CN110320725A - 一种基于氧化铟锡薄膜与硅纳米颗粒阵列复合结构的全光开关及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于全光信号处理技术领域，特别涉及一种基于氧化铟锡薄膜与硅纳米颗粒阵列复合结构的全光开关及其制备方法。本发明通过飞秒激光前向诱导技术在氧化铟锡薄膜上沉积硅纳米颗粒阵列，形成包括下层——二氧化硅基底、中层——氧化铟锡薄膜以及上层——硅纳米颗粒阵列的全光开关。通过复合结构的设计采用，以增强局部电场使非线性响应更强。并且，通过对硅纳米颗粒阵列的结构参数的改变，可以调谐共振波长的位置。此外，本发明的全光开关由于利用硅纳米颗粒阵列代替了传统的贵金属纳米颗粒阵列，避免了贵金属的欧姆损耗，且与CMOS技术兼容，因此器件成本低，响应速度快，低功耗等优点，在光纤通信、光学滤波等领域具有重要的应用前景。

Description

一种基于氧化铟锡薄膜与硅纳米颗粒阵列复合结构的全光开 关及其制备方法
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，尤其涉及一种基于氧化铟锡薄膜与硅纳米颗粒阵列复合结构的全光开关及其制备方法。
背景技术
全光开关作为全光信息处理和光计算技术的关键器件，其关键参数，如开关阈值、响应时间等取决于构成器件材料体系的非线性光学响应强度。现有的非线性全光开关大多数是基于金属表面等离激元(SPPs)结构及高品质因子的谐振腔设计的。然而，金属固有的欧姆损耗和谐振腔窄带宽特性导致了此类全光开关的高损耗、低效率及慢响应。相关研究表明，氧化铟锡(ITO)薄膜在其介电常数接近零附近的波长附近可以获得高于其他材料数百倍以上的非线性响应强度，并且响应时间在fs量级。但是，这种超大、超快的非线性光学响应只在一个特定的角度和相对窄的光谱范围内，且在零介电常数处的波长、非线性响应强度依赖于ITO本身的光学性质。
发明内容
针对以上现有技术中全光开关器件在成本高、兼容性差、效率低、损耗大、响应慢等方面的缺点，本发明旨在提供一种基于氧化铟锡薄膜与硅纳米颗粒阵列复合结构的全光开关及其制备方法。通过复合结构的设计采用，硅作为一种高折射率材料，其纳米颗粒阵列在植入ITO薄膜后可利用Mie共振效应增强局部电场使非线性响应更强，由于共振波长与硅纳米结构的直径、高度、周期都有关系，所以通过改变硅纳米颗粒阵列的结构参数可以调谐共振波长的位置。基于此，本发明实现了全光开关的低损耗、超快响应、低开关阈值，并改善了其全光可调性。
本发明的一个目的在于提供一种基于氧化铟锡薄膜与硅纳米颗粒阵列复合结构的全光开关，从上至下依次包括：上层、中间层和下层；其中，上层为硅纳米颗粒阵列；中间层为氧化铟锡薄膜；下层为二氧化硅基底；所述的硅纳米颗粒阵列由多个周期性排布的基本共振单元组成；
进一步地，所述的组成硅纳米颗粒阵列的基本共振单元为圆盘结构。
进一步地，所述圆盘结构的直径和高度分别为420-430nm和25-35nm，所述的基本共振单元的周期排布间距为30-40nm。优选地，所述圆盘结构的直径和高度分别为426nm和30nm，所述的基本共振单元的周期排布间距为35nm。
进一步地，所述的二氧化硅基底的厚度为1μm，所述的氧化铟锡薄膜的厚度为300nm-310nm。
进一步地，所述的全光开关在工作时，探测光垂直入射至硅纳米颗粒阵列；泵浦光从硅纳米颗粒阵列入射至氧化铟锡薄膜，泵浦光激发上层硅纳米颗粒阵列，引起局部场增强效应，进一步增强中间层与泵浦光相互作用，提高氧化铟锡薄膜的非线性响应，并且泵浦光加热中间层氧化铟锡薄膜的电子，从而导带电子能量重新分布；实现全光开关阈值的降低。
本发明的另一个目的在于提供上述全光开关的制备方法，包括以下步骤：
1)在二氧化硅基底上覆盖氧化铟锡薄膜；
2)氧化铟锡薄膜上制备硅纳米颗粒阵列，包括以下步骤：
a)在SOI晶圆上利用电子束蒸发法蒸镀单晶硅层；
b)利用飞秒激光前向诱导方法在氧化铟锡薄膜上沉积硅纳米颗粒阵列。
进一步地，上述步骤1)所述的在二氧化硅基底上覆盖氧化铟锡薄膜采用激光脉冲沉积法或溶胶-凝胶法。
进一步地，所述的激光脉冲沉积法包括以下步骤：激光器在真空环境中发出脉冲激光，激光聚焦在靶材表面使其熔融气化并沉积到二氧化硅基底上，得到覆膜样品，其中，所述的靶材为氧化铟锡；
进一步地，所述的溶胶-凝胶法包括以下步骤：将一定量的铟溶解在浓硝酸中得到In(NO3)溶液，蒸干溶液得到In(NO3)3·5H2O白色晶体，用有机溶剂溶解该晶体得到不同In3+浓度的透明In溶胶，按一定质量比的比例加入SnCl4·5H2O, 搅拌得到In-Sn溶液，然后加入一定比例的催化剂，静置后得到前驱液，将二氧化硅基底洗干净后用浸渍提拉法涂覆，经过热处理得到覆膜样品。
相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：
(1)通过复合结构的设计采用，可以增强局部电场使非线性响应更强。并且，通过对硅纳米颗粒阵列的结构参数的改变，可以调谐共振波长的位置。
(2)本发明提供的全光开关由于利用硅纳米颗粒阵列代替了传统的贵金属纳米颗粒阵列，避免了贵金属的欧姆损耗，且与CMOS技术兼容，因此器件成本低，响应速度快，低功耗等优点，在光纤通信、光学滤波等领域具有重要的应用前景。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基本共振单元采用圆盘结构时的基于氧化铟锡薄膜与硅纳米颗粒阵列复合结构的全光开关结构示意图；
图2是本发明实施例提供的基本共振单元采用圆盘结构时的基于氧化铟锡薄膜与硅纳米颗粒阵列复合结构的全光开关的硅纳米颗粒阵列的示意图；
图3是本发明实施例提供的在二氧化硅基底上覆盖氧化铟锡薄膜的的流程图；
图4是本发明实施例提供的激光前向诱导转移沉积硅纳米颗粒阵列示意图；
图5是本发明实施例提供的基于氧化铟锡薄膜与硅纳米颗粒阵列复合结构的全光开关的工作示意图。
图中，1-上层；2-中间层；3-下层；4-SOI晶圆；5-单晶硅层；6-飞秒激光； 7-聚焦透镜；8-接收片；D-圆盘结构的直径；H-圆盘结构的高度；L-基本共振单元的周期排布间距。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式进一步详细描述。以下实施例仅用于说明本发明，并不用来限制本发明的范围。
如图1所示，本发明实施例提供的基于氧化铟锡薄膜与硅纳米颗粒阵列复合结构的全光开关从上至下依次包括：上层1、中间层2和下层3；其中，上层1 为硅纳米颗粒阵列；中间层为氧化铟锡薄膜；下层为二氧化硅基底；所述的硅纳米颗粒阵列由多个周期性排布的基本共振单元组成；基本共振单元为圆盘结构。
如图2所示，本发明实施例提供的基本共振单元采用圆盘结构时的基于氧化铟锡薄膜与硅纳米颗粒阵列复合结构的全光开关的硅纳米颗粒阵列的示意图；其中，圆盘结构的直径D、高度H和基本共振单元的周期排布间距L分别为426nm、 30nm、35nm。
实施例1
一种基于氧化铟锡薄膜与硅纳米颗粒阵列复合结构的全光开关的制备方法，包括以下步骤：
1)在二氧化硅基底上覆盖氧化铟锡薄膜：采用溶胶-凝胶法，流程图如图3 所示，将一定量的铟溶解在浓硝酸中得到In(NO3)溶液，蒸干溶液得到 In(NO3)3·5H2O白色晶体，用有机溶剂溶解该晶体得到不同In3+浓度的透明In溶胶，按一定质量比的比例加入SnCl4·5H2O,搅拌得到In-Sn溶液，然后加入一定比例的催化剂，静置后得到前驱液，将二氧化硅基底洗干净后用浸渍提拉法涂覆，经过热处理得到薄膜样品。
2)氧化铟锡薄膜上制备硅纳米颗粒阵列，包括以下步骤：
a)在SOI晶圆4上利用电子束蒸发法蒸镀单晶硅层5；
b)利用飞秒激光前向诱导方法在氧化铟锡薄膜上沉积硅纳米颗粒阵列：结合图4所示，沉积在SOI晶圆4上的单晶硅层5作为激光前向诱导技术的“源”，飞秒激光6通过聚焦透镜7聚焦作用在SOI晶圆4和硅薄膜5中间，飞秒激光6与“源”相互作用；激光产生的瞬时高能量致使单晶硅层5从SOI 晶圆4上去除，向接收片8上面移动，被转移的材料因而沉积在的接收基片上面，得到上沉积有硅纳米颗粒阵列的氧化铟锡薄膜，其中，接收片8 为覆盖氧化铟锡薄膜的二氧化硅基底。
参见图5，本发明实施例提供的基于氧化铟锡薄膜与硅纳米结构复合结构的全光开关的工作方式为：探测光垂直入射至上层1的硅纳米颗粒阵列；泵浦光从上层1的硅纳米颗粒阵列入射至所述的复合结构，泵浦光加热中间层2的氧化铟锡薄膜材料的电子，从而导带电子能量重新分布；同时泵浦光激发上层1的硅纳米颗粒阵列，引起局部场增强效应，进一步增强中间层2的氧化铟锡薄膜与泵浦光相互作用，提高中间层2的氧化铟锡薄膜的非线性响应，非线性折射率n2从 n2～1.5×10-3cm2GW-1变化到n2＝3.73±0.56cm2GW-1，提高了2000倍左右，全光开关阈值降低到I≈0.150GWcm-2。
最后需要注意的是，公布实施方式的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (11)

1.一种基于氧化铟锡薄膜与硅纳米颗粒阵列复合结构的全光开关，其特征在于，从上至下依次包括：上层、中间层和下层；其中，上层为硅纳米颗粒阵列；中间层为氧化铟锡薄膜；下层为二氧化硅基底；所述的硅纳米颗粒阵列由多个周期性排布的基本共振单元组成。
2.如权利要求1所述的全光开关，其特征在于，所述的基本共振单元为圆盘结构。
3.如权利要求2所述的全光开关，其特征在于，所述的圆盘结构的直径和高度分别为420-430nm和25-35nm。
4.如权利要求3所述的全光开关，其特征在于，所述的圆盘结构的直径和高度分别为426nm和30nm。
5.如权利要求1所述的全光开关，其特征在于，所述的基本共振单元的周期排布间距为35nm。
6.如权利要求1所述的全光开关，其特征在于，所述的二氧化硅基底的厚度为1μm，所述的氧化铟锡薄膜的厚度为300nm-310nm。
7.如权利要求1所述的全光开关，其特征在于，所述的全光开关在工作时，探测光垂直入射至硅纳米颗粒阵列；泵浦光从硅纳米颗粒阵列入射至氧化铟锡薄膜，泵浦光激发上层硅纳米颗粒阵列，引起局部场增强效应，并加热中间层氧化铟锡薄膜的电子，从而导带电子能量重新分布，实现全光开关阈值的降低。
8.一种权利要求1所述的全光开关的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)在二氧化硅基底上覆盖氧化铟锡薄膜；
2)氧化铟锡薄膜上制备硅纳米颗粒阵列，包括以下步骤：
a)在SOI晶圆上利用电子束蒸发法蒸镀单晶硅层；
b)利用飞秒激光前向诱导方法在氧化铟锡薄膜上沉积硅纳米颗粒阵列。
9.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤1)所述的在二氧化硅基底上覆盖氧化铟锡薄膜采用激光脉冲沉积法或溶胶-凝胶法。
10.如权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述的激光脉冲沉积法包括以下步骤：激光器在真空环境中发出脉冲激光，激光聚焦在靶材表面使其熔融气化并沉积到二氧化硅基底上，得到覆膜样品，其中，所述的靶材为氧化铟锡。
11.如权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述的溶胶-凝胶法包括以下步骤：将一定量的铟溶解在浓硝酸中得到In(NO3)溶液，蒸干溶液得到In(NO3)3·5H2O白色晶体，用有机溶剂溶解该晶体得到不同In3+浓度的透明In溶胶，按一定质量比的比例加入SnCl4·5H2O,搅拌得到In-Sn溶液，然后加入一定比例的催化剂，静置后得到前驱液，将二氧化硅基底洗干净后用浸渍提拉法涂覆，经过热处理得到覆膜样品。
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