一种高性能聚合物全光开关的制作方法

本发明属于全光开关技术领域，具体涉及一种高性能聚合物全光开关。

背景技术：

半个世纪以来，信息技术领域中的光子技术与电子技术展开了激烈的竞赛。结果证明，电子技术与光子技术各有所长。电子技术擅长信息处理，特别是数字化信息的处理。至于光子技术，则擅长信息传输，并具有宽带、大容量和并行处理等优点，光通讯取代电通讯是现代通讯的发展趋势。现在信息的有线传输，信息存储和传感等电子技术领域已经被光子技术占领，甚至电子计算机外部设备阵地(存储、显示、输入/输出等)也已经被光子技术占领。但是计算机的芯片仍被电子技术垄断，这是因为电子开关(或晶体管)还不能被光子开关(或光晶体管)取代，就是说电子技术的最后堡垒——数字化信息处理还没有被光子技术攻占。光开关作为未来全光网的核心器件,它对高速、智能全光通信系统实现光互联、光交换、增强网络适应性方面起着关键的作用。光子技术最后胜利的标志就是攻下电子技术的最后堡垒，即用全光开关代替现有的电子开关，实现真正的光子集成芯片和高速、海量的光子数字信息处理。光开关是指具有一个或多个可选择的传输端口，可对光传输线路或集成光路中的光信号进行相互转换或逻辑操作的器件。光开关主要用于光交换系统和主备倒换，即用以实现全光层的路由选择、波长选择、光交叉连接、逻辑运算、网络监视以及自愈保护等。传统的电控光开关有微电子机械系统(MEMS)光开关、移动光纤式光开关，波导开关、热光开关、液晶光开关、声光光开关，喷墨气泡光开关等等，以及由以上电控光开关构成的电开关矩阵。其中液晶光开关是利用液晶材料的电光效应，线偏振光经过未加电压的液晶后，其偏振态发生90°改变，给液晶盒施加一定电压时，线偏振光的偏振态不发生改变。优点是没有可移动部分，可靠性高，寿命长，切换速度可达1ms以下。

传统的光开关技术大都需要机械或电的辅助支持，不利于器件的集成，并且电光开关的这种光-电-光转换处理技术大大限制了波分复用技术的优越性，使网络节点乃至网络的吞吐量变小，形成“电子瓶颈”。

因此全光网络(AON)成为未来通讯网络的发展方向，以适应带宽和通信容量的急剧增大，而全光开关(即光控光开关，AOS)是解决“电子瓶颈”问题，实现全光网络的关键元件。在光开关的技术指标上，根据不同的用途有不同的要求，但一般都希望开关器件具有更低的开关功率(微瓦以下)，更高的工作速度(微秒以下)、更高的开关调制深度(90％以上)(或更高的消光比)、更高的集成度和更长的工作寿命。虽然目前已从理论上提出了许多全光开关的方案，如基于半导体光放大器光开关，非线性级联定向耦台器全光开关，非线性光学环路镜，Mach-Zehnder干涉仪型光开关等，但还没有上市的实用的全光开关。最关键的问题是光功率上很难达到微瓦量级的全光开关，其次是开关速度，低功率的光开关很难达到微秒量级的开关时间。

近来有一种新的全光开关即有机聚合物全光开关引起了人们的注意。有机聚合物光学材料因其如下优异的光学性能而备受关注：开关功率极低，毫瓦，微瓦甚至纳瓦量级的控制光功率都可以引起理想的开关效应；相对无机晶体和玻璃，有机聚合物材料更容易制作，而且可以通过分子工程对聚合物分子进行剪裁，获得具有所需性质的材料；加工工艺和器件制备方面相对容易且价格低廉，能够在半导体上成膜，与半导体为基底的微电子器件集成，有利于大规模集成；响应速度较快，信息容量大；DC介电常数低；较好的抗电磁干扰性能。有机聚合物材料的全光开关效应主要是基于光化学机制——在分子层次发生结构的改变,如光致顺反异构化(材料有偶氮苯及其衍生物、二芳基乙烯及其衍生物、酮-烯醇)、光环化(材料有螺吡喃及吡喃类衍生物、俘精酸酐及其衍生物、二苯乙烯衍生物)、光诱导电子转移机制、光致分子荧光机制、手性分子左右旋的互变机制等等。光致异构能引起极强的非线性效应——光致折射率改变，还能使掺杂于聚合物基体的生色团分子产生光致重取向，进而使材料表现光致双折射(或光致各向异性)。光致双折射可用于全光开关。中山大学的罗锻斌等人提出了异构化光开关，他们用线偏振绿光泵浦分散红-1薄膜材料，能获得几十毫秒的开关速度及60％的调制深度，后来罗洋城等人对开关进行了改进，使开关时间减少到几个毫秒，同时使调制深度增加到80％。但这些技术指标没有达到全光开关的实用化要求。

技术实现要素：

为了克服现有有机聚合物全光开关技术的缺点与不足，本发明的目的在于提供一种超低功率超快开关时间的高性能聚合物全光开关。该高性能聚合物全光开关的开关功率比传统全光开关低3-6个数量级，所需功率最低可小于1微瓦；开关时间比现有有机聚合物全光开关的响应时间低三个数量级，可达到纳秒(1纳秒＝10-9秒)量级。同时该高性能聚合物全光开关的开关调制深度远远高于现有有机聚合物全光开关的调制深度，达到了99％，消光比达到了20分贝，满足了未来全光网络中对光开关的性能需求。此外，次改进中只需一个光源，简化了开关结构，便于开关集成化。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

本发明提供一种高性能聚合物全光开关，包括激发光路单元、探测光路单元、有机聚合物溶液开关和探测单元；所述激发光路单元和探测光路单元设置于所述有机聚合物溶液开关的前端；所述有机聚合物溶液开关的后端设置所述探测单元；

所述激发光路单元包括依次设置的激发光源、扩束器和分束器，所述分束器的后端设置第一分光光路单元和第二分光光路单元；所述第一分光光路单元包括依次设置的第一起偏器和斩波器，所述第二分光光路单元包括依次设置的光程调节器和第二起偏器；

所述探测光路单元包括依次设置的探测光源、光阑、第三起偏器和透镜；

所述探测单元包括依次设置的检偏器、滤光器和探测器。

优选的，所述有机聚合物溶液开关为甲基橙-环式糊精化合物溶液、4-羧基-2’,6’-二甲基偶氮苯溶液、或是N-乙基-N-(2-羟乙基)-4-(4-硝基苯基偶氮)苯胺溶液。

优选的，所述甲基橙-环式糊精化合物溶液中甲基橙和环式糊精的摩尔比为1:2。

优选的，所述激发光源为波长514.5nm的可见激光器。

优选的，所述探测光源为波长632.8nm的氦氖激光器。

优选的，所述第一起偏器和第二起偏器的偏振方向相互垂直。

优选的，所述光程调节器和所述第二起偏器之间设置第四起偏器。

所述高性能聚合物全光开关的工作机理如下：

可见激光器发出的控制激光经过扩束器扩束后由分束器分成光强相同的两束光，记为A光束和B光束；

A光束先后经过第一起偏器和斩波器后成为被斩波器开、关调制的线偏振光，照射到有机聚合物溶液开关上；

B光束入射到光程调节器，光程调节器调节B光束的光程，使A光束和B光束汇合时的光程差为λ/4；

B光束经光程调节器后依次通过第四起偏器和第二起偏器；因第一起偏器和第二起偏器的偏振方向相互垂直，调节第四起偏器的偏振方向使B光束的光强等于A光束的光强，通过上述调节，A光束和B光束就成为光强相同、偏振方向相互垂直的线偏振光，A光束和B光束汇合后就会合成为圆偏振光；

远离有机聚合物溶液开关共振区的探测光源发出探测激光，依次经过光阑、第三起偏器和透镜，然后通过有机聚合物溶液开关，再依次经过检偏器和滤光器，最后进入探测器；

第三起偏器和检偏器的偏振方向相互垂直，第二起偏器和第三起偏器的偏振方向成45°角；如果A光束关闭，到达有机聚合物溶液开关的线偏振光B光束使样品产生光致双折射现象，通过有机聚合物溶液开关的探测激光的偏振方向发生改变，不再与检偏器的偏振方向垂直，因而就有探测激光通过检偏器；如果A光束开通，A光束和B光束就在有机聚合物溶液开关上合成了圆偏振光，该圆偏振光对B光束诱导的各向异性快速擦除，使有机聚合物溶液开关回复到各向同性。这时探测激光通过有机聚合物溶液开关后偏振方向不变，不能通过检偏器。

本申请的原理介绍：

本申请的发明人采用光致取向全光开关为研究对象，是因为聚合物光致取向全光开关有一个最大的优势：极低的开关功率。我们可以用波长处于材料敏感区的弱光控制波长远离材料敏感区的强光。由于极低的开关功率，加上可以选择柔性的聚合物基底和强健的生色团分子，所以材料的稳定性和使用寿命可以得到保障。申请人在聚合物非线性效应及光致各向异性方面做了深入的研究。首次发现光致异构非线性效应的新奇的特性：光致异构非线性是偏振敏感的，线偏振光的非线性效应明显大于圆偏振光的非线性效应。同时发现光致异构非线性效应远远大于热致非线性效应及无机晶体的光折变效应。还首次在负非线性效应的聚合物中获得了亮孤子，验证了之前的理论预言。

有机聚合物光致取向全光开关的基本原理是：线偏振控制光作用于材料时偶氮分子趋向于按垂直于控制光的偏振方向排列，出现宏观光致双折射。这时探测光经过材料时偏振方向发生旋转，在与其原来偏振方向垂直的检偏器后的透射光强度不再为零；控制光关闭时，取向排列的聚合物分子热运动使材料重新回到各向同性，信号光经过时偏振方向不发生旋转，经过检偏器的的信号光强度为零，于是透射信号光受控制光的调制作用，实现了光控光的全光开关效应。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

光致双折射及其退化分别对应于全光开关的“开”与“关”，退化过程远比光致双折射过程慢，所以异构化全光开关的开关速度及开关调制深度取决于这种各向异性的退化速度。最初的有机化合物溶液开关的退化是关闭线偏振控制光，利用偶氮分子的热弛豫和扩散运动恢复到各向同性状态，这是最简单然而也是最慢的退化方式。后来Y.Luo等改进的光开关是利用圆偏振光的快速擦除效应，对线偏振泵浦光诱导的各向异性进行擦除，加快了各向异性的退化速度。但由于操作上的不方便，在擦除的过程中线偏振一直保持开通，这样圆偏光擦除的同时线偏光仍在诱导各向异性，这样大大降低了退化速度，使开关速度没能突破性提高，同时该方案需要圆偏光和线偏光两个光源，不便于器件集成。

本发明的优点一：本发明所述全光开关把同一激光光源分成两束线偏振光，还是保持其中一束线偏振光开通。当另一束线偏振光关闭时，唯一的线偏振光诱导双折射；当另一束线偏光开通时，两束光合成圆偏振光，也只有一束圆偏振光进行快速擦除，不存在额外的线偏光同时进行双折射的诱导，这样就可以大幅度提高退化速度及提高消光比。同时该开关只需要一个光源，也便于开关器件的集成。

本发明的优点二：本申请采用具有快速开关效应的有机聚合物溶液材料作为全光开关材料。聚合物材料的开光响应时间和聚合物的异构化响应时间相关，更重要的是跟材料基地及其结合方式相关，液态溶液的响应速度远远大于固态材料。传统聚合物全光开关采用的材料如偶氮苯聚合物薄膜材料或固态块状材料，其开关响应时间是毫秒量级，本申请中采用的有机化合物溶液开关其响应时间可达到纳秒量级，达到了实用指标。

本发明的效果请参见“具体实施方式”中的“对比检测结果”。

附图说明

图1为本发明所述高性能聚合物全光开关的原理示意图。

图2为本发明所述高性能聚合物全光开关的结构示意图。

图3为基于本发明所述高性能聚合物全光开关的与门的结构示意图。

图4为传统聚合物全光开关的开关效果测试曲线图。

图5为本发明所述高性能聚合物全光开关的开关效果测试曲线图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

如图1所示，一种高性能聚合物全光开关，包括激发光路单元1、探测光路单元2、有机聚合物溶液开关3和探测单元4；所述激发光路单元1和探测光路单元2设置于所述有机聚合物溶液开关3的前端；所述有机聚合物溶液开关3的后端设置所述探测单元4；

结合图2所示，所述激发光路单元1包括依次设置的激发光源101、扩束器102和分束器103，所述分束器103的后端设置第一分光光路单元和第二分光光路单元；所述第一分光光路单元包括依次设置的第一起偏器104和斩波器105，所述第二分光光路单元包括依次设置的光程调节器106和第二起偏器107；

所述探测光路单元2包括依次设置的探测光源201、光阑202、第三起偏器203和透镜204；

所述探测单元4包括依次设置的检偏器401、滤光器402和探测器403。

具体的，所述有机聚合物溶液开关3为甲基橙-环式糊精化合物溶液、4-羧基-2’,6’-二甲基偶氮苯溶液、或是N-乙基-N-(2-羟乙基)-4-(4-硝基苯基偶氮)苯胺溶液。

具体的，所述激发光源为波长514.5nm的可见激光器。

具体的，所述探测光源为波长632.8nm的氦氖激光器。

具体的，所述第一起偏器和第二起偏器的偏振方向相互垂直。

具体的，所述光程调节器106和所述第二起偏器107之间设置第四起偏器108。通过调整第四起偏器108的偏振方向可调节入射光束的光强。

具体的，所述扩束器102为伽利略式扩束器；所述伽利略式扩束器包括依次设置的凹透镜1021和凸透镜1022。

具体的，所述探测器403后端可接处理终端，在处理终端上可读出开关频率，调制深度，透射信号光峰值等信息。

上述高性能聚合物全光开关的工作机理如下：

波长514.5nm的可见激光器发出的控制激光经过扩束器102扩束后由分束器103分成光强相同的两束光，记为A光束和B光束；

A光束先后经过第一起偏器104和斩波器105后成为被斩波器105开、关调制的线偏振光，照射到有机聚合物溶液开关上；

所述斩波器105的频率为30Hz-20MHz；

B光束入射到光程调节器106，光程调节器106调节B光束的光程，使A光束和B光束汇合时的光程差为(λ/4)；

B光束经光程调节器106后依次通过第四起偏器108和第二起偏器107；因第一起偏器104和第二起偏器107的偏振方向相互垂直，调节第四起偏器108的偏振方向使B光束的光强等于A光束的光强，通过上述调节，A光束和B光束就成为光强相同、偏振方向相互垂直的线偏振光，A光束和B光束汇合后就会合成为圆偏振光；

远离有机聚合物溶液开关共振区的探测光源201发出632.8nm的探测激光，依次经过光阑202、第三起偏器203和透镜204，然后通过有机聚合物溶液开关3，再依次经过检偏器401和滤光器402，最后进入探测器403；

第三起偏器203和检偏器401的偏振方向相互垂直，第二起偏器107和第三起偏器203的偏振方向成45°角；如果A光束关闭，到达有机聚合物溶液开关3的线偏振光B光束使样品产生光致双折射现象，通过有机聚合物溶液开关3的探测激光的偏振方向发生改变，不再与检偏器401的偏振方向垂直，因而就有探测激光通过检偏器401；如果A光束开通，A光束和B光束就在有机聚合物溶液开关3上合成了圆偏振光，该圆偏振光对B光束诱导的各向异性快速擦除，使有机聚合物溶液开关3回复到各向同性。这时探测激光通过有机聚合物溶液开关3后偏振方向不变，不能通过检偏器401。

所述探测器403后端可接电脑等处理终端，在处理终端上可读出开关频率，调制深度，透射信号光峰值等信息。

对比检测结果：

图4为传统聚合物全光开关的开关效果测试曲线图，图5为本发明所述高性能聚合物全光开关的开关效果测试曲线图。开关功率均为100纳瓦。从图4和图5对比可知，传统聚合物全光开关的开关时间当传统聚合物全光开关的开关周期是0.5微秒(即500纳秒)时，其开关调制深度只达到80％。本发明所述全关开关的开关周期为100纳秒，此时其开关调制深度达到99％，消光比达到20分贝，这满足了光计算中超低误码率的要求。总之，本发明所述光开关是一种高性能聚合物全光开关。在超低功率条件下，其开关时间和消光比均满足全光网络中对光开关的要求。

本发明的高性能聚合物全光开关还可作为高性能的逻辑门，并且囊括了几乎所有基本逻辑门，以下列举常用的逻辑门的实现方案：

实施例2

如图3所示，一种基于实施例1高性能聚合物全光开关的与门，去掉第二起偏器107，在A光束和B光束汇合后成为圆偏振光的光路中设置一个λ/4波长的玻片109。

A光束和B光束汇合后成为的圆偏振光通过λ/4波长的玻片109，玻片109的快轴方向与第一起偏器104和第四起偏器108的偏振方向均成45°角，这时两束光分别为左旋和右旋圆偏振光，当只有一束圆偏振光作用的时候(左旋或者右旋)，有机聚合物溶液开关3呈现宏观光学各向同性，信号光通过有机聚合物溶液开关3后偏振方向没有改变，不能通过正交偏振器，因此输出端F为“0”；当两束光同时作用时，其效果相当于一束线偏振光作用，有机聚合物溶液开关3呈现宏观光学各向异性，信号光通过有机聚合物溶液开关3后，在检偏器偏振方向的分量能够通过偏振器并到达探测器，表明有高透射的输出信号光，因此探测器403输出端为“1”。这样，形成了“与”逻辑门。

实施例3

一种基于实施例2与门的异或门，其结构相比实施2的与门的结构，区别在于去除了λ/4波长的玻片109。

A光束和B光束都为线偏振光，而且两束光是正交偏振的，通过调节使它们的位相差为π/2的奇数倍。当只有一束光作用的时候，有机聚合物溶液开关3呈现宏观光学各向异性，信号光通过有机聚合物溶液开关3和检偏器401后就会有高透射输出信号光，因此输出端就为“1”；当两束光同时作用时，其效果相当于一束光作用，有机聚合物溶液开关3呈现宏观光学各向同性，信号光通过有机聚合物溶液开关3后偏振态没有改变，此时信号光没有相应的分量通过检偏器，因此输出端就为“0”。如此，开关结构即获得“异或”门的逻辑运算功能。

实施例4

一种基于实施例3“异或”门的或门，其结构相比实施3的结构，结构区别需将第一起偏器104和第四起偏器108的偏振方向调节到平行。

当至少有一束线偏振光作用时，有机聚合物溶液开关3就会呈现宏观光学各向异性，有高透射的输出信号光，输出就为“1”；反之，输出则为“0”，如此，即获得“或”门。

实施例5

一种基于实施例3“异或”门结构的异或非门，改变A光束和B光束的偏振方向，在有机聚合物溶液开关3处使其垂直于入射面(即s偏振)和平行于入射面(即p偏振)之间转换，s偏振为“0”，p偏振为“1”。当两束光同偏振(即输入同为“0”或同为“1”)时，有机聚合物溶液开关3表现为宏观光学各向异性，有高透射的信号光输出，输出端就为“1”；当两束光正交偏振时(即输入一个为“0”和一个“1”)，有机聚合物溶液开关3表现为宏观光学各向同性，没有信号光能够透过检偏器，输出就为“0”。如此，即获得“异或非”门。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。