[发明专利]一种反射式等离子体纳米结构光开关及其制备方法

说明书

一种反射式等离子体纳米结构光开关及其制备方法，包括用于改变入射光偏振方向的偏振调制器件和等离子体纳米结构，该等离子体纳米结构包括底层的金属薄膜、中间层的电介质薄膜和分布在电介质薄膜上表面的若干金属纳米环，且金属纳米环对称分布并形成周期排布的金属纳米环阵列。本发明利用由金属薄膜、电介质薄膜和金属纳米环阵列形成的等离子体纳米结构，当入射光以不同偏振方向照射到该等离子体纳米结构时，几乎能够被全部反射或全部吸收，从而形成对入射光的“开”或“关”状态的控制，相比较于透射式光开关的消光比低的问题，本发明具有更大的消光比系数，而且制备方法简单，易于集成。

技术领域

本发明涉及到光电技术领域，具体的说是一种反射式等离子体纳米结构光开关及其制备方法。

背景技术

光开关是一种对光信号进行开关转换的器件，它能够对光纤或集成光路中的光信号进行相互转换或逻辑操作，在光学网络中有着至关重要的作用。由于效率高、噪声小，基于非线性光学效应的光开关获得广泛而深入的研究，但材料的非线性效应要求外加高功率的光源（交叉泵浦）或者高强度的信号光源（自泵浦），因此严重地限制了其在实际应用中的推广。

电磁诱导透明（Electromagnetically Induced Transparency, EIT）是原子系统在光场作用下原子发生能级跃迁时其不同激发路径之间相消干涉的一种量子效应。由于EIT在透明频谱区域具有尖锐的正常光谱色散，电磁诱导透明效应被广泛用于慢光、传感、开关等光信息处理领域（Harris et al., Phys. Today, Vol. 50, pp. 36, 1997）。2008年，Zhang等人在理论上提出利用具有不同阻尼因子的金属纳米结构（等离子体耦合共振器）来实现类EIT效应（Zhang et al., Phys. Rev. Lett. Vol. 101, pp. 047401,2008），随后Liu等人利用纳米制备技术从实验上证实了这一效应（Liu et al., Nat.Mater. Vol. 8, pp. 758-762, 2009）。不同等离子体共振器的近场耦合替代了原子系统中的泵浦场，消除了原子系统中实现EIT效应的苛刻实验条件，降低了电磁诱导透明效应在光学器件应用中的门槛。最近有人提出一种基于等离子体EIT效应的竖直堆垛金属纳米线结构的透射式光开关，利用改变普克尔斯盒的加载电压控制入射光的偏振，从而实现对透射光一开一关的超快主动控制（申请号：CN 102466899）。但是，由于阻抗不匹配，在界面处会有反射带来能量损耗，导致这种透射式光开关的消光比不高（即透过率低），而且这种竖直堆垛式结构要求制备方法复杂，制备条件苛刻（Liu et al., Nat. Mater. Vol. 8, pp.758-762, 2009）。

发明内容

为解决现有透射式光开关消光比低等问题，本发明提供了一种反射式等离子体纳米结构光开关及其制备方法，该光开关基于一种平面等离子体纳米结构的等离子体诱导反射（Plasmon-Induced Reflectance, PIR）效应，实现了利用入射光偏振来控制光开关的打开和关闭，从而避免了现有透射式光开关存在的消光比低的问题。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种反射式等离子体纳米结构光开关，包括用于改变入射光偏振方向的偏振调制器件和等离子体纳米结构，所述等离子体纳米结构包括底层的金属薄膜、中间层的电介质薄膜和分布在电介质薄膜上表面的若干金属纳米环，且金属纳米环对称分布并形成周期排布的金属纳米环阵列，所述金属纳米环阵列在一个方向上的排列周期为金属纳米环共振波长的0.92~0.97倍，而在与该方向垂直的另外一个方向上的排列周期小于等于金属纳米环共振波长的0.8倍或大于等于金属纳米环共振波长的1.15倍。

所述金属薄膜和金属纳米环的材质为贵族金属，如金、银或铜等。

所述电介质薄膜的材质为介电材料，如二氧化硅、氧化铝或氧化镁等。