一种可调控光谱响应的微纳米结构和光逻辑门器件的制作方法

一种可调控光谱响应的微纳米结构和光逻辑门器件
1.本技术要求于2021年9月8日提交中国专利局、申请号为202111052383.3、发明名称为“一种可调控光谱响应的微纳米结构和光逻辑门器件”的中国专利申请的优先权，其全部内容通过引用结合在本技术中。
技术领域
2.本发明涉及微纳结构技术领域，尤其涉及一种可调控光谱响应的微纳米结构和光逻辑门器件。


背景技术：

3.全光网络是未来光通信的发展趋势，而光逻辑门的发展是实现电计算向光计算跨越的桥梁，可以突破“电子瓶颈”的限制，是全光网络中不可缺少的一部分。随着半导体加工技术的进步，微纳结构被广泛应用于提升传统光学器件的特性，但是传统的基于微纳结构的光学器件一旦器件制备完成，其特性将无法被改变，难以适应实际应用中的各种场景，降低了光学器件的适用性。而现有对微纳结构调控光学响应的方式是通过改变材料的内部属性，如热量、载流子浓度等来达到调控其光学响应的目的，这些微纳结构受限于天然材料的非线性效应，其光学调控范围都很有限。


技术实现要素：

4.本发明提供了一种可调控光谱响应的微纳米结构和光逻辑门器件，用于解决传统的基于微纳结构的光学器件制备完成后光学特性无法改变，难以适应实际应用中的各种场景，降低了光学器件的适用性，以及通过改变材料的内部属性来调控光学响应的微纳结构受限于天然材料的非线性效应，光学调控范围较为限制的技术问题。
5.有鉴于此，本发明第一方面提供了一种可调控光谱响应的微纳米结构，包括衬底、电热式致动器和超材料；
6.所述电热式致动器包括介电层和导电层；
7.所述导电层用于连接外部电压源，内部形成回路；
8.所述介电层设置在所述衬底上，所述导电层设置在所述介电层上，所述超材料图案化设置在所述介电层连接的框架上。
9.可选地，所述介电层为氮化硅层。
10.可选地，所述导电层为金层。
11.可选地，所述超材料以x形图案化方式阵列在所述电热式致动器连接的框架上。
12.可选地，所述框架为氮化硅框架。
13.可选地，所述超材料为具备谐振频光吸收特性的多层金属绝缘层结构。
14.可选地，所述衬底为硅衬底。
15.本发明第二方面提供了一种光逻辑门器件，包括第一方面所述的任一种可调控光谱响应的微纳米结构。
16.从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：
17.本发明提供了一种可调控光谱响应的微纳米结构，整体结构由衬底上的介电层和导电层以及超材料组成，通过在电热式致动器阵列的导电层之间施加电压，使导电层内部有电流流过，从而产生大量电阻热，使得内部结构温度急剧升高，由于介电层和导电层的热膨胀系数不匹配，致动器在释放后将向上弯曲，介电层上的超材料形状会发生改变，导致微纳结构的光学响应发生相应的改变，当温度降下来之后，内部结构产生恢复到平面结构的趋势，使得致动器向下弯曲到衬底上，介电层上的超材料同样会发生形状恢复的变化，导致微纳结构的光学响应发生相应的改变，因此，本发明提供的可调控光谱响应的微纳米结构通过外部的电压信号即可对微纳结构的形状进行改变，从而实现较大范围的光学响应调控，解决了传统的基于微纳结构的光学器件制备完成后光学特性无法改变，难以适应实际应用中的各种场景，降低了光学器件的适用性，以及通过改变材料的内部属性来调控光学响应的微纳结构受限于天然材料的非线性效应，光学调控范围较为限制的技术问题的技术问题。
附图说明
18.为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
19.图1为本发明实施例中提供的一种可调控光谱响应的微纳米结构的结构示意图；
20.图2为图1的局部结构示意图；
21.图3为本发明实施例中提供的超材料在氮化硅框架上阵列设置的结构示意图；
22.图4为本发明实施例中提供的电热式致动器和衬底的结构示意图；
23.图5为本发明实施例中提供的超材料谐振频滤波特性示意图；
24.图6为图5和图7对应的逻辑对照表；
25.图7为本发明实施例中提供的可调控光谱响应的微纳米结构的光学响应过程原理示意图。
具体实施方式
26.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
27.为了便于理解，请参阅图1，本发明中提供了一种可调控光谱响应的微纳米结构的实施例，包括衬底、电热式致动器和超材料；
28.所述电热式致动器包括介电层和导电层；
29.所述导电层用于连接外部电压源，内部形成回路；
30.所述介电层设置在所述衬底上，所述导电层设置在所述介电层上，所述超材料图案化设置在所述介电层连接的框架上。
31.需要说明的是，如图1-4所示，本发明实施例中，衬底上设置有介电层和导电层，衬底可选为硅衬底，导电层可图案化阵列在介电层上，导电层内部形成回路，可接外部电源，通过外部电源对导电层施加不同大小的电压，导电层内部有对应大小的电流流过，可控制导电层产生不同程度上的电阻热，由于介电层和导电层的热膨胀系数不匹配，电热致动器的某一端固定，此膨胀就会使致动器产生某一方向上的位移，同时，此驱动过程可以重复，即通过施加电压的大小能够调控电热式致动器位移量的大小，从而改变微纳米结构，在微纳米结构上的超材料作用下，微纳米结构的光学响应会发生相应的改变。
32.超材料能够提供特殊的光学响应，其谐振频滤波特性如图5所示。超材料主要是基于其特殊的形状、几何形状决定了其有效折射率和阻抗指数，使得入射光在到达超材料表面时会产生耦合，在特定的波段形成滤波或者吸收的特性。其有效折射率和阻抗指数可表示为：
[0033][0034][0035]
ε
eff
＝n
eff
/z
eff
[0036]
μ
eff
＝n
effzeff
[0037]
其中，n
eff
为有效折射率，z
eff
为阻抗指数，ε
eff
为等效电导率，μ
eff
为等效磁导率，r为发射系数，t为透射系数，d为超材料厚度，k为入射波矢量。
[0038]
因此，本发明中为电热式致动器施加电压能够带动并调控微纳米结构的光学响应，可通过施加电压的大小来对器件光学响应进行往复式、连续式的调控，使得光谱响应能够更加自由地被人为控制，以更加方便地应用于各种场景中。且相比于现有的可拉伸微纳结构，本发明实施例中的可调控光谱响应的微纳米结构基于微机电系统实现可拉伸特性，避免了现有的可拉伸微纳结构使用柔性衬底带来的与其他半导体材料粘附性差和柔性衬底需采用机械拉伸法难于现有电子器件集成的问题。
[0039]
本发明实施例中提供的一种可调控光谱响应的微纳米结构，整体结构由衬底上的介电层和导电层以及超材料组成，通过在电热式致动器阵列的导电层之间施加电压，使导电层内部有电流流过，从而产生大量电阻热，使得内部结构温度急剧升高，由于介电层和导电层的热膨胀系数不匹配，致动器在释放后将向上弯曲，介电层上的超材料形状会发生改变，导致微纳结构的光学响应发生相应的改变，当温度降下来之后，内部结构产生恢复到平面结构的趋势，使得致动器向下弯曲到衬底上，介电层上的超材料同样会发生形状恢复的变化，导致微纳结构的光学响应发生相应的改变，因此，本发明提供的可调控光谱响应的微纳米结构通过外部的电压信号即可对微纳结构的形状进行改变，从而实现较大范围的光学响应调控，解决了传统的基于微纳结构的光学器件制备完成后光学特性无法改变，难以适应实际应用中的各种场景，降低了光学器件的适用性，以及通过改变材料的内部属性来调控光学响应的微纳结构受限于天然材料的非线性效应，光学调控范围较为限制的技术问题的技术问题。
[0040]
在一个实施例中，介电层为氮化硅层，导电层为金层。经验证，相比于其他介电层
材质和导电层材质，氮化硅层和金层两者的结合，能够更好地实现微纳米结构的可拉伸性，调控精度更高。
[0041]
在一个实施例中，超材料以x形图案化方式阵列在电热式致动器连接的框架上。如图1和图2所示，超材料以x形图案化方式阵列在电热式致动器所连接的氮化硅框架上，氮化硅框架由电热式致动器带动以改变超材料的形状变化，实现光学响应的调控。超材料为具备谐振频光吸收特性的多层金属绝缘层结构，也可以选为具有谐振频滤波特性的一层金属绝缘结构。
[0042]
为了便于理解，请参阅图1-图7，本发明中提供了一种光逻辑门器件的实施例，包括前述可调控光谱响应的微纳米结构实施例中的任一种可调控光谱响应的微纳米结构。
[0043]
图1-图4所构成的可调控光谱响应的微纳米结构原理已在上述实施例中进行说明，在此不在赘述，当将上述实施例中的可调控光谱响应的微纳米结构应用于光逻辑门器件时，其工作原理如图5-图7所示，通过对可调控光谱响应的微纳米结构中的电热式致动器施加外部的电压信号，可对特定波段上的光信号进行开关。当透射光的强度很高至基本全穿透时，可判断为逻辑器件中的“1”信号，当透射光的强度很低至基本为零时，可判断为逻辑器件中的“0”信号。因此，本发明实施例中提供的光逻辑门器件在逻辑上表现为“异或”，可作为“异或”逻辑门器件使用。
[0044]
随着信息时代的到来，在传输带宽日益增大的同时，对信息处理速度的要求越来越高，而现有的电逻辑门技术受限于电子迁移率，难以再进行提升。光逻辑门技术采用光作为传输媒介，可在多种介质中进行传输，相较于电子传输速度，光的传输速度具有极大的提升，光逻辑门器件将可实现更快的运算速度。
[0045]
以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。