[發(fā)明專利]一種基于非對稱超表面的載流子色散型全光開關

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202111030250.6
• 申請日: 2021-09-03
• 公開（公告）號: CN113703247B
• 公開（公告）日: 2023-05-16
• 發(fā)明（設計）人: 文永正;路亞峰;郎光輝;周濟;范本勇;吳經(jīng)歐
• 申請（專利權）人: 北京索通新動能科技有限公司;清華大學
• 主分類號: G02F3/02
• 分類號: G02F3/02;G02F1/01;G02B1/00
• 代理公司: 北京紀凱知識產(chǎn)權代理有限公司 11245
• 代理人: 趙靜

本發(fā)明公開了一種基于非對稱超表面的載流子色散型全光開關。該全光開關的基本結構為周期排列的二維非對稱半導體顆粒結構單元組成的超表面陣列。在泵浦光的照射下，半導體顆粒材料內(nèi)部發(fā)生載流子色散效應，光生載流子密度的大幅增加使全光開關器件的諧振波長發(fā)生偏移，在信號光工作波長附近發(fā)生特征頻譜的峰?谷(或谷?峰)轉(zhuǎn)換。通過該過程，泵浦光束完成了對信號光束的通/斷操控，實現(xiàn)了以光控光的全光開關。同時，本發(fā)明還提供了一種有效降低全光開關泵浦光強的方法。

技術領域

本發(fā)明屬于全光信息技術領域，具體涉及一種基于非對稱超表面的載流子色散型全光開關。

背景技術

現(xiàn)代信息社會的互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等新興技術是建立在數(shù)據(jù)的存儲、傳輸和處理等最基礎的信息技術之上的。數(shù)據(jù)量的劇增使需要傳遞和處理的信息量激增，傳統(tǒng)的電子器件在功耗、延遲、帶寬、串擾和噪聲等方面的瓶頸限制越來越凸顯，信息的傳輸和處理面臨嚴峻挑戰(zhàn)。目前，以光子作為信息載體的全光信息技術被認為是突破電子器件物理極限的主要途徑。在全光信息技術中，最重要、最基本的全光器件是全光開關。全光開關的工作過程與電子開關類似，關鍵的不同點在于全光開關利用控制光實現(xiàn)對信號光傳輸過程的開/關控制，是構建超快全光交換網(wǎng)絡和全光處理器的基礎器件。全光開關器件的使用可以使光通信避開光電轉(zhuǎn)換及電子交換環(huán)節(jié)，真正實現(xiàn)信息的光速傳輸；用全光開關等光子器件構成各種光學邏輯門，替代當前的電子邏輯門，數(shù)據(jù)以光的方式編碼，實現(xiàn)全光計算。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種基于非對稱超表面的載流子色散型全光開關。

本發(fā)明將半導體顆粒超表面的Mie散射理論與該半導體材料的載流子色散效應結合起來，利用超表面特征頻譜的諧振波長移動來完成對信號光傳輸過程的開/關控制，實現(xiàn)以光控光的全光開關。

本發(fā)明所依據(jù)的原理為：

組成所述超表面全光開關的結構單元在單個或多個對稱標準下具有不對稱性，根據(jù)Mie散射理論，當外部電磁波照射超表面時，將在結構單元中激發(fā)對稱性破缺的束縛模式，該模式對應于光譜中尖銳的特征頻譜。

所述超表面全光開關特征頻譜的諧振波長移動是通過半導體顆粒材料的載流子色散效應實現(xiàn)的。具體過程為，通過泵浦光的照射來改變半導體材料中的載流子濃度，引起該材料復折射率的變化，進而達到利用泵浦光動態(tài)調(diào)控半導體顆粒材料諧振波長的目的。

根據(jù)載流子色散方程，大的折射率變化需要大的泵浦光強。為了減小泵浦光強，必須降低器件特征頻譜的諧振波長移動所需的折射率變化。器件的特征頻譜越尖銳，實現(xiàn)器件開關功能所需要的諧振波長移動越小，對應的折射率變化越小。本發(fā)明通過調(diào)整半導體顆粒結構單元的不對稱度來實現(xiàn)具有尖銳的特征頻譜的超表面，用較低的泵浦光強實現(xiàn)全光開關所需的動態(tài)頻移，有效降低了全光開關的驅(qū)動功耗。降低泵浦光功率是全光開關實用化的關鍵，也是本專利的重要創(chuàng)新點所在。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術方案：

一種基于非對稱超表面的載流子色散型全光開關，其基本結構為周期排列的二維非對稱半導體顆粒結構單元組成的超表面陣列。

所述超表面陣列可以排列于襯底的表面上，也可以置于襯底的內(nèi)部。具體方式視需求而定。