一种基于表面等离激元法诺共振的微纳光开关及使用它的级联光开关的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于表面等离激元法诺共振的微纳光开关，包括透明衬底，其特征在于透明衬底上依次叠置有金属薄膜层、向列相液晶取向转换层和起偏器，其中：起偏器给予透过光以初始的极化方向；向列相液晶取向转换层，用于接纳上述具有初始极化方向的透过光，并控制经由其透射出去的光的极化方向；金属薄膜层，其上蚀刻有单独的金属孔四聚体单元构型或由该单元经四方排列或六方排列而成的阵列拓扑构型，金属孔四聚体单元构型中的四孔呈D2h群对称，具有正交的短轴和长轴；当通过向列相液晶取向转换层透射下来的光的极化方向与短轴平行时，打开光路，反之则激发表面等离激元法诺共振，关闭光路。本发明不仅具有液晶光开关的所有优势，同时兼具传统液晶光开关不具备的波长选择功能。
【专利说明】-种基于表面等离激元法诺共振的微纳光开关及使用它的 级联光开关
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于表面等离激元法诺共振的微纳光开关及使用它的级联光开 关。
【背景技术】
[0002] 信息技术与人类生活和生产密切相关，它的发展经历了人工手段、电磁技术和电 子技术阶段，现在正在朝着光子技术阶段发展。光子技术是以光子为载体实现信息的传输、 处理和存储的现代技术。因为光子比电子学频率高1000多倍，支持空间上的多维信息处 理，并且抗电磁干扰，所以在信息通信方面光子与电子相比具有无法比拟的优越性：信息携 带容量更大，信息处理速度更快，信息传输的保密性更好。在日益发展的光通信网络中，光 链路和光节点是主要组成部分；而光节点中的所有路由、交换和处理系统的基本单元都是 光开关。因此光开关是光通信网络的核心技术和关键器件。从研究趋势看，光开关正面临 性能最优化、规模可扩展、功能多样化等多方面的挑战，并成为建设下一代光网络的瓶颈。
[0003] 光开关严格定义为：在一定的驱动方式下，把光信号的某个参量（强度、波长、方 向或偏振等）从一种状态快速地、可逆地、不连续地转变为另一种状态的过程。现有的光开 关主要包括机械式光开关、磁光开关、声光开关、液晶开关、MEMS开关等。其中，液晶光开关 与其他光开关相比，具有能耗低、隔离度高、使用寿命长、稳定性和可靠性好等优点，因此近 几年来被大力发展。然而，传统的包括液晶光开关在内光开关是一种光强开关，不具有波长 选择性，即对所有波长都是同时实现开关的切换。但是光通信的发展不但需要空间域和时 间域的交换状态，而且需要频域的交换选择功能。另一方面，光通信网络正朝着集成光路方 向发展，光通信的集成化是信息工业发展的必由之路，也是国家的重大战略需求。集成光路 的发展必然要求光学元件（包括光开关）的尺寸逐渐微纳光化，因此研发新型微纳光光开 关是集成光通信技术亟待实现的发展目标。
[0004] 法诺共振是连续背景场和离散共振场相互干涉作用而产生的一种特征共振现象， 其在光谱上表现为非对称的共振线型。该现象是Ugo Fano在研究原子体系中电子的非弹 性散射时发现的，起初被认为仅限于量子领域，之后拓展到众多科学工程领域。近年来人 们发现金属颗粒能够模拟分子构型，并在光照驱动下产生不同模式的表面等离激元，这些 不同模式之间相互干涉震荡，从而实现法诺共振。本发明涉及的法诺共振表现在散射光谱 线型非对称、线宽极窄、散射低谷对应于表面等离激元相位相干抵消所产生的暗模式（Dark mode)〇
【发明内容】
[0005] 本发明目的是：提供一种基于表面等离激元法诺共振的微纳光开关，其器件工作 原理完全不同于传统液晶光开关，利用了液晶的双折射特性，不仅具有液晶光开关的所有 优势，同时兼具传统液晶光开关不具备的波长选择功能。
[0006] 本发明的技术方案是：一种基于表面等离激元法诺共振的微纳光开关，包括透明 衬底，其特征在于所述透明衬底上依次叠置有金属薄膜层、向列相液晶取向转换层和起偏 器，其中：
[0007] 起偏器，给予透过光以初始的极化方向；
[0008] 向列相液晶取向转换层，用于接纳上述具有初始极化方向的透过光，并控制经由 其透射出去的光的极化方向；
[0009] 金属薄膜层，其上蚀刻有单独的金属孔四聚体单元构型或由该单元经四方排列或 六方排列而成的阵列拓扑构型，所述金属孔四聚体单元构型中的四孔呈D2h群对称，具有正 交的短轴和长轴；当通过向列相液晶取向转换层透射下来的光的极化方向且与短轴平行 时，打开光路；当通过向列相液晶取向转换层透射下来的光的极化方向相对于初始极化方 向发生转变，且与长轴平行时，则激发表面等离激元法诺共振，关闭光路。
[0010] 进一步的，本发明中所述金属薄膜层的厚度为20?100nm，金属孔四聚体单元构 型中四孔的孔径Φ均为90?lOOOnm，孔间距s均为3?lOOnm。 toon] 进一步的，本发明中所述向列相液晶取向转换层，包括依次叠置于金属薄膜层上 的下液晶取向控制透明层、向列相液晶层、上液晶取向控制透明层；其中下液晶取向控制透 明层的上表面设有平行间隔分布的若干沟槽，而上液晶取向控制透明层的下表面则设有交 叉指型电极并引出电极线，所述交叉指型电极的叉指方向与下方沟槽平行或垂直，对应的， 当交叉指型电极通电后，其产生的电场方向与下方沟槽垂直或者平行。
[0012] 更进一步的，本发明中所述下液晶取向控制透明层为聚酰亚胺薄膜层、IT0或 FT0,而上液晶取向控制透明层为玻璃盖片层。
[0013] 进一步的，本发明中所述向列相液晶取向转换层，包括依次叠置于金属薄膜层上 的下液晶取向控制透明层、向列相液晶层、上液晶取向控制透明层；其中下液晶取向控制透 明层的上表面设有平行间隔分布的若干沟槽，而上液晶取向控制透明层的下表面也设有平 行间隔分布的若干沟槽，这些沟槽与下液晶取向控制透明层上的沟槽垂直；还包括分别连 接至上、下液晶取向控制透明层上的电极线，用于施加给向列相液晶层以垂直向电场。
[0014] 更进一步的，本发明中所述下液晶取向控制透明层为聚酰亚胺薄膜层、IT0或 FT0,而上液晶取向控制透明层为IT0导电膜层。
[0015] 更进一步的，本发明中所述上液晶取向控制透明层的下表面旋涂一层直径为1? 10微米的玻璃球作为垫衬，向列相液晶填充于所述玻璃球间隙内形成所述向列相液晶层。 实际上，玻璃球衬底夹抵在上、下液晶取向控制透明层之间，玻璃球的直径尺寸与向列相液 晶层的厚度相等。
[0016] 更进一步的，本发明中所述金属薄膜层的金属材料为Au、Ag或A1。
[0017] 本发明中所述向列相液晶为常规技术，例如选择正戊基联苯氰。
[0018] 进一步的，本发明还包括设于所述透明衬底的下方的检偏器。
[0019] 本发明中的起偏器和检偏器均采用偏振片，同常规技术一样，起偏器可以把入射 的复合偏振的自然光变成单一的线偏振光，而检偏器用途是检验和分析光的偏振状态。
[0020] 本发明中涉及的核心元件为模拟分子构型的金属孔四聚体单元构型：其由四孔组 成且呈D2h群对称，当光波之电场极化方向与金属孔四聚体单元构型的短轴平行时，透射光 谱只有一个散射峰；当光波之电场极化方向与金属孔四聚体单元构型的长轴平行时，透射 峰出现一个狭窄的低谷，对应于表面等离激元暗模式。通过电压通断可以控制向列相液晶 取向，进而调控经起偏器入射的光波极化方向，最终实现对光透射强度和波长有效控制。
[0021] 本发明体系中涉及的光与微纳结构（金属孔四聚体单元构型）的相互作用可以通 过求解麦克斯韦方程精确描述，求解方法包括有限时域、有限元和边界元等数值方法。通 过时域和频域的数值仿真，可以获得典型的光谱响应曲线。光谱响应的内在物理机制是表 面等离激元模式的相干震荡：当各模式的相位一致时，表面等离激元波相干相长，出现散射 峰；当暗模式（dark mode)出现，并与明模式（bright mode)交互作用时，由于其相位相反， 表面等离激元波相干相消，出现散射谷。表面等离激元明模式往往属于偶极子模式（dipole modes),由于福射衰减速率大，散射谱线比较宽广；相反地，暗模式由于不能直接与入射光 耦合，辐射衰减速率很小，散射谱线比较狭窄。正是这种狭窄的暗模式使得法诺共振的共振 线宽只有几十纳米，因此该共振对波长非常敏感，可以应用于波长选择器件。
[0022] 经过有限元数值求解体系中四聚体电磁学特性，得到典型几何参数对系统透射光 谱的影响规律。金属孔四聚体单元构型的金属孔直径增大能够使得法诺共振峰红移，同时 增加法诺共振数目；金属薄膜层厚度和孔间距增加可以使得共振波长蓝移。几何参量对波 长的调控，使得法诺低谷红移或者蓝移，该特征反映了金属孔四聚体良好的共振波长选择 能力。
[0023] 本发明中作为核心的金属孔四聚体单元构型既可以是独立的四孔单元，也可以在 此单元基础上演化成四方排列和六方排列的阵列拓扑结构。拓扑结构大小可以根据器件需 要尺寸而定，对于四方排列而言，有两个垂直方向的周期a和b ;对于六方排列而言，平移矢 量之间存在非90度夹角。
[0024] 本发明另一目的是提供一种由至少两个基于表面等离激元法诺共振的微纳光开 关串联而成的级联光开关。
[0025] 即本发明提供的上述微纳光开关不仅可以单独工作，也可以串联起来，形成级联 光开关，实现一系列波长的选择过滤。例如三个微纳光开关的工作波长对应于λ 3, λ 2和 入1，当它们同时入射到第一微纳光开关中，其中λ 3落在第一微纳光开关的工作波长，即 透射谷中无法通过，此时只有λ 1，λ 2透过；同理只有λ 1通过第二微纳光开关，以此类推。
[0026] 本发明的优点是：
[0027] 1.本发明提供的这种基于表面等离激元法诺共振的微纳光开关，其器件工作原理 完全不同于传统液晶光开关，利用了液晶的双折射特性，不仅具有液晶光开关的所有优势， 同时兼具传统液晶光开关不具备的波长选择功能。
[0028] 2.本发明涉及的金属孔四聚体单元构型，是首次提出的模拟分子构型的独特结 构，无论是在结构上，还是在表面等离激元模式的激发和相干作用上都明显区别于最近国 际上提出的同类金属颗粒结构。研究表明，本发明中的金属孔四聚体单元构型支持高次表 面等离激元模式，例如四极子、六极子和八极子等，而相应的金属颗粒结构只支持偶极子模 式；与金属颗粒相比，本发明中的金属孔四聚体单元构型制备更加简单，几何参数对谱线的 调控更加敏感，法诺共振谱线更加狭窄。
[0029] 例如本发明一种具体实例中金属孔四聚体单元构型的孔径Φ (直径）为100nm， 孔间距s (孔等距间隙）为6nm，金属材料选Au，金属薄膜层厚度为30nm。当满足上述条件 时，对于平行长轴和短轴的极化方向而言，在700nm左右波段，明暗光响应相差远大于5倍， 具有极佳的对比度。
[0030] 3.本发明涉及的金属孔四聚体单元构型及其衍生结构能够与光相互作用，激发表 面等离激元；表面等离激元的暗模式（dark mode)和亮模式（bright mode)相干震荡形成 法诺共振，该共振表现为强烈的极化敏感性和极其狭窄的散射峰谷，因此可以用来有效地 调控模式的通断、同时精确地识别入射波段。
【专利附图】
【附图说明】
[0031] 下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
[0032] 图1是本发明基于表面等离激元法诺共振的微纳光开关器件结构之一；
[0033] 图2是本发明基于表面等离激元法诺共振的微纳光开关器件结构之二；
[0034] 图3是独立的具有"D2h四聚物分子构型"的金属孔四聚体单元构型的示意图；
[0035] 图4是金属孔四聚体单元构型在电压通断情况下的典型背散射光谱（或称透射光 谱）；
[0036] 图5是由金属孔四聚体单元构型衍生的呈四方排列的周期阵列拓扑结构；
[0037] 图6是由金属孔四聚体单元构型衍生的呈六方排列的周期阵列拓扑结构；
[0038] 图7是基于图1器件结构的工作原理图；
[0039] 图8是基于图2器件结构的工作原理图；
[0040] 图9是金属孔四聚体单元构型的三个几何参数对透射光谱的影响规律并列示意 图；
[0041] 图10是根据本发明金属孔四聚体单元构型的波长可调性提出的级联光开关示意 图。
[0042] 其中：1、透明衬底；2、金属薄膜层；3、聚酰亚胺薄膜层；4、向列相液晶层；5、玻璃 盖片层；6、电极线；7、起偏器；8、交叉指型电极；9、沟槽；10、ΙΤ0导电膜层；11、检偏器。
【具体实施方式】
[0043] 实施例1 :如图1所示为本发明提供的一种基于表面等离激元法诺共振的微纳光 开关具体实施例，其采用玻璃透明衬底，所述玻璃透明衬底1上依次叠置有金属薄膜层2、 向列相液晶取向转换层和起偏器7,本发明中的向列相液晶取向转换层由依次叠置于金属 薄膜层2上的聚酰亚胺薄膜层3、向列相液晶层4和玻璃盖片层5构成。聚酰亚胺薄膜层3 的上表面设有平行间隔分布的若干沟槽9,而玻璃盖片层5的下表面则设有交叉指型电极8 并引出电极线6，所述交叉指型电极8的叉指方向与下方沟槽9平行。本发明中在所述透明 衬底的下方设有检偏器11。本实施例中的所述起偏器7和检偏器11均为偏振片。
[0044] 结合图3所示，本发明中的金属薄膜层2,其上蚀刻有单独的金属孔四聚体单元构 型，该单元构型中的四孔呈D 2h群对称，具有正交的短轴和长轴。本实施例中金属孔的孔径 Φ (直径）为l〇〇nm，孔间距s (等距间隙）为6nm，金属材料选用Au，金属薄膜层的厚度为 30nm〇
[0045] 结合图4所示，当光波之电场极化方向与金属孔四聚体单元构型的短轴平行时， 透射光谱只有一个散射峰；当光波之电场极化方向与金属孔四聚体单元构型的长轴平行 时，透射峰出现一个狭窄的低谷，对应于表面等离激元暗模式。通过电压通断可以控制向列 相液晶取向，进而调控经起偏器入射的光波极化方向，最终实现对光透射强度和波长有效 控制。
[0046] 本发明体系中涉及的光与微纳结构（金属孔四聚体单元构型）的相互作用可以通 过求解麦克斯韦方程精确描述，求解方法包括有限时域、有限元和边界元等数值方法。通 过时域和频域的数值仿真，可以获得典型的光谱响应曲线。光谱响应的内在物理机制是表 面等离激元模式的相干震荡：当各模式的相位一致时，表面等离激元波相干相长，出现散射 峰；当暗模式（dark mode)出现，并与明模式（bright mode)交互作用时，由于其相位相反， 表面等离激元波相干相消，出现散射谷。表面等离激元明模式往往属于偶极子模式（dipole modes),由于福射衰减速率大，散射谱线比较宽广；相反地，暗模式由于不能直接与入射光 耦合，辐射衰减速率很小，散射谱线比较狭窄。正是这种狭窄的暗模式使得法诺共振的共振 线宽只有几十纳米，因此该共振对波长非常敏感，可以应用于波长选择器件。具体由图4分 析可得出：对于平行长轴和短轴的极化方向而言，在700nm左右波段，明暗光响应相差远大 于5倍，具有极佳的对比度。
[0047] 本实施例的上述微纳光开关的具体制备方法如下：
[0048] 1)在玻璃透明衬底1上，制备Au薄膜，厚度30nm。
[0049] 2)在金属薄膜层2上利用电子束等蚀刻技术制备金属孔四聚体单元构型，其孔径 Φ为100nm，孔间距s为6nm。
[0050] 3)利用旋涂仪旋涂聚酰亚胺薄膜层3,在200摄氏度恒温1小时，然后自然冷却完 成退火热处理；沿着同一方向机械打磨聚酰亚胺薄膜层3,形成同向平行并列的微型沟槽 9 〇
[0051] 4)在玻璃盖片层5上利用光刻法制备Au交叉指型电极，指型条宽度为50纳米，高 度为70纳米，指型条之间的间距为8微米，利用焊锡链接并引出电极线6。
[0052] 5)在玻璃盖片层5上设置交叉指型电极的一面旋涂一层尺寸在5微米的玻璃球， 作为垫衬材料（图中未示意）。
[0053] 6)在光学显微镜下，将步骤5)制备的玻璃盖片层5放置到步骤3)制备的聚酰亚 胺薄膜层3上，确保交叉指型电极8的叉指方向与聚酰亚胺薄膜层3上的打磨方向一致（即 相互平行）。
[0054] 7)在玻璃球的间隙中填充向列相液晶正戊基联苯氰，使得液晶通过毛细力进入间 隙中，同时加热液晶直到液晶成为均匀相，即形成向列相液晶层4,然后自然冷却至室温。
[0055] 8)在器件顶部贴上起偏器7(底部贴上检偏器11用于检测），利用环氧树脂胶布 封装该装置。
[0056] 结合图3和图7所不，本实施例上述微纳光开关的具体作用原理简述如下：
[0057] 本实施例中起偏器7的初始电场极化方向如图1(偏振方向为P方向，其上的水平 箭头代表水平方向）和图7所示，垂直于纸面且平行于金属孔四聚体单元构型之短轴。入 射光为700nm自然光。
[0058] 1)电压断开的情况（即交叉指型电极8不通电）。由于液晶所接触的下表面沟槽 和上表面交叉指型电极的取向一致，液晶取向在范德瓦尔斯力的作用下，呈一致向列相状 态；因此被起偏器7过滤下来的极化光能够直接穿过液晶，并保持原有极化方向；结合图4 及金属孔四聚体单元构型原理的描述可知，当该垂直于纸面的电场极化方向平行于金属孔 四聚体单元构型之短轴时，不能发生法诺共振，表现为没有法诺透射谷且有透射峰，因此光 路处于导通，检偏器11 (偏振方向为A方向）得到高亮光信号。
[0059] 2)电压闭合（即交叉指型电极8通电）。3V电压加载在交叉指型电极上，指间形 成垂直于叉指方向的电场，在电场力的作用下附近的液晶扭转为电场平行方向；同样由于 范德瓦尔斯力的作用，液晶从下到上，逐渐由垂直取向朝着平行取向过渡，即扭曲向列相； 在扭曲向列相的波导作用下，入射光经过液晶之后的极化方向发生反转，原来平行于金属 孔四聚体单元构型之短轴的极化方向反转为平行于长轴，因此激发法诺共振，出现对应于 暗模式的法诺透射谷，光路关闭。由上可知，电压通断导致液晶取向反转，继而导致法诺共 振从无到有，最终实现光路开通与关闭。
[0060] 上述原理简述中，由于电压断开时，光开关呈开通状态，因此称常白模式。而实际 上通过改变起偏器取向、液晶初始取向和金属孔四聚体单元构型长短轴的取向等任一种取 向，就能够使得光开关由常白模式进入常黑模式，即电压断开时光路呈关闭状态。
[0061] 实施例2 :如图2所示为本发明提供的一种基于表面等离激元法诺共振的微纳光 开关具体实施例，其采用玻璃透明衬底，所述玻璃透明衬底1上依次叠置有金属薄膜层2、 向列相液晶取向转换层和起偏器7,本发明中的向列相液晶取向转换层由依次叠置于金属 薄膜层2上的聚酰亚胺薄膜层3、向列相液晶层4和ΙΤ0导电膜层10构成。其中聚酰亚胺 薄膜层3的上表面设有平行间隔分布的若干沟槽9,而ΙΤ0导电膜层10的下表面也设有平 行间隔分布的若干沟槽9,这些沟槽9与聚酰亚胺薄膜层3上的沟槽9垂直；本实施例中在 向列相液晶层4的上下端设置有电极线，用于施加垂直向电场。
[0062] 结合图5、图6所示，本发明中的金属薄膜层2,其上蚀刻由如图3所示的单独的金 属孔四聚体单元构型经四方排列（图5)，或者六方排列（图6)而成的阵列拓扑构型。单 独的单元构型中的四孔呈D 2h群对称，具有正交的短轴和长轴，金属孔的孔径Φ (直径）为 90nm，孔间距s (等距间隙）为3nm，金属材料选用Au，金属薄膜层的厚度为50nm。阵列拓 扑结构的大小可以根据整个微纳光开关的器件实际需要尺寸而定，对于四方排列而言，有 两个垂直方向的周期a = 500nm和b = 500nm ;对于六方排列而言，平移矢量之间存在非90 度夹角，具体见图5和图6所示。
[0063] 本实施例的上述微纳光开关的具体制备方法如下：
[0064] 1)在玻璃透明衬底1上，制备Au薄膜，厚度30nm。
[0065] 2)在金属薄膜层2上利用电子束等蚀刻技术制备金属孔四聚体单元构型，其孔径 Φ为100nm，孔间距s为6nm。
[0066] 3)利用旋涂仪旋涂聚酰亚胺薄膜层3,在200摄氏度恒温1小时，然后自然冷却完 成退火热处理；沿着同一方向机械打磨聚酰亚胺薄膜层3,形成同向平行并列的微型沟槽 9 〇
[0067] 4)在IT0导电膜层10上，利用机械法打磨处理使得出现平行并列且均匀一致的沟 槽；再在沟槽的一面上旋涂一层尺寸在10微米的玻璃球，作为垫衬材料（图中未示意）。 [0068] 5)在光学显微镜下，将步骤4)制备得到的IT0导电膜层10放置到步骤3)制备的 聚酰亚胺薄膜层3上，确保IT0导电薄膜上的沟槽9方向与聚酰亚胺薄膜层3上的打磨方 向垂直。
[0069] 6)在玻璃球的间隙中填充向列相液晶正戊基联苯氰，使得液晶通过毛细力进入间 隙中，同时加热液晶直到液晶成为均匀相，即形成向列相液晶层4,然后自然冷却至室温。
[0070] 7)在器件顶部贴上偏振7 (底部贴上检偏器11用于检测），利用环氧树脂胶布封 装该装置。
[0071] 结合图3和图8所示，本实施例上述微纳光开关的具体作用原理简述如下：
[0072] 基于图2所示之实施例原理与图1所示之实施例1大致相同，为更加清晰起见，针 对实施例器件的常黑模式进行具体简述。实施例2与实施例1相比，缺少交叉指型电极8， 电压不是加在交叉指型电极之上，而是加载在向列相液晶的上下表面。因此该装置的液晶 初始相一般为扭曲向列相，其主要通过使得液晶上下表面相互垂直的沟槽或者使用相反取 向剂来实现。
[0073] 本实施例中起偏器7的初始电场极化方向如图2(偏振方向为P方向，其上的水平 箭头代表水平方向）和图8所示，与实施例1的情况一样，也是垂直于纸面且平行于金属孔 四聚体单元构型之短轴。入射光为700nm自然光。
[0074] 1)电压断开时（液晶上下不加电），自然光经过起偏器7过滤，只有垂直纸面的极 化光进入液晶，经过扭曲向列相的引导，极化方向反转为平行四聚体的长轴方向，根据金属 孔四聚体单元构型的特性，激发法诺共振，光路关闭；
[0075] 2)电压加载时（液晶上下加电），液晶取向平行于电场方向，扭曲相转变为一致 相，垂直于纸面的极化方向经过液晶之后保持不变，此时平行于金属孔四聚体单元构型的 短轴方向，根据金属孔四聚体单元构型的特性，光路开通。此装置中，改变起偏器7取向或 者90度旋转金属孔四聚体的轴向，即可把常黑模式调节为常白模式。
[0076] 经过有限元数值求解体系中四聚体电磁学特性，得到典型几何参数对系统透射光 谱的影响规律。如图9所示，金属孔直径增大能够使得法诺共振峰红移，同时增加法诺共振 数目；金属薄膜厚度和孔间距增加可以使得共振波长蓝移。几何参量对波长的调控，使得法 诺低谷红移或者蓝移，该特征反映了金属孔四聚体良好的共振波长选择能力。根据这一原 理，可以针对不同的波长设计相应的金属孔四聚体单元构型，然后构成一系列微纳光开关。 这些微纳光开关不仅可以单独工作，也可以串联起来，形成级联光开关，实现一系列波长的 选择过滤。其结构和原理如图10所示。例如三个光开关1、2、3的工作波长对应于λ 3, λ 2 和λ 1，当它们同时入射到光开关1中，其中λ 3落在开关1的工作波长，即透射谷中无法通 过，此时只有λ 1，λ 2透过；同理只有λ 1通过光开关2,以此类推。
[0077] 上述实例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人是 能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精 神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1. 一种基于表面等离激元法诺共振的微纳光开关，包括透明衬底，其特征在于所述透 明衬底（1)上依次叠置有金属薄膜层（2)、向列相液晶取向转换层和起偏器（7)，其中： 起偏器（7)，给予透过光以初始的极化方向； 向列相液晶取向转换层，用于接纳上述具有初始极化方向的透过光，并控制经由其透 射出去的光的极化方向； 金属薄膜层（2)，其上蚀刻有单独的金属孔四聚体单元构型或由该单元经四方排列或 六方排列而成的阵列拓扑构型，所述金属孔四聚体单元构型中的四孔呈D2h群对称，具有正 交的短轴和长轴；当通过向列相液晶取向转换层透射下来的光的极化方向与短轴平行时， 打开光路；当通过向列相液晶取向转换层透射下来的光的极化方向相对于初始极化方向发 生转变，且与长轴平行时，则激发表面等离激元法诺共振，关闭光路。
2. 根据权利要求1所述的一种基于表面等离激元法诺共振的微纳光开关，其特征在于 所述金属薄膜层（2)的厚度为20?lOOnm，金属孔四聚体单元构型中四孔的孔径Φ均为 90?lOOOnm，孔间距s均为3?100nm。
3. 根据权利要求1所述的一种基于表面等离激元法诺共振的微纳光开关，其特征在 于所述向列相液晶取向转换层，包括依次叠置于金属薄膜层（2)上的下液晶取向控制透 明层、向列相液晶层（4)、上液晶取向控制透明层；其中下液晶取向控制透明层的上表面设 有平行间隔分布的若干沟槽（9)，而上液晶取向控制透明层的下表面则设有交叉指型电极 (8)并引出电极线￠)，所述交叉指型电极（8)的叉指方向与下方沟槽（9)平行或垂直，对 应的，当交叉指型电极（8)通电后，其产生的电场方向与下方沟槽（9)垂直或者平行。
4. 根据权利要求1所述的一种基于表面等离激元法诺共振的微纳光开关，其特征在于 所述下液晶取向控制透明层为聚酰亚胺薄膜层（3)、IT0或FT0,而上液晶取向控制透明层 为玻璃盖片层（5)。
5. 根据权利要求1所述的一种基于表面等离激元法诺共振的微纳光开关，其特征在于 所述向列相液晶取向转换层，包括依次叠置于金属薄膜层上的下液晶取向控制透明层、向 列相液晶层（4)、上液晶取向控制透明层；其中下液晶取向控制透明层的上表面设有平行 间隔分布的若干沟槽（9)，而上液晶取向控制透明层的下表面也设有平行间隔分布的若干 沟槽（9)，这些沟槽（9)与下液晶取向控制透明层上的沟槽（9)垂直；还包括分别连接至 上、下液晶取向控制透明层上的电极线，用于施加给向列相液晶层⑷以垂直向电场。
6. 根据权利要求5所述的一种基于表面等离激元法诺共振的微纳光开关，其特征在于 所述下液晶取向控制透明层为聚酰亚胺薄膜层（3)、IT0或FT0,而上液晶取向控制透明层 为IT0导电膜层（10)。
7. 根据权利要求3或5所述的一种基于表面等离激元法诺共振的微纳光开关，其特征 在于所述上液晶取向控制透明层的下表面旋涂一层直径为1?10微米的玻璃球作为垫衬， 向列相液晶填充于所述玻璃球间隙内形成所述向列相液晶层（4)。
8. 根据权利要求1所述的一种基于表面等离激元法诺共振的微纳光开关，其特征在于 所述金属薄膜层的金属材料为Au、Ag或A1。
9. 根据权利要求1所述的一种基于表面等离激元法诺共振的微纳光开关，其特征在于 所述透明衬底的下方设有检偏器（11)。
10. -种由至少两个如权利要求1?9中任意一项所述微纳光开关串联而成的级联光 开关。
【文档编号】G02F1/13GK104111565SQ201410265615
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2014年6月13日 优先权日:2014年6月13日
【发明者】李孝峰, 詹耀辉, 吴绍龙, 翟雄飞, 吴凯 申请人:苏州大学