CN112130238A - 一种基于阵列等离子体柱的可调谐光开关 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于阵列等离子体柱的可调谐光开关，解决的是法诺共振频率不可控和通过几何参数调节法诺共振时出现的可调自由度小的技术问题，从而使得光开关能够在不改变结构几何参数的情况下实现共振峰的连续动态可调，实现多阈值光开关，通过采用包括厚度小于工作波长的超表面，超表面为规则的几何形状，超表面内平行等间距分布有至少3个等离子体柱；等离子体柱的材质为包层石英管和填充的惰性气体；利用米氏散射理论获得单个等离子体柱的米氏散射系数以确定米式共振频率，再阵列等离子体柱获得布拉格散射，使米氏散射与布拉格散射相干涉产生法诺共振现象的技术方案，较好的解决了该问题，可用于光开关领域中。

Description

一种基于阵列等离子体柱的可调谐光开关

技术领域

本发明涉及光开关领域，具体涉及一种基于阵列等离子体柱的可调谐光开关。

背景技术

法诺共振由连续态的宽谱和离散态的窄谱相互干涉而形成其非对称超尖锐线型，广泛应用于传感器、光开关和生物传感等领域。电磁波通过光子晶体，由布拉格散射会形成光子带隙，使得操纵光路径成为可能，等离子体光子晶体是由等离子体周期排列形成光子晶体结构，通过改变等离子体的密度改变等离子体的介电常数可以实现改变光子带隙频率的目的，实现动态可调。

现有技术中存在先设计几何结构再获得法诺共振现象的方法中共振频率不可控和通过几何参数调节法诺共振时出现的可调自由度小的技术问题。基于米式散射理论，本发明将提供一种基于阵列等离子体柱的可调谐光开关，可根据米式散射理论获得期望的开关频率，可产生法诺共振现象，并且可以通过改变等离子体密度而实现动态连续可调，打破了通过改变结构几何参数实现可调的局限性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有技术中法诺共振频率不可控和通过几何参数调节法诺共振时出现的可调自由度小的技术问题，从而使得光开关能够在不改变结构几何参数的情况下实现共振峰的连续动态可调，实现多阈值光开关。基于等离子体阵列的可调光开关，能够产生法诺共振现象，通过调节等离子体密度可以灵活改变共振频率，即开关频率。为解决上述技术问题，采用的技术方案如下：

一种基于阵列等离子体柱的可调谐光开关，包括：厚度小于工作波长的超表面，超表面为规则的几何形状，超表面内平行等间距分布有至少3个等离子体柱；超表面的材质为包层石英管和填充的惰性气体。

方案中，先利用米氏散射理论获得单个等离子体柱的米氏散射系数以确定米式共振频率，再阵列等离子体柱获得布拉格散射，使米氏散射与布拉格散射相干涉产生法诺共振现象。

上述方案中，为优化，进一步地，超表面为矩型，所有等离子体柱的几何参数完全相同。

进一步地，超表面的几何参数，石英管半径r₁＝1.0mm,等离子体半径r₁＝0.66mm,超表面周期p＝18.0mm,单元中相邻等离子体柱之间的间距d＝3.9mm；进一步地，所述等离子密度为n_e,其范围为1.0×10¹²cm^-3<n_e<9.0×10¹²cm^-3,固定超表面的几何参数不变，石英管半径r₁＝1.0mm，等离子体半径r₂＝1.0mm，超表面周期p＝18.0mm，周期单元中相邻等离子体柱之间的间距为d＝3.9mm，得到结构的透射曲线，从透射曲线和电场(E_x)图观察到,该结构在横电波垂直石英管径向入射情况下可以产生法诺共振。并且该法诺共振来源于窄带米式散射和宽带布拉格散射之间的耦合。

为实现可调谐法诺共振，保持几何参数不变，只改变等离子体密度，可知随等离子体密度的增加，法诺共振谱线宽度保持不变的同时谱线蓝移。可实现动态可调且可调频率范围大。

保持等离子体密度为2.0×10¹²cm^-3和其他几何参数固定不变，所述周期单元的周期10.0mm<p<30.0mm可知p的改变对法诺共振共振频率的影响较弱。

保持等离子体密度2.0×10¹²cm^-3和其他几何参数固定不变，所述周期单元中相邻等离子体间的间距为2.0mm<d<8.0mm可知随d的增大，共振频率红移，但在2.0mm<d<6.0mm的红移比6.0mm<p<8.0mm红移趋势更加明显。

本发明的有益效果：本发明的等离子体光开关能够获得所需频率处产生的法诺共振效应，超表面内包括三个平行等离子体柱，电磁波入射结构后，单个柱子的米式散射和周期结构的布拉格散射相互干涉得到法诺共振现象，该法诺共振线谱线宽很窄。因而此种陡峭的非对称的相应谱线型在光开关、传感器等领域均有极为重要的应用。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1，实施例中1超表面结构中超胞单元的横截面示意图；

图2，米式谐振、雷达横截面和单个等离子体柱的透射谱；

图3，法诺共振产生的原理图；

图4，等离子体密度n_e变化时对共振频率的测试结果示意图；

图5，周期p变化时对共振频率的测试结果示意图；

图6，超胞单元中相邻等离子体柱之间间距d变化时对共振频率的测试结果示意图；

图7，法诺共振现象产生时的电场E_x示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

本实施例提供一种基于阵列等离子体柱的可调谐光开关，如图1，包括：厚度小于工作波长的超表面，超表面为规则的几何形状，超表面内平行等间距分布有至少3个等离子体柱；

利用米氏散射理论获得单个等离子体柱的米氏散射系数，使单个等离子体柱的米氏散射与阵列等离子柱产生的布拉格散射相干涉产生法诺共振现象；

超表面的材质为包层石英管和等离子体柱。

具体地，超表面为矩型，所有等离子体柱的几何参数完全相同。

具体地，超表面的几何参数，石英管半径r₁＝1.0mm等离子体半径r₁＝0.66mm超表面周期p＝18mm,周期单元中相邻等离子体柱之间的间距为d＝3.9mm

具体地，所述等离子密度为n_e,其范围为1.0×10¹²cm^-3<n_e<9.0×10¹²cm^-3。

固定超表面的几何参数，石英管半径r₁＝1.0mm等离子体半径r₁＝1.0mm,超表面周期p＝18.0mm,周期单元中相邻等离子体柱之间的间距为d＝3.9mm得到结构的透射曲线，从透射曲线和电场(E_x)图观察到,该结构在横电波垂直石英管径向入射情况下可以产生法诺共振。并且该法诺共振来源于窄带米式散射和宽带布拉格散射之间的耦合。

为实现动态连续可调谐法诺共振，保持几何参数不变，只改变等离子体密度，可知随等离子体密度的增加，法诺共振谱线宽度保持不变的同时谱线蓝移。可实现动态可调且可调频率范围大。

保持等离子体密度2.0×10¹²cm^-3和其他几何参数固定不变，所述周期单元的周期10.0mm<p<30.0mm，可知p的改变对法诺共振共振频率的影响较弱。

保持等离子体密度为2.0×10¹²cm^-3和其他几何参数固定不变，所述周期单元中相邻等离子体间的间距为2.0mm<d<8.0mm可知随d的增大，共振频率红移，但在2.0mm<d<6.0mm的红移比6.0mm<d<8.0mm的红移趋势更加明显。

本实施例具体定义如下：石英管半径为r₁，等离子体半径为r₂，周期单元内相邻两个等离子体柱间距为d，周期为p，电磁波入射波矢k沿-y方向，电场沿+x方向，磁场H位于z方向且与波矢k和电场E相互垂直。

本实施例采用基于有限元法的仿真软件进行模型建立、数值分析，同时运用米式散射理论进行理论计算。

具体地，建立结构参数d＝3.9mm,p＝18.0mm，r₁＝1.0mm,r₂＝0.66mm,同时对参数等离子体密度使用基于有限元法的仿真软件进行数值与解析计算。

进一步地，运用米式散射理论求解了单个等离子体柱的米式散射系数。

从图2可知，米式散射的透射谱(上)、雷达横截面(中)和理论计算的吸收系数(下)的共振频率十分吻合。

从图3可知，单个等离子体柱的米式散射和周期阵列的布拉格散射相互耦合形成了法诺共振。

从图4可知，随等离子体密度增加，法诺共振谱线形状保持不变并且整体蓝移。

实施例2

本实施例是在实施1的基础上，建立参数为d＝3.9mm，r₁＝1.0mm,r₂＝0.66mm,n_e＝2.0×10¹²cm^-3的模型，同时对周期p使用基于有限元法的仿真软件进行数值与解析计算，结果如图5，为参数p变化时透射系数与频率的关系图。

图5表明，当10.0mm<p<12.0mm,法诺共振线谱有轻微蓝移，线宽变窄；在12.0mm<p<30.0mm时，法诺共振频率基本保持不变。

实施例3

本实施例是在实施例1的基础上，建立参数p＝18.0mm，r₁＝1.0mm,r₂＝0.66mm,n_e＝2.0×10¹²cm^-3的模型，同时对d使用基于有限元法的仿真软件进行数值与解析计算，结果如图6，为参数变化时透射系数与频率的关系图。

图6说明，随d的增大，共振频率红移，但在2.0mm<d<6.0mm的红移比6.0mm<d<8.0mm的红移趋势更加明显。

从上述实施例可知，改变几何参数可以调谐法诺共振的共振频率，但是其调谐频率范围远不如通过改变等离子体密度得到的调谐频率范围大，便利。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员能够理解本发明，但是本发明不仅限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员而言，只要各种变化只要在所附的权利要求限定和确定的本发明精神和范围内，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (5)

1.一种基于阵列等离子体柱的可调谐光开关，其特征在于：包括厚度小于工作波长的超表面，超表面为规则的几何形状，超表面内平行等间距分布有至少3个等离子体柱；超表面的材质为包层石英管和等离子体柱；

法诺共振由单个等离子体柱的米氏散射和阵列等离子柱的布拉格散射发生相干涉来确定。

2.根据权利要求1所述的基于阵列等离子体柱的可调谐光开关，其特征在于：超表面为矩型，所有等离子体柱的几何参数完全相同。

3.根据权利要求2所述的基于阵列等离子体柱的可调谐光开关，其特征在于：超表面的几何参数中，石英管半径r₁＝1.0mm,等离子体半径r₂＝1.0mm,超胞周期10.0mm<p<30.0mm，周期单元中相邻等离子体柱之间的间距为2.0mm<d<8.0mm。

4.根据权利要求3所述的基于阵列等离子体柱的可调谐光开关，其特征在于：相邻等离子体柱之间的间距d＝3.9mm；

根据权利要求3所述的基于阵列等离子体柱的可调谐光开关，其特征在于：超胞周期p＝18.0mm。

5.根据权利要求2所述的基于阵列等离子体柱的可调谐光开关，其特征在于：所述等离子密度为n_e,其范围为1.0×10¹²cm^-3<n_e<9.0×10¹²cm^-3。

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