專利名稱：金屬納米粒子－半導(dǎo)體介質(zhì)復(fù)合薄膜及制法和全光克爾開關(guān)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于非線性光學(xué)材料及其制法和應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，涉及非線性光學(xué)器件，尤其是全光克爾開關(guān)。
高速大容量光纖傳輸系統(tǒng)的發(fā)展對(duì)全光通信網(wǎng)中的光交換技術(shù)及相應(yīng)的光電子元器件提出了更高的要求。光開關(guān)是光交換技術(shù)的核心器件，主要用于對(duì)光纖中所傳輸?shù)亩鄠€(gè)波長(zhǎng)光信號(hào)作選擇性開關(guān)操作，直接影響著通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的交換速度及光傳輸網(wǎng)的規(guī)模和性能。目前在光纖通訊網(wǎng)中廣泛使用和正在進(jìn)一步研制中的光開關(guān)按工作原理主要分為兩類其一為微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)與微光元件相結(jié)合產(chǎn)生的可移動(dòng)微機(jī)械光開關(guān)，其開關(guān)速度與微機(jī)械結(jié)構(gòu)、微傳感器和微執(zhí)行器的響應(yīng)速度等因素有關(guān)；其二為基于傳統(tǒng)非線性材料光致折射率變化原理的非線性方向耦合器全光開關(guān)，其開關(guān)速度由材料的非線性光學(xué)響應(yīng)速度決定。相對(duì)而言，微機(jī)械光開關(guān)在透明性、功耗和串?dāng)_等方面占有明顯的優(yōu)勢(shì)，但其開關(guān)速度一般只能達(dá)到微秒(10-6s)量級(jí)[Tze-Wei Yeow，K.L.Eddie Law，and Andrew Goldenberg，“MEMS optical switches”，IEEECommunications Magazine，Vol.39，No.11，(2001)158.]。傳統(tǒng)的III-V族化合物半導(dǎo)體材料構(gòu)成的非線性光學(xué)開關(guān)器件雖然具有快一些的響應(yīng)速度，然而受到半導(dǎo)體體內(nèi)載流子遷移速率的制約，其開關(guān)速度也僅在納秒(10-9s)量級(jí)[K.Koynov，N.Paraire，F(xiàn).Bertrand，R.El.Bermil，and P.Dansas，“Design and investigation ofsemiconductor waveguide structures with grating couplers used as all-opticalswitches”，Journal of Optics APure and Applied Optics，Vol.3，No.1，(2001)26.]?？梢?，相對(duì)目前光纖傳輸系統(tǒng)Tbit/s(即每秒1012位)的傳輸速率而言，現(xiàn)有的光開關(guān)器件受其響應(yīng)速度的影響明顯地限制了數(shù)據(jù)在全光通訊網(wǎng)中的傳送與交換，構(gòu)成了大容量高速光纖傳輸網(wǎng)發(fā)展的“瓶頸”。
基于非線性薄膜材料光克爾效應(yīng)即光致折射率變化各向異性的克爾型全光開關(guān)是一種可以實(shí)現(xiàn)超快時(shí)間響應(yīng)的新型非線性光學(xué)開關(guān)器件?？藸栃腿忾_關(guān)的結(jié)構(gòu)及工作原理如圖2所示。一束弱的信號(hào)光4通過前后放置有偏振片5和6的克爾介質(zhì)即非線性光學(xué)薄膜7，由于偏振片5和6被預(yù)先調(diào)節(jié)至正交狀態(tài)，信號(hào)光的透過率為零，無法被探測(cè)器8接收。當(dāng)克爾介質(zhì)受到另外一束強(qiáng)的泵浦激光脈沖9作用時(shí)，由于薄膜材料體內(nèi)出現(xiàn)光致折射率變化各向異性的三階光學(xué)非線性現(xiàn)象，信號(hào)光經(jīng)過介質(zhì)后偏振方向發(fā)生改變，從而在與偏振片5偏振方向相互垂直也即偏振片6的偏振方向上產(chǎn)生光分量。該分量被置于偏振片6之后的探測(cè)器8所接收，形成光開關(guān)的輸出信號(hào)，信號(hào)的強(qiáng)弱與薄膜材料的三階光學(xué)非線性系數(shù)大小有關(guān)，信號(hào)的脈寬則由薄膜折射率的非平衡演變過程所決定?？藸栃腿忾_關(guān)中薄膜光致折射率變化的幅度與材料的三階光學(xué)非線性系數(shù)有關(guān)，而變化的速度則由材料的非線性光學(xué)響應(yīng)速度決定。選擇合適的非線性材料，利用超短激光脈沖，可以在極短的時(shí)間內(nèi)獲得薄膜折射率的改變，實(shí)現(xiàn)超快光調(diào)制、光開關(guān)、光學(xué)邏輯運(yùn)算、及波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換等各種光學(xué)信息處理過程。因此，克爾型超快全光開關(guān)研制的關(guān)鍵是尋找到一種既有大的三階光學(xué)非線性系數(shù)又具有極快響應(yīng)速度的非線性光學(xué)材料。
本發(fā)明的另一目的是提供所述金屬納米粒子-半導(dǎo)體介質(zhì)復(fù)合薄膜的制備方法。
本發(fā)明的又一目的是提供一種以所述金屬納米粒子-半導(dǎo)體介質(zhì)復(fù)合薄膜為克爾介質(zhì)的全光克爾開關(guān)。解決全光克爾開關(guān)器件目前所采用的半導(dǎo)體材料在非線性光學(xué)響應(yīng)速度方面存在的制約問題，以滿足高速全光信息處理及大容量高速光纖通訊系統(tǒng)等領(lǐng)域?qū)Τ烊忾_關(guān)器件的需求。
本發(fā)明的金屬納米粒子-半導(dǎo)體介質(zhì)復(fù)合薄膜沉積在透明基底的一側(cè)，基質(zhì)為厚度在100～200nm之間的堿金屬氧化物或堿土金屬氧化物等半導(dǎo)體介質(zhì)薄膜，其中埋藏有均勻分布的直徑為5～20nm的貴金屬納米粒子。
所述復(fù)合薄膜中貴金屬納米粒子的體積占有率為50％～60％。
所述堿金屬氧化物為CsxO(2≤x≤3)。
所述堿土金屬氧化物為BaO。
所述貴金屬選自Au、Ag或Cu。
本發(fā)明的所述復(fù)合薄膜的制備方法，依次包括以下步驟(1)在高真空條件下在透明基底的一側(cè)沉積堿金屬或堿土金屬薄膜，至白光透過率下降至30％時(shí)止；(2)通入高純氧氣使堿金屬或堿土金屬薄膜氧化，至白光透過率基本恢復(fù)，得到半導(dǎo)體介質(zhì)薄膜；(3)在半導(dǎo)體介質(zhì)薄膜表面沉積貴金屬薄膜；(4)將(3)制得的薄膜依次進(jìn)行真空中120℃半小時(shí)以上和大氣中100℃一小時(shí)以上的退火處理。
通過上述方法制得的復(fù)合薄膜厚度為100～200nm，貴金屬納米粒子在半導(dǎo)體介質(zhì)中均勻分布、直徑為5～20nm。
本發(fā)明的全光克爾開關(guān)，是以所述金屬納米粒子-半導(dǎo)體介質(zhì)復(fù)合薄膜作為克爾介質(zhì)。
本發(fā)明的技術(shù)難點(diǎn)在于金屬納米粒子-半導(dǎo)體介質(zhì)復(fù)合薄膜非線性光學(xué)材料的制備，要求所制備的薄膜具有一定的結(jié)構(gòu)，包括埋藏在半導(dǎo)體介質(zhì)中的金屬納米粒子粒徑大小和位置分布兩個(gè)方面，以獲得足夠大的三階光學(xué)非線性系數(shù)，提高克爾光開關(guān)的信噪比；同時(shí)要求所制備的薄膜具有合適的厚度(在100～200nm之間)，且薄膜中金屬納米粒子的體積占有率適當(dāng)(約60％)，以減小光學(xué)信號(hào)在薄膜中的損耗。技術(shù)關(guān)鍵在于通過控制貴金屬的沉積量從而將復(fù)合薄膜中金屬納米粒子的平均粒徑控制在5～20nm的范圍內(nèi)，以使得薄膜對(duì)某一特定波長(zhǎng)的光吸收最大，該控制取決于制備過程中對(duì)薄膜白光透過率的監(jiān)控。
運(yùn)用飛秒時(shí)間分辨超快光克爾技術(shù)對(duì)本發(fā)明的金屬納米粒子-半導(dǎo)體介質(zhì)復(fù)合薄膜的非線性光學(xué)時(shí)間響應(yīng)特性進(jìn)行研究，結(jié)果顯示該類型薄膜具有飛秒(10-15s)量級(jí)的極快的非線性光學(xué)響應(yīng)速度。圖3所示為Ag納米粒子埋藏在BaO半導(dǎo)體基質(zhì)中構(gòu)成的Ag-BaO復(fù)合薄膜的時(shí)間分辨光克爾效應(yīng)響應(yīng)譜，測(cè)試所用泵浦激光脈沖波長(zhǎng)為820nm，脈寬為120fs，圖中輸出光脈沖信號(hào)的半高寬為280fs。通過與已知的二硫化炭標(biāo)準(zhǔn)樣品在同等條件下的光克爾信號(hào)進(jìn)行參比，可以測(cè)算出該類型薄膜的三階光學(xué)非線性響應(yīng)系數(shù)在10-8esu量級(jí)。
本發(fā)明的全光克爾開關(guān)將所述的金屬納米粒子-半導(dǎo)體介質(zhì)復(fù)合薄膜用作克爾介質(zhì)，利用該復(fù)合薄膜材料在泵浦激光脈沖作用下光致折射率變化出現(xiàn)瞬態(tài)各向異性(即光克爾效應(yīng))進(jìn)而引起通過薄膜的信號(hào)光偏振方向發(fā)生改變這一特性實(shí)現(xiàn)泵浦激光脈沖對(duì)信號(hào)光的開關(guān)控制。由于該復(fù)合薄膜材料在超短激光脈沖作用下光學(xué)折射率發(fā)生變化所經(jīng)歷的非平衡弛豫時(shí)間僅數(shù)百飛秒，以該復(fù)合薄膜材料為工作物質(zhì)而構(gòu)造的克爾型全光開關(guān)響應(yīng)時(shí)間可達(dá)飛秒量級(jí)。同時(shí)，由于該復(fù)合薄膜材料具有足夠大的三階光學(xué)非線性系數(shù)，所得克爾型全光開關(guān)具有高信噪比。本發(fā)明的全光克爾開關(guān)可用于高速大容量光纖通訊系統(tǒng)中的光交換環(huán)節(jié)、全光信息處理、超快光學(xué)邏輯運(yùn)算及波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域。
圖中，1-貴金屬納米粒子，2-氧化物半導(dǎo)體介質(zhì)，3-透明基底(玻璃)，4-信號(hào)光，5、6-偏振片，7-非線性光學(xué)薄膜(克爾介質(zhì))，8-探測(cè)器，9-泵浦激光脈沖。
(1)選透明基底為玻璃，在高真空條件下(真空度優(yōu)于5×10-5Pa)在玻璃一側(cè)沉積Ba金屬薄膜，至白光透過率下降至30％時(shí)止；(2)通入濃度為99.9％的氧氣使Ba金屬薄膜氧化，至白光透過率基本恢復(fù)，得到BaO薄膜；(3)在BaO薄膜表面沉積金屬Ag薄膜；(4)將(3)制得的薄膜依次進(jìn)行真空中120℃半小時(shí)以上和大氣中100℃一小時(shí)以上的退火處理。
所制得的Ag-BaO薄膜的結(jié)構(gòu)示意圖如

圖1所示，在玻璃基底3的一側(cè)沉積有半導(dǎo)體介質(zhì)薄膜2，具體為BaO薄膜；該半導(dǎo)體介質(zhì)薄膜2中埋藏有均勻分布的直徑為5～20nm的貴金屬納米粒子1，具體為Ag納米粒子；復(fù)合薄膜厚度為100～200nm，Ag納米粒子在復(fù)合薄膜中的體積占有率為60％。
實(shí)施例二超快光學(xué)開關(guān)及光學(xué)邏輯器件Ag納米粒子埋藏在BaO半導(dǎo)體基質(zhì)中構(gòu)成的Ag-BaO復(fù)合薄膜沉積在玻璃基底上。以一臺(tái)多線氬離子激光器同步泵浦克爾鏡鎖模鈦藍(lán)寶石激光器作為激光光源，激光波長(zhǎng)為820nm，脈沖寬度為120fs，重復(fù)頻率為76MHz，輸出單脈沖能量約為24nJ。激光脈沖經(jīng)分光鏡按10∶1分為兩束，其中較強(qiáng)的一束作為控制信號(hào)，較弱的一束作為輸入信號(hào)，兩束光以一定的夾角聚焦在Ag-BaO薄膜表面同一點(diǎn)處，光斑直徑約為20μm。首先將控制信號(hào)光遮擋，由于在輸入信號(hào)光路上Ag-BaO薄膜前后分別放置有偏振方向相互垂直的偏振片，信號(hào)光無法通過，開關(guān)處于“關(guān)”狀態(tài)，輸出端的探測(cè)器指示為“0”。然后將控制信號(hào)光路上的遮擋片去除，由于該束較強(qiáng)激光脈沖可以在Ag-BaO薄膜體內(nèi)誘導(dǎo)出光學(xué)折射率變化各向異性，信號(hào)光通過時(shí)偏振方向發(fā)生改變，最終導(dǎo)致部分信號(hào)光透過放置在Ag-BaO薄膜之后的偏振片而輸出，此時(shí)開關(guān)處于“開”狀態(tài)，輸出端的探測(cè)器接收到光信號(hào)并指示為“1”?？紤]到該開關(guān)器件只有在控制信號(hào)和輸入信號(hào)同時(shí)存在時(shí)才會(huì)產(chǎn)生輸出，該開關(guān)器件實(shí)際上可以實(shí)現(xiàn)光學(xué)邏輯“與”門的功能。
在輸入信號(hào)光路中加入光學(xué)延遲線，改變控制信號(hào)光脈沖和輸入信號(hào)光脈沖到達(dá)薄膜表面的時(shí)間延遲，運(yùn)用時(shí)間分辨超快光克爾技術(shù)，可以觀察到單個(gè)光脈沖作用過程中薄膜開關(guān)的時(shí)間響應(yīng)特性譜線。該譜線表現(xiàn)出一個(gè)隨控制光脈沖激發(fā)輸出光信號(hào)快速上升達(dá)到峰值后迅速下降的瞬態(tài)響應(yīng)過程，相應(yīng)的開關(guān)時(shí)間為280fs。
實(shí)施例三超快波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器件以Ag-BaO復(fù)合薄膜為工作物質(zhì)構(gòu)造克爾型光開關(guān)，并由一臺(tái)多線氬離子激光器同步泵浦的克爾鏡鎖模鈦藍(lán)寶石激光器輸出一組波長(zhǎng)為820nm、脈寬為120fs、重復(fù)頻率為76MHz的激光脈沖序列作為光開關(guān)的控制信號(hào)，由另一臺(tái)氬離子激光器輸出波長(zhǎng)為514.5nm的連續(xù)激光束作為光開關(guān)的輸入信號(hào)，二者以一定的夾角入射并聚焦在Ag-BaO薄膜表面同一點(diǎn)處。由于輸入信號(hào)光路上Ag-BaO薄膜前后分別放置有偏振方向相互垂直的偏振片，控制信號(hào)作用前輸出端的信號(hào)為“0”。當(dāng)控制信號(hào)有效也就是將波長(zhǎng)為820nm、重復(fù)頻率為76MHz的激光脈沖序列“11111...”作用于Ag-BaO復(fù)合薄膜時(shí)，薄膜在每一個(gè)單脈沖的激勵(lì)下因體內(nèi)出現(xiàn)瞬態(tài)的光致折射率變化各向異性而相對(duì)輸入的連續(xù)信號(hào)光“開-關(guān)”一次。這樣，就可以在輸出端得到一組波長(zhǎng)為514.5nm，重復(fù)頻率為76MHz的激光脈沖序列“11111...”，實(shí)現(xiàn)激光脈沖序列的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換。當(dāng)控制信號(hào)為帶有特定信息的編碼脈沖序列(如“1101011...”)時(shí)，在光開關(guān)的輸出端可以得到具有同樣編碼但不同于控制信號(hào)波長(zhǎng)的激光脈沖序列。
權(quán)利要求
1.金屬納米粒子-半導(dǎo)體介質(zhì)復(fù)合薄膜，其特征在于沉積在透明基底的一側(cè)，基質(zhì)為厚度在100～200nm之間的堿金屬氧化物或堿土金屬氧化物半導(dǎo)體介質(zhì)薄膜，其中埋藏有均勻分布的直徑為5～20nm的貴金屬納米粒子。
2.如權(quán)利要求1所述的金屬納米粒子-半導(dǎo)體介質(zhì)復(fù)合薄膜，其特征在于所述復(fù)合薄膜中金屬納米粒子的體積占有率為50％～60％。
3.如權(quán)利要求1或2所述的金屬納米粒子-半導(dǎo)體介質(zhì)復(fù)合薄膜，其特征在于所述堿金屬氧化物為CsxO(2≤x≤3)。
4.如權(quán)利要求1和2所述的金屬納米粒子-半導(dǎo)體介質(zhì)復(fù)合薄膜，其特征在于所述堿土金屬氧化物為BaO。
5.如權(quán)利要求1和2所述的金屬納米粒子-半導(dǎo)體介質(zhì)復(fù)合薄膜，其特征在于所述貴金屬選自Au、Ag或Cu。
6.權(quán)利要求1所述的金屬納米粒子-半導(dǎo)體介質(zhì)復(fù)合薄膜的制備方法，依次包括以下步驟(1)在高真空條件下在透明基底的一側(cè)沉積堿金屬或堿土金屬薄膜，至白光透過率下降至30％時(shí)止；(2)通入高純氧氣使堿金屬或堿土金屬薄膜氧化，至白光透過率基本恢復(fù)，得到半導(dǎo)體介質(zhì)薄膜；(3)在半導(dǎo)體介質(zhì)薄膜表面沉積貴金屬薄膜；(4)將(3)制得的薄膜依次進(jìn)行真空中120℃半小時(shí)以上和大氣中100℃一小時(shí)以上的退火處理。
7.全光克爾開關(guān)，其特征在于是以權(quán)利要求1所述的金屬納米粒子-半導(dǎo)體介質(zhì)復(fù)合薄膜作為克爾介質(zhì)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種金屬納米粒子－半導(dǎo)體介質(zhì)復(fù)合薄膜，該復(fù)合薄膜既有大的三階光學(xué)非線性系數(shù)又具有極快響應(yīng)速度。該復(fù)合薄膜沉積在透明基底的一側(cè)，基質(zhì)為厚度在100～200nm之間的堿金屬氧化物或堿土金屬氧化物等半導(dǎo)體介質(zhì)薄膜，其中埋藏有均勻分布的直徑為5～20nm的貴金屬納米粒子。該復(fù)合薄膜制備方法為高真空條件下在透明基底的一側(cè)沉積堿金屬或堿土金屬薄膜，至白光透過率下降至30％時(shí)止；氧化金屬薄膜至白光透過率基本恢復(fù)，得到半導(dǎo)體介質(zhì)薄膜；在半導(dǎo)體介質(zhì)薄膜表面沉積貴金屬薄膜；再依次進(jìn)行真空中120℃半小時(shí)以上和大氣中100℃一小時(shí)以上的退火處理。本發(fā)明還提供了采用該復(fù)合薄膜為克爾介質(zhì)的全光克爾開關(guān)。
文檔編號(hào)G02F1/01GK1403851SQ0214637
公開日2003年3月19日 申請(qǐng)日期2002年10月30日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月30日
發(fā)明者吳錦雷, 張琦鋒, 薛增泉, 劉惟敏, 吳全德, 王丹翎, 龔旗煌 申請(qǐng)人:北京大學(xué)