一种基于非对称开口槽超材料的相干调制光开关

(一)技术领域

本发明涉及光开关领域，具体涉及一种基于非对称开口槽超材料的相干调制光开关。

(二)

背景技术：

相干调制是通过从超材料两侧垂直入射的两束光作为输入信号，一束光为信号光，另一束光为控制光，输出信号由两束入射光的透射光和反射光的叠加形成，由于光的相干作用，通过调节控制光源的相位来改变两束光的相位差，使得超材料与光之间的相互作用得到抑制或加强。

如今光信息与光通信领域迅猛发展，光通信逐渐向集成化的方向发展，尤其是集成光路，因此光学器件尺寸的微型化尤为重要。而光开关作为重要的光无源器件，在光网络系统中可对光信号进行通断和切换，它的微型化对于光信息与光通信具有重要意义。光开关是一种具有一个或多个可选择的传输端口，可对光传输线路或集成光路中的光信号进行相互转换或逻辑操作的器件。它可用于光纤通讯系统、光纤网络系统，光纤测量系统或仪器以及光纤传感系统，起到开关切换作用，对于光纤通讯网络具有重要的科学意义和实用价值。传统的光开关器件尺寸较大，不易于集成化，适用范围会受到限制。

超材料是一种人造电磁材料，由亚波长的周期性阵列构成，超材料具备自然界材料所不具备的超常的电磁响应特性，因此引起众多学者的研究。由于电磁超材料可以对内部的单元结构进行人工的周期性排列，因此可以通过改变其形状和大小的几何结构，来实现任意数值的介电常数和磁导率，进而产生自然界天然材料所不具备的特殊的电磁特性，实现对于电磁波的调制。2012年英国南安普顿大学的nikolayi.zheludev等人利用超材料对相干控制进行了实验验证，他们证明了一种比光的波长薄得多的单层纳米结构金属，可以用来用光调制光。这种现象依赖于光束在超材料上的相干相互作用，并通过改变结构设计，提供了可以在可见到红外范围内自由实现的功能。此后，研究人员根据该原理设计了传感器、可变衰减器、独特的光相干滤波器和太赫兹带宽脉冲恢复设备以及光开关。fang等设计了一种超快全光调制器，其功能基于飞秒相干控制纳米级厚度的光子超材料的吸收，该器件利用光波在厚度仅为30nm的超材料纳米结构上的相干相互作用，有效控制近红外(750-1040nm)飞秒脉冲的吸收，提供接近3:1的开关对比度，调制带宽超过2thz。

(三)

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的尺寸较大，不易于集成化，适用范围会受到限制的问题。

本发明的目的是这样实现的：

基于非对称开口槽超材料的相干调制光开关，由金属薄膜以及铣削在金属薄膜上的非对称开口槽组成，为人工电磁材料为周期或非周期排列的非对称开口槽结构单元，非对称开口槽由一个圆环狭缝以及一个u型狭缝组成，两个狭缝结构水平位于单元结构的左右两侧。

非对称开口槽超材料结构的厚度为纳米量级，单元结构所采用的材料为贵金属材料；所述的单元结构的材料为金。

金属薄膜厚度为s，单个金属薄膜边长d，所述金属薄膜的介电常数由德鲁德—洛伦兹色散模型推导出。非对称开口槽的圆环狭缝对应的角度为θ度，内径r，外径r，厚s。非对称开口槽的u型狭缝宽度b，高度d，厚度s，单位为nm。

相干调制通过调节控制光源的相位，实现特定频率的总输出强度的调节，控制光源的相位为0°至360°。

本发明的有益效果在于：

本发明结构简单，制造方便。利用成熟的低压热蒸发沉积以及聚焦离子束铣削技术可以完成对本发明的加工。传统的光开关器件尺寸较大，需要复杂工序。

本发明通过设计非对称开口槽的狭缝的几何参数，可以在特定波长进行相干调制，使得超材料与光之间的相互作用得到抑制或加强，从而实现开关功能。

本发明操作简单，通过调节控制光与信号光的偏振方向、控制光的相位、超材料的结构、尺寸参数和材料属性，可以在特定波长进行相干调制，使得超材料与光之间的相互作用得到抑制或加强，从而实现开关功能。

本发明同时具有便携、重量轻、容易集成等优点，较传统的吸波材料，本发明仅为单层，厚度小、重量轻、易于共形。

本发明同时具有对于信号光源强度的超快调制的优点，调制速度可以达到2飞秒。

本发明与nikolayi.zheludev等人以及fang等人相比，非对称开口槽的狭缝结构不同。

本发明与fang等人相比，调制深度更高，可达到4:1以上。

(四)附图说明

图1是基于非对称开口槽超材料的相干调制光开关的结构示意图。

图2是基于非对称开口槽超材料的相干调制光开关的单元结构前视图。

图3是单光束入射非对称开口槽超材料时反射、透射和吸收光谱的数值模拟。

图4是非对称开口槽超材料在1550纳米吸收共振相干照明下的总输出强度s和吸收a。

(五)具体实施方式

下面结合附图以及具体实例对本发明做进一步详细描述。

实施例：

一种基于非对称开口槽超材料的相干调制光开关，属于光开关技术领域。本发明公开了一种基于非对称开口槽超材料的相干调制光开关，如图1所示，其特征在于，采用非对称开口槽超材料，实现特定波段的超材料与光之间的相互作用得到抑制或加强，实现了开关的功能。所述的非对称开口槽超材料由金属薄膜以及铣削在金属薄膜上的非对称开口槽组成，非对称开口槽由一个圆环狭缝以及一个u型狭缝组成，两个狭缝结构水平位于单元结构的左右两侧。所述的相干调制由两束相干光源构成，即为信号光源和控制光源，信号光源和控制光源的振幅和波长均相同，沿垂直于非对称开口槽超材料的方向相向传播，通过调节控制光源的相位，从而改变控制光源与信号光源的相位差，可以实现特定波段的超材料与光之间的相互作用得到抑制或加强，从而可以应用于光开关器件。

具体而言：

一种基于非对称开口槽超材料的相干调制光开关，采用单层的金膜，在特定波段实现了对超材料与光之间的相互作用的调制。所述的非对称开口槽超材料包括金属薄膜以及铣削在金属薄膜上的非对称开口槽，其中非对称开口槽超材料为周期性排列的非对称开口槽基本结构单元，每个非对称开口槽由一个圆环狭缝以及一个u型狭缝组成，两个狭缝结构水平位于单元结构的左右两侧。所述的相干调制由两束相干光源构成，即为信号光源和控制光源，信号光源和控制光源的振幅和波长均相同，沿垂直于非对称开口槽超材料的方向相向传播，通过调节控制光源的相位，从而改变控制光源与信号光源的相位差，可以实现特定波段的超材料与光之间的相互作用得到抑制或加强。所述的开口槽超材料基本结构单元是非对称性的，每个开口槽超材料基本结构单元包含金属薄膜以及铣削在金属薄膜上的非对称开口槽。非对称开口槽超材料的基本结构单元厚度为纳米量级，单元结构为贵金属材料，为金材料。信号光源和控制光源具有相同的波长与振幅，相向传播，垂直入射到非对称开口槽超材料的两侧。相干控制由信号波与控制波的相互作用实现，两束相向传播的相干波形成驻波，调节控制波的相位，即调控超材料与驻波的波节、波腹之间的相互作用，完成特定波段的相干控制，实现于非对称开口槽超材料的相干调制光开关。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为一种基于非对称开口槽超材料的相干调制光开关，它由一个单层的金膜以及铣削在金膜上的非对称开口槽组成。一束信号光源以一定波长垂直入射到非对称开口槽超材料上，另一束与信号光源互为相干光的控制光源，以同样的振幅和波长相向传播，通过改变控制光源的相位和非对称开口槽超材料的结构、尺寸参数和材料属性，可以实现特定波段的超材料与光之间的相互作用得到抑制或加强。

基于非对称开口槽超材料的相干调制光开关包括金属薄膜以及铣削在金属薄膜上的非对称开口槽，非对称开口槽由一个圆环狭缝以及一个u型狭缝组成，两个狭缝结构水平位于单元结构的左右两侧。这种结构支持fano型等离子体激元模式，导致强共振吸收。单元尺寸为d×d的超材料阵列的节距小于波长，单位为nm，因此不衍射光。

如图1所示本发明所设计的一种基于非对称开口槽超材料的相干调制光开关是一种四端口装置，其具有两个输入端口i+和i-以及两个输出端口o+和o-，分别从超材料两侧垂直入射的i+和i-作为输入信号，分别为信号光源和控制光源，两束入射光的透射光与反射光相互叠加，构成输出信号o+和o_，信号光源和控制光源具有相同的波长与振幅，相干控制由信号波与控制波的相互作用实现，两束相向传播的相干波形成驻波，调节控制波的相位，即调控超材料与驻波的波节、波腹之间的相互作用，完成特定波段的相干控制，实现于非对称开口槽超材料的相干调制光开关。

综上所述，一种基于非对称开口槽超材料的相干调制光开关，属于光开关技术领域。本发明公开了一种基于非对称开口槽超材料的相干调制光开关，其特征在于，采用非对称开口槽超材料，实现特定波段的超材料与光之间的相互作用得到抑制或加强，实现了开关的功能。所述的非对称开口槽超材料由金属薄膜以及铣削在金属薄膜上的非对称开口槽组成，非对称开口槽由一个圆环狭缝以及一个u型狭缝组成，两个狭缝结构水平位于单元结构的左右两侧。所述的相干调制由两束相干光源构成，即为信号光源和控制光源，信号光源和控制光源的振幅和波长均相同，沿垂直于非对称开口槽超材料的方向相向传播，通过调节控制光源的相位，从而改变控制光源与信号光源的相位差，可以实现特定波段的超材料与光之间的相互作用得到抑制或加强，从而可以应用于光开关器件。