适当的差值即存在一个波长失配量，以提高OTS的强度，降低控制阈值。第一分布布拉格反射镜紧邻金属的一层用非线性Kerr介质替换，Kerr介质厚度为λ/ 4n，其中λ为DBR中心波长，n为该层介质折射率；金属层的厚度为20-150nm之间。
作为本发明更进一步的描述，第一和第二分布式布拉格反射镜DBR的中心波长可以选择在不同波长区域，同时适当调整第一和第二分布式布拉格反射镜DBR的层数差和中心频率失配量，就可在其它禁带范围内激发出光学Tamm态OTS，实现其它波长区域的双稳逻辑控制器件。
本发明的工作原理为：使用两个不同中心反射波长和不同层数的DBR，通过调节两个中心波长的失配量和层数差，使激发出的两个不同波长的OTS强度更强。此外，在金属一侧引入非线性Kerr介质，当入射光激发某一光学Tamm态OTS时，产生双稳效应，可以对另一光学Tamm态OTS波长附近的入射光进行全光逻辑控制。OTS激发时，分界面处光强集中，可以很大程度上增强Kerr效应，使全光控制时逻辑跳变的阈值功率大大降低。
附图说明
图1为非对称DMD结构的金属表面态全光双稳逻辑控制器件结构示意图；
图2为垂直入射情况下，非对称DMD结构的反射谱图；
图3为垂直入射情况下，控制光和被控制光随控制光的强度增加及减小时出现的顺时针双稳态现象；
图4为控制光强度固定时，垂直入射时，控制光和被控制光随控制光入射角增大及减小时出现的逆时针双稳态现象；
附图标记为：1第一分布式布拉格反射镜DBR、2第二分布式布拉格反射镜DBR、3为Kerr介质、4为金属薄膜、5为控制光、6为被控制光。
具体实施方式
下面以特定波长区域和特定材料为例结合附图及具体实施方式对本发明作更一步的描述。在图1中，左边为中心波长550nm的DBR，周期数为7.5，生长顺序为SiO2-TiO2，SiO2/ TiO2每层厚度为l/4n，其中，l表示DBR中心波长，n表示各层介质的折射率。该DBR右侧一层为Kerr介质（选择SiO2与Au混合物，控制比例使混合物的二阶非线性系数为10-8 cm2/W, 基本折射率为1.9，厚度约为72.4nm）。Kerr介质右边镀有一层厚度为30nm的金属薄膜Ag，金属薄膜的右边是23个周期的第二分布式布拉格反射镜DBR，生长顺序为TiO2-SiO2，中心波长为554nm，TiO2/SiO2每层厚度为l/4n。此结构即为设计的DMD结构。
图2为上述DMD结构在垂直入射时的反射谱，可以看出在禁带范围内，反射谱出现两个极小值，即在对应的波长处可分别激发出OTS。短波长的定义为OTS1，长波长的定义为OTS2。选择波长略大于OTS1对应波长的入射光为控制光，波长略大于OTS2对应波长的入射光为被控制光，见图2中箭头处。控制光强度或入射角改变时，其通过DMD结构的反射光强度将产生双稳效应，同时带动被控制光产生相应的变化。
图3为控制光及被控制光反射率随控制光强度增大和减小时产生的顺时针双稳态现象。控制光波长对应图2中OTS1附近箭头处，垂直入射，其强度增大（即正向扫描）和减小（即反向扫描）时，DMD对控制光的反射率出现顺时针双稳态现象。相应地，被控制光也随控制光强度变化出现顺时针双稳态现象。
图4与图3相似，只是控制光的强度确定，通过其入射角增大（即正向扫描）和减小（即反向扫描）来控制被控制光。可以看出，被控制光随控制光入射角度变化出现逆时针双稳态现象。
通过以上的方法，我们可以利用控制光的入射强度和入射角来控制被控制光的反射强度，实现对其全光控制，这对于光通信、光传感等应用具有重要实际意义。

Claims (3)

1. 非对称DMD结构的金属表面态双稳全光逻辑控制器件，其特征在于，包括第一和第二两中心频率失配的分布式布拉格反射镜DBR、金属薄膜以及Kerr介质，所述Kerr介质紧邻金属薄膜左侧，所述第一分布式布拉格反射镜DBR位于Kerr介质左侧，第二分布式布拉格反射镜DBR位于所述金属薄膜右侧；
选择波长略大于短波长OTS1对应波长的入射光为控制光，选择波长略大于长波长OTS2对应波长的入射光为被控制光（6）；控制光（5）垂直入射第一分布式布拉格反射镜DBR，控制光（5）强度增大和减小时，反射谱发生红移，产生的顺时针双稳态现象同时带动被控制光（6）产生相应的变化，实现对被控制光（6）的全光双稳逻辑控制；当控制光（5）强度为某一固定值，通过其入射角增大和减小使反射谱发生蓝移来控制被控制光（6），使被控制光（6）随控制光（5）入射角度变化出现逆时针双稳态现象；所述第一分布式布拉格反射镜DBR和第二分布式布拉格反射镜DBR均由两种折射率不同且光吸收少的半导体材料交替生长而成；各层的厚度为λ/ 4n，其中λ为DBR中心波长，n为该层介质折射率；令第一分布式布拉格反射镜层数适当小于第二分布式布拉格反射镜，且两DBR中心波长存在一个适当的差值即存在一个波长失配量；
第一分布式布拉格反射镜紧邻金属的一层用非线性Kerr介质替换，Kerr介质厚度为λ/ 4n，其中λ为DBR中心波长，n为该层介质折射率。
2.根据权利要求1所述的非对称DMD结构的金属表面态双稳全光逻辑控制器件，其特征在于，金属薄膜的厚度为20-150 nm之间。
3.根据权利要求1至2任一所述的非对称DMD结构的金属表面态双稳全光逻辑控制器件，其特征在于，布拉格反射镜DBR的中心波长选择在不同波长区域，同时适当调整第一和第二分布式布拉格反射镜的层数差和中心频率失配量，就可在其它禁带范围内激发出光学Tamm态OTS，实现其他波长区域的双稳逻辑控制器件。
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