基于mim高靈敏度spp溫度光開關的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種高消光比，納米尺度的光開關，更具體地說涉及一種基于導體-絕緣體-導體(MIM)結構的高靈敏度SPP光開關。
【背景技術】
[0002]近年來，隨著信息時代的到來，通信技術的速度和信息量急劇增大。光通信技術給信息化時代插上了翅膀，但目前在節(jié)點和路由的信息處理依舊需要電路實現(xiàn)，這在速度、容量和功率消耗方面制約了通訊技術的發(fā)展。采用光子集成光路代替或部分代替集成電路實現(xiàn)通信路由勢必成為未來的發(fā)展方向。
[0003]基于表面等離子激元(SPP)的波導卻能突破衍射極限的限制，實現(xiàn)納米尺度的光信息處理和傳輸。表面等離子激元(SPP)是當電磁波入射到金屬與介質分界面時，電磁波和金屬表面的自由電子親合形成的一種在金屬表面?zhèn)鞑サ慕鼒鲭姶挪?。根?jù)表面等離子激元(SPP)的性質，人們已經(jīng)提出了很多基于表面等離子體結構的器件，例如濾波器、環(huán)形器、邏輯門、光開關等。這些器件在結構上都比較簡單，非常便于光路集成。
[0004]在大型光通信網(wǎng)絡中，網(wǎng)絡之間需要光交叉連接器和光交叉復用器來滿足信息的交換，而這些器件都是由光開關陣列組成的，顯然研究全光光開關技術對于全光通信和全光集成電路都會有很大的現(xiàn)實意思。目前的光開關多數(shù)利用非線性效應來實現(xiàn)，例如在光子晶體結構的基礎上加入非線性材料，而非線性效應需要使用高功率的控制光，這勢必消耗大量的能量，在系統(tǒng)的集成度高，通信用戶數(shù)量龐大時，該能量消耗將變得非常巨大，這樣不僅造成能量的浪費，而且會使集成電路系統(tǒng)的工作溫度過高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種便于集成的MIM高靈敏度SPP光開關。
[0006]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下設計方案:
[0007]本發(fā)明基于MM高靈敏度SPP光開關，它由一個矩形腔、一個控制光吸收腔、銀塊、一個豎直波導、一個水平波導、三個金屬膜、一個太赫茲控制光和一個水平傳播的信號光組成;所述矩形腔位于控制光輸入端，所述控制光吸收腔和豎直波導相連接;所述銀塊設置豎直波導內(nèi)，可以移動;所述豎直波導和水平波導相連接;所述太赫茲控制光位于矩形腔的上端;所述M頂為金屬-絕緣體-金屬結構的波導。
[0008]所述矩形腔內(nèi)的物質為高透射率的物質。
[0009]所述高透射率的物質為硅、鍺或者砷化鎵。。
[0010]所述控制光吸收腔的形狀為矩形、圓形、多邊形或者橢圓形。
[0011]所述控制光吸收腔內(nèi)的物質為高熱膨脹系數(shù)的物質;所述高膨脹系數(shù)的物質為酒精或者水銀。
[0012]所述水平波導和豎直波導為MD!結構的波導，其與下端的金屬膜接觸。
[0013]所述金屬為金或銀；
[0014]所述金屬為銀。
[0015]所述絕緣體為透明物質;所述絕緣體為空氣、二氧化硅或者硅。
[0016]所述光開關的工作波長為759nm?800nm，所述控制光波長為3μπι的太赫茲波，消光比為10db。
[0017]所述移動銀塊往下移動到水平波導距離70nm為開關的導通狀態(tài)，所述移動銀塊往上移動到水平波導距離10nm為開關的斷開狀態(tài)。
[0018]本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，有如下優(yōu)點:
[0019](I)結構緊湊，體積小，靈敏度高。
[0020](2)控制光開關的太赫茲波的功率在nW量級，光開關時間在微秒量級，開關消光比達到1dB。
[0021](3)光開關具有導通，斷開的功能，便于集成。
【附圖說明】
[0022]圖1為本發(fā)明光開關第一種實施例二維結構示意圖。
[0023]圖中:矩形腔I控制光吸收腔2銀塊3豎直波導4水平波導5金屬模6金屬模7金屬模8太赫茲控制光100水平傳播的信號光200
[0024]圖2為圖1所示三維結構示意圖。
[0025]圖3為本發(fā)明光開關第二種實施例二維結構示意圖。
[0026]圖4為圖3所示結構示意圖。
[0027]圖5為本發(fā)明光開關第三種實施例二維結構示意圖。
[0028]圖6為圖5所示三維結構示意圖。
[0029]圖7為本發(fā)明實施例1的開關導通光場分布圖。
[0030]圖8為本發(fā)明實施例1的開關斷開光場分布圖。
[0031 ]圖9為本發(fā)明實施例2的開關導通光場分布圖。
[0032]圖10為本發(fā)明實施例2的開關斷開光場分布圖。
[0033]圖11為本發(fā)明實施例3的開關導通光場分布圖。
[0034]圖12為本發(fā)明實施例3的開關斷開光場分布圖。
[0035]圖13為本發(fā)明實施例4的開關導通光場分布圖。
[0036]圖14為本發(fā)明實施例4的開關斷開光場分布圖。
[0037]圖15為本發(fā)明實施例5的開關導通光場分布圖。
[0038]圖16為本發(fā)明實施例5的開關斷開光場分布圖。
[0039]圖17為本發(fā)明實施例6的開關導通光場分布圖。
[0040]圖18為本發(fā)明實施例6的開關斷開光場分布圖。
[0041 ]圖19為本發(fā)明實施例7的開關導通光場分布圖。
[0042]圖20為本發(fā)明實施例7的開關斷開光場分布圖。
[0043]圖21為本發(fā)明實施例8的開關導通光場分布圖。
[0044]圖22為本發(fā)明實施例8的開關斷開光場分布圖。
[0045]圖23為本發(fā)明實施例9的開關導通光場分布圖。
[0046]圖24為本發(fā)明實施例9的開關斷開光場分布圖。
[0047]下面結合附圖與【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步的描述。
[0048]圖1和圖2中(圖2中省略了結構上面的封裝介質)，本發(fā)明MM高靈敏度SPP光開關由一個矩形腔1、一個控制光吸收腔2、銀塊3、一個豎直波導4、一個水平波導5、一個太赫茲控制光100和一個水平傳播的信號光200(表面等離子激元，S卩SPP)組成，矩形腔I位于控制光輸入端，該矩形腔I的寬度I為175nm，其范圍為150nm-300nm;吸收腔2為控制光吸收腔，該控制光吸收腔2和豎直波導4相連接，控制光吸收腔2的長度h為lOOOnm，取值范圍為800nm-1500nm;豎直波導4和水平波導5相連接，水平波導5和豎直波導4為MM結構的波導，M頂結構的波導為金屬-絕緣體-金屬結構;豎直波導4位于水平波導5的上端;水平波導5內(nèi)的介質為空氣，水平波導5的寬度d為50nm，其取值范圍為30nm?lOOnm，水平波導5的下邊緣距離金屬膜6邊緣的距離為C，其取值范圍大于150nm;豎直波導4的寬度b為35nm，其取值范圍為30nm?60nm，長度M為250nm，其取值范圍為200nm以上，豎直波導4的右邊緣距離金屬膜7左邊緣的距離a為400nm;，其取值范圍為350nm?450nm;移動銀塊3設置于豎直波導4內(nèi)，且可以移動，移動銀塊3的長度m為125nm，其取值范圍為80nm?150nm，移動銀塊3距離水平波導5的距離為s，其取值范圍為Onm?150nm，且由移動銀塊3的位置確定;太赫茲控制光100位于矩形腔I的上端，控制光方向平行于垂直波導軸且垂直于水平波導軸，或平行于水平波導軸且垂直于垂直波導軸，或垂直于垂直波導軸且垂直于水平波導軸;控制光吸收腔2的形狀為矩形腔，其面積為502655nm2，控制光吸收腔2內(nèi)的物質為控制光具有高吸收系數(shù)，且為高熱膨脹系數(shù)物質，高膨脹系數(shù)的物質采用酒精，通過控制光來加熱控制光吸收腔2內(nèi)的酒精，使其膨脹推動移動銀塊3向水平波導5移動來改變豎直波導4內(nèi)空氣段的長度，從而改變信號光的透射率，最終實現(xiàn)光開關。根據(jù)酒精對3μπι太赫茲波的吸收系數(shù)和膨脹系數(shù)，可以計算出太赫茲波在通入多長時間和多大的功率;在通入控制光相應時間后，酒精體積就會膨脹，進而推動移動銀塊3向外移動到距離水平波導5變短時，開關處于導通狀態(tài)，停止通入控制光后，使得酒精冷卻體積會減小，在外界大氣壓的作用下，移動銀塊3又會回到初始壓力平衡的位置，此時開關又處于斷開狀態(tài)。
[0049]如圖3和4所示(圖4中省略了結構上面的封裝介質)，本發(fā)明MM高靈敏度SPP光開關由一個矩形腔1、一個控制光吸收腔2、銀塊3、一個豎直波導4、一個水平波導5、一個太赫茲控制光100和一個水平傳播的信號光200(表面等離子激元，S卩SPP)組成，矩形腔I位于控制光輸入端，該矩形腔I的寬度I為175nm，其范圍為150nm-300nm;吸收腔2為控制光吸收腔，該控制光吸收腔2和豎直波導4相連接，控制光吸收腔2的長度h為lOOOnm，取值范圍為800nm-1500nm，豎直波導4和水平波導5相連接，水平波導5和豎直波導4為MM結構的波導，M頂結構的波導為金屬-絕緣體-金屬結構，豎直波導4位于水平波導5的上端;水平波導5內(nèi)的介質為空氣，水平波導5的寬度d為50nm，其取值范圍為30nm?100nm，水平波導5的下邊緣距離金屬膜6邊緣的距離為C，其取值范圍大于150nm;豎直波導4的寬度b為35nm，其取值范圍為30nm?60nm，長度M為250nm，其取值范圍為200nm以上;豎直波導4的右邊緣距離金屬膜7左邊緣的距離a為400nm，其取值范圍為350nm?450nm。移動銀塊3設置于豎直波導4內(nèi)，可以移動，移動銀塊3的長度m為125nm，其取值范圍為80nm?150nm;移動銀塊3距離水平波導5的距離為s，其取值范圍為Onm?150nm，且由移動銀塊3的位置確定;太赫茲控制光100位于矩形腔I的上端，控制光方向平行于垂直波導軸且垂直于水平波導軸，或平行于水平波導軸且垂直于垂直波導軸，或垂直于垂直波導軸且垂直于水平波導軸;控制光吸收腔2的形狀采用圓形腔，其半徑為R，控制光吸收腔2內(nèi)的物質為控制光具有高吸收系數(shù)，且為高熱膨脹系數(shù)物質，高膨脹系數(shù)的物質采用酒精，通過控制光來加熱控制光吸收腔2內(nèi)的酒精，使其膨脹推動移動銀塊3向水平波導5移動來改變豎直波導4內(nèi)空氣段的長度，從而改變信號光的透射率，最終實現(xiàn)光開關。根據(jù)酒精對3μπι太赫茲波的吸收系數(shù)和膨脹系數(shù)，可以計算出太赫茲波在通入多長時間和多大的功率;在通入控制光相應時間后，酒精體積就會膨脹，進而推動移動銀塊3向外移動到距離水平波導5變短時，開關處于導通狀態(tài)，停止通入控制光后，使得酒精冷卻體積會減小，在外界大氣壓的作用下，移動銀塊3又會回到初始壓力平衡的位置，此時開關又處于斷開狀態(tài)。
[0050]如圖5和6所示(圖6中省略了結構上面的封裝介質)，本發(fā)明MM高靈敏度SPP光開關由一個矩形腔1、一個控制光吸收腔2、銀塊3、一個豎直波導