CN110727058A

CN110727058A - 基于超材料谐振体的转弯光开关控制方法及光开关

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Publication number: CN110727058A
Application number: CN201911098875.9A
Authority: CN
Inventors: 董国艳; 郑姝慧
Original assignee: University of Chinese Academy of Sciences
Current assignee: University of Chinese Academy of Sciences
Priority date: 2019-11-11
Filing date: 2019-11-11
Publication date: 2020-01-24
Anticipated expiration: 2039-11-11
Also published as: CN110727058B

Abstract

一种基于零折射率超材料谐振体的转弯光开关控制方法及光开关；所述方法是将两束频率相同、同轴且相干的入射光分别从超材料阵列的两侧正入射，通过改变其中一束入射光与超材料阵列的相对位置来改变两束入射光之间的相位差，使其在超材料阵列中发生相长或相消，实现光开关的开关特性及光开关的90°转弯；所述光开关包括固定光源、移动光源和超材料阵列，固定光源和移动光源分别设置在超材料阵列的两侧，且与超材料阵列之间均设置有透镜；固定光源、移动光源、透镜和超材料阵列沿同一光轴线方向设置。本发明结构简单、低损耗、高集成度、工作波长可以选择并且集光开关和分束器功能于一体。

Description

基于超材料谐振体的转弯光开关控制方法及光开关

技术领域

本发明涉及一种90°转弯光开关的控制方法及光开关，属于光开关技术领域。

背景技术

光开关是一种重要的光子集成器件，其完全利用光子与介质的相互作用来实现对光传输过程进行有效的“开”、“关”控制作用，在光通信、光计算和快速光信息处理等领域都具有非常广阔的应用前景。近年来，光开关的研究一直是人们关注的焦点，而具有独特频带传播特性的光子晶体为光子器件的开发提供了一种新方法，它使器件小型化，并能够灵活控制光波的传输特性。

超材料是一类具有自然界中材料所不具备的超常物理性质的等效均匀人工复合结构或复合材料，它是由人工构造的微结构组成，用等效介电常数、等效磁导率来描述其整体电磁特性的一种材料。光子晶体是一种具有光子带隙特性的折射率周期性变化的电介质微结构人工超材料，其结构变化的周期与光波长在同一个量级。根据单极子模态和偶极子模态的偶然简并性，正方形或三角形晶格结构的二维(2D)光子晶体可以在布里渊区的中心实现锥状线性色散特性，是一种波矢k＝0的三重简并态。根据有效介质理论，光子晶体可以视为在类狄拉克点频率处零波数和无限波长的等效双零折射率材料。同样，零折射率性质也可以在由金属和电介质组成的人工超材料中通过米氏谐振和等离子体谐振等机理实现。

目前，常用的光开关方法是在光子晶体结构中引入波导、微腔或其他缺陷等，然后通过调整结构参数或使用具有大的三阶非线性材料来实现光开关的开关功能，这种方法对组成材料性质和晶体结构都有着严格的要求。

发明内容

本发明针对现有光开关中存在的不足，提供了一种基于零折射率超材料谐振体的转弯光开关控制方法，同时提供一种光开关，该光开关结构简单、低损耗、高集成度、工作波长可以选择并且集光开关和分束器功能于一体。

本发明的基于超材料谐振体的转弯光开关控制方法，是：

将两束同频率、同轴且相干的入射光分别从零折射率超材料阵列的两侧(左右两侧)正入射到超材料阵列中(其中一束为固定入射光，另一束为移动入射光)，两束入射光在超材料阵列中发生干涉，并在垂直于入射光轴的方向产生两路对称的辐射光束。

改变其中一束入射光与超材料阵列的相对位置进而改变这束入射光到达超材料的相位，从而改变两束入射光之间的相位差，使两束入射光在超材料阵列中发生相长或相消，实现光开关的开关特性。由于光束的入射和出射位于两个相互垂直的方向，所以实现了光开关的90°转弯功能。

当两束入射光的相位差为0时，发生的是干涉相长，此时光开关“开”；当两束入射光的相位差为π时，发生的是干涉相消，此时光开关“关”。

所述超材料阵列形状为矩形，晶格结构可以是正方、三角等。

所述零折射率超材料是任何有效折射率n_eff＝0的材料，该材料既可以是由非金属电介质材料组成的光子晶体，也可以是由金属、铁氧体、铁电体等材料构成的超材料结构。

所述零折射率超材料对应的工作频率由超材料的结构性质决定。

实现上述方法的光开关，采用以下技术方案：

该光开关，包括固定光源、移动光源和超材料阵列，固定光源和移动光源分别设置在超材料阵列的两侧，且与超材料阵列之间均设置有透镜；固定光源、移动光源、透镜和超材料阵列沿同一光轴线方向设置。

所述透镜为凸透镜，用于将激光器发射的锥形发散光束汇聚为平行光束。

所述超材料阵列的出射光方向设置有光学接收装置，光学接收装置与光电检测系统相连。

光学接收装置与光电检测系统用于测量超材料阵列垂直方向上的透射率，由于整个结构上下对称，所以只测其中一个方向即可。

本发明利用有零折射率特性的超材料，设计了一个光开关系统。与现有的光开关系统相比，具有以下特点：

1.本发明利用了超材料阵列干涉现象中的干涉相长和干涉相消原理，不需要像常见的光开关那样在光子晶体结构中引入波导、微腔、缺陷或者调整结构参数来进行实现，结构简单、易于集成且成本较低；

2.本发明中光源的入射方向和光开关的实现方向相互垂直，即光束的入射和出射在互相垂直的两个方向，实现了光开关的90°转弯功能；

3.本发明中出射光路为两路对称的辐射光束，集光开关和分束器的功能于一体，并且上下两束辐射光具有相同的周期、频率、振幅和相位等光传输特征；

4.本发明可以通过等比例增大或缩小零折射率超材料的结构参数并相应的改变光源频率的数量级，从而使得该光开关系统可以适用于不同尺寸需求的场合；

5.本发明可以通过设置不同结构不同参数的零折射率超材料，使得光开关可以工作于不同的工作波段实现开关效应，该方法可以适用于电磁波全波范围。

附图说明

图1为本发明中基于超材料谐振体转弯光开关控制方法的原理示意图。

图2为本发明中所采用的超材料阵列可能采用的晶格结构示意图，阵列的形状都为矩形。(a)为正方晶格结构，(b)为三角晶格结构。

图3为本发明实施例1中超材料阵列垂直方向的透射光谱图，实线表示光开关状态为“开”时的透射光谱，虚线表示状态为“关”时的透射光谱。

图中：1.固定光源；2.左侧透镜；3.移动光源；4.右侧透镜；5.超材料阵列；6.光学接收装置；7.光电检测系统。

具体实施方式

本发明中的基于超材料谐振体的90°转弯光开关控制方法，如图1所示，是通过固定光源1、移动光源3、两个透镜(左侧透镜2和右侧透镜4)、超材料阵列5、光学接收装置6和光电检测系统7等部件实现。上述部件也是转弯光开关的组成部分。

超材料阵列5的左右两侧分别设置固定光源1和移动光源3，固定光源1与超材料阵列5之间设置左侧透镜2，移动光源3与超材料阵列5之间设置右侧透镜4。超材料阵列5的出射光方向设置有光学接收装置6，光学接收装置6与光电检测系统7连接，光电检测系统7可以采用光电探测器，为现有技术。固定光源1、移动光源3、左侧透镜2、右侧透镜4和超材料阵列5沿x光轴线方向设置，光学接收装置6和光电检测系统7沿y光轴线方向设置。

固定光源1和移动光源3用于发射所需频率光束，两束光为同频率、同轴且相干的入射光。

左侧透镜2和右侧透镜4为凸透镜，用于将激光器发射的锥形发散光束汇聚为平行光束。从激光器中发出的锥形光束经过透镜的汇聚后，成为与超材料阵列5宽度基本相等的平行光束入射到超材料阵列中。

超材料阵列5可以是正方、三角等不同晶格结构(如图2所示)，阵列形状为矩形，它使得入射光传播时相位保持不变并且将光放大。超材料阵列5为零折射率超材料，是任何有效折射率n_eff＝0的材料，该材料既可以是由非金属电介质材料组成的光子晶体，也可以是由金属、铁氧体、铁电体等材料构成的超材料结构。零折射率超材料对应的工作频率由超材料的结构性质决定。

由固定光源1和移动光源3发出的光经过透镜的汇聚后进入超材料阵列5中发生干涉，通过改变移动光源3的位置，从而调节移动光源3发出光相对于固定光源1发出光的相位，改变两束光之间的相位差，进而控制两束入射光在超材料阵列中的干涉相长或干涉相消，并且该相位差可以从0到2π被循环修改，用以切换超材料阵列中干涉相长或干涉相消的状态。当两束光的相位差为0时，发生的是干涉相长，此时光开关“开”；当两束光的相位差为π时，发生的是干涉相消，此时光开关“关”，从而实现光开关的开关效果。由于光束的入射和出射位于两个相互垂直的方向，所以实现了光开关的90°转弯功能。

光源的入射方向为x光轴线方向，但光开关的实现方向为y光轴线方向，使得光开关具有90°转弯功能，并且上下两路对称的辐射光束可以进行分束。

光学接收装置6和光电检测系统7用于测量超材料阵列垂直方向上的透射率，由于整个结构上下对称，所以只测其中一个方向即可。

光学接收装置6用于接收超材料阵列5垂直方向上光的出射，便于检测超材料垂直方向出射后光的透射率。光学接收装置6可采用透镜。

光电检测系统7用于测量超材料阵列5垂直方向光的透射率值。

为了进一步说明超材料阵列对两束光相位差分别为0和π时的不同透射率，以下公开了超材料阵列对两束入射光相位差分别为0和π时的透射特性。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

如图2(a)所示，选择二维正方晶格结构光子晶体阵列作为超材料阵列5，由介电常数ε＝12.5、磁导率μ＝1的介质柱按照正方晶格结构周期排列而成，介质柱半径r＝0.2a，其中a为光子晶体阵列的晶格常数，计算得到的类狄拉克点频率位于162.42THz，对应于1.846μm的波长。本实施例中所选用的光子晶体阵列为9a×9a，晶格常数a＝1μm，介质柱半径r＝0.2μm。首先，设置从150THz到180THz的宽频工作范围，并测量一束入射光通过超材料阵列5时其垂直方向的透射光谱。结果发现，当光源频率为类狄拉克点附近的频率时，通过超材料阵列5的能量较少，而在光子晶体阵列垂直方向上具有相对较高的透射率；当光源频率远离类狄拉克点附近的频率时，入射光可以沿超材料阵列5以x光轴线方向高透射率和y光轴线方向低透射率通过超材料阵列5传播。因此，本发明选择类狄拉克点频率作为工作频率，使得零折射率超材料中实现具有均匀相位分布的光开关。

如图3所示，当两个频率相同的同轴且相干光束从左右两侧以零相位差入射到超材料阵列5上时，最大单边透射率在类狄拉克点频率处可以达到40％以上，对应于超材料阵列5中的最大场强，如图3中的实线所示。沿x光轴线方向水平移动系统中的移动光源3，可以通过改变两束相对入射光的光程差从而调整它们之间的相位差。当两束光之间的相位差达到π时，超材料阵列5中发生干涉相消，并且类狄拉克点频率处的内部场强最小，使得沿y轴是接近于零的辐射光束。通过比较不同频率下最大和最小辐射光束的比率，发现在类狄拉克点频率为162.2THz(对应于1.848μm的波长)下可以实现“开”和“关”状态之间的最佳比率。

利用得到的透射率值，当光开关处于“开”的状态稳定时，输出的光波强度与输入的光波强度之比(透射率)为82.144％；当光开关处于“关”的状态稳定时，输出的光波强度与输入的光波强度之比(透射率)为1.584％。该光开关的消光比为17.148dB。

设定左右两侧的固定光源1和移动光源3距离超材料阵列5的初始距离均为0.3μm，固定光源1固定不动，移动光源3向右移动5μm并观察透射率的变化，可以发现在右侧光源向右移动的距离分别为0.93、1.85、2.78、3.70、4.63μm时，超材料阵列5垂直方向的出射光通过干涉相长或干涉相消会达到最大值或最小值，每一次相长相消的变化距离均为该光源波长的1/2。当满足光程差一半的偶数倍即干涉相长条件时，最大的内部场强会导致最强的横向辐射，从而使光开关在y方向上处于“开”状态；相反，当满足光程差一半的奇数倍即干涉相消条件时，最小的内部场强会导致最弱的横向辐射(接近于零)，从而使光开关在y方向上处于“关”状态。

因此，通过改变其中一个光源的位移，可以将两束相对入射的入射光之间的相位差在0和π之间转化，以实现具有90°转弯和分束功能于一体光开关的开关效应。

实施例2

本实施例与实施例1的不同之处是，选择介质柱半径r＝0.2246a且介电常数ε＝8.35、磁导率μ＝1的二维正方晶格结构光子晶体阵列作为超材料阵列5，其中a为光子晶体阵列的晶格常数。在本实施例中所选择的光子晶体阵列为9a×9a，a＝1.336μm，r＝0.3μm，在光子晶体阵列的左右两侧放置两个频率相同、同轴且相干的光源，当光源频率为132.3THz时，可以实现该光开关开关效果的最佳比率。所以该光开关的实现不仅限于实施例1中r＝0.2a且ε＝12.5这一种结构的正方光子晶体阵列。

实施例3

本实施例与实施例1的不同之处是，选择二维三角晶格结构光子晶体阵列作为超材料阵列5，光子晶体的晶格常数为a，由介电常数ε＝8.35、磁导率μ＝1的介质柱在空气中按三角晶格结构周期排列而成，介质柱半径为r＝0.206a。在本实施例中所选择的光子晶体阵列为

a＝1.456μm，r＝0.3μm，在光子晶体阵列中的Γ-K面两侧放置两个频率相同、同轴且相干的光源，当光源频率为132.25THz时，可以实现该光开关开关效果的最佳比率。所以该光开关的实现不仅限于正方光子晶体阵列这一种结构。

实施例4

本实施例与实施例1的不同之处是，选择介电常数ε＝12的硅片上排列的三角空气孔阵列组成阻抗匹配零折射率的芯片狄拉克锥超材料作为超材料阵列5，半径r＝0.4429a。本实施例中所选择的空气孔超材料a＝1μm，r＝0.4429μm，当光源的频率为184.2THz时，可以实现该光开关开关效果的最佳比率。所以该光开关的实现不仅限于光子晶体介质柱这一种结构。

实施例5

本实施例与实施例1的不同之处是，选择金属和电介质薄膜周期性交替组成的、晶格常数为a的金属-电介质周期性多层膜结构作为超材料阵列5，其中所选择的晶格常数a＝λ₀/4，金属和电介质的相对介电常数分别为ε_r＝1、ε_m＝-1，并且金属的填充系数为f_m＝0.5，可以实现光开关的开关效果。

实施例6

本实施例与实施例1的不同之处是，选择在介电常数为ε＝2.2的介质基板一侧表面镶嵌6×6周期排列的复合方形环结构单元作为超材料阵列5，其中每一个复合方形环结构单元由4个方形环和4个金属条组合而成，4个方形环位于4个角上，每一个方形环的内侧边长为2mm，外侧边长为3mm，4个金属条用于连接4个方形环，每一个金属条长度为3mm，其中相邻单元结构之间相距2mm，最外侧单元结构边缘距基板边缘3mm，可以实现光开关的开关效果。

超材料阵列5可以是任何有效折射率n_eff＝0的人造材料，不限于上述实施例中所提及的几种。

Claims

1.一种基于零折射率超材料谐振体的转弯光开关控制方法，其特征是：

将两束同频率、同轴且相干的入射光分别从两侧正入射到零折射率超材料阵列中，两束入射光在阵列中发生干涉，并在垂直于入射光轴的方向产生两路对称的辐射光束；

改变其中一束入射光与超材料阵列的相对位置进而改变这束入射光到达超材料的相位，从而改变两束入射光之间的相位差，使两束入射光在超材料阵列中发生相长或相消，实现光开关的开关特性，由于光束的入射和出射位于两个相互垂直的方向，所以实现了光开关的90°转弯功能。

2.根据权利要求1所述的基于零折射率超材料谐振体的转弯光开关控制方法，其特征是：当两束入射光的相位差为0时，发生的是干涉相长，此时光开关“开”；当两束光的相位差为π时，发生的是干涉相消，此时光开关“关”。

3.根据权利要求1所述的基于零折射率超材料谐振体的转弯光开关控制方法，其特征是：所述超材料阵列形状为矩形。

4.根据权利要求1所述的基于零折射率超材料谐振体的转弯光开关控制方法，其特征是：所述零折射率超材料是任何有效折射率n_eff＝0的材料。

5.根据权利要求1所述的基于零折射率超材料谐振体的转弯光开关控制方法，其特征是：所述零折射率超材料对应的工作频率由超材料结构性质决定。

6.一种光开关，其特征是：包括固定光源、移动光源和超材料阵列，固定光源和移动光源分别设置在超材料阵列的两侧，且与超材料阵列之间均设置有透镜；固定光源、移动光源、透镜和超材料阵列沿同一轴线方向设置。

7.根据权利要求6所述的光开关，其特征是：所述透镜为凸透镜，用于将激光器发射的锥形发散光束汇聚为平行光束。

8.根据权利要求6所述的光开关，其特征是：所述超材料阵列的出射光方向设置有光学接收装置，光学接收装置与光电检测系统连接。