CN1476543A - 包含两个最小尺寸比导波波长还小的波导的光开关设备 - Google Patents

Abstract

波导1、2都形状细长，其中一端为入口，而另一端为出口，并且波导都放置在一个表面上，这样所有波导的入口端可以在一个区域3内同时地被所述有待开关的射线照射；根据本发明，每个波导都由不同的材料制造，并且波导1和2的尺寸基本一样，所以可以获得特别便宜的开关装置。

Description

包含两个最小尺寸比导波波长还小的波导的光开关设备

技术领域

本发明涉及射线波导的使用，波导的两个最小尺寸比该射线的波长还小，但是由于“等离子体振子”共振现象，波导可以对射线进行导波。

背景技术

标题为《用于亚微米光传播控制的金属纳米线的等离子体振子极化》的论文，发表在1999年9月15日《物理评论B》杂志上，第6卷，No.12，9061-8页，作者Jean-Claude Weeber等人，该文描述了采用了放置于电介质衬底上的金属“纳米波导”对电磁能量进行选择性传输的原理。

举例来说，这些细长的金属微粒是采用阴极平板印刷方法来放置在电介质衬底上的。

基于使用结合形状为细长的平行六面体的纳米波导，其最小的两个尺寸即高度h以及宽度e都比纳米波导中选择性传输的射线波长短，该论文给出了以下例子阐明这些理论：

----对尺寸为1500nm×30nm×15nm的金“纳米波导”的一端进行照射(illuminate)，另一端所检测到标准化光强在波长为835nm时达到最大值(40％)，在波长为633nm时达到最小值(0)。

----再次对尺寸为1000nm×30nm×20nm的金“纳米波导”的一端进行照射，另一端所检测到的标准化光强达到最大值时为与上例不同的波长770nm。

由于这些“纳米波导”的最大传输取决于所传输的波长，我们可以谈及电磁能量的选择性传输或波导的频谱选择性；这里为得到选择性所采用的方法基于尺寸的不同，尤其是纳米波导中最小的两个尺寸，这里的波导制造材料相同。

描述以下例子的文件参见图9：

----使用相同材料生产两个相同的长度为1μm的纳米波导，将这两个波导相隔大约0.2μm相互平行放置在电介质衬底上，这样可以采用相同的光线同时激活两个波导相邻的端口；而这些激活端被称为“入口”端；

----在每个“纳米波导”另一端放置的是一个金“纳米颗粒“，其中一个尺寸为20nm×30nm×100nm，另一个尺寸为30nm×30nm×100nm；并且

----两个波导的入口端被同时照射，可以发现根据照射波长的不同，纳米颗粒中的一颗会散射射线。

所以，该文件讲授了一种系统，该系统包含了两个放置在相同照射点或入口区域附近并终止于不同尺寸的纳米颗粒的纳米波导，这样根据所使用的射线波长，可以激活两个相邻的颗粒中的一个或另一个。

这里采用的激活颗粒的方法基于颗粒大小的不同。

但是，建造这样一个系统仍然困难，特别是由于需要在纳米波导一端放置纳米颗粒以及只激活一颗颗粒，也由于需要在电介质衬底上放置不同大小的元件。

本发明的目标是避免该缺点。

发明内容

为此，本发明的主题是一种光开关设备(optical switching device)以对射线进行开关，该设备包括一个带射线波导的表面，每个波导形状细长并在一端有入口和另一端有出口，每个波导的两个最小尺寸比所述射线的波长小，这些波导放置在表面上所以所有的入口端都可以被有待开关的所述射线同时照射，其特点在在于每个波导的制造材料不同。

本发明也具有一个或更多以下特点：

----从包括金、银、铝、铜和混合的氧化铟锡的组中挑选所述材料。

----使波导材料的性质与波导的尺寸相配，以使在所述波导内获得所述有待开关的射线的至少一个可能波长的电子等离子体共振；共振的激活波长通常与共振达到极大点的波长附近的较大范围波长一致；更好地，所述波导的共振波长都在350nm与1100nm之间；

----放置于同一表面上的波导的尺寸基本一样。

于是尺寸没有象已有技术那样起到选择性手段或开关手段的作用；由于这个附加特性，采用设置相同的相同过程，大小相同但类型不同的波导可以更经济地放置，；所以，射线的光开关可以通过使用相同大小但性质不同的波导来实现，这允许低价制造光开关设备。

语句“尺寸基本一样”应理解为波导尺寸可以通过相同放置过程以及相同调节来实现；更适宜地，所述波导两个最小尺寸不超过100nm；典型地，波导两个最小尺寸大约为40nm。

本发明的主题也是一种包含一个入口和几个出口的光系统，其特点在于它包含一符合本发明的光开关设备，系统入口设计成同时照射所述波导的所有入口，所述波导的每个出口端与系统出口端相连接。

本发明特别适用于以至少两个不同波长来光读取存储于光盘之类的介质上的数字数据的设备，该设备包括以不同的波长读取时用于光开关所述各种波长的设备。

有些光盘可以在不同的记录层存储数字数据，如果使用与每个记录层一一对应的不同波长的读取激光束，则可以同时读取。

在另一些存储数字数据的光盘，可以通过发光来访问数据，这也需要一个工作于不同波长的光读取设备。

其他的光盘，例如以“等离子体”形式存储数据的光盘，需要工作于至少两个不同波长的读取设备。

所以读取此类数据介质的光读取设备包括对不同的读取或发光波长进行开关的装置；为此，使用用于开关数据读取射线的光开关设备很有优势，该设备包含带有射线波导的表面，每个波导形状细长并在一端有入口和另一端有出口，每个波导的两个最小尺寸比所述射线的波长小，这些波导放置在表面上所以所有的入口端都可以在一个区域内被所述读取的射线同时照射。

更好地，每个波导的制造材料不同。

这样的开关设备非常轻且紧密，所有很容易集成在读取设备的读取头上。

附图说明

阅读以下描述后，通过给出的非限制性示例以及参考附图，将可以更清楚地了解本发明涉及的开关设备：

----图1示出根据本发明的设备的图表一上面的是顶视图而下面的是侧视图。

----图2示出作为波长函数的、根据本发明的设备的波导出口端的归一化光散射强度。

具体实施方式

采用传统的基于阴极光刻的方法，尺寸相同但类型不同的波导1和2放置于折射率为1.5的玻璃衬底4；图1给出了本设备的示意图。

第一波导1用铝制造而第二波导2用金制造；波导的一般尺寸为2000nm×40nm×40nm；两个波导相隔大约0.1μm相互平行放置，这就是说该距离大至足够避免两波导间的任何直接耦合效应，该距离也小至足够可以采用相同的光线同时激活这两个纳米波导相邻的端口，这两个端口常常被称为入口端而其他端口为出口端。

我们现在将展示由此而得到的设备如何能够用作一种光开关装置。

如图1所示，将有待开关的射线束会聚在跨接在两个波导的入口端的入口区域3上。

这个入射射线可以由合适的光设备例如油浸接物镜通过玻璃衬底来聚焦；该物镜所采用的浸油折射率大概选择为值1.5；该物镜的光圈可选择为大约0.9的值。

采用已知的合适的计算方法，计算出在以上的激活条件下波导的出口端的散射强度；该结果是在离波导出口端上表面上方大约30nm处得到的；该结果被归一化成入射光并在图2中标出-实线对应着铝波导而虚线对应金波导；这些数字的峰值对应着能够在相应波导中激活电子等离子体共振的波长；例如，在铝波导中在489nm处可观察到最大共振，而在金波导中则在790nm处可观察到最大共振。

在这些激活条件下，通过观察沿着波导的电磁场强度的空间分布：

----用489nm波长激活时，可以发现电磁波只在铝波导中传播；

----用694nm波长激活时，可以发现电磁波在两个波导中可以同时传播；

----用790nm波长激活时，可以发现电磁波只在金波导中传播。

所以，由此获得的系统可以用作一种光开关装置。

根据本发明的另一个实施，将尺寸相同但材料不同的几个纳米波导放置在玻璃衬底上，从而可以获得两个以上的出口，而入口仍然可以由不同纳米波导共享；举例来说，根据这个实施，各纳米波导可以围绕入口或入射光线能会聚的激活区域成星形排列；这些不同材料可以根据已知的方法选择，所以最大共振波长不会重叠。

符合本发明的光开关设备比采用已有技术的那些便宜，特别是因为设备的所有纳米波导尺寸相同，可以用设置相同的同样放置过程来生产。

根据本发明的光开关设备有利于集成到读取数字数据存储介质的光读取设备中。

Claims (9)

1.一种用于开关射线的光开关设备，该设备由带有两个细长形状的射线波导(1，2)的表面构成，每个波导都在一端有入口而在另一端有出口，各波导的两个最小尺寸比所述射线的波长还小，这些波导放置在表面上，所以所有的入口端可以同时在区域(3)内被所述的有待开关的射线照射，其特征在于每个波导的制造材料都不同。

2.如权利要求1所述的光开关设备，其特征在于从包含金、银、铝、铜和混合的氧化铟锡的组中挑选所述材料。

3.如前面任一权利要求所述的光开关设备，其特征在于使波导材料的性质和波导的尺寸相配，以使在所述波导内获得所述有待开关的射线的至少一个可能波长的电子等离子体共振。

4.如权利要求3所述的光开关设备，其特征在于所述波导的共振波长都在350nm和1100nm之间。

5.如前面任一权利要求所述的光开关设备，其特征在于放置在同一表面上的波导的尺寸基本一样。

6.如前面任一权利要求所述的光开关设备，其特征在于所述波导的两个最小尺寸不超过100nm。

7.一种含有一个入口和几个出口的光系统，其特征在于它包括根据任一权利要求所述的光开关设备，系统入口设计成对所述波导的所有入口端同时照射，所述波导的每个出口端与系统的出口相连。

8.一种以至少两个不同波长来光读取存储于光盘之类的介质上的数字数据的设备，该设备包括以不同的波长读取时用于开关数据读取射线的光开关设备，该光开关设备由带有细长形状的射线波导的表面构成，每个波导都在一端有入口另一端有出口，每个波导的两个最小尺寸比所述射线波长小，这些波导放置于表面上以使所有入口端都可以在一个区域内被所述的读取射线同时照射。

9.如权利要求8所述的设备，其特征在于每个波导制造材料都不同。