[发明专利]一种基于表面等离激元法诺共振的微纳光开关及使用它的级联光开关

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于表面等离激元法诺共振的微纳光开关及使用它的级联光开关。

背景技术

信息技术与人类生活和生产密切相关，它的发展经历了人工手段、电磁技术和电子技术阶段，现在正在朝着光子技术阶段发展。光子技术是以光子为载体实现信息的传输、处理和存储的现代技术。因为光子比电子学频率高1000多倍，支持空间上的多维信息处理，并且抗电磁干扰，所以在信息通信方面光子与电子相比具有无法比拟的优越性：信息携带容量更大，信息处理速度更快，信息传输的保密性更好。在日益发展的光通信网络中，光链路和光节点是主要组成部分；而光节点中的所有路由、交换和处理系统的基本单元都是光开关。因此光开关是光通信网络的核心技术和关键器件。从研究趋势看,光开关正面临性能最优化、规模可扩展、功能多样化等多方面的挑战,并成为建设下一代光网络的瓶颈。

光开关严格定义为：在一定的驱动方式下,把光信号的某个参量(强度、波长、方向或偏振等)从一种状态快速地、可逆地、不连续地转变为另一种状态的过程。现有的光开关主要包括机械式光开关、磁光开关、声光开关、液晶开关、MEMS开关等。其中，液晶光开关与其他光开关相比，具有能耗低、隔离度高、使用寿命长、稳定性和可靠性好等优点，因此近几年来被大力发展。然而，传统的包括液晶光开关在内光开关是一种光强开关，不具有波长选择性，即对所有波长都是同时实现开关的切换。但是光通信的发展不但需要空间域和时间域的交换状态，而且需要频域的交换选择功能。另一方面，光通信网络正朝着集成光路方向发展，光通信的集成化是信息工业发展的必由之路，也是国家的重大战略需求。集成光路的发展必然要求光学元件(包括光开关)的尺寸逐渐微纳光化，因此研发新型微纳光光开关是集成光通信技术亟待实现的发展目标。

法诺共振是连续背景场和离散共振场相互干涉作用而产生的一种特征共振现象，其在光谱上表现为非对称的共振线型。该现象是Ugo Fano在研究原子体系中电子的非弹性散射时发现的，起初被认为仅限于量子领域，之后拓展到众多科学工程领域。近年来人们发现金属颗粒能够模拟分子构型，并在光照驱动下产生不同模式的表面等离激元，这些不同模式之间相互干涉震荡，从而实现法诺共振。本发明涉及的法诺共振表现在散射光谱线型非对称、线宽极窄、散射低谷对应于表面等离激元相位相干抵消所产生的暗模式(Dark mode)。

发明内容

本发明目的是：提供一种基于表面等离激元法诺共振的微纳光开关，其器件工作原理完全不同于传统液晶光开关，利用了液晶的双折射特性，不仅具有液晶光开关的所有优势，同时兼具传统液晶光开关不具备的波长选择功能。

本发明的技术方案是：一种基于表面等离激元法诺共振的微纳光开关，包括透明衬底，其特征在于所述透明衬底上依次叠置有金属薄膜层、向列相液晶取向转换层和起偏器，其中：

起偏器，给予透过光以初始的极化方向；

向列相液晶取向转换层，用于接纳上述具有初始极化方向的透过光，并控制经由其透射出去的光的极化方向；

金属薄膜层，其上蚀刻有单独的金属孔四聚体单元构型或由该单元经四方排列或六方排列而成的阵列拓扑构型，所述金属孔四聚体单元构型中的四孔呈D_2h群对称，具有正交的短轴和长轴；当通过向列相液晶取向转换层透射下来的光的极化方向且与短轴平行时，打开光路；当通过向列相液晶取向转换层透射下来的光的极化方向相对于初始极化方向发生转变，且与长轴平行时，则激发表面等离激元法诺共振，关闭光路。

进一步的，本发明中所述金属薄膜层的厚度为20～100nm，金属孔四聚体单元构型中四孔的孔径Φ均为90～1000nm，孔间距s均为3～100nm。

进一步的，本发明中所述向列相液晶取向转换层，包括依次叠置于金属薄膜层上的下液晶取向控制透明层、向列相液晶层、上液晶取向控制透明层；其中下液晶取向控制透明层的上表面设有平行间隔分布的若干沟槽，而上液晶取向控制透明层的下表面则设有交叉指型电极并引出电极线，所述交叉指型电极的叉指方向与下方沟槽平行或垂直，对应的，当交叉指型电极通电后，其产生的电场方向与下方沟槽垂直或者平行。

更进一步的，本发明中所述下液晶取向控制透明层为聚酰亚胺薄膜层、ITO或FTO，而上液晶取向控制透明层为玻璃盖片层。