CN108306632A - 一种基于量子隧道效应的机械式光电开关 - Google Patents

一种基于量子隧道效应的机械式光电开关 Download PDF

Info

Publication number
CN108306632A
CN108306632A CN201810152121.6A CN201810152121A CN108306632A CN 108306632 A CN108306632 A CN 108306632A CN 201810152121 A CN201810152121 A CN 201810152121A CN 108306632 A CN108306632 A CN 108306632A
Authority
CN
China
Prior art keywords
mechanical
cantilever beam
passive
quantum tunneling
switch
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201810152121.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN108306632B (zh
Inventor
徐庆昊
周琦
巩旭鹏
靳雷生
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nanjing Post and Telecommunication University
Nanjing University of Posts and Telecommunications
Original Assignee
Nanjing Post and Telecommunication University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nanjing Post and Telecommunication University filed Critical Nanjing Post and Telecommunication University
Priority to CN201810152121.6A priority Critical patent/CN108306632B/zh
Publication of CN108306632A publication Critical patent/CN108306632A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN108306632B publication Critical patent/CN108306632B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/51—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used
    • H03K17/78—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used using opto-electronic devices, i.e. light-emitting and photoelectric devices electrically- or optically-coupled
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/94—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the way in which the control signals are generated
    • H03K17/941—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the way in which the control signals are generated using an optical detector

Landscapes

  • Mechanical Light Control Or Optical Switches (AREA)
  • Micromachines (AREA)

Abstract

本发明涉及微/纳机械电子系统(MEMS/NEMS)技术领域，具体的说，是一种基于量子隧道效应的弱耦合机械式光电开关，该光电开关由两个通过机械耦合的悬臂梁组成，分别为主动悬臂梁和被动悬臂梁，两个梁通过机械部件耦合；当存在光压时，被动梁动力学特性发生变化，并通过机械耦合部件反馈到主动梁；由于存在量子隧道效应，主动梁对反馈产生的位移变化极为敏感；在机械耦合系数一定时，不同光强下，主动梁存在着持续振荡和中止振荡两种状态，将持续振荡视为开关闭合，振荡中止视为开关断开；最终，通过调整机械耦合部分的耦合系数，可以在不同光强下实现开关的开启和闭合。

Description

一种基于量子隧道效应的机械式光电开关
技术领域
本发明涉及微/纳机械电子系统(MEMS/NEMS)技术领域，具体的说，是一种基于量子隧道效应的弱耦合机械式光电开关。
背景技术
传统的光电开关大多基于半导体中的光吸收/光辐射机制，所采用半导体材料往往只能探测到特定波长的光子。此外，如果不采用外围电路的情况下，该类开关很难和一些特定的微/纳机械部件实现高度集成。而在微/纳机械电子系统(MEMS/NEMS)中，又往往需要将光-机械-电子三者集成起来，从而实现多物理场传感，致动和换能。因此，发明一种能和微/纳机械电子系统兼容的光电开关，变的尤为重要。本发明针对该问题，提出一种基于量子隧道效应的弱耦合机械式光电开关，可以将光压力通过一个弱耦合的梁结构，实现光电之间的转换，从而控制电流的开关。此发明具有和MEMS/NEMS高度集成，不受光子波长限制等优点。
发明内容
本发明目的在于提供一种基于量子隧道效应的机械式光电开关，该开关在不太光强下主动臂对光强进行监测，在特定光强范围内被动臂之间将会实现电子的传输和关断。由于基于量子隧道效应机制，该光电开关器件具有高敏感、稳定性好、高集成度等普通开关所不具有的优点。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种基于量子隧道效应的机械式光电开关，由两个机械耦合的机械悬臂梁组成，设定为主动悬臂梁和被动悬臂梁，主动悬臂梁和被动悬臂梁一端自由悬挂，另一端通过机械部件耦合，主动悬臂梁的末端有金属电极G，电极G左右两边设定有两个机械固定的电极S和D，在S和D之间一定的直流电压作用下，悬臂沿水平方向产生自激振荡，并发生量子隧道效应，并通过机械耦合部件，可以实现和被动悬臂梁之间发生光电信息交换，被动悬臂梁自由端制有微镜。
本发明的进一步改进，采用的器件规格为：
(1)机械耦合参数：ki＝0.002；
(2)初始电导：GGS＝GDG＝1×10-10S、
(3)初始电容：CGS＝CDG＝1×10-18F、CGB＝1×10-18F；
(4)主动臂梁、被动臂梁尺寸：80nm×10nm×10nm。
本发明装置由两个机械耦合的悬臂梁组成，其中一端自由悬挂，另一端通过长方体材料机械耦合，且该长方体底面固定，非自由悬挂悬臂梁(主动悬臂梁)的末端存在金属模块，同时两端有两个机械固定的电极，可分别看作源S和漏D，通电后主动悬臂梁由于静电力向S(或D)端移动加载(或卸载)电荷，然后返回D(或S)端移动卸载(或加载)电荷。在S和D之间一定的直流电压作用下，悬臂沿水平方向产生自激振荡。并通过机械耦合驱动另一悬臂(被动悬臂梁)而产生振动。
当有光照射至被动悬臂梁时，诱导被动悬臂力学特性发生变化，通过机械耦合反馈到主动悬臂梁。由于机械结构极小，主动臂在振荡时存在量子隧道效应，从而引起主动臂力学性能发生变化。在不同光强下，主动臂存在着持续振荡和中止振荡两种状态，将持续振荡视为开关闭合，振荡中止视为开关断开。最终，通过调整连接特殊材料的耦合系数，可以在不同光强下实现开关的闭合和断开。
本发明的有益效果：(1)高敏感：该机械式光电开关通过量子隧道效应反应光强变化，量子隧道效应可适用于少数微观粒子，因此对光强变化具有高敏感度；(2)高集成：该发明能很好的和MEMS/NEMS实现集成，且不需要复杂的电路；(3)工作范围广：该发明不受光波长的限制，可以通过调节机械参数，适应不同波长的光，从而实现宽工作范围的光电开关状态。
本发明是基于量子隧道效应的纳机械电子晶体管，还具有其他优点，如体积小、重量轻等。该发明基于机械弱耦合机制，有望实现对单光子进行检测，因此，还具有在新一代量子信息技术中应用的潜力。
附图说明
图1为本发明基于量子隧道效应的机械式光电开关的结构图；
标识说明：S-源电极；G-门电极；D-漏电极；e--电子；
图2为主动悬臂梁的等效电路图。
标识说明：S-源；G-金属模块；D-漏；B-连接终端；GGS-G-S之间等效电导；CGS-G-S之间等效电容；GDG-D-G之间等效电导；CDG-D-G之间等效电容；GGB-G-B之间等效电导；CGB-G-B之间等效电容。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解，下面将结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，该实施例仅用于解释本发明，并不对本发明的保护范围构成限定。
如图1所示，通过光纤可以将发射激光照射在被动悬臂梁顶端的微镜，由于存在光压力，被动梁的动力学特性(如位移)，会发生改变，进而通过机械耦合部分，影响到主动悬臂梁的力学特性。由于主动臂末端金属电极与S、D之间距离极近，电子在电极和金属模块之间可以发生存在量子隧道效应，所以被动臂对主动臂的轻微影响可以被检测，从而导致S和D之间的电流打开或关闭。
如图2所示，将金属电极G与S、D之间视为可变电容和可变电阻的串联，电阻与电容的取值与主动臂的振荡密切相关，随着主动臂力学特性的改变，电容、电阻将会发生变化。
本发明采用的器件规格为：
(1)机械耦合参数：ki＝0.002
(2)初始电导：GGS＝GDG＝1×10-10S、
(3)初始电容：CGS＝CDG＝1×10-18F、CGB＝1×10-18F
(4)主动臂、被动臂尺寸：80nm×10nm×10nm。
开关工作范围：
表1.光电开关工作范围表
本发明的结构标准如下：
(1)主动梁与被动梁通过机械部分实现弱耦合：本发明为机械式光电开关，主、被动悬臂梁通过机械部分，将被动臂由光压力所引起的力学特性改变反馈至主动臂，实现光电通过机械进行开关。
(2)通过量子隧道效应实现电子探测：由于器件尺寸较小，可以发生量子隧道效应，主动臂末端G与D、S之间实现高敏感度的电子传输。使得该光电开关具有更高的灵敏度。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (2)

1.一种基于量子隧道效应的机械式光电开关，其特征在于：由两个机械耦合的机械悬臂梁组成，设定为主动悬臂梁和被动悬臂梁，所述主动悬臂梁和被动悬臂梁一端自由悬挂，另一端通过机械部件耦合，所述主动悬臂梁的末端有金属电极G，电极G左右两边设定有两个机械固定的电极S和D，在S和D之间一定的直流电压作用下，悬臂沿水平方向产生自激振荡，并发生量子隧道效应，并通过机械耦合部件，可以实现和被动悬臂梁之间发生光电信息交换，所述被动悬臂梁自由端制有微镜。
2.根据权利要求1所述的一种基于量子隧道效应的机械式光电开关，其特征在于：采用的器件规格为：
(1)机械耦合参数：ki＝0.002；
(2)初始电导：GGS＝GDG＝1×10-10S、
(3)初始电容：CGS＝CDG＝1×10-18F、CGB＝1×10-18F；
(4)主动臂梁、被动臂梁尺寸：80nm×10nm×10nm。
CN201810152121.6A 2018-02-14 2018-02-14 一种基于量子隧道效应的机械式光电开关 Active CN108306632B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810152121.6A CN108306632B (zh) 2018-02-14 2018-02-14 一种基于量子隧道效应的机械式光电开关

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810152121.6A CN108306632B (zh) 2018-02-14 2018-02-14 一种基于量子隧道效应的机械式光电开关

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN108306632A true CN108306632A (zh) 2018-07-20
CN108306632B CN108306632B (zh) 2021-12-24

Family

ID=62865225

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201810152121.6A Active CN108306632B (zh) 2018-02-14 2018-02-14 一种基于量子隧道效应的机械式光电开关

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN108306632B (zh)

Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6303885B1 (en) * 2000-03-03 2001-10-16 Optical Coating Laboratory, Inc. Bi-stable micro switch
CN1324453A (zh) * 1998-10-23 2001-11-28 康宁股份有限公司 密封流体的微机电系统光开关
CN1472556A (zh) * 2003-06-24 2004-02-04 重庆大学 一种利用金属材料制作的微机械光开关
US20040184760A1 (en) * 2003-03-19 2004-09-23 Xerox Corporation Electrical stimuli of MEMS devices
CN1661413A (zh) * 2005-01-18 2005-08-31 东南大学 数字控制自定位自由空间微机械光开关
CN101174655A (zh) * 2007-10-24 2008-05-07 哈尔滨工业大学 一种用于柔性结构控制的非接触光电作动器及装置
CN102064039A (zh) * 2010-11-26 2011-05-18 苏州扩达微电子有限公司 微电子机械系统开关、运动传感器及运动传感方法
CN102354789A (zh) * 2011-09-22 2012-02-15 东南大学 微机械耦合度可重构微波功率耦合器及其制备方法
US8203775B1 (en) * 2011-08-16 2012-06-19 Agiltron, Inc. MEMS bistable optical switch and methods for use thereof
CN103543292A (zh) * 2013-11-06 2014-01-29 中北大学 一种基于电容效应和隧道效应的复合式加速度计
CN103943420A (zh) * 2014-04-15 2014-07-23 清华大学 Mems继电器、悬臂梁开关及其形成方法

Patent Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1324453A (zh) * 1998-10-23 2001-11-28 康宁股份有限公司 密封流体的微机电系统光开关
US6303885B1 (en) * 2000-03-03 2001-10-16 Optical Coating Laboratory, Inc. Bi-stable micro switch
US20040184760A1 (en) * 2003-03-19 2004-09-23 Xerox Corporation Electrical stimuli of MEMS devices
CN1472556A (zh) * 2003-06-24 2004-02-04 重庆大学 一种利用金属材料制作的微机械光开关
CN1661413A (zh) * 2005-01-18 2005-08-31 东南大学 数字控制自定位自由空间微机械光开关
CN101174655A (zh) * 2007-10-24 2008-05-07 哈尔滨工业大学 一种用于柔性结构控制的非接触光电作动器及装置
CN102064039A (zh) * 2010-11-26 2011-05-18 苏州扩达微电子有限公司 微电子机械系统开关、运动传感器及运动传感方法
US8203775B1 (en) * 2011-08-16 2012-06-19 Agiltron, Inc. MEMS bistable optical switch and methods for use thereof
CN102354789A (zh) * 2011-09-22 2012-02-15 东南大学 微机械耦合度可重构微波功率耦合器及其制备方法
CN103543292A (zh) * 2013-11-06 2014-01-29 中北大学 一种基于电容效应和隧道效应的复合式加速度计
CN103943420A (zh) * 2014-04-15 2014-07-23 清华大学 Mems继电器、悬臂梁开关及其形成方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
LEISHENG JIN等: ""An Optical-Driven Quantum Shuttle: Modeling, Dynamics and Controllability"", 《IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS》 *
M. YANO等: ""Optical MEMS for photonic switching-compact and stable optical crossconnect switches for simple, fast, and flexible wavelength applications in recent photonic networks"", 《IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS》 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN108306632B (zh) 2021-12-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6597496B1 (en) Silicon nanoparticle stimulated emission devices
US11011885B2 (en) Laser device and light-source device
US20120057879A1 (en) Discrete bootstrapping in an optical receiver to prevent signal feedback
US11994668B2 (en) Camera module having conductive member electrically connected to lens outer frame and circuit substrate
TW200531137A (en) Optical coupler and electronic equipment using same
Ahamed et al. Modelling of electronic and optical properties of Cu2SnS3 quantum dots for optoelectronics applications
JP2007115908A (ja) 光結合装置
CN210491199U (zh) 一种光照强度变亮时启动的智能mems麦克风
CN108306632A (zh) 一种基于量子隧道效应的机械式光电开关
CN203071089U (zh) 一种太阳能电池的电极结构以及太阳能电池模组
DE102007001381B4 (de) Winkelgeschwindigkeitssensorvorrichtung
CN216310326U (zh) 一种光电放大器
TW477123B (en) Optoelectronic transceiver
CN210781344U (zh) 一种光照强度变暗时启动的智能mems麦克风
CN109560090A (zh) 图像传感器的封装结构
JPH06500667A (ja) 光子誘導可変容量効果素子
CN209299361U (zh) 摄像头模组及终端
US10985526B2 (en) Laser device and light-source device
CN208062052U (zh) 图像传感器的封装结构
CN201122792Y (zh) 一种集成光隔离器的半导体激光器
RU2003121045A (ru) Бесконтактная интегральная микросхема
CN212135116U (zh) 一种全光逻辑或门装置
JP2007242666A (ja) 受光モジュール
CN216350960U (zh) 一种连续激光测试高压电场装置
CN111879987B (zh) 一种耐高压隔离的触点检测电路

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant