[发明专利]宽谱全光开关

说明书

技术领域

本发明涉及一种宽谱全光开关，尤其涉及一种二氧化钒薄膜和金属光栅复合结构的宽谱全光开关。

背景技术

相比于传统的电学技术，光学信息采集和处理具有更快的处理速度、更宽的带宽及易于并行处理等优点。这不仅体现在光学通信、光学计算等领域，在人机交互终端，直接的光学图像采集和处理相比于电学手段具有更明显的优势。然而，尽管先进的光学技术已得到广泛应用，如光纤通信，其中一个必须的器件——光调制器（包括光开关）仍很大程度地依赖于电光调制技术，需通过电学信号来控制(Yariv,A,Quantum Electronics,1989)。这就降低了光学处理的速度，也给全光集成带来困难。因此，全光调制器和全光开关就成为实现全光通信中一项关键的技术(H.M.Gibbs,Optical Bistability:Controlling light with light,1985)。另外全光调制和全光开关还可以实现远程无线遥控，在军事和安全领域有着重要的应用价值。

全光开关，即是利用一束控制光来控制另一束信号光的通过与否。好的光开关要有高的消光比、快的开关速度和低的控制光阈值；由于集成光学的需求，还需要有小的结构尺寸。全光开关技术多是基于光学非线性材料或光致异构化材料的光致折射率变化，并与共振结构如光学微腔等结合，利用控制光的光致折射率变化导致结构的共振峰发生位移，从而达到对特定波长的打开或关闭(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)。这样的光开关对于光路准直的要求比较高，其中的微纳结构加工也比较复杂，且只能对单一波长工作。

为发展宽谱的全光开关，人们考虑了半导体-金属相变材料二氧化钒。二氧化钒在68℃的时候，会发生可逆的半导体-金属相变，由低温半导体态的单斜结构，转变为高温金属态的金红石结构(F.J.MORIN,Phys Rev Lett 3,34-36,1959;L.Kang,Y.Gao,ACS Applied Materials & Interfaces 1,2211-2218,2009)。该相变伴随着材料一系列电学、光学性质的变化；如二氧化钒在半导体态时对红外光透过，而在金属态时对红外光有着很强的吸收，因此可以利用这一点来做红外波段的光开关。

有研究表明，二氧化钒薄膜在可逆相变中有着很好的重复性，可开关10⁸次(F.Beteille and J.Livage,J Sol-Gel Sci Techn 13,915-921,1998)。另外，除了温度引发相变，二氧化钒在电激励和光激励下也可发生半导体-金属相变。在波长800nm、脉宽50fs的光激励下，200nm厚的二氧化钒薄膜相变阈值为7mJ/cm²；该相变可以在500fs内发生，远小于热弛豫时间(A.Cavalleri,C.Toth,and C.W.Siders,et al.,Phys Rev Lett 87,23740123,2001)。这是由于光激励下，材料的能带结构会发生变化，而不需要晶格结构的改变，即可发生半导体-金属相的转变。然而，虽然二氧化钒具有好的重复性可逆相变和高的开关速度，二氧化钒薄膜本身的消光比并不高。为了提高消光比必须增大二氧化钒薄膜的厚度，这又必然会导致信号光透过率的降低。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种宽谱全光开关，以提高消光比。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种宽谱全光开关，包括复合的二氧化钒薄膜和金属光栅。

可选地，控制光和信号光从同一方向入射，所述控制光和信号光都为自然偏振，所述二氧化钒薄膜通过对所述控制光的吸收控制开关的打开和关闭，其中横电波恒不透过，开关打开时信号光横磁波透过。

可选地，所述控制光的波长范围在可见-近红外波段内。

可选地，所述信号光的波长范围在红外波段宽谱范围内。

可选地，所述金属光栅位于所述二氧化钒薄膜的上层或掩埋在所述二氧化钒薄膜的下层。

可选地，所述二氧化钒薄膜的厚度为10~500nm。

可选地，所述金属光栅的周期为50~500nm。