[發明專利]寬譜全光開關

有效

• 申請號: 201210189042.5
• 申請日: 2012-06-08
• 公開（公告）號: CN102681215A
• 公開（公告）日: 2012-09-19
• 發明（設計）人: 陸亞林;張璇如;王威;朱彥武;陳俊華;趙元
• 申請（專利權）人: 中國科學技術大學
• 主分類號: G02F1/01
• 分類號: G02F1/01
• 代理公司: 上海專利商標事務所有限公司 31100
• 代理人: 陸嘉

技術領域

本發明涉及一種寬譜全光開關，尤其涉及一種二氧化釩薄膜和金屬光柵復合結構的寬譜全光開關。

背景技術

相比于傳統的電學技術，光學信息采集和處理具有更快的處理速度、更寬的帶寬及易于并行處理等優點。這不僅體現在光學通信、光學計算等領域，在人機交互終端，直接的光學圖像采集和處理相比于電學手段具有更明顯的優勢。然而，盡管先進的光學技術已得到廣泛應用，如光纖通信，其中一個必須的器件——光調制器（包括光開關）仍很大程度地依賴于電光調制技術，需通過電學信號來控制(Yariv,A,Quantum?Electronics,1989)。這就降低了光學處理的速度，也給全光集成帶來困難。因此，全光調制器和全光開關就成為實現全光通信中一項關鍵的技術(H.M.Gibbs,Optical?Bistability:Controlling?light?with?light,1985)。另外全光調制和全光開關還可以實現遠程無線遙控，在軍事和安全領域有著重要的應用價值。

全光開關，即是利用一束控制光來控制另一束信號光的通過與否。好的光開關要有高的消光比、快的開關速度和低的控制光閾值；由于集成光學的需求，還需要有小的結構尺寸。全光開關技術多是基于光學非線性材料或光致異構化材料的光致折射率變化，并與共振結構如光學微腔等結合，利用控制光的光致折射率變化導致結構的共振峰發生位移，從而達到對特定波長的打開或關閉(C.Min,P.Wang?et?al.,Opt?Lett?33,869-871,2008;J.Chen,P.Wang?et?al.,Opt?Commun?283,151-154,2010;X.Wang,H.Jiang?et?al.,Opt?Express?19,19415-19421,2011;X.Wang,P.Wang?et?al.,Appl?Phys?Lett?98,021113,2011)。這樣的光開關對于光路準直的要求比較高，其中的微納結構加工也比較復雜，且只能對單一波長工作。

為發展寬譜的全光開關，人們考慮了半導體-金屬相變材料二氧化釩。二氧化釩在68℃的時候，會發生可逆的半導體-金屬相變，由低溫半導體態的單斜結構，轉變為高溫金屬態的金紅石結構(F.J.MORIN,Phys?Rev?Lett?3,34-36,1959;L.Kang,Y.Gao,ACS?Applied?Materials?&?Interfaces?1,2211-2218,2009)。該相變伴隨著材料一系列電學、光學性質的變化；如二氧化釩在半導體態時對紅外光透過，而在金屬態時對紅外光有著很強的吸收，因此可以利用這一點來做紅外波段的光開關。

有研究表明，二氧化釩薄膜在可逆相變中有著很好的重復性，可開關10⁸次(F.Beteille?and?J.Livage,J?Sol-Gel?Sci?Techn?13,915-921,1998)。另外，除了溫度引發相變，二氧化釩在電激勵和光激勵下也可發生半導體-金屬相變。在波長800nm、脈寬50fs的光激勵下，200nm厚的二氧化釩薄膜相變閾值為7mJ/cm²；該相變可以在500fs內發生，遠小于熱弛豫時間(A.Cavalleri,C.Toth,and?C.W.Siders,et?al.,Phys?Rev?Lett?87,23740123,2001)。這是由于光激勵下，材料的能帶結構會發生變化，而不需要晶格結構的改變，即可發生半導體-金屬相的轉變。然而，雖然二氧化釩具有好的重復性可逆相變和高的開關速度，二氧化釩薄膜本身的消光比并不高。為了提高消光比必須增大二氧化釩薄膜的厚度，這又必然會導致信號光透過率的降低。

發明內容

本發明要解決的技術問題是提供一種寬譜全光開關，以提高消光比。

為解決上述技術問題，本發明提供了一種寬譜全光開關，包括復合的二氧化釩薄膜和金屬光柵。

可選地，控制光和信號光從同一方向入射，所述控制光和信號光都為自然偏振，所述二氧化釩薄膜通過對所述控制光的吸收控制開關的打開和關閉，其中橫電波恒不透過，開關打開時信號光橫磁波透過。

可選地，所述控制光的波長范圍在可見-近紅外波段內。

可選地，所述信號光的波長范圍在紅外波段寬譜范圍內。

可選地，所述金屬光柵位于所述二氧化釩薄膜的上層或掩埋在所述二氧化釩薄膜的下層。

可選地，所述二氧化釩薄膜的厚度為10~500nm。

可選地，所述金屬光柵的周期為50~500nm。