一种基于零折射率材料超表面的圆偏振选择性超快全光开关

1.本发明属于全光开关技术领域，具体涉及一种基于零折射率材料超表面的圆偏振选择性超快全光开关。


背景技术：

2.随着信息化社会的快速发展，信息处理对大数据、低能耗、高速处理等方面提出了更高的要求。光子作为信息载体具有明显的速度优势，并且光波具有不同的波长、频率、偏振态和相位信息，可以用来代表不同数据信息，通过大幅增加数据容量和提高数据传输速度，降低系统成本和工作能耗。
3.全光开关是以一束光来控制另一束光的传输状态，相对于电光、热光等激励方式的光开关具有更快的调控速度，是一种非常重要的集成光子器件。作为光学信息传递的偏振光通常采用线偏振光或者圆偏振光，其中圆偏振光具有非常好的保偏性且传输过程中信号衰减幅度较小，并且圆偏振光之间干扰少、通光特性和阻光特性不受旋转角度的影响。圆偏振光包括了左旋圆偏振(left-handedcircularly polarized,lcp)光和右旋圆偏振(right-handed circularly polarized, rcp)光，为实现控制光开关的传输状态，可以充分利用lcp光和rcp光的偏振态不同，对两种偏振态的反射或透射进行选择。
4.手性材料在lcp光和rcp光激发下的反射率变化，称为圆二色性(circulardichroism,cd)，圆偏振光开关大多是利用了这种特性。自然界中也存在着很多的手性材料，但是其cd比较弱，对圆偏振光的选择性反射不强，不适合直接用来做器件。为增强cd可以使用手性超表面，手性超表面大多是金属微纳结构，金属微纳结构的cd产生于左、右旋圆偏振光激发的电磁场分布不同，结构几何参数的改变影响着电、磁偶极子模式的相互作用。因此，可以通过调节结构参数实现对cd信号强弱和特征波长大范围的调节。为了充分利用cd的变化，可以通过人工制备的手性超表面来实现，同时亚波长的超表面结构已经证明了前所未有的灵活性控制光波的能力。
5.利用三阶非线性光学材料实现用光调控光开关，即在泵浦光的激励下，光克尔效应使材料的折射率发生变化。介电常数近零(enz)材料，如透明导电氧化物氧化铟锡(ito)具有载流子浓度较高，折射率变化敏感，非线性效应明显的优点。然而材料的三阶非线性系数通常较小，难于满足超快光调控的需求。将零折射率材料与手性超表面相结合，可以有效的增强三阶非线性效应，用于实现圆偏振依赖的光调控。
6.实现圆偏振选择性超快全光开光，不仅可以推动量子信息技术、光互联领域的进步，同时可以促进自旋电子学、生物传感、分析化学等领域的发展。


技术实现要素：

7.线偏振光作为光信息传播时偏振方向容易受到外界影响发生改变，但如果使用圆偏振光可以保证光的偏振态不发生变化，从而携带的信息不发生改变，保证信息传输的准确性。金属微纳结构的超表面可以实现对圆偏光的选择性反射，增强cd。enz材料非线性效
应能够实现光开关的调控。目前广泛采用的对手性微纳结构cd动态调控方法包括机械调控、热调控、电调控、光调控等，本发明选择的非线性材料是ito，因为ito的三阶非线性效应对泵浦光敏感，能实现用光调控光开关，同时器件也能实现短时间响应。设计微米尺寸大小的全光开光实现了对圆偏振光的偏振态选择，同时开关响应时间在飞秒量级。
8.一种基于零折射率材料超表面的圆偏振选择性超快全光开关，其特征在于，在sio2基底上利用真空热蒸镀工艺镀有一层厚度100-200nm的au膜，在au膜上利用磁控溅射镀膜技术沉积有厚度为100-120nm的ito膜，在ito膜上制备有周期排列的金属au微纳结构层；
9.周期排列的金属微纳结构层中每一个金属微纳结构：从金属微纳结构层俯视角度，包括三个不同的矩形结构：第一矩形结构
①
长504nm，宽55nm；第二矩形结构
②
长261nm，宽100nm；第三矩形结构
③
长218nm，宽60nm；第一矩形结构
①
将第二矩形结构
②
、第三矩形结构
③
串在一起，第二矩形结构
②
、第三矩形结构
③
沿第一矩形结构
①
的长度方向串在一起，即同时分别与第一矩形结构
①
相交，第二矩形结构
②
位于第一矩形结构
①
长度方向的上部分，第二矩形结构
②
的长度方向相对第一矩形结构
①
的长度方向顺时针旋转形成夹角θ1，θ1 为50
°
；第三矩形结构
③
位于第一矩形结构
①
长度方向的下部分，第三矩形结构
③
的长度方向相对第一矩形结构
①
的长度方向顺时针旋转形成夹角θ2，θ2 为60
°
。
10.其中三个矩形的中心相对位置用坐标分别表示第一矩形结构
①
中心的坐标记为(0nm，0nm)、则第二矩形结构
②
的中心坐标为(-50nm，22nm)、第三矩形结构
③
(-27nm，-172nm)。
11.金属微纳结构层的厚度即三个矩形的厚度均为50nm。
12.所述的周期排列为至少沿第一矩形结构
①
的宽度方向依次排列。
13.光开关单元结构如图2所示，优选从下往上依次是sio2基底，100nm厚的 au，100nm厚的ito，50nm厚的金微纳结构。
14.一种基于零折射率材料超表面的圆偏振选择性超快全光开关的制备方法，其特征在于，
15.1)利用真空热蒸镀工艺在sio2基底镀上au膜；
16.2)利用磁控溅射镀膜技术，继续在au膜上沉积ito膜；
17.3)利用电子束曝光工艺在ito膜上加工出金属微纳结构形状的掩膜版；
18.4)利用真空热蒸镀工艺蒸镀au，从而在ito膜上制备出周期排列的金属微纳结构。
19.本发明的优点和积极效果：
20.1)圆偏振光具有保偏性且传输过程中信号衰减幅度较小，并且圆偏振光之间干扰少、通光特性和阻光特性不受旋转角度的影响。
21.2)设计的手性超表面结构对左、右旋偏振光有着很强的选择性。
22.3)利用了ito的三阶非线性效应，实现快速改变折射率。
23.4)利用飞秒激光控制，实现调制速度在飞秒量级。
24.5)设计的结构大小在微米尺寸。
25.本发明的积极效果在于增强圆二色性和ito的三阶非线性，对圆偏振光的偏振态有着高选择性，实现微米尺寸的全光开关，并实现飞秒量级的快速调控。
附图说明
26.图1为单元微结构示意图
27.图2超快光开关单元结构设计图
28.图3泵浦前后rcp光和lcp光的反射率
29.图4开关比光谱
30.图5泵浦前后cd值的变化。
具体实施方式
31.下面结合实施例对本发明做进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。
32.实施例1
33.按照图1和图2的结构制备微米尺寸的手性超表面器件对圆偏振光实现超快调制。
34.1)利用真空热蒸镀工艺在二氧化硅基底镀上100nm厚度的au膜。蒸镀时调节电流保持蒸镀速度为防止膜厚不均匀，保证au膜的硬度。
35.2)利用磁控溅射镀膜技术，继续在100nm的au膜上沉积100nm厚的ito。沉积过程采用磁控溅射法，射频源功率为70w，利用由90％in2o3和10％ sno2混合而成的ito靶材，沉积是在室温下进行，空腔压力为5m torr。为了在溅射过程中提供空腔压力,实现完全氧化，选择由氩气和氧气组成的体积比为10：1的混合气体。之后进行真空退火过程，可以提高表面质量和载流子浓度，退火温度为350℃。
36.3)利用电子束曝光工艺加工金结构的掩膜版。首先旋涂一层光刻胶，然后利用电子束曝光刻蚀出微纳结构，经过显影、定影得到结构图案。
37.4)利用真空热蒸镀工艺蒸镀50nm厚的au，制备出周期排列的金属微纳结构，剥离光刻胶，即得到样品。
38.制备ito层上的金属微纳结构可以利用fib刻蚀。
39.利用有限元分析法软件(comsol)对结构进行模拟，ito薄膜上的金结构如图1所示，由三个不同的矩形组成：中心位置的竖直矩形
①
长504nm，宽 55nm；位于上面的横向矩形
②
长261nm，宽100nm，顺时针旋转50
°
；下面的横向矩形
③
长218nm，宽60nm，顺时针旋转60
°
。其中三个矩形的中心相对位置用坐标分别表示为
①
(0nm，0nm)、
②
(-50nm，22nm)、
③
(-27 nm，-172nm)。光开关单元结构如图2所示，从下往上依次是sio2基底，100nm 厚的au，100nm厚的ito，50nm厚的金结构。
40.入射光以30
°
角(与第一矩形结构
①
长度方向夹角为30
°
)从上方斜入射在金属微纳结构区域，入射光透过上层的手性超表面结构层和ito层，照射在底层的au膜上发生反射，反射光依次经过ito层和手性超表面结构层，从上表面以30
°
角出射。当入射光为右旋圆偏振光时，在1340nm处，手性超表面结构对入射光吸收较大，所以导致反射率较小，所以出射光较小，此时为全光开关中的关。当用45mw/cm2的激光泵浦样品时，由于ito存在三阶非线性效应导致样品折射率发生变化，光谱发生红移，所以在1340nm处反射率增加，此时的反射率更高，即出射光更高，此时为全光开关中的开。rcp光在波长1340nm处开关比达到5.16。
41.cd值如图5,泵浦前cd值的最大值出现在1340nm处，峰值为0.636，表现出对lcp光和rcp光的偏振态选择性反射。泵浦光照射之后，cd光谱发生了红移，cd值的峰值出现在1440nm处，cd值为0.666。虽然光谱发生了红移，但是cd值仍保持较高的数值，表现了对圆偏
振光的较高选择性。

技术特征：
1.一种基于零折射率材料超表面的圆偏振选择性超快全光开关，其特征在于，在sio2基底上利用真空热蒸镀工艺镀有一层厚度100-200nm的au膜，在au膜上利用磁控溅射镀膜技术沉积有厚度为100-120nm的ito膜，在ito膜上制备有周期排列的金属au微纳结构层。2.按照权利要求1所述的一种基于零折射率材料超表面的圆偏振选择性超快全光开关，其特征在于，周期排列的金属微纳结构层中每一个金属微纳结构：从金属微纳结构层俯视角度，包括三个不同的矩形结构：第一矩形结构
①
长504nm，宽55nm；第二矩形结构
②
长261nm，宽100nm；第三矩形结构
③
长218nm，宽60nm；第一矩形结构
①
将第二矩形结构
②
、第三矩形结构
③
串在一起，第二矩形结构
②
、第三矩形结构
③
沿第一矩形结构
①
的长度方向串在一起，即同时分别与第一矩形结构
①
相交，第二矩形结构
②
位于第一矩形结构
①
长度方向的上部分，第二矩形结构
②
的长度方向相对第一矩形结构
①
的长度方向顺时针旋转形成夹角θ1，θ1为50
°
；第三矩形结构
③
位于第一矩形结构
①
长度方向的下部分，第三矩形结构
③
的长度方向相对第一矩形结构
①
的长度方向顺时针旋转形成夹角θ2，θ2为60
°
；其中三个矩形的中心相对位置用坐标分别表示第一矩形结构
①
中心的坐标记为(0nm，0nm)、则第二矩形结构
②
的中心坐标为(-50nm，22nm)、第三矩形结构
③
(-27nm，-172nm)。3.按照权利要求1所述的一种基于零折射率材料超表面的圆偏振选择性超快全光开关，其特征在于，金属微纳结构层的厚度即三个矩形的厚度均为50nm。4.按照权利要求1所述的一种基于零折射率材料超表面的圆偏振选择性超快全光开关，其特征在于，所述的周期排列为至少沿第一矩形结构
①
的宽度方向依次排列。5.按照权利要求1所述的一种基于零折射率材料超表面的圆偏振选择性超快全光开关的，其特征在于，入射光以30
°
角从上方斜入射在金属微纳结构区域，入射光透过上层的手性超表面结构层和ito层，照射在底层的au膜上发生反射，反射光依次经过ito层和手性超表面结构层，从上表面以30
°
角出射；当入射光为右旋圆偏振光时，在1340nm处，手性超表面结构对入射光吸收较大，所以导致反射率较小，所以出射光较小，此时为全光开关中的关；当用45mw/cm2的激光泵浦样品时，由于ito存在三阶非线性效应导致样品折射率发生变化，光谱发生红移，所以在1340nm处反射率增加，此时的反射率更高，即出射光更高，此时为全光开关中的开。6.按照权利要求1-5任一项所述的一种基于零折射率材料超表面的圆偏振选择性超快全光开关的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)利用真空热蒸镀工艺在sio2基底镀上au膜；2)利用磁控溅射镀膜技术，继续在au膜上沉积ito膜；3)利用电子束曝光工艺在ito膜上加工出金属微纳结构形状的掩膜版；4)利用真空热蒸镀工艺蒸镀au，从而在ito膜上制备出周期排列的金属微纳结构。

技术总结
一种基于零折射率材料超表面的圆偏振选择性超快全光开关，属于全光开关技术领域。在SiO2基底上利用真空热蒸镀工艺镀有一层厚度100-200nm的Au膜，在Au膜上利用磁控溅射镀膜技术沉积有厚度为100-120nm的ITO膜，在ITO膜上制备有周期排列的金属Au微纳结构层。对左、右旋偏振光有着很强的选择性。利用飞秒激光控制，实现调制速度在飞秒量级。实现调制速度在飞秒量级。


技术研发人员：富聿岚 姜茂杰 张新平
受保护的技术使用者：北京工业大学
技术研发日：2021.09.07
技术公布日：2022/3/8