一种针对圆偏振光的全光调制器及其制作方法与流程

文档序号:12593622阅读:397来源:国知局
一种针对圆偏振光的全光调制器及其制作方法与流程

本发明实施例涉及光通信和光信息处理领域,具体涉及一种针对圆偏振光的全光调制器及其制作方法。



背景技术:

光通信技术作为现代通信骨干网的核心,支撑着当代的信息工业,光通信在进行数据传输中应用的越来越多,光通信可以提高数据通信系统的传输速率以及带宽,而光调制技术是光通信的基础。光调制是指使光波的某些参数如振幅、频率、相位、偏振状态和持续时间等按一定的规律变化的方法,实现光调制的装置称为光调制器。在整体光通信的光发射、传输、接收过程中,光调制器被用于控制光的强度,其作用是非常重要的。

现有技术中,基于微电子和光电子集成芯片的信息通讯技术具有能耗高,速度低和带宽窄的缺点,“全光通信”概念的提出可以有效的解决此瓶颈,“全光通信”是指在光域中实现信号的传输和转换,直接利用光学方法实现光调制光或光控制光,避免光-电-光的转换,从而绕开电子瓶颈。全光调制器是“全光通信”的一种,而超快全光调制器的光学响应时间低于皮秒,且能耗低,体积在微纳米量级,近年来,科学家致力于研究各种非线性光学材料来实现超快全光调制器的功能。然而对于具有特定偏振态的光信号,尤其是针对圆偏振光实现超快调制的光调制器件却少有研究,圆偏振光是指光波电矢量随时间作有规则地改变,即电矢量末端轨迹在垂直于传播方向的平面上呈圆形,光的偏振态的调制是光传输及光信息处理领域急需解决的重大关键科学问题。

因此,如何提出一种全光调制器,能够提高圆偏振光的调制速率以及调制强度,成为亟待解决的问题。



技术实现要素:

针对现有技术中的缺陷,本发明实施例提供一种针对圆偏振光的全光调制器及其制作方法。

一方面,本发明实施例提供一种针对圆偏振光的全光调制器,包括:

透明基底、上反射层、下反射层以及缺陷层,所述上反射层设置在所述基底上,所述缺陷层设置在所述上反射层和所述下反射层之间;

所述缺陷层包括两层第一介质薄膜层和一层复合层,所述复合层位于所述两层第一介质薄膜层之间,其中所述第一介质薄膜层的折射率低于预设折射率;

所述复合层包括金纳米粒子和手性分子组成的复合薄膜。

另一方面,本发明实施例提供一种圆偏振光调制的全光调制器的制作方法,包括:采用磁控溅射的方法制作上反射层、下反射层和缺陷层中的第一介质薄膜层,采用自组装及其旋涂方法制作复合层。

本发明实施例提供的针对圆偏振光的全光调制器及其制作方法,利用了金纳米粒子和手性分子组成的复合溶液具有的圆二色光学特性,在全光调制器中加入包含金纳米粒子和手性分子的缺陷层,提高了圆偏振光的调制速率以及调制强度。

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一简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图是本发明的一些实施例,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为本发明实施例中针对圆偏振光的全光调制器的剖面图;

图2为本发明实施例中另一针对圆偏振光的全光调制器的剖面图;

图3为本发明实施例中又一针对圆偏振光的全光调制器的剖面图;

图4为本发明实施例中再一针对圆偏振光的全光调制器的剖面图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,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作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。

图1为本发明实施例中针对圆偏振光的全光调制器的剖面图,如图1所示,本发明实施例提供的针对圆偏振光的全光调制器包括:

透明基底1、上反射层12、下反射层14以及缺陷层13,所述上反射层12设置在基底1上,缺陷层13设置在上反射层12和下反射层14之间;

缺陷层13包括两层第一介质薄膜层(131、133)和一层复合层132,复合层132位于所述两层第一介质薄膜层(131、133)之间,其中第一介质薄膜层131、133的折射率低于预设折射率;

所述复合层132包括金纳米粒子和手性分子组成的复合薄膜。

具体地,透明基底1、上反射层12、缺陷层13以及下反射层14依次排列,即上反射层12设置在透明基底1上方,缺陷层13设置在上反射层12上方,下反射层14设置在缺陷层13上方,其中透明基底1的材质可以为透明玻璃或者氧化铟锡(又称铟氧化锡,还可称为ITO),当然还可以是其他材质,本发明实施例不作具体限定,透明基底1的厚度可以为100微米到1毫米,具体可以根据实际使用情况设置,本发明实施例不作具体限定。缺陷层13包括两层第一介质薄膜层(131、133)以及一层复合层132,复合层132在两层第一介质薄膜层(131、133)之间,其中第一介质薄膜层131和133的折射率低于预设折射率,本发明实施例又称为低折射率介质薄膜层,实际上第一介质薄膜层是由低折射率介质组成,一般来说低折射率介质的折射率范围为1.3-1.6,即第一介质薄膜层的折射率一般为1.3-1.6,可以将预设折射率的值取为1.8,折射率低于1.8的介质则为低折射率介质。需要说明的是,其中预设折射率根据实际使用情况而定,本发明实施例不做具体限定。本发明实施例中的复合层132为金纳米粒子和手性分子组成的复合溶液经过旋涂而成的复合薄膜,其中金纳米粒子具有表面等离子体共振效应而显现极大的电场增强特性,而手性分子具有圆二色光学信号。将金纳米粒子与手性分子进行复合,就可以构建手性光学杂化体系,具有特殊的光学性质,其中手性分子可以是半胱氨酸手性分子,当然也可以是其他手性分子,金纳米粒子还可以是其他半导体粒子,本发明实施例不作具体限定。

本发明实施例提供的针对圆偏振光的全光调制器,在全光调制器中设置了包含复合层的缺陷层,并且复合层包括金纳米粒子和手性分子组成的复合溶液,利用了光子晶体谐振腔的电场增强特性,以及手性金纳米粒子的表面等离子体共振效应、光学活性及其非线性光学性质,提高了圆偏振光的调制速率以及调制强度。

在上述实施例的基础上,所述两层第一介质薄膜层关于所述复合层的中心线轴对称。

具体地,缺陷层中的两层第一介质薄膜层以复合层的中心线为对称轴相互对称,两层第一介质薄膜层的实际厚度相同光学厚度也相同,这样可以更好的对圆偏振光进行调制,以提高圆偏振光的调制速率以及调制强度。

在上述实施例的基础上,所述上反射层和所述下反射层均包括预设数量的所述第一介质薄膜层和预设数量的第二介质薄膜层,并且所述第一介质薄膜层和所述第二介质薄膜层交替设置,其中所述第二介质薄膜层的折射率高于所述预设折射率。

具体地,全光调制器的上反射层和下反射层都包括预设数量的第一介质薄膜层和预设数量的第二介质薄膜层,其中第二介质薄膜层的折射率高于预设折射率,本发明实施例又称为高折射率介质薄膜层。第二介质薄膜层是由高折射率介质组成,参考上述实施例中的预设折射率的设置,将预设折射率的值取为1.8,折射率高于1.8的介质则为高折射率介质,一般来说高折射率介质的折射率范围为2.0-2.5,即第二介质薄膜层的折射率一般为2.0-2.5。实际上第二介质薄膜层的折射率要大于第一介质薄膜层的折射率,而具体第二介质薄膜层的折射率和第一介质薄膜层的折射率的具体取值可以由实际情况而定。其中第二介质薄膜层具体可以是二氧化钛(TiO2)或者重金属氧化物玻璃,当然还可以是其他高折射率介质,本发明实施例不作具体限定,此外上反射层中的第二介质薄膜层和下反射层第二介质薄膜层的介质在同一个全光调制器中是同一种物质。上反射层和下反射层中的第一介质薄膜层和第二介质薄膜层交替排列,也就是说一层第一介质薄膜层一层第二介质薄膜层这样交替排列。其中预设数量可以根据实际情况进行设置,本发明实施例中优选为4,即上反射层和下反射层都包括交替排列的4层第一介质薄膜层和4层第二介质薄膜层。

在上述实施例的基础上,所述上反射层中的所述第一介质薄膜层和所述下反射层中的所述第一介质薄膜层关于所述缺陷层的中心线轴对称;

相应地,所述上反射层中的所述第二介质薄膜层和所述下反射层中的所述第二介质薄膜层关于所述缺陷层的中心线轴对称。

具体地,上反射层中的每一层第一介质薄膜层分别以缺陷层的中心线为对称轴与下反射层中的每一层第一介质薄膜层轴对称排列;相应地,上反射层中的每一层第二介质薄膜层分别以缺陷层的中心线为对称轴与下反射层中的每一层第二介质薄膜层轴对称排列。如:若上反射层和下反射层均包含4层第一介质薄膜层和4层第二介质薄膜层,则上反射层第一层为第一介质薄膜层,第二层为第二介质薄膜层这样交替排列,对应的下反射层第一层为第二介质薄膜层,第二层为第一介质薄膜层这样交替排列;也可以是上反射层第一层为第二介质薄膜层,第二层为第一质薄膜层这样交替排列,对应的下反射层第一层为第一介质薄膜层,第二层为第二介质薄膜层这样交替排列;这样以使得上反射层中的第一介质薄膜层和所述下反射层第一介质薄膜层关于所述缺陷层的中心线轴对称,且上反射层中的第二介质薄膜层和所述下反射层第二介质薄膜层也关于所述缺陷层的中心线轴对称。

在上述实施例的基础上,所述缺陷层、所述上反射层以及所述下反射层中的第一介质薄膜层中的介质是相同物质。

具体他,缺陷层、上反射层以及下反射层中都包括第一介质薄膜层,其中第一介质薄膜层的介质是相同的物质,并且第一介质薄膜层的折射率小于预设折射率,因此缺陷层、上反射层以及下反射层中的第一介质薄膜层的介质都是低折射率介质,具体可以是氟化镁(MgF2),二氧化硅(SiO2)或氧化铝(Al2O3),当然也可以是其他低折射率的介质,本发明实施例不作具体限定。

在上述实施例的基础上,所述全光调制器的设计波长为所述复合溶液的圆二色信号的峰值。

具体地,当复合溶液制备完成以后,对复合溶液作光学测试,利用光学活性物质对左、右旋圆偏振光的吸收率不同,其光吸收的差值称为该物质的圆二色性,以光学测试中的圆二色信号的峰值作为全光调制器的设计波长,以便更好地对圆偏振光进行调制。具体应用时可以通过调控金纳米粒子组成的金纳米棒的长径比来设置全光调制器的设计波长,其中设计波长范围为可见光近红外波段,通常为520nm到900nm。

在上述实施例的基础上,所述缺陷层的光学厚度为所述全光调制器的设计波长的一半。

具体地,当确定好全光调制器的设计波长后,在设置缺陷层的光学厚度时,将缺陷层的光学厚度设置为全光调制器的设计波长的一半,具体可以通过设置缺陷层的实际厚度来设置缺陷层的光学厚度,将缺陷层的实际厚度乘以折射率以后就可以得到缺陷层的光学厚度。

在上述实施例的基础上,所述上反射层和所述下反射层中的每一层所述第一介质薄膜层的光学厚度为所述全光调制器的设计波长的四分之一。

具体地,确定好全光调制器的设计波长后,在设置上反射层和下反射层中的第一介质薄膜层的光学厚度时,将反射层和下反射层中的第一介质薄膜层的光学厚度设置为全光调制器的设计波长的四分之一。具体设置所述第一介质薄膜层的光学厚度的方法与上述实施例中设置缺陷层的光学厚度相同,此处不再赘述。

在上述实施例的基础上,所述上反射层和所述下反射层中的每一层所述第二介质薄膜层的光学厚度为所述全光调制器的设计波长的四分之一。

具体地,确定好全光调制器的设计波长后,在设置上反射层和下反射层中的第二介质薄膜层的光学厚度时,将反射层和下反射层中的第二介质薄膜层的光学厚度也设置为全光调制器的设计波长的四分之一。具体的设置方法与上述实施例中设置缺陷层或设置上反射层或下反射层中的第一介质薄膜层的光学厚度相同,此处不再赘述。

本发明实施例提供的针对圆偏振光的全光调制器,利用了金纳米粒子和手性分子组成的复合溶液具有的光学特性,使得本发明实施例中的全光调制器的响应时间小于100飞秒,调制强度大于100%,提高了圆偏振光的调制速率以及调制强度。

在上述实施例的基础上,本发明实施例提供一种针对圆偏振光的全光调制器的制作方法,采用磁控溅射的方法制作上反射层、下反射层和缺陷层中的第一介质薄膜层,采用自组装及旋涂方法制作复合层。

具体地,在制作上述全光调制器时,采用磁控溅射的方法制作上反射层、下反射层以及缺陷层中的第一介质薄膜层,以及上反射层和下反射层中的第二介质薄膜层,采用自组装及旋涂方法制作缺陷层中的复合层,也就是采用自组装方法制作金纳米粒子和手性分子组成的复合溶液,然后通过旋涂得到复合层薄膜,其厚度可以为5nm到20nm。其中磁控溅射是指通过在靶阴极表面引入磁场,利用磁场对带电粒子的约束来提高等离子体密度以增加溅射率,可被用于制备金属、绝缘体等多材料。自组装是指基本结构单元(分子,纳米材料,微米或更大尺度的物质)自发形成有序结构的一种技术。在自组装的过程中,基本结构单元在基于非共价键的相互作用下自发的组织或聚集为一个稳定、具有一定规则几何外观的结构。自组装技术简便易行,无须特殊装置,通常以水为溶剂,具有沉积过程和膜结构分子级控制的优点。可以利用连续沉积不同组分,制备膜层间二维甚至三维比较有序的结构,实现膜的光、电、磁等功能。本发明实施例采用自组装方法制备复合溶液,优先选用肩并肩自组装体,以使得本发明提供的全光调制器对圆偏振光的调制效果更好,当然根据实际使用情况,还可以采用其他自组装体。

下面通过具体实施例介绍本发明实施例提供的全光调制器,以便更好的理解本发明的技术方案,本发明实施例中折射率低于预设折射率的介质薄膜层即为第一介质薄膜层,以下统一描述为低折射率介质薄膜层,折射率高于预设折射率的介质薄膜层即为第二介质薄膜层,以下统一描述为高折射率介质薄膜层。

如图1所示,本发明实施例提供的针对圆偏振光的全光调制器包含:透明基底1,上反射层12,缺陷层13和下反射层14,其中:

透明基底1为透明玻璃,厚度为500μm。

下反射层12由低折射率介质薄膜层(121、123、125、127)和高折射率介质薄膜层(122、124、126、128)周期交替排列而成。所述低折射率介质薄膜层121、123、125、127可自由选择氟化镁(MgF2),二氧化硅(SiO2)或氧化铝(Al2O3)等低折射率材料,所述高折射率介质薄膜层(122、124、126、128)可自由选择二氧化钛(TiO2),五氧化二铌(Nb2O5)或重金属氧化物玻璃等高折射率材料,每层低折射率介质薄膜层和高折射率介质薄膜层的光学厚度为四分之一全光调制器的设计波长。在优选实施方案中,低折射率介质薄膜层(121、123、125、127)均为二氧化硅,高折射率介质薄膜层(122、124、126、128)均为二氧化钛。二氧化硅组成的低折射率介质薄膜层的实际厚度为112nm,二氧化钛组成的高折射率介质薄膜层的实际厚度为72nm。

缺陷层13为三明治结构,包含两层低折射率介质薄膜层(131、133)和一层复合层132,缺陷层13的光学厚度为全光调制器的设计波长的一半。缺陷层中的二氧化硅组成的低折射率介质薄膜层的实际厚度为105nm,复合层132包含金纳米粒子和半胱氨酸手性分子组成的复合溶液,由自组装方法制备复合溶液然后旋涂成膜。金纳米粒子的尺寸为:直径15nm,棒长44nm。0.6毫升半胱氨酸分子加入到5.4毫升金棒溶液中,调控溶液pH为6.3,然后通过调整CTAB(又称十六烷基三甲基溴化铵)的量得到金纳米棒的肩并肩自组装体结构,然后旋涂为15nm左右的薄膜。

上反射层14由低折射率介质薄膜层(141、143、145、147)和高折射率介质薄膜层(142、144、146、148)周期交替排列而成。所述低折射率介质薄膜层(141、143、145、147)可自由选择氟化镁(MgF2),二氧化硅(SiO2)或氧化铝(Al2O3)等低折射率材料,所述高折射率介质薄膜层(142,144,146,148)可自由选择二氧化钛(TiO2),五氧化二铌(Nb2O5)或重金属氧化物玻璃等高折射率材料。在优选实施方案中,低折射率介质薄膜层(141、143、145、147)均为二氧化硅,高折射率介质薄膜层(142、144、146、148)均为二氧化钛。二氧化硅和二氧化钛的厚度分别为112nm和72nm。本发明实施例中全光调制器的设计波长是650nm。

具体对圆偏振光进行调制时,入射光垂直入射到全光调制器中,经过下反射层、缺陷层、上反射层到达透明基底,完成对入射光的调制。

本发明实施例中全光调制器的具体参数如下表1所示:

表1:一种针对圆偏振光的全光调制器的具体参数表

图2为本发明实施例中又一针对圆偏振光的全光调制器的剖面图,如图2所示,本发明实施例提供的圆偏振光调制的全光调制器包含:透明基底1,上反射层22,缺陷层23和下反射层24。下反射层22由低折射率介质薄膜层(221、223、225、227)和高折射率介质薄膜层(222、224、226、228)周期交替排列而成。缺陷层23为三明治结构,包含两层低折射率介质薄膜层(231、233)和一层复合层232。上反射层24由低折射率介质薄膜层(241、243、245、247)和高折射率介质薄膜层(242、244,246、248)周期交替排列而成。本发明实施例提供的全光调制器与图1中的全光调制器所用材质相同,区别在于,本发明实施例中的下反射层22和上反射层24中二氧化硅组成的低折射率介质薄膜层的实际厚度为129nm,二氧化钛组成的高折射率介质薄膜层的实际厚度为83nm;缺陷层中的二氧化硅组成的低折射率介质薄膜层的实际厚度为121nm,复合层中的金纳米粒子的尺寸为:直径15nm,棒长58nm;因此本发明实施例中的全光调制器与图1中的全光调制器的设计波长不同,本发明实施例中的全光调制器的设计波长为750nm。

本发明实施例中全光调制器的具体参数如下表2所示:

表2:一种针对圆偏振光的全光调制器的具体参数表

图3为本发明实施例中另一针对圆偏振光的全光调制器的剖面图,如图3所示,本发明实施例提供的圆偏振光调制的全光调制器包含:透明基底1,上反射层32,缺陷层33和下反射层34。下反射层32由低折射率介质薄膜层(321、323、325、327)和高折射率介质薄膜层(322、324、326、328)周期交替排列而成。缺陷层33为三明治结构,包含两层低折射率介质薄膜层(331、333)和一层复合层332。上反射层34由低折射率介质薄膜层(341、343、345、347)和高折射率介质薄膜层(342、344、346、348)周期交替排列而成。本发明实施例提供的全光调制器与图1和图中的全光调制器所用材质相同,区别在于,本发明实施例中的下反射层32和上反射层34中二氧化硅组成的低折射率介质薄膜层的实际厚度为146nm,二氧化钛组成的高折射率介质薄膜层的实际厚度为95nm;缺陷层中的二氧化硅组成的低折射率介质薄膜层的实际厚度为138nm,复合层中的金纳米粒子的尺寸为:直径15nm,棒长73nm;因此本发明实施例中的全光调制器与图1和图2中的全光调制器的设计波长不同,本发明实施例中的全光调制器的设计波长为850nm。

本发明实施例中全光调制器的具体参数如下表3所示:

表3:一种针对圆偏振光的全光调制器的具体参数表

图4为本发明实施例中再一针对圆偏振光的全光调制器的剖面图,如图4所示,本发明实施例提供的针对圆偏振光的全光调制器包含:透明基底1,上反射层42,缺陷层43和下反射层44。下反射层42由低折射率介质薄膜层(421、423、425、427)和高折射率介质薄膜层(422、424、426、428)周期交替排列而成。缺陷层43为三明治结构,包含两层低折射率介质薄膜层(431、433)和一层复合层432。上反射层34由低折射率介质薄膜层(441、443、445、447)和高折射率介质薄膜层(442、444、446、448)周期交替排列而成。本发明实施例中低折射率介质薄膜层中的介质选用的是氟化镁,高折射率介质薄膜层五氧化二铌,并且下反射层42和上反射层44中氟化镁组成的低折射率介质薄膜层的实际厚度为136nm,五氧化二铌组成的高折射率介质薄膜层的实际厚度为82nm。缺陷层中的氟化镁组成的低折射率介质薄膜层的实际厚度为128nm,复合层中的金纳米粒子的尺寸为:直径15nm,棒长58nm。因此本发明实施例中的全光调制器与上述实施例中的全光调制器的设计波长会有不同,本发明实施例中的全光调制器的设计波长为750nm。

本发明实施例中全光调制器的具体参数如下表4所示:

表4:一种针对圆偏振光的全光调制器的具体参数表

本发明实施例中全光调制器是应用在垂直光入射的光学模式下的具体例子,需要说明的是,本发明实施例提供的全光调制器还可以应用到其他光学模式下,具体应用时可以通过改变入射光的入射角来改变光学调制器的设计波长。

最后应说明的是:以上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。

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