一种基于超表面的高速光波长选择开关的制备方法

本发明属于通信领域，具体地讲，涉及一种交换网光波长选择开关器件设备。

背景技术：

1、随着网络用户的持续增加、网络数据新型业务的不断涌现，全球各国对网络容量的需求都在迅猛增长，目前网络的发展面临着流量、扩展性、能耗以及控管等多方面的挑战。为了迎接这些挑战，采用全光交换(即传输和交换全部采用光信号完成，中间过程无光电、电光转换)替换电交换，已被广泛认为是光纤网络发展的必然趋势。但是波长选择开关(wss)的不成熟严重限制了全光交换的发展，成为实现全光交换的一大瓶颈。

2、目前采用的波长选择开关主要有上世纪90年代提出的微机电系统(mems)波长选择开关(journal of lightwave technology，17(5)：904-911，1999)和2006年提出的基于硅基液晶(lcos)的波长选择开关(ofc，otu f2，2006)。对于mems系统，由于其机械式控制，很难提高响应速度，材料介质层的残余电荷也会造成静电积累，降低系统的可靠性；而lcos波长选择开关受限于液晶材料的响应速度，导致其开关速度只能达到几十赫兹，液晶材料在温度变化等过程中的性质改变也会影响系统的稳定性。近些年相继有一些基于mems和lcos波长选择开关的研究报道，对其在结构和损耗方面进行改善(journal of computerand communications，4，14-19，2016；optoelectronic devices and optical signalprocessing，2016；optics letters，44，403-406，2019)，但都没有从本质上解决wss存在的响应速度低的问题。

3、超表面可以实现基于界面的负折射现象，从根本上颠覆了传统的折射定律(science，334(6054)：333-337，2011)。通过制备实现双折射的反射式超表面，可以利用底层金属产生的偶极镜像实现2π范围的连续相位操控(nature materials，11(5)：426-431，2012)，而通过几何尺寸的调整，可以使得超表面在实现相位操控的同时保持近乎100％的透射率(physical review letters，110(19)：197401，2013)。不仅如此，几何相位超表面透镜的厚度可以达到波长的1/1000(advanced materials，1195-1200，2015)，突破传统光学元件通过相位累积实现光调制的概念，这种相位突变的引入，可以打破光学元件的体积限制。近几年，对于超表面的应用研究也不断涌现(scientific reports，6：20387，2016；nature communication，8：197，2017；ieee journal of selected topics in quantumelectronics，25(3)，2019)，超表面对光波的相位和振幅调制特性可以很好地利用，实现响应速度更高，体积更小，损耗更低的wss结构，但是目前还没有相关工作的报道。

技术实现思路

1、(一)要解决的技术问题

2、本发明的目的在于提供一种基于超表面的波长选择开关的设计和制备方法，该方法制备的波长选择开关具有应用更灵活，响应速度更快，体积更小的特点。

3、(二)技术方案

4、为了达到上述目的，提供了一种基于超表面的波长选择开关的设计和制备方法，包括：衬底基板，包括相位调制区以及位于所述相位调制区外侧的布线区；薄膜晶体管，设置在所述衬底基板的相位调制区；超表面单元器件，设置在所述相位调制区的薄膜晶体管上，与薄膜晶体管共同构成超表面像素结构；

5、本发明提出的超表面单元器件，包括底电极，超表面材料层，介电材料层和顶电极，其中，所述顶电极和底电极采用具有导电性，表面平整度好的材料制备，如au；所述介电材料层为无机绝缘材料或有机绝缘材料，如al2o3；所述顶电极加参考电压，所述底电极通过tft控制，加数据电压，在所述参考电压和数据电压作用下，在与所述介电材料接触的所述超表面材料的表面形成电荷积累，并改变所述超表面材料的电磁性质，实现所述超表面材料的介电常数发生变化，进而实现对入射光的相位调制。

6、本发明提出的超表面材料层，为具有特殊电磁特性的材料，在其两端加电压后，材料的介电常数发生变化，当电压达到一定值，材料的介电常数实部发生由正到负的变化；进一步地，当材料的介电常数实部接近0时，光波在材料中会发生剧烈的电场增强；所述超表面材料可以选择ito材料，或者其他具有所述特殊电磁特性的材料。

7、本发明提出的介电材料层，可以是一种绝缘材料，也可以是两种或多种绝缘材料组合，如al2o3，sio2/si3n4，sio2/si3n4/sio2；

8、本发明提出的底电极和顶电极，使用具有导电性质的金属材料或非金属材料，如au，ito等；

9、作为对本发明的进一步改进，所述顶电极进行图案化，如呈条形，或者呈网状，或者呈其他图案形状，以实现更好的透光率。

10、作为对本发明的进一步改进，所述顶电极可以使用透明或者半透明的导电材料，以实现更好的透光率。

11、本发明提出的tft器件，包括第一金属层，第一绝缘层，半导体层，第二金属层，第二绝缘层，所述第一金属层经过图案化，形成栅电极，控制所述tft器件开关；所述半导体层为n型半导体，或者p型半导体，形成器件沟道；所述第二金属层经过图案化，形成源极和漏极，其中一个通过金属导线和所述绑定垫，与所述布线区的数据芯片相连，另一个通过所述第二绝缘层的过孔，与所述超表面单元器件的底电极相连。

12、本发明提出的tft器件，采用与现有的硅基液晶或显示面板相同的结构和工艺，降低了tft器件的生产成本，提高了生产效率。

13、本发明提出的相位调制区，由所述的超表面单元器件和所述的tft器件构成的像素结构排列组成，横向和纵向排列的像素个数决定相位控制区域的大小。

14、本发明提出的衬底基板，为玻璃基板或者硅基基板。

15、本发明提出的位于所述的相位调制区外围的布线区，包括栅电压布线区和数据电压布线区，栅电压布线区用来提供所述tft器件的栅极电压，控制所述tft的开关；数据电压布线区用来提供数据电压，通过所述tft器件，传导到所述超表面单元器件的底电极，控制超表面单元器件工作。

16、作为本发明的进一步改进，在布线区可以设计防静电的电路设计，增加波长选择开关的可靠性。

17、(三)有益效果

18、本发明提出利用超表面对光波的相位和振幅进行调制，制备波长选择开关，一方面器件响应速度非常快，可以解决目前波长选择开关响应速度慢的问题，另一方面，超表面对光的调制与传统的相位差积累的方法有本质的区别，可以实现光相位的突变，从而减小器件体积和损耗，同时，本发明提出的制备工艺与目前的半导体加工工艺兼容，实现难度小。

技术特征：

1.一种基于超表面的高速光波长选择开关的制备方法，其特征在于：

2.如权利要求1所述基于超表面的高速光波长选择开关的制备方法，其特征在于，所述具有特殊的电磁特性的材料，或者称为超表面材料，采用透明导电金属氧化物材料或其他具有所述特殊电磁特性的材料，如氧化铟锡(ito)材料，其厚度为1nm-10μm，方块电阻为1ω-1000ω。

3.如权利要求1所述基于超表面的高速光开关的制备方法，其特征在于，在制备超表面单元器件步骤中，超表面单元器件的结构包括：底电极，超表面材料，介电材料，顶电极。

4.如权利要求3所述超表面单元器件包括超表面材料，其特征在于：

5.如权利要求3所述超表面单元器件包括介电材料，其特征在于：

6.如权利要求3所述超表面单元器件包括底电极，其特征在于：

7.如权利要求3所述超表面单元器件包括顶电极，其特征在于：

8.如权利要求1所述，利用开关器件控制所述超表面单元器件的工作状态和所述具有特殊电磁特性的材料两端的电压，对入射光进行光相位调制，其特征在于：

9.如权利要求1所述，将所述开关器件和所述超表面单元器件做成阵列，形成光波长选择开关的相位调制区，其特征在于，

10.如权利要求1所述，在所述相位调制区外侧设计布线区，其特征在于，

11.如权利要求1所述，用外部控制电路通过所述布线区对所述相位调制区进行控制，其特征在于，

技术总结
本发明提供了一种基于超表面的高速光波长选择开关的制备方法，其特征在于，利用具有特殊电磁特性的材料，将所述具有特殊电磁特性的材料与绝缘层和电极结合，制备超表面单元器件，利用开关器件控制所述超表面单元器件，并制备成开关器件和超表面单元器件阵列，形成相位调制区，通过外围布线区和外部驱动电路控制，对不同波长的光进行不同的相位调制，从而实现光波长选择的作用，制备成二维光波长选择开关芯片。该方法与现有半导体工艺兼容，光波长选择开关具有快速响应、体积小的特征。

技术研发人员：张春倩,王浩
受保护的技术使用者：北京信息科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15