[发明专利]一种基于阵列等离子体柱的可调谐光开关

说明书

本发明涉及一种基于阵列等离子体柱的可调谐光开关，解决的是法诺共振频率不可控和通过几何参数调节法诺共振时出现的可调自由度小的技术问题，从而使得光开关能够在不改变结构几何参数的情况下实现共振峰的连续动态可调，实现多阈值光开关，通过采用包括厚度小于工作波长的超表面，超表面为规则的几何形状，超表面内平行等间距分布有至少3个等离子体柱；等离子体柱的材质为包层石英管和填充的惰性气体；利用米氏散射理论获得单个等离子体柱的米氏散射系数以确定米式共振频率，再阵列等离子体柱获得布拉格散射，使米氏散射与布拉格散射相干涉产生法诺共振现象的技术方案，较好的解决了该问题，可用于光开关领域中。

技术领域

本发明涉及光开关领域，具体涉及一种基于阵列等离子体柱的可调谐光开关。

背景技术

法诺共振由连续态的宽谱和离散态的窄谱相互干涉而形成其非对称超尖锐线型，广泛应用于传感器、光开关和生物传感等领域。电磁波通过光子晶体，由布拉格散射会形成光子带隙，使得操纵光路径成为可能，等离子体光子晶体是由等离子体周期排列形成光子晶体结构，通过改变等离子体的密度改变等离子体的介电常数可以实现改变光子带隙频率的目的，实现动态可调。

现有技术中存在先设计几何结构再获得法诺共振现象的方法中共振频率不可控和通过几何参数调节法诺共振时出现的可调自由度小的技术问题。基于米式散射理论，本发明将提供一种基于阵列等离子体柱的可调谐光开关，可根据米式散射理论获得期望的开关频率，可产生法诺共振现象，并且可以通过改变等离子体密度而实现动态连续可调，打破了通过改变结构几何参数实现可调的局限性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有技术中法诺共振频率不可控和通过几何参数调节法诺共振时出现的可调自由度小的技术问题，从而使得光开关能够在不改变结构几何参数的情况下实现共振峰的连续动态可调，实现多阈值光开关。基于等离子体阵列的可调光开关，能够产生法诺共振现象，通过调节等离子体密度可以灵活改变共振频率，即开关频率。为解决上述技术问题，采用的技术方案如下：

一种基于阵列等离子体柱的可调谐光开关，包括：厚度小于工作波长的超表面，超表面为规则的几何形状，超表面内平行等间距分布有至少3个等离子体柱；超表面的材质为包层石英管和填充的惰性气体。

方案中，先利用米氏散射理论获得单个等离子体柱的米氏散射系数以确定米式共振频率，再阵列等离子体柱获得布拉格散射，使米氏散射与布拉格散射相干涉产生法诺共振现象。

上述方案中，为优化，进一步地，超表面为矩型，所有等离子体柱的几何参数完全相同。

进一步地，超表面的几何参数，石英管半径r₁＝1.0mm,等离子体半径r₁＝0.66mm,超表面周期p＝18.0mm,单元中相邻等离子体柱之间的间距d＝3.9mm；进一步地，所述等离子密度为n_e,其范围为1.0×10¹²cm^-3n_e9.0×10¹²cm^-3,固定超表面的几何参数不变，石英管半径r₁＝1.0mm，等离子体半径r₂＝1.0mm，超表面周期p＝18.0mm，周期单元中相邻等离子体柱之间的间距为d＝3.9mm，得到结构的透射曲线，从透射曲线和电场(E_x)图观察到,该结构在横电波垂直石英管径向入射情况下可以产生法诺共振。并且该法诺共振来源于窄带米式散射和宽带布拉格散射之间的耦合。

为实现可调谐法诺共振，保持几何参数不变，只改变等离子体密度，可知随等离子体密度的增加，法诺共振谱线宽度保持不变的同时谱线蓝移。可实现动态可调且可调频率范围大。

保持等离子体密度为2.0×10¹²cm^-3和其他几何参数固定不变，所述周期单元的周期10.0mmp30.0mm可知p的改变对法诺共振共振频率的影响较弱。