一種基于表面等離激元法諾共振的微納光開關及使用它的級聯光開關的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于表面等離激元法諾共振的微納光開關，包括透明襯底，其特征在于透明襯底上依次疊置有金屬薄膜層、向列相液晶取向轉換層和起偏器，其中：起偏器給予透過光以初始的極化方向；向列相液晶取向轉換層，用于接納上述具有初始極化方向的透過光，并控制經由其透射出去的光的極化方向；金屬薄膜層，其上蝕刻有單獨的金屬孔四聚體單元構型或由該單元經四方排列或六方排列而成的陣列拓撲構型，金屬孔四聚體單元構型中的四孔呈D2h群對稱，具有正交的短軸和長軸；當通過向列相液晶取向轉換層透射下來的光的極化方向與短軸平行時，打開光路，反之則激發表面等離激元法諾共振，關閉光路。本發明不僅具有液晶光開關的所有優勢，同時兼具傳統液晶光開關不具備的波長選擇功能。
【專利說明】-種基于表面等離激元法諾共振的微納光開關及使用它的 級聯光開關
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種基于表面等離激元法諾共振的微納光開關及使用它的級聯光開 關。
【背景技術】
[0002] 信息技術與人類生活和生產密切相關，它的發展經歷了人工手段、電磁技術和電 子技術階段，現在正在朝著光子技術階段發展。光子技術是以光子為載體實現信息的傳輸、 處理和存儲的現代技術。因為光子比電子學頻率高1000多倍，支持空間上的多維信息處 理，并且抗電磁干擾，所以在信息通信方面光子與電子相比具有無法比擬的優越性：信息攜 帶容量更大，信息處理速度更快，信息傳輸的保密性更好。在日益發展的光通信網絡中，光 鏈路和光節點是主要組成部分；而光節點中的所有路由、交換和處理系統的基本單元都是 光開關。因此光開關是光通信網絡的核心技術和關鍵器件。從研究趨勢看，光開關正面臨 性能最優化、規模可擴展、功能多樣化等多方面的挑戰，并成為建設下一代光網絡的瓶頸。
[0003] 光開關嚴格定義為：在一定的驅動方式下，把光信號的某個參量（強度、波長、方 向或偏振等）從一種狀態快速地、可逆地、不連續地轉變為另一種狀態的過程。現有的光開 關主要包括機械式光開關、磁光開關、聲光開關、液晶開關、MEMS開關等。其中，液晶光開關 與其他光開關相比，具有能耗低、隔離度高、使用壽命長、穩定性和可靠性好等優點，因此近 幾年來被大力發展。然而，傳統的包括液晶光開關在內光開關是一種光強開關，不具有波長 選擇性，即對所有波長都是同時實現開關的切換。但是光通信的發展不但需要空間域和時 間域的交換狀態，而且需要頻域的交換選擇功能。另一方面，光通信網絡正朝著集成光路方 向發展，光通信的集成化是信息工業發展的必由之路，也是國家的重大戰略需求。集成光路 的發展必然要求光學元件（包括光開關）的尺寸逐漸微納光化，因此研發新型微納光光開 關是集成光通信技術亟待實現的發展目標。
[0004] 法諾共振是連續背景場和離散共振場相互干涉作用而產生的一種特征共振現象， 其在光譜上表現為非對稱的共振線型。該現象是Ugo Fano在研究原子體系中電子的非彈 性散射時發現的，起初被認為僅限于量子領域，之后拓展到眾多科學工程領域。近年來人 們發現金屬顆粒能夠模擬分子構型，并在光照驅動下產生不同模式的表面等離激元，這些 不同模式之間相互干涉震蕩，從而實現法諾共振。本發明涉及的法諾共振表現在散射光譜 線型非對稱、線寬極窄、散射低谷對應于表面等離激元相位相干抵消所產生的暗模式（Dark mode)〇
【發明內容】
[0005] 本發明目的是：提供一種基于表面等離激元法諾共振的微納光開關，其器件工作 原理完全不同于傳統液晶光開關，利用了液晶的雙折射特性，不僅具有液晶光開關的所有 優勢，同時兼具傳統液晶光開關不具備的波長選擇功能。
[0006] 本發明的技術方案是：一種基于表面等離激元法諾共振的微納光開關，包括透明 襯底，其特征在于所述透明襯底上依次疊置有金屬薄膜層、向列相液晶取向轉換層和起偏 器，其中：
[0007] 起偏器，給予透過光以初始的極化方向；
[0008] 向列相液晶取向轉換層，用于接納上述具有初始極化方向的透過光，并控制經由 其透射出去的光的極化方向；
[0009] 金屬薄膜層，其上蝕刻有單獨的金屬孔四聚體單元構型或由該單元經四方排列或 六方排列而成的陣列拓撲構型，所述金屬孔四聚體單元構型中的四孔呈D2h群對稱，具有正 交的短軸和長軸；當通過向列相液晶取向轉換層透射下來的光的極化方向且與短軸平行 時，打開光路；當通過向列相液晶取向轉換層透射下來的光的極化方向相對于初始極化方 向發生轉變，且與長軸平行時，則激發表面等離激元法諾共振，關閉光路。
[0010] 進一步的，本發明中所述金屬薄膜層的厚度為20?100nm，金屬孔四聚體單元構 型中四孔的孔徑Φ均為90?lOOOnm，孔間距s均為3?lOOnm。 toon] 進一步的，本發明中所述向列相液晶取向轉換層，包括依次疊置于金屬薄膜層上 的下液晶取向控制透明層、向列相液晶層、上液晶取向控制透明層；其中下液晶取向控制透 明層的上表面設有平行間隔分布的若干溝槽，而上液晶取向控制透明層的下表面則設有交 叉指型電極并引出電極線，所述交叉指型電極的叉指方向與下方溝槽平行或垂直，對應的， 當交叉指型電極通電后，其產生的電場方向與下方溝槽垂直或者平行。
[0012] 更進一步的，本發明中所述下液晶取向控制透明層為聚酰亞胺薄膜層、IT0或 FT0,而上液晶取向控制透明層為玻璃蓋片層。
[0013] 進一步的，本發明中所述向列相液晶取向轉換層，包括依次疊置于金屬薄膜層上 的下液晶取向控制透明層、向列相液晶層、上液晶取向控制透明層；其中下液晶取向控制透 明層的上表面設有平行間隔分布的若干溝槽，而上液晶取向控制透明層的下表面也設有平 行間隔分布的若干溝槽，這些溝槽與下液晶取向控制透明層上的溝槽垂直；還包括分別連 接至上、下液晶取向控制透明層上的電極線，用于施加給向列相液晶層以垂直向電場。
[0014] 更進一步的，本發明中所述下液晶取向控制透明層為聚酰亞胺薄膜層、IT0或 FT0,而上液晶取向控制透明層為IT0導電膜層。
[0015] 更進一步的，本發明中所述上液晶取向控制透明層的下表面旋涂一層直徑為1? 10微米的玻璃球作為墊襯，向列相液晶填充于所述玻璃球間隙內形成所述向列相液晶層。 實際上，玻璃球襯底夾抵在上、下液晶取向控制透明層之間，玻璃球的直徑尺寸與向列相液 晶層的厚度相等。
[0016] 更進一步的，本發明中所述金屬薄膜層的金屬材料為Au、Ag或A1。
[0017] 本發明中所述向列相液晶為常規技術，例如選擇正戊基聯苯氰。
[0018] 進一步的，本發明還包括設于所述透明襯底的下方的檢偏器。
[0019] 本發明中的起偏器和檢偏器均采用偏振片，同常規技術一樣，起偏器可以把入射 的復合偏振的自然光變成單一的線偏振光，而檢偏器用途是檢驗和分析光的偏振狀態。
[0020] 本發明中涉及的核心元件為模擬分子構型的金屬孔四聚體單元構型：其由四孔組 成且呈D2h群對稱，當光波之電場極化方向與金屬孔四聚體單元構型的短軸平行時，透射光 譜只有一個散射峰；當光波之電場極化方向與金屬孔四聚體單元構型的長軸平行時，透射 峰出現一個狹窄的低谷，對應于表面等離激元暗模式。通過電壓通斷可以控制向列相液晶 取向，進而調控經起偏器入射的光波極化方向，最終實現對光透射強度和波長有效控制。
[0021] 本發明體系中涉及的光與微納結構（金屬孔四聚體單元構型）的相互作用可以通 過求解麥克斯韋方程精確描述，求解方法包括有限時域、有限元和邊界元等數值方法。通 過時域和頻域的數值仿真，可以獲得典型的光譜響應曲線。光譜響應的內在物理機制是表 面等離激元模式的相干震蕩：當各模式的相位一致時，表面等離激元波相干相長，出現散射 峰；當暗模式（dark mode)出現，并與明模式（bright mode)交互作用時，由于其相位相反， 表面等離激元波相干相消，出現散射谷。表面等離激元明模式往往屬于偶極子模式（dipole modes),由于福射衰減速率大，散射譜線比較寬廣；相反地，暗模式由于不能直接與入射光 耦合，輻射衰減速率很小，散射譜線比較狹窄。正是這種狹窄的暗模式使得法諾共振的共振 線寬只有幾十納米，因此該共振對波長非常敏感，可以應用于波長選擇器件。
[0022] 經過有限元數值求解體系中四聚體電磁學特性，得到典型幾何參數對系統透射光 譜的影響規律。金屬孔四聚體單元構型的金屬孔直徑增大能夠使得法諾共振峰紅移，同時 增加法諾共振數目；金屬薄膜層厚度和孔間距增加可以使得共振波長藍移。幾何參量對波 長的調控，使得法諾低谷紅移或者藍移，該特征反映了金屬孔四聚體良好的共振波長選擇 能力。
[0023] 本發明中作為核心的金屬孔四聚體單元構型既可以是獨立的四孔單元，也可以在 此單元基礎上演化成四方排列和六方排列的陣列拓撲結構。拓撲結構大小可以根據器件需 要尺寸而定，對于四方排列而言，有兩個垂直方向的周期a和b ;對于六方排列而言，平移矢 量之間存在非90度夾角。
[0024] 本發明另一目的是提供一種由至少兩個基于表面等離激元法諾共振的微納光開 關串聯而成的級聯光開關。
[0025] 即本發明提供的上述微納光開關不僅可以單獨工作，也可以串聯起來，形成級聯 光開關，實現一系列波長的選擇過濾。例如三個微納光開關的工作波長對應于λ 3, λ 2和 入1，當它們同時入射到第一微納光開關中，其中λ 3落在第一微納光開關的工作波長，即 透射谷中無法通過，此時只有λ 1，λ 2透過；同理只有λ 1通過第二微納光開關，以此類推。
[0026] 本發明的優點是：
[0027] 1.本發明提供的這種基于表面等離激元法諾共振的微納光開關，其器件工作原理 完全不同于傳統液晶光開關，利用了液晶的雙折射特性，不僅具有液晶光開關的所有優勢， 同時兼具傳統液晶光開關不具備的波長選擇功能。
[0028] 2.本發明涉及的金屬孔四聚體單元構型，是首次提出的模擬分子構型的獨特結 構，無論是在結構上，還是在表面等離激元模式的激發和相干作用上都明顯區別于最近國 際上提出的同類金屬顆粒結構。研究表明，本發明中的金屬孔四聚體單元構型支持高次表 面等離激元模式，例如四極子、六極子和八極子等，而相應的金屬顆粒結構只支持偶極子模 式；與金屬顆粒相比，本發明中的金屬孔四聚體單元構型制備更加簡單，幾何參數對譜線的 調控更加敏感，法諾共振譜線更加狹窄。
[0029] 例如本發明一種具體實例中金屬孔四聚體單元構型的孔徑Φ (直徑）為100nm， 孔間距s (孔等距間隙）為6nm，金屬材料選Au，金屬薄膜層厚度為30nm。當滿足上述條件 時，對于平行長軸和短軸的極化方向而言，在700nm左右波段，明暗光響應相差遠大于5倍， 具有極佳的對比度。
[0030] 3.本發明涉及的金屬孔四聚體單元構型及其衍生結構能夠與光相互作用，激發表 面等離激元；表面等離激元的暗模式（dark mode)和亮模式（bright mode)相干震蕩形成 法諾共振，該共振表現為強烈的極化敏感性和極其狹窄的散射峰谷，因此可以用來有效地 調控模式的通斷、同時精確地識別入射波段。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0031] 下面結合附圖及實施例對本發明作進一步描述：
[0032] 圖1是本發明基于表面等離激元法諾共振的微納光開關器件結構之一；
[0033] 圖2是本發明基于表面等離激元法諾共振的微納光開關器件結構之二；
[0034] 圖3是獨立的具有"D2h四聚物分子構型"的金屬孔四聚體單元構型的示意圖；
[0035] 圖4是金屬孔四聚體單元構型在電壓通斷情況下的典型背散射光譜（或稱透射光 譜）；
[0036] 圖5是由金屬孔四聚體單元構型衍生的呈四方排列的周期陣列拓撲結構；
[0037] 圖6是由金屬孔四聚體單元構型衍生的呈六方排列的周期陣列拓撲結構；
[0038] 圖7是基于圖1器件結構的工作原理圖；
[0039] 圖8是基于圖2器件結構的工作原理圖；
[0040] 圖9是金屬孔四聚體單元構型的三個幾何參數對透射光譜的影響規律并列示意 圖；
[0041] 圖10是根據本發明金屬孔四聚體單元構型的波長可調性提出的級聯光開關示意 圖。
[0042] 其中：1、透明襯底；2、金屬薄膜層；3、聚酰亞胺薄膜層；4、向列相液晶層；5、玻璃 蓋片層；6、電極線；7、起偏器；8、交叉指型電極；9、溝槽；10、ΙΤ0導電膜層；11、檢偏器。
【具體實施方式】
[0043] 實施例1 :如圖1所示為本發明提供的一種基于表面等離激元法諾共振的微納光 開關具體實施例，其采用玻璃透明襯底，所述玻璃透明襯底1上依次疊置有金屬薄膜層2、 向列相液晶取向轉換層和起偏器7,本發明中的向列相液晶取向轉換層由依次疊置于金屬 薄膜層2上的聚酰亞胺薄膜層3、向列相液晶層4和玻璃蓋片層5構成。聚酰亞胺薄膜層3 的上表面設有平行間隔分布的若干溝槽9,而玻璃蓋片層5的下表面則設有交叉指型電極8 并引出電極線6，所述交叉指型電極8的叉指方向與下方溝槽9平行。本發明中在所述透明 襯底的下方設有檢偏器11。本實施例中的所述起偏器7和檢偏器11均為偏振片。
[0044] 結合圖3所示，本發明中的金屬薄膜層2,其上蝕刻有單獨的金屬孔四聚體單元構 型，該單元構型中的四孔呈D 2h群對稱，具有正交的短軸和長軸。本實施例中金屬孔的孔徑 Φ (直徑）為l〇〇nm，孔間距s (等距間隙）為6nm，金屬材料選用Au，金屬薄膜層的厚度為 30nm〇
[0045] 結合圖4所示，當光波之電場極化方向與金屬孔四聚體單元構型的短軸平行時， 透射光譜只有一個散射峰；當光波之電場極化方向與金屬孔四聚體單元構型的長軸平行 時，透射峰出現一個狹窄的低谷，對應于表面等離激元暗模式。通過電壓通斷可以控制向列 相液晶取向，進而調控經起偏器入射的光波極化方向，最終實現對光透射強度和波長有效 控制。
[0046] 本發明體系中涉及的光與微納結構（金屬孔四聚體單元構型）的相互作用可以通 過求解麥克斯韋方程精確描述，求解方法包括有限時域、有限元和邊界元等數值方法。通 過時域和頻域的數值仿真，可以獲得典型的光譜響應曲線。光譜響應的內在物理機制是表 面等離激元模式的相干震蕩：當各模式的相位一致時，表面等離激元波相干相長，出現散射 峰；當暗模式（dark mode)出現，并與明模式（bright mode)交互作用時，由于其相位相反， 表面等離激元波相干相消，出現散射谷。表面等離激元明模式往往屬于偶極子模式（dipole modes),由于福射衰減速率大，散射譜線比較寬廣；相反地，暗模式由于不能直接與入射光 耦合，輻射衰減速率很小，散射譜線比較狹窄。正是這種狹窄的暗模式使得法諾共振的共振 線寬只有幾十納米，因此該共振對波長非常敏感，可以應用于波長選擇器件。具體由圖4分 析可得出：對于平行長軸和短軸的極化方向而言，在700nm左右波段，明暗光響應相差遠大 于5倍，具有極佳的對比度。
[0047] 本實施例的上述微納光開關的具體制備方法如下：
[0048] 1)在玻璃透明襯底1上，制備Au薄膜，厚度30nm。
[0049] 2)在金屬薄膜層2上利用電子束等蝕刻技術制備金屬孔四聚體單元構型，其孔徑 Φ為100nm，孔間距s為6nm。
[0050] 3)利用旋涂儀旋涂聚酰亞胺薄膜層3,在200攝氏度恒溫1小時，然后自然冷卻完 成退火熱處理；沿著同一方向機械打磨聚酰亞胺薄膜層3,形成同向平行并列的微型溝槽 9 〇
[0051] 4)在玻璃蓋片層5上利用光刻法制備Au交叉指型電極，指型條寬度為50納米，高 度為70納米，指型條之間的間距為8微米，利用焊錫鏈接并引出電極線6。
[0052] 5)在玻璃蓋片層5上設置交叉指型電極的一面旋涂一層尺寸在5微米的玻璃球， 作為墊襯材料（圖中未示意）。
[0053] 6)在光學顯微鏡下，將步驟5)制備的玻璃蓋片層5放置到步驟3)制備的聚酰亞 胺薄膜層3上，確保交叉指型電極8的叉指方向與聚酰亞胺薄膜層3上的打磨方向一致（即 相互平行）。
[0054] 7)在玻璃球的間隙中填充向列相液晶正戊基聯苯氰，使得液晶通過毛細力進入間 隙中，同時加熱液晶直到液晶成為均勻相，即形成向列相液晶層4,然后自然冷卻至室溫。
[0055] 8)在器件頂部貼上起偏器7(底部貼上檢偏器11用于檢測），利用環氧樹脂膠布 封裝該裝置。
[0056] 結合圖3和圖7所不，本實施例上述微納光開關的具體作用原理簡述如下：
[0057] 本實施例中起偏器7的初始電場極化方向如圖1(偏振方向為P方向，其上的水平 箭頭代表水平方向）和圖7所示，垂直于紙面且平行于金屬孔四聚體單元構型之短軸。入 射光為700nm自然光。
[0058] 1)電壓斷開的情況（即交叉指型電極8不通電）。由于液晶所接觸的下表面溝槽 和上表面交叉指型電極的取向一致，液晶取向在范德瓦爾斯力的作用下，呈一致向列相狀 態；因此被起偏器7過濾下來的極化光能夠直接穿過液晶，并保持原有極化方向；結合圖4 及金屬孔四聚體單元構型原理的描述可知，當該垂直于紙面的電場極化方向平行于金屬孔 四聚體單元構型之短軸時，不能發生法諾共振，表現為沒有法諾透射谷且有透射峰，因此光 路處于導通，檢偏器11 (偏振方向為A方向）得到高亮光信號。
[0059] 2)電壓閉合（即交叉指型電極8通電）。3V電壓加載在交叉指型電極上，指間形 成垂直于叉指方向的電場，在電場力的作用下附近的液晶扭轉為電場平行方向；同樣由于 范德瓦爾斯力的作用，液晶從下到上，逐漸由垂直取向朝著平行取向過渡，即扭曲向列相； 在扭曲向列相的波導作用下，入射光經過液晶之后的極化方向發生反轉，原來平行于金屬 孔四聚體單元構型之短軸的極化方向反轉為平行于長軸，因此激發法諾共振，出現對應于 暗模式的法諾透射谷，光路關閉。由上可知，電壓通斷導致液晶取向反轉，繼而導致法諾共 振從無到有，最終實現光路開通與關閉。
[0060] 上述原理簡述中，由于電壓斷開時，光開關呈開通狀態，因此稱常白模式。而實際 上通過改變起偏器取向、液晶初始取向和金屬孔四聚體單元構型長短軸的取向等任一種取 向，就能夠使得光開關由常白模式進入常黑模式，即電壓斷開時光路呈關閉狀態。
[0061] 實施例2 :如圖2所示為本發明提供的一種基于表面等離激元法諾共振的微納光 開關具體實施例，其采用玻璃透明襯底，所述玻璃透明襯底1上依次疊置有金屬薄膜層2、 向列相液晶取向轉換層和起偏器7,本發明中的向列相液晶取向轉換層由依次疊置于金屬 薄膜層2上的聚酰亞胺薄膜層3、向列相液晶層4和ΙΤ0導電膜層10構成。其中聚酰亞胺 薄膜層3的上表面設有平行間隔分布的若干溝槽9,而ΙΤ0導電膜層10的下表面也設有平 行間隔分布的若干溝槽9,這些溝槽9與聚酰亞胺薄膜層3上的溝槽9垂直；本實施例中在 向列相液晶層4的上下端設置有電極線，用于施加垂直向電場。
[0062] 結合圖5、圖6所示，本發明中的金屬薄膜層2,其上蝕刻由如圖3所示的單獨的金 屬孔四聚體單元構型經四方排列（圖5)，或者六方排列（圖6)而成的陣列拓撲構型。單 獨的單元構型中的四孔呈D 2h群對稱，具有正交的短軸和長軸，金屬孔的孔徑Φ (直徑）為 90nm，孔間距s (等距間隙）為3nm，金屬材料選用Au，金屬薄膜層的厚度為50nm。陣列拓 撲結構的大小可以根據整個微納光開關的器件實際需要尺寸而定，對于四方排列而言，有 兩個垂直方向的周期a = 500nm和b = 500nm ;對于六方排列而言，平移矢量之間存在非90 度夾角，具體見圖5和圖6所示。
[0063] 本實施例的上述微納光開關的具體制備方法如下：
[0064] 1)在玻璃透明襯底1上，制備Au薄膜，厚度30nm。
[0065] 2)在金屬薄膜層2上利用電子束等蝕刻技術制備金屬孔四聚體單元構型，其孔徑 Φ為100nm，孔間距s為6nm。
[0066] 3)利用旋涂儀旋涂聚酰亞胺薄膜層3,在200攝氏度恒溫1小時，然后自然冷卻完 成退火熱處理；沿著同一方向機械打磨聚酰亞胺薄膜層3,形成同向平行并列的微型溝槽 9 〇
[0067] 4)在IT0導電膜層10上，利用機械法打磨處理使得出現平行并列且均勻一致的溝 槽；再在溝槽的一面上旋涂一層尺寸在10微米的玻璃球，作為墊襯材料（圖中未示意）。 [0068] 5)在光學顯微鏡下，將步驟4)制備得到的IT0導電膜層10放置到步驟3)制備的 聚酰亞胺薄膜層3上，確保IT0導電薄膜上的溝槽9方向與聚酰亞胺薄膜層3上的打磨方 向垂直。
[0069] 6)在玻璃球的間隙中填充向列相液晶正戊基聯苯氰，使得液晶通過毛細力進入間 隙中，同時加熱液晶直到液晶成為均勻相，即形成向列相液晶層4,然后自然冷卻至室溫。
[0070] 7)在器件頂部貼上偏振7 (底部貼上檢偏器11用于檢測），利用環氧樹脂膠布封 裝該裝置。
[0071] 結合圖3和圖8所示，本實施例上述微納光開關的具體作用原理簡述如下：
[0072] 基于圖2所示之實施例原理與圖1所示之實施例1大致相同，為更加清晰起見，針 對實施例器件的常黑模式進行具體簡述。實施例2與實施例1相比，缺少交叉指型電極8， 電壓不是加在交叉指型電極之上，而是加載在向列相液晶的上下表面。因此該裝置的液晶 初始相一般為扭曲向列相，其主要通過使得液晶上下表面相互垂直的溝槽或者使用相反取 向劑來實現。
[0073] 本實施例中起偏器7的初始電場極化方向如圖2(偏振方向為P方向，其上的水平 箭頭代表水平方向）和圖8所示，與實施例1的情況一樣，也是垂直于紙面且平行于金屬孔 四聚體單元構型之短軸。入射光為700nm自然光。
[0074] 1)電壓斷開時（液晶上下不加電），自然光經過起偏器7過濾，只有垂直紙面的極 化光進入液晶，經過扭曲向列相的引導，極化方向反轉為平行四聚體的長軸方向，根據金屬 孔四聚體單元構型的特性，激發法諾共振，光路關閉；
[0075] 2)電壓加載時（液晶上下加電），液晶取向平行于電場方向，扭曲相轉變為一致 相，垂直于紙面的極化方向經過液晶之后保持不變，此時平行于金屬孔四聚體單元構型的 短軸方向，根據金屬孔四聚體單元構型的特性，光路開通。此裝置中，改變起偏器7取向或 者90度旋轉金屬孔四聚體的軸向，即可把常黑模式調節為常白模式。
[0076] 經過有限元數值求解體系中四聚體電磁學特性，得到典型幾何參數對系統透射光 譜的影響規律。如圖9所示，金屬孔直徑增大能夠使得法諾共振峰紅移，同時增加法諾共振 數目；金屬薄膜厚度和孔間距增加可以使得共振波長藍移。幾何參量對波長的調控，使得法 諾低谷紅移或者藍移，該特征反映了金屬孔四聚體良好的共振波長選擇能力。根據這一原 理，可以針對不同的波長設計相應的金屬孔四聚體單元構型，然后構成一系列微納光開關。 這些微納光開關不僅可以單獨工作，也可以串聯起來，形成級聯光開關，實現一系列波長的 選擇過濾。其結構和原理如圖10所示。例如三個光開關1、2、3的工作波長對應于λ 3, λ 2 和λ 1，當它們同時入射到光開關1中，其中λ 3落在開關1的工作波長，即透射谷中無法通 過，此時只有λ 1，λ 2透過；同理只有λ 1通過光開關2,以此類推。
[0077] 上述實例只為說明本發明的技術構思及特點，其目的在于讓熟悉此項技術的人是 能夠了解本發明的內容并據以實施，并不能以此限制本發明的保護范圍。凡根據本發明精 神實質所做的等效變換或修飾，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。
【權利要求】
1. 一種基于表面等離激元法諾共振的微納光開關，包括透明襯底，其特征在于所述透 明襯底（1)上依次疊置有金屬薄膜層（2)、向列相液晶取向轉換層和起偏器（7)，其中： 起偏器（7)，給予透過光以初始的極化方向； 向列相液晶取向轉換層，用于接納上述具有初始極化方向的透過光，并控制經由其透 射出去的光的極化方向； 金屬薄膜層（2)，其上蝕刻有單獨的金屬孔四聚體單元構型或由該單元經四方排列或 六方排列而成的陣列拓撲構型，所述金屬孔四聚體單元構型中的四孔呈D2h群對稱，具有正 交的短軸和長軸；當通過向列相液晶取向轉換層透射下來的光的極化方向與短軸平行時， 打開光路；當通過向列相液晶取向轉換層透射下來的光的極化方向相對于初始極化方向發 生轉變，且與長軸平行時，則激發表面等離激元法諾共振，關閉光路。
2. 根據權利要求1所述的一種基于表面等離激元法諾共振的微納光開關，其特征在于 所述金屬薄膜層（2)的厚度為20?lOOnm，金屬孔四聚體單元構型中四孔的孔徑Φ均為 90?lOOOnm，孔間距s均為3?100nm。
3. 根據權利要求1所述的一種基于表面等離激元法諾共振的微納光開關，其特征在 于所述向列相液晶取向轉換層，包括依次疊置于金屬薄膜層（2)上的下液晶取向控制透 明層、向列相液晶層（4)、上液晶取向控制透明層；其中下液晶取向控制透明層的上表面設 有平行間隔分布的若干溝槽（9)，而上液晶取向控制透明層的下表面則設有交叉指型電極 (8)并引出電極線￠)，所述交叉指型電極（8)的叉指方向與下方溝槽（9)平行或垂直，對 應的，當交叉指型電極（8)通電后，其產生的電場方向與下方溝槽（9)垂直或者平行。
4. 根據權利要求1所述的一種基于表面等離激元法諾共振的微納光開關，其特征在于 所述下液晶取向控制透明層為聚酰亞胺薄膜層（3)、IT0或FT0,而上液晶取向控制透明層 為玻璃蓋片層（5)。
5. 根據權利要求1所述的一種基于表面等離激元法諾共振的微納光開關，其特征在于 所述向列相液晶取向轉換層，包括依次疊置于金屬薄膜層上的下液晶取向控制透明層、向 列相液晶層（4)、上液晶取向控制透明層；其中下液晶取向控制透明層的上表面設有平行 間隔分布的若干溝槽（9)，而上液晶取向控制透明層的下表面也設有平行間隔分布的若干 溝槽（9)，這些溝槽（9)與下液晶取向控制透明層上的溝槽（9)垂直；還包括分別連接至 上、下液晶取向控制透明層上的電極線，用于施加給向列相液晶層⑷以垂直向電場。
6. 根據權利要求5所述的一種基于表面等離激元法諾共振的微納光開關，其特征在于 所述下液晶取向控制透明層為聚酰亞胺薄膜層（3)、IT0或FT0,而上液晶取向控制透明層 為IT0導電膜層（10)。
7. 根據權利要求3或5所述的一種基于表面等離激元法諾共振的微納光開關，其特征 在于所述上液晶取向控制透明層的下表面旋涂一層直徑為1?10微米的玻璃球作為墊襯， 向列相液晶填充于所述玻璃球間隙內形成所述向列相液晶層（4)。
8. 根據權利要求1所述的一種基于表面等離激元法諾共振的微納光開關，其特征在于 所述金屬薄膜層的金屬材料為Au、Ag或A1。
9. 根據權利要求1所述的一種基于表面等離激元法諾共振的微納光開關，其特征在于 所述透明襯底的下方設有檢偏器（11)。
10. -種由至少兩個如權利要求1?9中任意一項所述微納光開關串聯而成的級聯光 開關。
【文檔編號】G02F1/13GK104111565SQ201410265615
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2014年6月13日 優先權日:2014年6月13日
【發明者】李孝峰, 詹耀輝, 吳紹龍, 翟雄飛, 吳凱 申請人:蘇州大學