基于可调控结构单元的超表面光开关

1.本发明基于可调控结构单元的超表面光开关属于微纳光电子技术领域。


背景技术：

2.超表面是由亚波长天线构成的阵列结构，能够对光的相位，振幅和偏振进行调制。由于该结构相较于超材料而言，具有尺寸小和损耗低等特点，因此超表面被应用在了不同的光子器件中，如吸收器、隐形时钟、特殊光束发生器、全息成像等。
3.在高速光通信系统中，光开关作为关键节点器件用于实现光交叉连接、光交换、光分插复用以及网络自愈保护等功能。目前，随着高度集成光开关器件的发展，光开关抗电磁干扰，响应速度快等特点的需求越来越明显，但现有光开关大多用于对单一波长光信号进行开关，开关波长不可调控，结构复杂且消光比较低。可见，实现开关波长可调控，结构简单且具有高消光比的光开关显得尤为重要。


技术实现要素：

4.为了实现上述目的，本发明公开了一种基于可调控结构单元的超表面光开关，该超表面光开关结构简单，通过改变相变材料的结晶化程度即可对不同波长光信号进行开关调制，且最高消光比可以达到10.1db。
5.本发明的目的是这样实现的：
6.基于可调控结构单元的超表面光开关，由多个可调控结构单元周期性排列而成，每个所述可调控结构单元由基底层、天线和矩形块组成；所述基底层位于最下端，所述天线和矩形块同平面设置，且位于基底层上；所述基底层的形状为正方形，所述天线的形状为具有开口的等边三角环形，所述开口位于等边三角环形一条边的中间位置，所述矩形块位于所述开口处，所述正方形和等边三角环形中心重合。
7.上述基于可调控结构单元的超表面光开关，
8.所述基底层的尺寸为3μm
×
3μm
×
0.5μm；
9.所述天线的高度为d1=0.5μm，所述等边三角环形的外环边长为l1=1.7370～2.0844μm，内环边长l2=0.8685μm；
10.所述矩形块的高度为d2=0.5μm，长为h=2.7μm，宽为w=0.3～0.5μm。
11.进一步地，定义基底层、天线和矩形块的以下位置关系为参考位置：所述基底层所在平面为xoy平面，基底层的两组对边分别平行于x轴和y轴，所述等边三角环形的开口平行于y轴，所述矩形块长度方向平行于y轴，其特征在于，所述天线和矩形块共同在xoy平面内，以正方形和等边三角环形中心重合为条件，实际位置相对参考位置的夹角为θ=0
°
～90
°
。
12.再进一步地，入射x方向线偏振光。
13.以上基于可调控结构单元的超表面光开关，所述基底层为caf2材料，所述天线为si材料，所述矩形块为gst相变材料，所述相变材料的结晶化程度为m=0～1。
14.有益效果：
15.第一，本发明基于可调控结构单元的超表面光开关，只包括基底层、开口等边三角环形天线、矩形块三个部件，相比于其他光开关，具有结构简单的技术优势。
16.第二，本发明基于可调控结构单元的超表面光开关，通过改变相变材料的结晶化程度即可对不同波长光信号进行开关调制，相比于其他光开关，具有可调控的技术优势。
17.第三，本发明基于可调控结构单元的超表面光开关，消光比可以达到10.1db，相比于其他光开关，具有高消光比的技术优势。
18.第四，本发明基于可调控结构单元的超表面光开关，正是由于其结构简单、可调控、高消光比，因此未来可以应用于大规模集成光通信器件中。
附图说明
19.图1是本发明基于可调控结构单元的超表面光开关的结构示意图。
20.图2是可调控结构单元的结构示意图。
21.图3是可调控结构单元的参数定义示意图。
22.图4为天线外环边长l1变化时的透射率曲线。
23.图5为矩形块宽度w变化时的透射率曲线。
24.图6为结构单元与x轴正方向夹角θ变化时的透射率曲线。
25.图7为相变材料结晶化程度m变化时的透射率曲线。
26.图中：1基底层、2天线、3矩形块。
具体实施方式
27.下面结合附图对本发明具体实施方式作进一步详细介绍。
28.具体实施方式一
29.以下是本发明基于可调控结构单元的超表面光开关的具体实施方式。
30.该具体实施方式下的基于可调控结构单元的超表面光开关，由多个可调控结构单元周期性排列而成，如图1所示；每个所述可调控结构单元由基底层1、天线2和矩形块3组成，如图2所示；所述基底层1位于最下端，所述天线2和矩形块3同平面设置，且位于基底层1上；所述基底层1的形状为正方形，所述天线2的形状为具有开口的等边三角环形，所述开口位于等边三角环形一条边的中间位置，所述矩形块3位于所述开口处，所述正方形和等边三角环形中心重合。
31.具体实施方式二
32.以下是本发明基于可调控结构单元的超表面光开关的具体实施方式。
33.该具体实施方式下的基于可调控结构单元的超表面光开关，在具体实施方式一的基础上，对各参数进行进一步限定，如图3所示：
34.所述基底层1的尺寸为3μm
×
3μm
×
0.5μm；
35.所述天线2的高度为d1=0.5μm，所述等边三角环形的外环边长为l1=1.7370～2.0844μm，内环边长l2=0.8685μm；
36.所述矩形块3的高度为d2=0.5μm，长为h=2.7μm，宽为w=0.3～0.5μm。
37.具体实施方式三
38.以下是本发明基于可调控结构单元的超表面光开关的具体实施方式。
39.该具体实施方式下的基于可调控结构单元的超表面光开关，在具体实施方式二的基础上，对各参数进行进一步限定，如图3所示：定义基底层1、天线2和矩形块3的以下位置关系为参考位置：所述基底层1所在平面为xoy平面，基底层1的两组对边分别平行于x轴和y轴，所述等边三角环形的开口平行于y轴，所述矩形块3长度方向平行于y轴，所述天线2和矩形块3共同在xoy平面内，以正方形和等边三角环形中心重合为条件，实际位置相对参考位置的夹角为θ=0
°
～90
°
。
40.具体实施方式四
41.以下是本发明基于可调控结构单元的超表面光开关的具体实施方式。
42.该具体实施方式下的基于可调控结构单元的超表面光开关，在具体实施方式三的基础上，进一步限定：入射x方向线偏振光。
43.具体实施方式五
44.以下是本发明基于可调控结构单元的超表面光开关的具体实施方式。
45.该具体实施方式下的基于可调控结构单元的超表面光开关，在具体实施方式一、具体实施方式二、具体实施方式三或具体实施方式四的基础上，进一步限定：所述基底层1为caf2材料，所述天线2为si材料，所述矩形块3为gst相变材料，所述相变材料的结晶化程度为m=0～1。
46.具体实施方式六
47.以下是本发明基于可调控结构单元的超表面光开关特性仿真的具体实施方式。
48.该具体实施方式下的基于可调控结构单元的超表面光开关，对开口等边三角环形天线2的外环边长l1进行仿真测试，当边长l1从1.7370μm变化到2.0844μm，透射率曲线情况如图4所示，可以看出，随着l1的增加，共振峰同时出现蓝移，同时伴随着透射率轻微的减小，波形基本保持不变。
49.具体实施方式七
50.以下是本发明基于可调控结构单元的超表面光开关特性仿真的具体实施方式。
51.该具体实施方式下的基于可调控结构单元的超表面光开关，对矩形块3的宽度w进行仿真测试，当宽度w从0.25μm变化到0.29μm，透射率曲线情况如图5所示，可以看出，随着w的增加，共振峰出现红移，同时伴随着透射率轻微的增加，同时，波形基本保持不变。
52.具体实施方式八
53.以下是本发明基于可调控结构单元的超表面光开关特性仿真的具体实施方式。
54.该具体实施方式下的基于可调控结构单元的超表面光开关，对实际位置相对参考位置的夹角θ进行仿真测试，当角度θ从0
°
变化到90
°
，透射率曲线情况如图6所示，可以看出，随着θ的增加，共振峰的透射率逐渐增加，共振峰位置和波形基本保持不变，θ从0
°
变化到90
°
对共振峰的消光比达到10.1db。
55.具体实施方式九
56.以下是本发明基于可调控结构单元的超表面光开关特性仿真的具体实施方式。
57.该具体实施方式下的基于可调控结构单元的超表面光开关，对相变材料结晶化程度m进行仿真测试，当结晶化程度从0变化到1，透射率曲线情况如图7所示，可以看出，随着m的增加，共振峰出现明显红移，透射率和波形基本保持不变；由于通过改变结构单元的温度及可改变相位材料的结晶化程度，因此可调控结构单元在结构参数固定的情况下，开关波
长可调控。