[发明专利]一种基于线性耦合的介质基超表面全光开关

说明书

本发明公开了一种基于线性耦合的介质基超表面全光开关。其基本结构为衬底上周期排列的二维介质多聚体超表面阵列。当信号电磁波(光)单独入射时，透过样品的光强较大，光开关处于导通状态；当控制电磁波(光)同时入射时，透过样品的光强极小，光开关由导通状态转换为阻断状态，实现了全光开关。通过改变多聚体超表面结构，可以调整目标电磁波的响应波长，可调范围能够覆盖射频到可见光波段。

技术领域

本发明涉及全光信息技术领域，特别是涉及一种基于线性耦合的介质基超表面全光开关。

背景技术

随着信息技术的不断发展和基于大数据的智能信息时代的来临，信息社会的“血管”——通信网络和计算的瓶颈限制越来越凸显。为了解决目前通信网络和计算中电子开关对网络容量扩大的瓶颈限制，人们寄希望于使用全光信息技术来解决这个难题。全光信息技术是信息技术发展的主要方向，是突破半导体技术“摩尔定律”物理极限和技术极限的主要途径。目前，全光信息技术的原理已趋完善，但在实际应用中面临着一系列器件的实现问题，其中的主要难点是全光开关器件。全光开关是一种重要的光子器件，它完全是利用光与物质相互作用来实现对光传输过程的控制，在光通信、光计算、快速光信息处理等方面都有非常广阔的应用前景。目前对全光开关研究主要集中在通过材料的非线性光学效应(主要是三阶非线性)来实现“光控光”的，其过程的实质是通过光来改变材料的基本结构(电子、分子、晶格等)，进而改变材料的光学性质。因此，这些过程的实现往往需要在较高(远高于信号)的驱动光功率(非线性阈值)的条件下进行，同时材料内部结构的改变和弛豫过程需要一定的响应时间(开启和关闭时间)。开关阈值和响应速度一直是基于材料光学非线性的全光开关器件发展的两个主要瓶颈。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于介质基非对称超表面中束缚态激发的全光开关器件。该全关开关具有低开关阈值和高响应速度。当信号电磁波(光)单独入射时，透过样品的光强较大，光开关处于导通状态；当控制电磁波(光)同时入射时，透过样品的光强极小，光开关由导通状态转换为阻断状态，实现了全光开关。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种基于线性耦合的介质基超表面全光开关器件，包括至少一个二维排列的介质多聚体组成的多聚体晶胞。所述二维排列是指多聚体(颗粒)排列在二维平面上。

所述介质基超表面全光开关器件可以仅由单个多聚体晶胞组成，也可以由多个多聚体晶胞周期排列而成。

所述多聚体晶胞可以排列于衬底的表面上，也可以嵌套在衬底的内部，具体方式视需求而定。

所述多聚体晶胞由多个分立的非对称结构组成，其应在单个或多个对称标准下具有不对称性，并具有亚波长尺寸。其结构非对称的主要目的是实现与电磁波的耦合谐振，以激发束缚态谐振模式。当信号电磁波和控制电磁波照射超表面时，将在多聚体超表面阵列中激发束缚态模式，实现控制电磁波束对信号电磁波束的操控，从而实现全光开关。利用数值方法，通过调节非对称结构颗粒的大小、多聚体晶胞尺寸、介电常数等参数调控多聚体超表面的谐振波长，使谐振波长与选定的工作波长重合。

所述非对称结构是由非金属材料组成，可以采用的材料包括但不限于：介质材料(如TiO₂、CaTiO₃、Ba_xSr_1-xTiO₃(x＝0～1)及其掺杂物等)、半导体材料(如Si、Ge、GaAs等)以及其他固体材料。具体的所述非对称结构可以是各种形状的非对称结构颗粒，如带有缺口的立方柱。

根据本发明的一个实施例，所述多聚体晶胞为四聚体晶胞；选用侧面开槽的立方柱颗粒作为非对称结构，将其排列于正方形晶胞的四个1/4对角线位置，形成四聚体晶胞；在四聚体晶胞对角线上的两个颗粒(左下和右上)上方开槽，在四聚体晶胞反对角线上的两个颗粒(左上和右下)的右方开槽。结构示意图如附图1所示。