本发明涉及非线性金属包覆波导及其全光调制光开关实现装置，属于光子信息技术和非线性光学器件微加工技术领域。
背景技术：
光子学的发展分成两个阶段：微米光子学阶段和纳米光子学阶段。其中纳米光子学阶段的技术是“以光控光”的纳米光子技术，但如何实现这一技术是一大难题。光子不带电，无法直接实现光子间的相互控制，只有通过光与非线性介质的相互作用改变介质的参数来间接地实现“以光控光”。基于非线性光学原理的全光调制光开关就是以光控光的光子器件。
而双面金属包覆波导，具有如下特点：
(1)自由空间耦合技术：如果用准直激光直接照射双面金属包覆波导表面，满足波矢匹配条件(即入射光波矢的切向分量与导模的传播常数一致)，就可以激发对应的双面金属包覆波导超高阶导模，光能量耦合进波导内，这时反射光反射率会出现极小值，数值上小于0.1。如果不满足波失匹配条件，光能量无法耦合进波导内，反射率接近1；
(2)超高阶导模模式密度高：在一定角度范围内，相邻模式之间的波失差异可以认为是恒定的；
(3)偏振无关特性：te模式和tm模式耦合效率相同。
开光功率是指驱动开光动作的最低功率。现有技术中一般非线性材料，需要很高的激光功率才能激发。并且完美的全光调制光开关要求具有比信号功率低且是毫瓦以下的低开关功率和达到纳秒以下的高开关速度，而由于现有技术的不足，所以至今没有研究出实用性很强的全关开关。
技术实现要素：
本发明分析利用双面金属包覆波导的波导腔的导模共振，可以用很低的激光来激发非线性效率即低光功率下就可以输出的特点，因此本发明设计了非线性金属包覆波导，该非线性金属包覆波导构造简单、使用方便，其超高阶导模模式密度高这一特点，并且金属波导从反射率上无法分别进入te模式和tm模式，这一特性提高了开关的适用性。
为解决现有技术中的不足，本发明提供了非线性金属包覆波导的全光调制光开关实现装置。本发明操作简单，容易实现，该光开关结构易制备、成本低、品质因子高和开关功率低，解决了目前全光调制光开关器件昂贵，操作步骤繁琐，开光功率高等问题。
本发明采用如下技术方案：非线性金属包覆波导，其特征在于，包括金属耦合层、导波层、衬底层，所述金属耦合层设置于所述导波层的上方，所述衬底层设置于所述导波层的下方，所述导波层采用透明压电陶瓷材料制成。
作为一种较佳的实施例，金属耦合层采用磁控溅射的方法溅射在导波层的上表面形成磁控镀膜；衬底层采用蒸发镀膜的方法在所述导波层的下表面形成蒸发镀膜。
作为一种较佳的实施例，金属耦合层的厚度约为40nm左右，导波层的厚度约为1mm左右，衬底层的厚度大于200nm。
作为一种较佳的实施例，金属耦合层和衬底层的材质为金。
作为一种较佳的实施例，导波层为至少包含一层非线性材料的多层结构。
作为一种较佳的实施例，非线性材料包括但不限于以下所列各项中的一项或多项：铌酸锂晶体、有机聚合物。
作为一种较佳的实施例，推导频率为ω的光的自作用光克尔效应的折射率，本发明主要考虑三阶效应，所以总折射率为n＝n0+dn＝n0+γi，其中，n0为线性折射率，dn为非线性折射率，γ是非线性折射系数，i为强度。
本发明还提出非线性金属包覆波导的全光调制光开关实现装置，其特征在于，包括激光器、转台、非线性金属包覆波导、光电二极管、计算机，非线性金属包覆波导固定在转台上，激光器的激光发射口通过光路与非线性金属包覆波导的输入端相连接，非线性金属包覆波导的输出端通过光路与光电二极管的输入端相连接，光电二极管的输出端与计算机的输入端相连接。
作为一种较佳的实施例，激光器发射激光束以一定入射角照射在非线性金属包覆波导上，非线性金属包覆波导反射出来的反射光通过光电二极管发送给计算机监测反射光强度。
作为一种较佳的实施例，光路中还包括偏振片、小孔，偏振片与小孔设置于激光器与所述非线性金属包覆波导之间，所述激光器的激光发射口与所述偏振片、小孔、非线性金属包覆波导在同一水平线上。
作为一种较佳的实施例，小孔的个数为两个，小孔分别设置于所述偏振片的两侧。
作为一种较佳的实施例，通过调整参数使得非线性金属包覆波导的某一种偏振的导模激发，此时耦合，反射率降为零；如果不耦合的话，反射率为1、透射为零。改变光强的话，导波层中的非线性材料的折射率会改变，从而耦合情况发生改变。连续调节激光器的输出功率，非线性金属包覆波导会周期性的出现耦合、不耦合、耦合、不耦合的情况。
作为一种较佳的实施例，激光器的激光发射口处设置有调节光强的衰减片，用在所述激光器无法调节功率的场合。
作为一种较佳的实施例，基于非线性金属包覆波导的光开关的输出光可以采取下面三种形式：
第一，端面耦合输出，当特定波长的信号耦合进非线性金属包覆波导以后形成导模，其能量在所述导波层内部横向传输，如果非线性金属包覆波导的横向长度没有超过导模的传输长度，那么可以用端面耦合输出的方式将该波长的信号导出，这种方式具有体积小的优势，适合集成光学芯片设计；
第二，透射光输出，此时非线性金属包覆波导的所述衬底层为40nm左右，允许透射光的存在，对于某一波长来说，只有在耦合条件下光能才能进入所述导波层，才可能进一步通过耦合形成透射光。因此通过改变光强调节耦合条件可以使特定的波长形成透射光；
第三，反射光输出，当波导耦合条件满足，耦合率可以接近100％，此时入射光耦合进非线性金属包覆波导的内部，而反射光中会缺少相应的波长，这种结构可以作为光学的非门逻辑器件。
本发明还提出非线性金属包覆波导的全光调制光开关实现装置的实现方法，其特征在于，包括步骤：
步骤ss1：将非线性金属包覆波导固定在转台上，选用激光器作为激发光源，进行光路-波导结构校准，激光束射入非线性金属包覆波导上，当反射光与入射光重合时，为校准点，此时转台角度称为零点；
步骤ss2：转动转台，改变激光束打到非线性金属包覆波导上的入射角，同时记录反射光强度，绘制反射光强度-入射角度曲线图；
步骤ss3：调节光强后，再次重复步骤ss2的操作，直至转台完成360度旋转。
本发明所达到的有益效果：第一，本发明设计了非线性金属包覆波导，相比于其他材料，本发明采用非线性材料，如铌酸锂等可以最大程度地利用其有效非线性系数和良好的热稳定性以及化学稳定性，可以利用提拉法生长出大尺寸晶体，而且易于加工、成本低；第二，本发明还提出基于此波导设计了非线性金属包覆波导的全光调制光开关实现装置，本发明的光开关功能的实现装置基于波导结构设计，具有器件易制备、高耦合率、多波长输入、品质因子高、开关功率低且操作方便等特点；第三，本发明通过导模的耦合效率与导波层折射率密切相关，其灵敏度高达10-5，因此通过光强的调节可以实现特定波长的激光的完全耦合或者不耦合，从而实现光开关的功能。利用波导结构可以降低传统非线性光学器件的激发阈值，可以实现对单频激光的开关，多频激光的选频等一系列功能。
附图说明
图1是本发明的非线性金属包覆波导的结构示意图。
图2是本发明的非线性金属包覆波导的全光调制光开关实现装置的结构示意图。
图3是本发明的波长、光强和透射率的三维原理示意图。
图4是本发明在单一频率下衬底层薄时的开关示意图。
图5是本发明在单一频率下衬底层厚时的开关示意图。
图6是本发明在多波长入射下，通过强度调制迭频的示意图。
图中标记的含义：001a-金属耦合层，002a-导波层，003a-衬底层；001b-激光器，002b-小孔，003b-偏振片，004b-光路，005b-转台，006b-非线性金属包覆波导，007b-光电二极管，008b-计算机。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示的是本发明的非线性金属包覆波导的结构示意图，本发明提出非线性金属包覆波导，包括金属耦合层001a，导波层002a和衬底层003a；金属耦合层001a采用磁控溅射的方法在导波层002a上表面溅射镀膜形成，金属耦合层001a的厚度约为40nm左右，确保最佳耦合效率，材料为金；导波层002a厚度约为2mm左右，一般导波层002a可以使用非线性材料，本发明采用铌酸锂材料做导波层002a。
衬底层003a在导波层002a下表面蒸发镀膜形成金属衬底层，材料同样为金，衬底层003a的厚度大于200nm。对于超过200nm的金膜来说，电磁波无法穿透。
如图2所示的是本发明的非线性金属包覆波导的全光调制光开关实现装置的结构示意图，本发明还提出非线性金属包覆波导的全光调制光开关实现装置，包括激光器001b、小孔002b和光路004b、偏振片003b(也可以不用)、转台005b、非线性金属包覆波导006b、光电二极管007b、用于处理反射光的计算机008b。
非线性金属包覆波导006b固定在转台005b上，激光器001b的激光发射口与偏振片003b、小孔002b、非线性金属包覆波导006b在同一水平线上，所述小孔002b为两个，分别置于偏振片003b的两侧，由非线性金属包覆波导006b上反射出来的反射光通过光电二极管007b发送给计算机008b；激光束垂直入射非线性金属包覆波导006b上，当反射光与入射光重合时，为校准点，此时转台005b角度称为零点；转动转台005b，改变激光束打到非线性金属包覆波导006b上的入射角，同时记录反射光强度，计算机绘制反射光强度-入射角度曲线图；调节光强后，再次重复曲线图的绘制。
如图3所示的是本发明的波长、光强和透射率的三维原理示意图，其中，纵坐标001c代表金属包覆波导的透过率，而其余坐标002c和003c分别表示入射激光的波长和功率，其单位分别是s-1和w/m2。当我们固定某一个激光功率，可以看到随着波长的变化形成几个非常尖锐的共振透射峰，这对应了波导腔的高品质因子。而如果固定某一波长，可以看到当激光强度改变时，该波长交替出现透射和不透射的情况，这正是本专利的全光开关的工作原理，可以证明理论的透过率为1，不透过率为0。
本发明还提出非线性金属包覆波导的全光调制光开关实现装置的实现方法，其特征在于，包括步骤：
步骤ss1：将非线性金属包覆波导006b固定在转台005b上，选用激光器001b作为激发光源，进行光路-波导结构校准，激光束射入非线性金属包覆波导006b上，当反射光与入射光重合时，为校准点，此时转台角度称为零点；
步骤ss2：转动转台005b，改变激光束打到非线性金属包覆波导006b上的入射角，同时记录反射光强度，绘制反射光强度-入射角度曲线图；
步骤ss3：调节光强后，再次重复步骤ss2的操作，直至转台005b完成360度旋转。
选择入射光长为800nm～800.3nm，强度i在0～1e-9，非线性的n0为1.5，非线性折射系数γ为1e-12,总折射率为n＝n0+γi＝1.5+1e-12gi，垂直入射，导波层厚度为1mm，根据透射条件，得到图3。
如图4所示的是本发明在单一频率下衬底层薄时的开关示意图。当衬底层003a的厚度较薄时，光束从底层透射出去。
图5是本发明在单一频率下衬底层厚时的开关示意图。当衬底层003a的厚度较厚时，光束从导波层002a透射出去(导波层003a为开关信号出口)。
图6是本发明在多波长入射下，通过强度调制迭频的示意图。当多波长入射时，通过调节强度，让满足频率要求的波长透射过去，不满足要求的波长被反射。
本发明所达到的有益效果：第一，本发明设计了非线性金属包覆波导，相比于其他材料，本发明采用非线性材料，如铌酸锂等可以最大程度地利用其有效非线性系数和良好的热稳定性以及化学稳定性，可以利用提拉法生长出大尺寸晶体，而且易于加工、成本低；第二，本发明还提出基于此波导设计了基于非线性金属包覆波导的光开关，本发明的光开关基于波导结构设计，具有器件易制备、高耦合率、多波长输入、品质因子高、开关功率低且操作方便等特点。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。