CN111048133B - 一种基于金属超表面结构的光存储器件及方法 - Google Patents

一种基于金属超表面结构的光存储器件及方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于光信息存储技术领域，公开了一种基于金属超表面结构的光存储器件及方法，将每个基底子单元及其工作面上的一个金属纳米砖的组合作为一个光信息存储单元，在入射线偏光的偏振方向保持不变的情况下，通过改变N个金属纳米砖的转角实现多信息的写入，存储N‑bit信息。本发明解决了现有技术中光信息存储的存储密度较低、读取速度较慢的问题，本发明基于金属超表面结构的光存储器件存储密度大、效率高、结构简单、集成度高、读取速率快，本发明基于金属超表面结构的光存储方法可以实现单个信息存储单元N‑bit的存储模式，可以扩充现有光存储技术的存储密度，加快存储信息的读取。

Description

一种基于金属超表面结构的光存储器件及方法
技术领域
本发明涉及光信息存储技术领域，尤其涉及一种基于金属超表面结构的光存储器件及方法。
背景技术
超表面材料作为近年来崛起的一种新兴光学材料，以其优越的性能和自由度受到欢迎。超表面材料可以通过几何结构、转角等结构参数的变化，实现对入射光波振幅、相位、偏振态等光学性质的灵活调控。按照设计需求设计好的超表面可以在保证良好光学性能的同时，实现高集成度的技术特点，这是传统光学器件所不具备的优点。
目前，市面上现存的光信息存储器件较多，技术比较成熟，但是依然存在着许多问题，随着社会的发展，对存储器件的存储容量提出了更高的技术要求，包括高存储密度和更快的读取速度，目前市面上流通的2-bit光存储器件暂时还无法满足新的需求，发展受到限制。
发明内容
本申请实施例通过提供一种基于金属超表面结构的光存储器件及方法，解决了现有技术中光信息存储的存储密度较低、读取速度较慢的问题。
本申请实施例提供一种基于金属超表面结构的光存储器件，包括：基底，所述基底上设置有金属纳米砖阵列；
所述金属纳米砖阵列包括呈周期性排布的多个尺寸一致、转角不同的金属纳米砖，相邻的金属纳米砖的中心点间的距离相同；
所述基底划分为多个尺寸一致的周期性的正方形单元，每个所述正方形单元作为一个基底子单元，每个所述基底子单元的工作面上设有一个所述金属纳米砖；每个所述基底子单元及其工作面上的一个所述金属纳米砖的组合作为一个光信息存储单元；
所述基底和所述金属纳米砖均为亚波长尺寸，所述金属纳米砖为长方体形；
在选定的工作波长下，入射线偏光沿所述金属纳米砖的短轴时，反射率最低，透射率最高；入射线偏光沿所述金属纳米砖的长轴时，反射率最高，透射率最低。
优选的，所述基底的材料采用二氧化硅，所述金属纳米砖的材料采用银。
优选的，所述基底的相互垂直的两条边分别为x轴和y轴，所述金属纳米砖的转角θ为所述金属纳米砖的长轴与所述基底的x轴之间的夹角，入射线偏光经过所述金属纳米砖后的透射光强度满足以下公式：
I＝I0cos2(θ-α)
其中，I为透射光的光强，I0为入射光强，θ-α为入射线偏光的偏振方向与金属纳米砖的长轴方向的夹角，θ为金属纳米砖的转角，α为入射线偏光与基底的x轴的夹角。
优选的，容量为N-bit的光存储器件中N个金属纳米砖的转角由以下公式决定：
Figure BDA0002268992590000021
其中，i为整数，分别取0,1,2,…,N-1。
优选的，容量为16-bit的光存储器件中16个金属纳米砖的转角分别为：0°、14.96°、21.42°、26.57°、31.09°、35.26°、39.23°、43.09°、46.91°、50.77°、54.73°、58.91°、63.43°、68.58°、75.04°、90°。
另一方面，本申请实施例提供一种基于金属超表面结构的光存储方法，采用上述基于金属超表面结构的光存储器件，方法包括：将每个基底子单元及其工作面上的一个金属纳米砖的组合作为一个光信息存储单元，在入射线偏光的偏振方向保持不变的情况下，通过改变N个金属纳米砖的转角实现多信息的写入，存储N-bit信息。
优选的，所述基于金属超表面结构的光存储方法，包括以下步骤：
步骤1、确定工作波长，通过电磁仿真软件优化金属纳米砖和基底的尺寸参数，使得在工作波长下，入射线偏光沿所述金属纳米砖的短轴时，反射率最低，透射率最高；入射线偏光沿所述金属纳米砖的长轴时，反射率最高，透射率最低；
步骤2、根据光存储器件的存储容量，确定金属纳米砖转角与存储信息的对应关系；
步骤3、根据所述金属纳米砖转角与存储信息的对应关系，将需要存储的信息转化为对应的金属纳米砖的转角，加工形成基于金属超表面结构的光存储器件，实现信息存储；
步骤4、将一束沿x方向偏振的线偏光入射到已写入信息的所述光存储器件上，由位于所述光存储器件后端的探测器复现出写入信息。
优选的，所述步骤1中，所述工作波长为633nm，所述金属纳米砖的长度为160nm，宽度为80nm，高度为70nm，基底子单元的工作面的边长为300nm。
优选的，所述步骤4中，使用红光光源，经过线偏光起偏器后，得到一束633nm沿x方向偏振的线偏光。
本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
在本申请实施例中，提供的基于金属超表面结构的光存储器件由基底和金属纳米砖共同构成，金属纳米砖置于基底上，当入射光波长位于工作波长时，金属纳米砖和基底的组合可以实现起偏器的功能，入射线偏光偏振态为x方向时，可以在后端的读取探测器中得到透射光的强度信息，从而得到存储信息，实现N-bit光信息存储。本发明基于金属超表面结构的光存储器件存储密度大、效率高、结构简单、集成度高、读取速率快。本发明基于金属超表面结构的光存储方法可以实现单个信息存储单元N-bit的存储模式，可以扩充现有光存储技术的存储密度，信息读取过程采用并行读取，可以将写入信息一次性全部提取，加快存储信息的读取。
附图说明
为了更清楚地说明本实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种基于金属超表面结构的光存储器件中光存储单元结构的主视图；
图2为本发明实施例提供的一种基于金属超表面结构的光存储器件中光存储单元结构的俯视图；
图3为本发明实施例提供的一种基于金属超表面结构的光存储器件中光存储单元结构的光谱分布图；
图4为本发明实施例提供的一种基于金属超表面结构的光存储器件中16-bit光存储单元结构透射光谱与金属纳米砖的转角关系示意图；
图5为本发明实施例提供的一种基于金属超表面结构的光存储器件中16-bit信息存储的示意图；
图6为本发明实施例提供的一种基于金属超表面结构的光存储器件读取示意图。
其中，1-金属纳米砖、2-基底、3-线偏光起偏器、4-光存储器件、5-探测器。
具体实施方式
本实施例提供了一种基于金属超表面结构的光存储器件，包括：基底，所述基底上设置有金属纳米砖阵列；所述金属纳米砖阵列包括呈周期性排布的多个尺寸一致、转角不同的金属纳米砖，相邻的金属纳米砖的中心点间的距离相同；所述基底划分为多个尺寸一致的周期性的正方形单元，每个所述正方形单元作为一个基底子单元，每个所述基底子单元的工作面上设有一个所述金属纳米砖；每个所述基底子单元及其工作面上的一个所述金属纳米砖的组合作为一个光信息存储单元；所述基底和所述金属纳米砖均为亚波长尺寸，所述金属纳米砖为长方体形。
在选定的工作波长下，入射线偏光沿所述金属纳米砖的短轴时，反射率最低，透射率最高；入射线偏光沿所述金属纳米砖的长轴时，反射率最高，透射率最低。
利用上述器件，本发明还提供一种基于金属超表面结构的光存储方法，将每个基底子单元及其工作面上的一个金属纳米砖的组合作为一个光信息存储单元，在入射线偏光的偏振方向保持不变的情况下，通过改变N个金属纳米砖的转角实现多信息的写入，存储N-bit信息。
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
参看图1、图2，本发明提供的一种基于金属超表面结构的光存储器件包括：金属纳米砖1和基底2；所述金属纳米砖1置于基底2之上，所述金属纳米砖1的形状为长方体形，呈周期分布，且相邻的金属纳米砖1的中心间隔相等；所有的金属纳米砖1的结构尺寸完全一致，仅转向角不同。所述基底2被划分为多个周期分布的正方形的基底子单元，每个基底子单元的中心均放置一个所述金属纳米砖1，形成一个光存储单元结构(即光信息存储单元)。所述基底2为平面结构，采用对设计波长透明的光学材料，即在可见光波段透明的材料。所述金属纳米砖1和所述基底2均为亚波长尺寸，其中所述基底2的材料为二氧化硅，或者为氟化镁材料等等，所述金属纳米砖1的材料为金属银。
所述金属纳米砖1的结构参数由电磁仿真软件(CST)仿真优化得到，优化后的所述金属纳米砖1在工作波长内具有起偏器的功能，即在设计波长(633nm)时，入射线偏光沿所述金属纳米砖1的短轴时，反射率最低，透射率最高；入射线偏光沿所述金属纳米砖1的长轴时，反射率最高，透射率最低。
本实施例中，优化后的所述金属纳米砖1的结构参数为：长度L为160nm，宽度W为80nm，高度H为70nm，所述基底2的周期CS(即基底子单元的工作面的边长)为300nm，如图1、图2所示。
沿所述金属纳米砖1的长轴(x)方向偏振和沿所述金属纳米砖1的短轴(y)方向偏振的线偏光分别入射到金属纳米砖单元上时，其反射和透射的光谱响应如图3所示，具备起偏器的功能，即在工作波长(633nm)下，当沿着所述金属纳米砖1的长轴方向的线偏光入射时，金属超表面结构(即金属纳米砖及其基底的组合)的透射率较低，反射率较高；当沿着所述金属纳米砖1的短轴方向的线偏光入射时，金属超表面结构的透射率较高，反射率较低。
如图4所示，当一束沿x方向偏振的线偏光入射到所述金属纳米砖1的表面时，随着所述金属纳米砖1的转角变化，其透射光的光谱响应也随之变化，满足马吕斯定律：
I＝I0cos2θ
其中，I0为入射线偏光的光强，θ为入射线偏光偏振方向与金属纳米砖短轴的夹角，I为透射光的光强。
在入射线偏光偏振态保持不变时，所述金属纳米砖1的转角变化时，透射光强会随之发生变化，利用这个原理，可以通过改变所述金属纳米砖1的转角实现多信息的写入，实现单个信息存储单元存储16-bit信息，从而扩充存储信息的存储容量，如图5所示。
图6所示为基于金属超表面结构的光存储器件读取过程，使用红光光源，经过线偏光起偏器3后，得到一束633nm沿x方向偏振的线偏光，垂直入射到已写入信息的光存储器件4(即本发明提供的基于金属超表面结构的光存储器件)上，透射光强度由探测器5收集，最后得到写入的信息。
下面对基于金属超表面结构的光存储方法进行举例说明。
本实施例中，将选取一束正入射红光作为本光存储器件的激励光源，选取633nm作为工作波长。
第一步，采用现有电磁仿真软件(CST)，在红光波段(633nm)优化金属纳米砖单元结构，得优化后的结构参数为：长度L为160nm，宽度W为80nm，高度H为70nm，基底的周期CS为300nm；
第二步，确定单个信息存储单元的信息存储容量，从而确定金属纳米砖转角分布，以16-bit存储器为例，金属纳米砖转角与所存储信息的对应关系如下表所示：
表1金属纳米砖转角与存储信息对应关系
转角 信息 转角 信息 转角 信息 转角 信息
0° 0 31.09° 4 46.91° 8 63.43° 12
14.96° 1 35.26° 5 50.77° 9 68.58° 13
21.42° 2 39.23° 6 54.74° 10 75.04° 14
26.57° 3 43.09° 7 58.91° 11 90° 15
第三步，按照表1中金属纳米砖转角与存储信息的对应关系，将需要存储的信息转化为对应的金属纳米砖转角，并加工成对应的金属超表面，实现信息的存储。
第四步，使用红光光源，经过线偏光起偏器3后，得到一束633nm沿x方向偏振的线偏光，垂直入射到已写入信息的光存储器件4上，由探测器5得到透射光强度分布情况，最后复现出写入到光存储器中的信息。
本发明将光储存器件中的每个基底子单元及其工作面上的一个金属纳米砖的组合作为一个光信息存储单元，当入射线偏光偏振态固定时，可以通过调整设计单元中纳米砖的转角，使得透射光的强度得以调制，实现单信息存储单元的多信息存储，从而扩增了存储单元的信息存储密度，实现了N-bit信息存储技术的突破。
所述基底中，相互垂直的两条边分别为x轴和y轴，所述金属纳米砖转角为金属纳米砖长轴与基底x轴的夹角，进一步的，透射光强度满足以下公式：
I＝I0cos2(θ-α)
其中，I为透射光的光强，I0为入射光强，θ-α为入射线偏光偏振方向与纳米砖长轴方向的夹角，θ为金属纳米砖转角，α为入射线偏光与基底x轴的夹角。
所述N-bit光存储器件的存储方式为金属纳米砖的转角，当入射线偏光偏振态固定时，透射光强度将会由金属纳米砖转角决定，通过该方式可以实现N-bit信息存储技术。N-bit光存储器的金属纳米砖转角由以下公式决定：
Figure BDA0002268992590000081
其中i为整数，取0,1,2,…,N-1等N个值，α为入射线偏光与基底x轴的夹角，θ为金属纳米砖转角与基底x轴的夹角。
上述不同转角的金属纳米砖可实现对“0”至“N-1”信息的存储，单个光存储器件可以存储N个独立的信息。
以16-bit光信息存储器为例，所述金属纳米砖的转角分别为0°、14.96°、21.42°、26.57°、31.09°、35.26°、39.23°、43.09°、46.91°、50.77°、54.73°、58.91°、63.43°、68.58°、75.04°、90°等16个角度。16个不同金属纳米砖转角对应着16个不同的透射强度，在探测器上呈现出16个不同的灰度台阶，分别对应“0”至“15”等16个信息，实现了16-bit的存储模式，扩充了现有光存储技术的存储密度。
进一步的，信息以转角形式写入金属超表面结构，读取存储信息过程采用沿x方向偏振的线偏光入射到光存储器，透射光的强度分布即包含写入信息；信息读取过程为并行读取，可以将写入信息一次性全部提取，极大的加快了存储信息的读取。
本发明实施例提供的一种基于金属超表面结构的光存储器件及方法至少包括如下技术效果：
(1)基于金属超表面结构的光存储器件的存储密度大、效率高、结构简单、集成度高、读取速率快。
(2)基于金属超表面结构的光存储方法可以实现单个信息存储单元N-bit的存储模式，可以扩充现有光存储技术的存储密度，此外，信息读取过程采用并行读取，可以将写入信息一次性全部提取，加快存储信息的读取。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种基于金属超表面结构的光存储器件，其特征在于，包括：基底，所述基底上设置有金属纳米砖阵列；
所述金属纳米砖阵列包括呈周期性排布的多个尺寸一致、转角不同的金属纳米砖，相邻的金属纳米砖的中心点间的距离相同；
所述基底划分为多个尺寸一致的周期性的正方形单元，每个所述正方形单元作为一个基底子单元，每个所述基底子单元的工作面上设有一个所述金属纳米砖；每个所述基底子单元及其工作面上的一个所述金属纳米砖的组合作为一个光信息存储单元，在入射线偏光的偏振方向保持不变的情况下，通过改变N个金属纳米砖的转角实现多信息的写入，存储N-bit信息；
所述基底和所述金属纳米砖均为亚波长尺寸，所述金属纳米砖为长方体形；
在选定的工作波长下，入射线偏光沿所述金属纳米砖的短轴时，反射率最低，透射率最高；入射线偏光沿所述金属纳米砖的长轴时，反射率最高，透射率最低。
2.根据权利要求1所述的基于金属超表面结构的光存储器件，其特征在于，所述基底的材料采用二氧化硅，所述金属纳米砖的材料采用银。
3.根据权利要求1所述的基于金属超表面结构的光存储器件，其特征在于，所述基底的相互垂直的两条边分别为x轴和y轴，所述金属纳米砖的转角θ为所述金属纳米砖的长轴与所述基底的x轴之间的夹角，入射线偏光经过所述金属纳米砖后的透射光强度满足以下公式：
I＝I0cos2(θ-α)
其中，I为透射光的光强，I0为入射光强，θ-α为入射线偏光的偏振方向与金属纳米砖的长轴方向的夹角，θ为金属纳米砖的转角，α为入射线偏光与基底的x轴的夹角。
4.根据权利要求3所述的基于金属超表面结构的光存储器件，其特征在于，容量为N-bit的光存储器件中N个金属纳米砖的转角由以下公式决定：
Figure FDA0003135503040000021
其中，i为整数，分别取0,1,2,…,N-1。
5.根据权利要求4所述的基于金属超表面结构的光存储器件，其特征在于，容量为16-bit的光存储器件中16个金属纳米砖的转角分别为：0°、14.96°、21.42°、26.57°、31.09°、35.26°、39.23°、43.09°、46.91°、50.77°、54.73°、58.91°、63.43°、68.58°、75.04°、90°。
6.一种基于金属超表面结构的光存储方法，其特征在于，采用如权利要求1-5中任一所述的基于金属超表面结构的光存储器件，方法包括：将每个基底子单元及其工作面上的一个金属纳米砖的组合作为一个光信息存储单元，在入射线偏光的偏振方向保持不变的情况下，通过改变N个金属纳米砖的转角实现多信息的写入，存储N-bit信息。
7.根据权利要求6所述的基于金属超表面结构的光存储方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、确定工作波长，通过电磁仿真软件优化金属纳米砖和基底的尺寸参数，使得在工作波长下，入射线偏光沿所述金属纳米砖的短轴时，反射率最低，透射率最高；入射线偏光沿所述金属纳米砖的长轴时，反射率最高，透射率最低；
步骤2、根据光存储器件的存储容量，确定金属纳米砖转角与存储信息的对应关系；
步骤3、根据所述金属纳米砖转角与存储信息的对应关系，将需要存储的信息转化为对应的金属纳米砖的转角，加工形成基于金属超表面结构的光存储器件，实现信息存储；
步骤4、将一束沿x方向偏振的线偏光入射到已写入信息的所述光存储器件上，由位于所述光存储器件后端的探测器复现出写入信息。
8.根据权利要求7所述的基于金属超表面结构的光存储方法，其特征在于，所述步骤1中，所述工作波长为633nm，所述金属纳米砖的长度为160nm，宽度为80nm，高度为70nm，基底子单元的工作面的边长为300nm。
9.根据权利要求7所述的基于金属超表面结构的光存储方法，其特征在于，所述步骤4中，使用红光光源，经过线偏光起偏器后，得到一束633nm沿x方向偏振的线偏光。
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