[发明专利]一种基于非对称超表面的载流子色散型全光开关

说明书

本发明公开了一种基于非对称超表面的载流子色散型全光开关。该全光开关的基本结构为周期排列的二维非对称半导体颗粒结构单元组成的超表面阵列。在泵浦光的照射下，半导体颗粒材料内部发生载流子色散效应，光生载流子密度的大幅增加使全光开关器件的谐振波长发生偏移，在信号光工作波长附近发生特征频谱的峰‑谷(或谷‑峰)转换。通过该过程，泵浦光束完成了对信号光束的通/断操控，实现了以光控光的全光开关。同时，本发明还提供了一种有效降低全光开关泵浦光强的方法。

技术领域

本发明属于全光信息技术领域，具体涉及一种基于非对称超表面的载流子色散型全光开关。

背景技术

现代信息社会的互联网、物联网、大数据、云计算等新兴技术是建立在数据的存储、传输和处理等最基础的信息技术之上的。数据量的剧增使需要传递和处理的信息量激增，传统的电子器件在功耗、延迟、带宽、串扰和噪声等方面的瓶颈限制越来越凸显，信息的传输和处理面临严峻挑战。目前，以光子作为信息载体的全光信息技术被认为是突破电子器件物理极限的主要途径。在全光信息技术中，最重要、最基本的全光器件是全光开关。全光开关的工作过程与电子开关类似，关键的不同点在于全光开关利用控制光实现对信号光传输过程的开/关控制，是构建超快全光交换网络和全光处理器的基础器件。全光开关器件的使用可以使光通信避开光电转换及电子交换环节，真正实现信息的光速传输；用全光开关等光子器件构成各种光学逻辑门，替代当前的电子逻辑门，数据以光的方式编码，实现全光计算。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于非对称超表面的载流子色散型全光开关。

本发明将半导体颗粒超表面的Mie散射理论与该半导体材料的载流子色散效应结合起来，利用超表面特征频谱的谐振波长移动来完成对信号光传输过程的开/关控制，实现以光控光的全光开关。

本发明所依据的原理为：

组成所述超表面全光开关的结构单元在单个或多个对称标准下具有不对称性，根据Mie散射理论，当外部电磁波照射超表面时，将在结构单元中激发对称性破缺的束缚模式，该模式对应于光谱中尖锐的特征频谱。

所述超表面全光开关特征频谱的谐振波长移动是通过半导体颗粒材料的载流子色散效应实现的。具体过程为，通过泵浦光的照射来改变半导体材料中的载流子浓度，引起该材料复折射率的变化，进而达到利用泵浦光动态调控半导体颗粒材料谐振波长的目的。

根据载流子色散方程，大的折射率变化需要大的泵浦光强。为了减小泵浦光强，必须降低器件特征频谱的谐振波长移动所需的折射率变化。器件的特征频谱越尖锐，实现器件开关功能所需要的谐振波长移动越小，对应的折射率变化越小。本发明通过调整半导体颗粒结构单元的不对称度来实现具有尖锐的特征频谱的超表面，用较低的泵浦光强实现全光开关所需的动态频移，有效降低了全光开关的驱动功耗。降低泵浦光功率是全光开关实用化的关键，也是本专利的重要创新点所在。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种基于非对称超表面的载流子色散型全光开关，其基本结构为周期排列的二维非对称半导体颗粒结构单元组成的超表面阵列。

所述超表面阵列可以排列于衬底的表面上，也可以置于衬底的内部。具体方式视需求而定。