CN113064310B

CN113064310B - 一种全光开关

Info

Publication number: CN113064310B
Application number: CN202110377420.1A
Authority: CN
Inventors: 陈传彬; 蒙自明
Original assignee: Guangdong University of Technology
Current assignee: Guangdong University of Technology
Priority date: 2021-04-08
Filing date: 2021-04-08
Publication date: 2023-05-09
Anticipated expiration: 2041-04-08
Also published as: CN113064310A

Abstract

本发明提出的一种全光开关，在三明治结构的SOI基底表面刻蚀有多组呈周期排列的硅双棒，硅双棒的表面被设定折射率的聚合物完全覆盖，从而构成复合材料超构表面；该复合材料超构表面的反射光谱具有非对称的Fano线型特征，且非对称的Fano线型具有陡峭变化的特征(对应高品质因数)，其非线性响应时间飞快，能够有效提升全光开关的开关时间；并且，本发明使用设定折射率的聚合物以及由两个相对间隔设置的硅棒构成的硅双棒，能够在强光照射下引起复合材料超构表面的反射光谱发生变化，再结合Fano共振波长处具有增强电场强度的作用，能够有效降低全光开关的开关能量。

Description

一种全光开关

技术领域

本发明涉及信息通讯技术领域，尤其涉及一种全光开关。

背景技术

过去几十年，网络带宽容量得益于波分复用、数字信号处理和光纤放大技术的应用有了长足的发展，而网络带宽容量的提升主要取决于光信号的交换。目前，光信号的交换从光电混合的阶段发展至全光交换的阶段，使用全光交换的方式极大地提高了网络传输速率，并扩展了网络带宽容量。

实现全光交换的关键在于全光开关。现有的全光开关主要是在聚合物薄膜上制备二维光子晶体结构，利用聚合物的非线性实现光开关；或是直接在半导体薄膜上制备二维光子晶体，利用半导体的非线性实现缺陷态的移动来实现光开关。而上述两种方式得到的全光开光，只能在某种程度上将全光开关的开关能量或开关时间进行降低，无法在降低开关能量的同时，进一步减小开关时间，从而使得网络传输速率得不到进一步提升，无法适应市场的需求。

另外，也有研究提出把聚合物与半导体二维光子晶体结合起来实现复合材料光子晶体结构的全光开关，但是，该全光开关的尺寸往往较大，难以实现亚波长尺寸下的超快速、低开关能量的全光开关。

发明内容

本发明的目的旨在至少能解决上述的技术缺陷之一，特别是现有技术中全光开关无法在降低开关能量的同时进一步减小开关时间，使得网络传输速率得不到进一步提升的技术缺陷。

本发明实施例提供了一种全光开关，包括：

呈三明治结构的SOI基底；

所述SOI基底的一侧表面刻蚀有多组呈周期排列的硅双棒，所述硅双棒由两个相对间隔设置的硅棒构成；

多组硅双棒之间，以及每组硅双棒中的两个所述硅棒之间均填充有设定折射率的聚合物，且所述聚合物完全覆盖所述硅双棒的表面。

可选地，所述硅双棒为矩形结构。

可选地，所述多组呈周期排列的硅双棒在横向和纵向的周期参数均不小于900nm。

可选地，两个所述硅棒的高度相同。

可选地，每个所述硅棒的中部均断开。

可选地，所述硅棒的中部断开间隔为140-170nm。

可选地，两个所述硅棒之间的间隔为150nm。

可选地，所述设定折射率为1.59。

可选地，所述设定折射率的聚合物为聚苯乙烯。

可选地，所述聚合物完全覆盖所述硅双棒后，超出所述硅双棒的部分高度不低于所述硅双棒高度的二分之一。

从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：

本发明提出的一种全光开关，在三明治结构的SOI基底表面刻蚀有多组呈周期排列的硅双棒，且该硅双棒由两个相对间隔设置的硅棒构成，硅双棒的表面被设定折射率的聚合物完全覆盖，从而构成复合材料超构表面；该复合材料超构表面的反射光谱具有非对称的Fano线型特征，且非对称的Fano线型具有陡峭变化的特征(对应高品质因数)，其非线性响应时间飞快，能够有效提升全光开关的开关时间；并且，非对称的Fano线型特征使得聚合物微小的折射率改变即可引起某些波长反射率的明显改变，本发明使用设定折射率的聚合物以及由两个相对间隔设置的硅棒构成的硅双棒，能够在强光照射下引起复合材料超构表面的反射光谱发生变化，再结合Fano共振波长处具有增强电场强度的作用，能够有效降低全光开关的开关能量。

另外，本发明仅通过在三明治结构的SOI基底表面刻蚀多组呈周期排列的硅双棒，并在硅双棒以及SOI基底表面涂覆聚合物即可得到全光开关，相对于现有技术而言，本发明中的全光开关尺寸较小，重量较轻，制备过程简单，能够被广泛使用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的多组呈周期排列的硅双棒2结构示意图；

图2为本发明实施例提供的单组硅双棒2的结构参数示意图；

图3为本发明实施例提供的一种复合材料超构表面的制备流程示意图；

图4为本发明实施例提供的全光开关工作示意图；

图5为本发明实施例提供的硅棒21和硅棒22之间不同间隔下的反射光谱图；

图6为本发明实施例提供的改变聚合物折射率后的反射光谱图。

图中，SOI基底-1；硅双棒-2；硅棒-21；硅棒-22。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像本发明实施例中一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。

在一个实施例中，如图1、2所示，图1为本发明实施例提供的多组呈周期排列的硅双棒2结构示意图，图2为本发明实施例提供的单组硅双棒2的结构参数示意图；本发明提供了一种全光开关，具体包括如下：

呈三明治结构的SOI基底1；所述SOI基底1的一侧表面刻蚀有多组呈周期排列的硅双棒2，所述硅双棒2由两个相对间隔设置的硅棒21和硅棒22构成；多组硅双棒2之间，以及每组硅双棒2中的硅棒21和硅棒22之间均填充有设定折射率的聚合物，且所述聚合物完全覆盖所述硅双棒2的表面。

本实施例中，全光开关主要由SOI基底1、SOI基底1的一侧表面刻蚀的多组呈周期排列的硅双棒2，以及完全覆盖硅双棒2表面的聚合物构成。

其中，SOI基底1呈三明治结构，SOI表示绝缘衬底上的硅，该技术是在顶层硅和背衬底之间引入一层埋氧化层，本发明中的SOI基底1在顶层硅和底层硅之间引入了一层二氧化硅，从而构成衬底结构。

对于本发明中的多组呈周期排列的硅双棒2，则是通过对SOI基底1的任意一侧表面进行刻蚀得到的。而对于刻蚀面的选择，可依据具体场景进行选择，在本发明中不做限定。

刻蚀后的硅双棒2呈周期排列，且每组硅双棒2都是由两个相对间隔设置的硅棒21和硅棒22构成，这样能够获得具有陡峭变化的非对称反射光谱，从而实现全光开关的开关特性。

另外，本发明中多组硅双棒2之间，以及每组硅双棒2中的硅棒21和硅棒 22之间均填充有设定折射率的聚合物，且聚合物完全覆盖硅双棒2的表面，从而构成复合材料超构表面；该复合材料超构表面的反射光谱具有非对称的 Fano线型特征，且非对称的Fano线型具有陡峭变化的特征(对应高品质因数)，其非线性响应时间飞快，能够有效提升全光开关的开关时间。

并且，非对称的Fano线型特征使得聚合物微小的折射率改变即可引起某些波长反射率的明显改变，本发明使用设定折射率的聚合物以及由两个相对间隔设置的硅棒21和硅棒22构成的硅双棒2，能够在强光照射下引起复合材料超构表面的反射光谱发生变化，再结合Fano共振波长处具有增强电场强度的作用，能够有效降低全光开关的开关能量。

需要说明的是，Fano线型指的是一个连续态和一个离散态之间干涉形成的非对称传输线型，它最大的不同点在于其在极大值点和极小值点之间有一条很陡峭变化的非对称谱线，而该谱线对于提高全光开关的性能至关重要。

下面将结合图示来具体说明本发明中的全光开关的制备过程，如图3所示，图3为本发明实施例提供的一种复合材料超构表面的制备流程示意图；该复合材料超构表面即为本发明中全光开关的维纳结构，图中的主要步骤如下：

a1：选择表面光滑平整硅片/二氧化硅片，清洗并吹干，在硅片/二氧化硅片上旋涂电子束感光胶；

a2：通过电子束曝光，在电子束感光胶上形成图形；

a3：沉积金属抗蚀层于电子束感光胶上；

a4：去除电子束感光胶，在金属抗蚀层上获得呈周期排列的硅双棒2；

a5：通过等离子刻蚀的方法把呈周期排列的硅双棒2转移到硅材料上；

a6：去除残留的金属抗蚀层，得到硅双棒结构超构表面；

a7：在硅双棒结构超构表面旋转涂覆聚合物薄膜；

a8：去烘干溶剂后得到硅-聚合物复合材料超构表面，即复合材料超构表面。

需要说明的是，上述在硅双棒2结构超构表面旋转涂覆聚合物薄膜的过程中，指的是在硅双棒2结构超构表面的基础上，旋转涂覆聚合物薄膜，控制合适的溶液浓度、旋转的转速和时间，使得硅双棒2之间的间隙以及硅棒21和硅棒22之间均填充有聚合物，并且衬底结构表面也覆盖有聚合物，因此，去除烘干溶剂后即可形成复合材料超构表面。

进一步地，本发明仅通过在三明治结构的SOI基底1表面刻蚀多组呈周期排列的硅双棒2，并在硅双棒2以及SOI基底1表面涂覆聚合物即可得到全光开关，相对于现有技术而言，本发明中的全光开关尺寸较小，重量较轻，制备过程简单，能够被广泛使用。

下面将结合具体应用场景来对本发明的全光开关进行描述，示意性地，如图4所示，图4为本发明实施例提供的全光开关工作示意图；本发明中，微纳结构的全光开关对应的反射光谱具有陡峭变化的非对称线型特征，反射光谱的波长范围在1.4至1.6微米，其实现原理是Fano共振效应。由于聚合物材料具有优良的光学非线性(大的三阶非线性系数和快速的响应时间)，其折射率在强光的照射下会发生改变，因此导致复合材料超构表面反射光谱发生变化。

因此，图4中，在强光(泵浦光)的照射下，另一束弱光(探测光)的反射率会发生明显的变化，即有强光时，弱光的反射率是一种状态，没有强光时，弱光的反射率是另一种状态，从而实现全光开关的操作。

需要说明的是，线性条件下的反射光谱，入射的光源信号是线偏振的平面波，入射光从结构的上方入射，入射光从聚合物到Si/SiO₂片，最后再反射出来；入射角度方向可以是垂直入射也可以是倾斜入射，以上结构参数是针对垂直入射的强光，如泵浦光，当然，也适用于弱光，如探测光。

上述实施例中具体说明本发明的全光开关中各个结构之间的连接关系，以及全光开关的制备过程，下面将对全关开关中各个结构的设置进行具体说明。

在一个实施例中，如图1所示，硅双棒2优选为矩形结构，矩形结构的设置，能够获得具有陡峭变化的非对称反射光谱，从而实现全光开关的开关特性。

在一个实施例中，如图1所示，多组呈周期排列的硅双棒2在横向和纵向的周期参数均不小于900nm，这样在衬底结构上不仅能够刻蚀多组硅双棒2，降低全光开关的开关能量，还能够避免多组硅双棒2之间因间隔过小而导致衬底结构上硅双棒2的数量设置过多，方便聚合物材料填充到硅双棒的间隙。

在一个实施例中，如图2所示，本发明中硅棒21和硅棒22的高度相同，宽度和长度可以相同也可以不同。例如，硅棒21和硅棒22的高度可设置为220nm，硅棒21和硅棒22的宽度也可以设置为200nm，而硅棒21的长度可以设置 550nm，硅棒22的长度可以设置为600nm。

在一个实施例中，如图2所示，硅棒21和硅棒22的中部均断开，这样能够在实现全光开关的开关特性的同时进一步减小全光开关的重量。

在一个实施例中，如图2所示，硅棒21和硅棒22的中部断开间隔可以为 140-170nm，优选为150nm。

在一个实施例中，如图2所示，硅棒21和硅棒22之间的间隔为150nm。

下面将通过仿真实验来阐述本发明中的硅棒21和硅棒22之间的间隔距离对反射光谱图的影响，示意性地，如图5所示，图5为本发明实施例提供的硅棒21和硅棒22之间不同间隔下的反射光谱图；其中，l_s表示硅棒21和硅棒22 之间的间隔距离，λ为波长，由图5可见，当间隔距离为150nm时，反射光谱图的效果最佳。

需要说明的是，这里的反射光谱图由FDTD仿真得到，而FDTD指的是时域有限差分方法，该方法可直接在时域上对麦克斯韦方程组进行离散化处理，并没有引入太多的计算假定，因此可以准确地计算出任意形状的微纳结构。对于本发明中具有微纳结构的全光开关，其谐振频率、品质因子、有效模式体积以及整个器件的传输特性和光场分布，采用时域有限差分法求解非常方便。

在一个实施例中，所述设定折射率为1.59。

示意性地，如图6所示，图6为本发明实施例提供的改变聚合物折射率后的反射光谱图；其中，Δn为聚合物折射率改变量，以折射率1.59为基准，当聚合物的折射率增加，反射光谱向长波长方向移动，当聚合物的折射率仅仅改变0.001，对于波长为1.478μm的非对称反射峰，其反射率的对比度可以达到约16dB。由于聚合物的作用对于本实施例的影响很大，因此，可选择设定折射率的聚合物来进行填充，该设定折射率可以是1.59。

在一个实施例中，所述设定折射率的聚合物为聚苯乙烯。

本实施例中，微纳结构全光开关主要利用的是具有陡峭变化的非对称 Fano线型，该线型对于聚合物的折射率变化敏感，聚合物微小折射率的改变就可以引起某些波长的反射率的明显改变，且Fano共振波长处具有增强电场强度的作用，这又为降低泵浦光的强度提供有利的条件。

因此，本发明使用聚苯乙烯作为聚合物，不仅能够降低开关能量，还能够减小开关时间。

在一个实施例中，所述聚合物完全覆盖所述硅双棒2后，超出所述硅双棒 2的部分高度不低于所述硅双棒2高度的二分之一。

本实施例中，聚合物涂覆在硅双棒2结构超构表面，以使硅双棒2表面完全覆盖，但为了防止全光开关的体积过大而导致重量增加，在实现本发明中全光开关的开关性能的同时，控制聚合物超出硅双棒2的部分高度不低于硅双棒2高度的二分之一，这样，既能够保证全光开关的开关性能，又能够合理控制全光开关的体积和重量。

以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种全光开关，其特征在于，包括：

呈三明治结构的SOI基底；

所述SOI基底的一侧表面刻蚀有多组呈周期排列的硅双棒，所述硅双棒由两个相对间隔设置的硅棒构成，每个所述硅棒的中部均断开，所述硅棒的中部断开间隔为140-170nm，所述多组呈周期排列的硅双棒在横向和纵向的周期参数均大于900nm；

多组硅双棒之间，以及每组硅双棒中的两个所述硅棒之间均填充有设定折射率的聚合物，且所述聚合物完全覆盖所述硅双棒的表面，所述聚合物是在硅双棒结构超构表面旋转涂覆聚合物薄膜后烘干溶剂得到的，所述聚合物完全覆盖所述硅双棒后，超出所述硅双棒的部分高度不低于所述硅双棒高度的二分之一。

2.根据权利要求1所述的全光开关，其特征在于，所述硅双棒为矩形结构。

3.根据权利要求1所述的全光开关，其特征在于，两个所述硅棒的高度相同。

4.根据权利要求1所述的全光开关，其特征在于，两个所述硅棒之间的间隔为150nm。

5.根据权利要求1所述的全光开关，其特征在于，所述设定折射率为1.59。

6.根据权利要求5所述的全光开关，其特征在于，所述设定折射率的聚合物为聚苯乙烯。