CN109901310B - 一种基于表面等离激元超表面的偏振态控制光开关 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光开关技术领域，具体涉及一种基于表面等离激元超表面的偏振态控制光开关，包括通过顺次设置的激光器、透镜、偏振控制器、超表面结构、光电探测器和电流表，激光器发射出光束，光束通过透镜投射到偏振控制器，偏振控制器接收光束并输出第一信号，超表面结构接收第一信号并在第一信号的激励下输出第二信号，光电探测器接收第二信号，并输出信号至电流表，通过电流表的电流判断偏振态控制光开关状态。利用超表面结构在不同偏振光的激励下产生不同的透射特性，对入射光选择性通过，实现对入射光阻断或通过的开关效应，通过改变外界条件影响超表面结构的表面等离激元的激发与传输特性，实现光开关打开与关闭的效果。
Description
技术领域
本发明涉及光开关技术领域，具体涉及一种基于表面等离激元超表面的偏振态控制光开关。
背景技术
随着光信息与光通信的发展，光通信向集成光路发展，因此要求光学器件尺寸的微小型化。光开关作为信息交换、处理系统的基本单元，它的集成化对光信息与光通信具有重要意义。其的功能是在控制变量的作用下，实现光信号的某个参数，如功率、相位等快速、可逆地从一个状态转变为另一个状态。传统光开关尺寸大，存在光学衍射极限的问题，很难将器件集成到微纳米量级，推广使用受到限制。
发明内容
为解决现有技术中存在的光开关尺寸大，存在光学衍射极限的技术问题，本申请实施例提供了一种基于表面等离激元超表面的偏振态控制光开关，包括通过顺次设置的激光器、透镜、偏振控制器、超表面结构、光电探测器和电流表，激光器、透镜、偏振控制器与超表面结构位于同于轴线上，光电探测器与电流表之间电连接。利用超表面结构在不同偏振光的激励下产生不同的透射特性，对入射光选择性通过，实现对入射光阻断或通过的开关效应，通过改变外界条件影响超表面结构的表面等离激元的激发与传输特性，实现光开关打开与关闭的效果。
本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
一种基于表面等离激元超表面的偏振态控制光开关，包括通过顺次设置的激光器、透镜、偏振控制器、超表面结构、光电探测器和电流表；所述激光器、透镜、偏振控制器与超表面结构位于同于轴线上；所述光电探测器与所述电流表之间电连接；所述激光器发射出光束，所述光束通过所述透镜投射到所述偏振控制器；所述偏振控制器接收所述光束并输出第一信号；所述超表面结构接收所述第一信号并在所述第一信号的激励下输出第二信号；所述光电探测器接收所述第二信号，并输出信号至所述电流表，通过所述电流表的电流判断所述偏振态控制光开关状态。
进一步地，所述偏振控制器还包括一电开关；所述电开关控制所述偏振控制器输出第一信号。
进一步地，所述第一信号为X方向偏振光或Y方向偏振光。
进一步地，当所述第一信号为X方向偏振光时，所述电流表有电流通过，所述偏振态控制光开关处于打开状态；当所述第一信号为Y方向偏振光时，所述电流表无电流通过，所述偏振态控制光开关处于关闭状态。
进一步地，所述偏振控制器由起偏器和向列相液晶构成。
进一步地，所述超表面结构由多个单元结构按照矩形周期组合而成；所述每个单元结构包括互相分离且处于同一平面的第一棒体、第二棒体、第三棒体和第四棒体；所述第一棒体与所述第二棒体互相平行，所述第三棒体与所述第四棒体设于所述第一棒体与所述第二棒体之间；所述第三棒体与所述第四棒体互相平行；所述第三棒体与所述第一棒体和所述第二棒体均垂直。
进一步地，所述超表面结构下表面远离所述偏振控制器一侧设有一衬底。
进一步地，所述第一棒体、第二棒体、第三棒体和第四棒体均由贵金属材料制成。
进一步地，所述衬底为由SiO2材料制成；所述贵金属材料为Au。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本申请实施例通过提供一种基于表面等离激元超表面的偏振态控制光开关，为微纳级别，利用偏振控制器产生不同偏振态的光束，超表面结构在不同偏振光的激励下产生不同的透射特性，对入射光选择性通过，实现对入射光阻断或通过的开关效应，通过偏振控制器改变入射光的偏振方向影响光波与超表面结构之间的相互耦合，实现光开关的打开和关闭，通过改变外界条件影响超表面结构的表面等离激元的激发与传输特性，实现光开关打开与关闭的效果。
本申请实施例一种基于表面等离激元超表面的偏振态控制光开关基于表面等离激元的超表面结构，可以突破光学衍射极限，得到亚波长的超小尺寸的光学器件，有效缩小光学器件的尺寸。具有集成化高、结构简单、稳定性好、微小型化等优点，可以应用在光通信和信息光子技术等领域。并为实现更小尺寸的光学器件提供了研究方向。此外，本实施例基于表面等离激元超表面的偏振态控制光开关具有波长选择性，可通过调节单元结构的物理参数以调节超表面结构对于第一信号，即入射光的响应波长，从而实现对特定波长的开关效应。
附图说明
图1为本申请实施例偏振态控制光开关工作原理图；
图2为本申请实施例偏振态控制光开关超表面结构示意图；
图3是本申请实施例超表面结构在X偏振光和Y偏振光照射下的透射谱线。
图中：1、第一棒体；2、第二棒体；3、第三棒体；4、第四棒体；5、衬底。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1：
为解决现有技术中存在的光开关尺寸大，存在光学衍射极限的技术问题，本申请实施例提供了一种基于表面等离激元超表面的偏振态控制光开关，如图1所示，包括通过顺次设置的激光器、透镜、偏振控制器、超表面结构、光电探测器和电流表，激光器、透镜、偏振控制器与超表面结构位于同于轴线上，光电探测器与电流表之间电连接。
具体而言：
透镜，本实施例具体为凸透镜，激光器发射的光束一般为放射形的锥形光束，透镜将其汇聚为多条平行光束或者一条线光束，使其更好的聚焦到偏振控制器上。
偏振控制器，本实施例具体为波片型偏振控制器，主要由起偏器和向列相液晶构成，利用波片推迟来调节光的偏振态，主要由线性起偏器、四分之一波片和半波片组成，通过电机旋转λ/4和λ/2波片，使得其快轴相对线偏振光振动方向可旋转任意角度，从而可获得需要的任何偏振态。
在本实施例中偏振控制器还包括一电开关，电开关控制偏振控制器输出第一信号，本实施例中第一信号为X方向偏振光或Y方向偏振光。当电开关闭合时，偏振控制器输出X方向偏振光，超表面结构可通过X方向偏振光，偏振态控制光开关表现为“开”；当电开关断开时，偏振控制器输出Y方向偏振光，超表面结构可通过Y方向偏振光，偏振态控制光开关也表现为“关”。
超表面结构，本实施例超表面结构具体由多个单元结构按照矩形周期组合而成，每个单元结构包括互相分离且处于同一平面的第一棒体1、第二棒体2、第三棒体3和第四棒体4，第一棒体1与第二棒体2互相平行，第三棒体3与第四棒体4设于第一棒体1与第二棒体2之间，第三棒体3与第四棒体4互相平行，第三棒体3与第一棒体1和第二棒体2均垂直。第一棒体1、第二棒体2、第三棒体3和第四棒体4均由贵金属材料制成。超表面结构下表面远离偏振控制器一侧设有一衬底5，即超表面结构上第一信号入射面的背面。本实施例衬底5具体为SiO2材料制成，贵金属材料具体为Au。
光电探测器，吸收超表面结构输出的第二信号，即光辐射，吸收能量使得其内部温度升高，从而改变了其电学性能，产生输出电流。
电流表，电流表与光电探测器之间电连接，光电探测器在接收第二信号的光辐射后产生输出电流，电流表用于检测该电路中有无电流通过，即可判断光电探测器有电流产生。
激光器发射出光束，光束通过透镜投射到偏振控制器，偏振控制器接收光束并输出第一信号，
超表面结构接收第一信号并在第一信号的激励下输出第二信号，光电探测器接收第二信号，并输出信号至电流表，通过电流表的电流判断偏振态控制光开关状态。
当第一信号为X方向偏振光时，超表面结构对于第一信号的透射率很高，光透过超表面结构照射到光电探测器上，光电探测器接收到光信号，改变了其电学性能，产生输出电流，电流表检测到有电流通过，电流表有电流通过，此时，本实施例偏振态控制光开关处于打开状态；
当第一信号为Y方向偏振光时，超表面结构对于第一信号的透射率极低，几乎接近于零，几乎无光透过超表面结构，此时光电探测器无电学性能变化，电流表无电流通过，此时，偏振态控制光开关处于关闭状态。
实施例2：
为进一步说明实施例1中超表面结构对于X方向偏振光和Y方向偏振光的不同透射率，本实施例公开了超表面结构对于X方向偏振光和Y方向偏振光的透射特性。
如图2所示，为本实施例一种基于表面等离激元超表面的偏振态控制光开关，超表面结构中每个单元结构的周期为1200nm×1200nm，衬底5厚度为100nm，衬底5为SiO2材料，第一棒体1、第二棒体2、第三棒体3和第四棒体4完全相同，均由Au材料制成，尺寸均为：
200nm长×80nm宽×50nm厚；第三棒体3两端分别距离第一棒体1与第二棒体2的间距均为40nm，第三棒体3与第四棒体4之间的间距为40nm。
如图3所示，当入射光照射本实施例超表面结构时，在1300nm波段产生响应，本实施例超表面结构可通过X方向(沿超表面结构短边方向)的偏振光，而对Y方向(沿超表面结构长边方向)的偏振光表现出强烈的吸收和反射，因此Y方向偏振光会被阻断。超表面结构对X偏振方向的入射光透射率可达85.69％，透射率极高，光透过超表面结构照射到光电探测器上，光电探测器接收到光信号，改变了其电学性能，产生输出电流，电流表检测到有电流通过，电流表有电流通过，此时，本实施例偏振态控制光开关处于打开状态(NO)。
而对Y偏振方向的入射光透射率仅0.98％，超表面结构对于第一信号的透射率极低，几乎接近于零，无光透过超表面结构，此时光电探测器无电学性能变化，电流表无电流通过，此时，偏振态控制光开关处于关闭状态(OFF)。
因此，本申请实施例通过提供一种基于表面等离激元超表面的偏振态控制光开关，为微纳级别，利用偏振控制器产生不同偏振态的光束，超表面结构在不同偏振光的激励下产生不同的透射特性，对入射光选择性通过，实现对入射光阻断或通过的开关效应，通过偏振控制器改变入射光的偏振方向影响光波与超表面结构之间的相互耦合，实现光开关的打开和关闭，通过改变外界条件影响超表面结构的表面等离激元的激发与传输特性，实现光开关打开与关闭的效果。
本申请实施例一种基于表面等离激元超表面的偏振态控制光开关基于表面等离激元的超表面结构，可以突破光学衍射极限，得到亚波长的超小尺寸的光学器件，有效缩小光学器件的尺寸。具有集成化高、结构简单、稳定性好、微小型化等优点，可以应用在光通信和信息光子技术等领域。并为实现更小尺寸的光学器件提供了研究方向。此外，本实施例基于表面等离激元超表面的偏振态控制光开关具有波长选择性，可通过调节单元结构的物理参数以调节超表面结构对于第一信号，即入射光的响应波长，从而实现对特定波长的开关效应。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种基于表面等离激元超表面的偏振态控制光开关，其特征在于，包括通过顺次设置的激光器、透镜、偏振控制器、超表面结构、光电探测器和电流表；所述激光器、透镜、偏振控制器与超表面结构位于同于轴线上；所述光电探测器与所述电流表之间电连接；
所述激光器发射出光束，所述光束通过所述透镜投射到所述偏振控制器；所述偏振控制器接收所述光束并输出第一信号；
所述超表面结构接收所述第一信号并在所述第一信号的激励下输出第二信号；
所述光电探测器接收所述第二信号，并输出信号至所述电流表，通过所述电流表的电流判断所述偏振态控制光开关状态；
所述超表面结构由多个单元结构按照矩形周期组合而成；
所述单元结构包括互相分离且处于同一平面的第一棒体、第二棒体、第三棒体和第四棒体；
所述第一棒体与所述第二棒体互相平行，所述第三棒体与所述第四棒体设于所述第一棒体与所述第二棒体之间；
所述第三棒体与所述第四棒体互相平行；
所述第三棒体与所述第一棒体和所述第二棒体均垂直。
2.根据权利要求1所述的偏振态控制光开关，其特征在于，所述偏振控制器还包括一电开关；所述电开关控制所述偏振控制器输出第一信号。
3.根据权利要求1所述的偏振态控制光开关，其特征在于，所述第一信号为X方向偏振光或Y方向偏振光。
4.根据权利要求3所述的偏振态控制光开关，其特征在于，当所述第一信号为X方向偏振光时，所述电流表有电流通过，所述偏振态控制光开关处于打开状态；
当所述第一信号为Y方向偏振光时，所述电流表无电流通过，所述偏振态控制光开关处于关闭状态。
5.根据权利要求1所述的偏振态控制光开关，其特征在于，所述偏振控制器由起偏器和向列相液晶构成。
6.根据权利要求1所述的偏振态控制光开关，其特征在于，所述超表面结构下表面远离所述偏振控制器一侧设有一衬底。
7.根据权利要求1所述的偏振态控制光开关，其特征在于，所述第一棒体、第二棒体、第三棒体和第四棒体均由贵金属材料制成。
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