CN106873082B - 一种开口谐振环超材料光开关 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种开口谐振环超材料光开关，涉及光通讯、光电子技术领域，包括陶瓷材质的基底和开口谐振环，开口谐振环和基底位置关系有两种分别为：1）、开口谐振环和基底直接接触贴合；2）、开口谐振环和基底之间夹有微波透明材质的垫片，开口谐振环和垫片贴合，垫片和基底贴合在一起。基底选用陶瓷材质，利用光激发能够引起陶瓷材料介电常数或导电率改变的特性，使开口谐振环的谐振频率或谐振强度发生变化，实现光开关作用，该发明具有开口谐振环本身所具有的优点，只需放大或缩小结构的尺寸，其工作波长也随之放大或缩小，实现了各个频段的光开关。简化了加工工艺，降低了生产成本，提高了使用灵活性，具有重要的学术意义和应用价值。

Description

一种开口谐振环超材料光开关

技术领域

本发明涉及光通讯、光电子技术领域，特别是涉及一种开口谐振环超材料光开关。

背景技术

光构建光通信系统的主体主要是基于光纤通信的主干网和基于光电信号处理技术的光网络节点。随着技术的进步，单根光纤的传输容量已经得到了快速发展。但现阶段，光网络节点处的信号交换和处理，仍主要采用电子的方式进行。而由于电子本身迁移率及弛豫时间等因素的限制，电子器件的速度和带宽无法满足当今通信系统超高速大容量的需求，产生了所谓的“电子瓶颈”。故而，光通信骨干网的速度、容量与光节点处信息处理能力的严重不匹配，成为当前光通信研究领域一个亟待解决的问题。

要解决上述光通信网络节点处的信号处理速度与功耗问题，则需要用全光器件取代电子器件，将光通信网中节点处的“光/电-电/光”转换改进为“光/光”转换，消除电信号处理过程，实现真正意义上的“全光网络”。由此可知，高速的全光信号处理技术是未来光网络发展的必由之路，有着极其广阔的发展和应用前景，研究用于全光信号处理的高性能低功耗器件对于未来的光通信网来说，具有极其重要的意义。

惠普公司在2014年6月11日于美国拉斯维加斯举行的“HP Discover Conference”上发布了新一代计算机开发项目“The Machine”。其关键技术大致有3项。第一项是“Energyand Algorithm Optimized Systems on Chip”，目标是凭借按用途优化的SoC，在提高性能的同时实现节能。第二项是“Universal Memory”，将采用访问速度与DRAM相当、容量单价与HDD相当的非易失性存储器，减少分层存储器之间的数据传输，使性能得到提高。第三项是“Photonics and Fabrics”，从数据中心的网络架构到机架内的互连、乃至芯片封装内部，全部采用基于光的通信。

光开关是一种具有一个或多个可选的传输端口的光学器件，其作用是对光传输线路或集成光路中的光信号进行物理切换或逻辑操作，光开关是光通信网络及器件的重要组成部分，光开关使纳米光电路及光学系统更具功能化，是实现全光网络的有效手段，可以推动光通信及计算机技术的发展，具有一定的社会及经济效益。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种开口谐振环超材料光开关，利用光激发引起陶瓷材料介电常数或电导率的改变，导致开口谐振环谐振频率或谐振强度发生变化实现光开关，该发明具有开口谐振环本身所具有的优点，即只需放大或缩小结构的尺寸，其工作波长也随之放大或缩小。实现了各个频段的光开关。同时，简化了加工工艺，降低了生产成本，提高了使用灵活性。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种开口谐振环超材料光开关，其特征在于：包括陶瓷材质的基底和开口谐振环，开口谐振环和基底位置关系有两种分别为：1）、开口谐振环和基底直接接触贴合；2）、开口谐振环和基底之间夹有微波透明材质的垫片，开口谐振环和垫片贴合，垫片和基底贴合在一起。

优选地，所述开口谐振环形状为矩形、米字形或Ω形。

优选地，所述开口谐振环材质为铜、金或银。

优选地，所述基底在光频段时材质选用硅、硫化锌或硫化银；在微波频段时选用钛酸锶钡、钛酸钡、钛酸钙、钛酸镁、氧化镍、氧化钴或氧化锰。

优选地，所述垫片在光频段材质选用玻璃、石英或透明塑料；在微波频段垫片材质选用聚四氟乙烯。

优选地，所述开口谐振环、基底和垫片之间使用胶水进行贴合连接。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明通过设计一种开口谐振环超材料光开关，基底选用陶瓷材质，利用光激发能够引起陶瓷材料介电常数或导电率改变的特性，使开口谐振环的谐振频率或谐振强度发生变化，实现光开关作用，该发明具有开口谐振环本身所具有的优点，即只需放大或缩小结构的尺寸，其工作波长也随之放大或缩小，实现了各个频段的光开关。同时，简化了加工工艺，降低了生产成本，提高了使用灵活性，具有重要的学术意义和应用价值。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图中：1、基底；2、开口谐振环。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

如图1所示，为本发明的结构示意图，包括陶瓷材质的基底1和开口谐振环2，开口谐振环2和基底1位置关系有两种分别为：1）、开口谐振环2和基底1直接接触贴合；2）、开口谐振环2和基底1之间夹有微波透明材质的垫片，开口谐振环2和垫片贴合，垫片和基底1贴合在一起。

陶瓷材料具有光激发能够引起陶瓷材料介电常数或导电率变化的特性，开口谐振环2的谐振特性随着周围环境的性质（介电常数、导电率）的变化而变化，从而导致电磁波传输性质也随之变化；基底1选用陶瓷材质后，当基底1的介电常数或导电率发生变化后，导致开口谐振环2的谐振频率或谐振强度发生相应变化，即光透射率发生变化，从而光路开关变化，实现了光开关作用。

垫片在光频段材质选用玻璃、石英或透明塑料；在微波频段垫片材质选用聚四氟乙烯。

开口谐振环2、基底1和垫片之间使用胶水进行贴合连接。

开口谐振环2和基底1之间可以夹透明材质的垫片，垫片的作用能够调控陶瓷基底1和开口谐振环2之间的距离，进而调控工作频段、开关比和响应速度等参数。

开口谐振环2形状为矩形、米字形或Ω形，环材质为铜、金或银；通过印刷电路板的方法制备，将设计好的开口谐振环2阵列用转印纸打印出来，将覆铜板裁剪成需要的大小，并用细砂纸将其表面的氧化层打磨掉，之后将打印出来的开口谐振环2阵列热转印到覆铜板上，再将此覆铜板放入腐蚀液中将露在外面的铜腐蚀掉，之后将覆铜板上的墨粉打磨掉露出铜开口谐振环2阵列。

基底1在光频段时材质选用硅、硫化锌或硫化银；在微波频段时选用钛酸锶钡、钛酸钡、钛酸钙、钛酸镁、氧化镍、氧化钴或氧化锰。

例如基底1选用钛酸钡，钛酸钡陶瓷以碳酸钡与二氧化钛为原材料，通过固相反应法制备。根据化学计量比称取一定量的原始粉料放入球磨罐中，球磨24h使原始粉料充分混合，将球磨得到的浆料倒入托盘中，烘干，将烘干后的粉料放入高温炉中1150℃预烧2h。将预烧后得到的粉料放入球磨罐中进行6h的二次球磨，取出浆料烘干后过120目筛。取一定量的粉放入研钵中，加入适量的聚乙烯醇（PVA）水溶液（质量浓度5%），进行造粒。取一定量的造粒后的粉料放入直径为10mm的模具中，4MPa保压10s，将得到的成型的样品放入高温炉中，600℃保温2h排掉PVA，之后在1200℃保温2h得到陶瓷片。升温过程中升温速率为3℃/min。将开口谐振环2阵列与陶瓷基底1贴合到一起即得到光开关。基底1在电磁场的激发下产生热量，热积累导致其温度升高，引起介电常数的变化，进而谐振频率发生变化，初始谐振频率处的透射率由小变大，即由关到开。

当基底1选用为氧化钴。陶瓷基底1在电磁场的激发下产生热量，热积累导致其温度升高，引起电导率的变化，进而谐振强度发生变化，导致谐振频率处透射率发生由小到大的变化，即由关到开。

当基底1选择硫化锌，将开口谐振环2阵列与陶瓷基底1贴合到一起即得到光开关。硫化锌基底1在电磁场的激发下发生电子跃迁，引起介电常数的变化，进而谐振频率发生变化，初始谐振频率处的透射率由小变大，即由关到开。

采用上述技术方案后，利用光激发能够引起陶瓷材料介电常数或导电率改变的特性，使开口谐振环2的谐振频率或谐振强度发生变化，实现光开关作用，该发明具有开口谐振环2本身所具有的优点，即只需放大或缩小结构的尺寸，其工作波长也随之放大或缩小，实现了各个频段的光开关。同时，简化了加工工艺，降低了生产成本，提高了使用灵活性，具有重要的学术意义和应用价值。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种开口谐振环超材料光开关，其特征在于：包括陶瓷材质的基底(1)和开口谐振环(2)，开口谐振环(2)和基底(1)之间夹有微波透明材质的垫片，开口谐振环(2)和垫片使用胶水贴合，垫片和基底(1)使用胶水贴合在一起；

其中，所述垫片用于调控陶瓷基底和开口谐振环之间的距离，所述垫片在光频段材质选用玻璃、石英或透明塑料；在微波频段垫片材质选用聚四氟乙烯。

2.根据权利要求1所述的一种开口谐振环超材料光开关，其特征在于：所述开口谐振环(2)形状为矩形、米字形或Ω形。

3.根据权利要求1所述的一种开口谐振环超材料光开关，其特征在于：所述开口谐振环(2)材质为铜、金或银。

4.根据权利要求1所述的一种开口谐振环超材料光开关，其特征在于：所述基底(1)在光频段时材质选用硅陶瓷、硫化锌陶瓷或硫化银陶瓷；在微波频段时材质选用钛酸锶钡陶瓷、钛酸钡陶瓷、钛酸钙陶瓷、钛酸镁陶瓷、氧化镍陶瓷、氧化钴陶瓷或氧化锰陶瓷。

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