【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及光波导型模式光开关，具体涉及一种基于聚吡咯纳米粒子阵列的一阶模式全光开关芯片其制备方法。
技术介绍
1、全光开关技术是实现全光网络和全光计算的重要组成部分。传统的电子开关由于电子运动速度的限制，无法满足现代高速通信和计算的需求。光子具有高频率和高速度的优点，使得光开关在速度和带宽上具有显著的优势。全光开关技术通过光信号直接进行处理和传输，避免了光电转换的损耗和延迟，提高了通信系统的效率和速度，能够实现光信号的高效调制和控制，对实现高速、宽带、低功耗的光通信系统具有重要意义。
2、全光开关技术在多种材料体系如硅光子学、有机光子学、纳米光子学、等离子体结构等领域取得了许多进展，硅光子学利用硅作为光学介质，具有与现有cmos工艺的兼容性，使得大规模集成成为可能。硅基材料通过非线性光学效应(如克尔效应、双光子吸收和拉曼效应)来实现全光开关。其主要优势在于高效的光信号处理能力和与电子电路的兼容性。但是硅材料的非线性效应相对较弱，需要高功率激励，且在高频操作下，存在光损耗问题。有机光子学材料，如有机聚合物，因其快速的光响应时间和优异的可调性能，成为全光开关技术的重要研究方向，通过调整有机聚合物的分子结构，可以实现特定波长范围内的高效光信号处理，但是相比于硅材料，聚合物的光损耗较高，影响信号质量。等离子体结构通过在金属表面激发等离子体波来实现光信号的控制和调制。等离子体共振效应使得光在亚波长尺度上被限制和增强，从而实现高效的光信号处理。但是该种方法制造工艺复杂，成本较高，在实际应用中，可能面临散热问题。纳米光子学利用
技术实现思路
1、本专利技术提出了一种基于聚吡咯(polypyrrole)纳米粒子阵列的一阶模式全光开关芯片及其制备方法。本专利技术的目的是解决现有基模/高级模式全光开关芯片在功耗、响应速度和集成度等方面的不足。通过创新的结构设计和制备方法，利用聚吡咯材料的优异光热转换特性，构建了纳米粒子阵列，实现对高阶模式光信号的高效调制与控制。本专利技术芯片具有低功耗、响应速度快、稳定性强等优点，适用于大规模高集成度光通信网络中的模式选择和信号调控。
2、为实现上述目的，本专利技术采用了如下技术方案：
3、为了解决上述技术问题至少之一，根据本专利技术的一方面，本专利技术提供了一种基于聚吡咯纳米粒子阵列的一阶模式全光开关芯片，所述芯片包括：衬底层(100)、设置在衬底层(100)上的非对称马赫-曾德尔干涉仪型波导层(200)和上包层(300)；
4、所述非对称马赫-曾德尔干涉仪型波导层(200)包括：第一层聚合物芯层(201)和第二层聚合物芯层(202)；
5、所述非对称马赫-曾德尔干涉仪型波导层(200)内部输出端设有用于相位调制的聚吡咯纳米粒子阵列(12)，所述非对称马赫-曾德尔干涉仪型波导层(200)外部包覆有折射率低于所述所述非对称马赫-曾德尔干涉仪型波导层(200)的上包层(300)。
6、优选的，所述第一层聚合物芯层(201)包括第一输入直波导(1)、第一弯波导(3)、第一耦合臂(5)、第三弯波导(7)、第一输出直波导(9)、第三输出直波导(11)和第五输出直波导(14)；
7、所述第二层聚合物芯层(202)在第一层聚合物芯层(201)之上，包括第二输入直波导(2)、第二弯波导(4)、第二耦合臂(6)、第四弯波导(8)、第二输出直波导(10)、第四输出直波导(13)和第六输出直波导(15)；
8、所述第一输入直波导(1)和的第二输入直波导(2)平行排列，并分别与第一弯波导(3)和第二弯波导(4)相连，所述第一弯波导(3)和第二弯波导(4)分别向内共同连接有第一耦合臂(5)和第二耦合臂(6)，所述第一耦合臂(5)和第二耦合臂(6)分别连接第三弯波导(7)和第四弯波导(8)，所述第三弯波导(7)和第四弯波导(8)末端共同连接至第一层聚合物芯层(201)的第一输出直波导(9)和第二层聚合物芯层(201)的第二输出直波导(10)，所述第一输出直波导(9)和第二输出直波导(10)分别连接第三输出直波导(11)和第四输出直波导(13)，第三输出直波导(11)和第四输出直波导(13)层间为聚吡咯纳米粒子阵列(12)，所述第三输出直波导(11)和第四输出直波导(13)分别连接第五输出直波导(14)和第六输出直波导(15)，形成一个完整的非对称三维mzi光路路径。
9、优选的，第一弯波导(3)和第二弯波导(4)在光传输方向的长度l2保持一致，第三弯波导(7)和第四弯波导(8)在光传输方向的长度l4保持一致；波导的弯曲部分采用余弦函数波导形式，即x＝(1-cosπz/l)·d，其中z为波导中光传输方向的坐标，x为垂直波导方向的坐标，l为弯曲波导在x-z方向上平行光传输方向的投影，d为弯曲波导在x-z方向上垂直光传输方向的投影。
10、优选的，所述聚吡咯纳米粒子阵列(12)设置在第一层聚合物芯层(201)第三输出直波导(11)和第二层聚合物芯层(202)的第四输出直波导(13)中部，通过控制聚吡咯纳米粒子阵列(12)的排列和密度，实现对光信号的有效调制；所述聚吡咯纳米粒子具有光热效应，当光信号通过时，聚吡咯纳米粒子能够吸收光能并转化为热能，改变波导内的折射率，从而实现对光信号的调制。
11、优选的，所述聚吡咯纳米粒子阵列(12)的泵浦光激发波长为0.35～1.4μm，信号光输入波长1.4～1.6μm。所述纳米粒子间距为5～500nm，粒子半径为5～70nm，粒子掺杂浓度为0.002～0.5g/l。所述纳米粒子的尺寸和间距经过优化设计，以确保在特定波长下具有最佳的光热效应和调制性能。
12、优选的，输入泵浦光和信号光模式为e00模式，经过非对称mzi波导传输，在波导输出端泵浦光模式为e00模式，信号光模式转换为e01模式。该波导结构可针对不同输入光实现e00和e01模式隔离，减少信号光损耗，提高泵浦光的光热转换效率。
13、优选的，所述第一层聚合物芯层(201)和第二层聚合物芯层(202)选用聚合物材料相同，如su-8 2002、su-8 2005或epo core。所述聚合物材料具有优良的光学性能和加工性能，能够满足高精度的光波导结构的制造需求。所述上包层(300)的材料选本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于聚吡咯纳米粒子阵列的一阶模式全光开关芯片，其特征在于，
2.根据权利要求1所述的基于聚吡咯纳米粒子阵列的一阶模式全光开关芯片，其特征在于，所述第一层聚合物芯层(201)包括第一输入直波导(1)、第一弯波导(3)、第一耦合臂(5)、第三弯波导(7)、第一输出直波导(9)、第三输出直波导(11)和第五输出直波导(14)；
3.权利要求2所述的基于聚吡咯纳米粒子阵列的一阶模式全光开关芯片，其特征在于，第一弯波导(3)和第二弯波导(4)在光传输方向的长度L2保持一致，第三弯波导(7)和第四弯波导(8)在光传输方向的长度L4保持一致；波导的弯曲部分采用余弦函数波导形式，即x＝(1-cosπz/L)·d，其中z为波导中光传输方向的坐标，x为垂直波导方向的坐标，L为弯曲波导在x-z方向上平行光传输方向的投影，d为弯曲波导在x-z方向上垂直光传输方向的投影。
4.权利要求3中任一项所述的基于聚吡咯纳米粒子阵列的一阶模式全光开关芯片，其特征在于，所述聚吡咯纳米粒子阵列(12)设置在第一层聚合物芯层(201)第三输出直波导(11)和第二层聚合物芯层(2
5.权利要求4所述的基于聚吡咯纳米粒子阵列的一阶模式全光开关芯片，其特征在于，所述聚吡咯纳米粒子阵列(12)的泵浦光激发波长为0.35～1.4μm，信号光输入波长1.4～1.6μm。所述纳米粒子间距为5～500nm，粒子半径为5～70nm，粒子掺杂浓度为0.002～0.5g/L。所述纳米粒子的尺寸和间距经过优化设计，以确保在特定波长下具有最佳的光热效应和调制性能。
6.权利要求5所述的基于聚吡咯纳米粒子阵列的一阶模式全光开关芯片，其特征在于，输入泵浦光和信号光模式为E00模式，经过非对称MZI波导传输，在波导输出端泵浦光模式为E00模式，信号光模式转换为E01模式。该波导结构可针对不同输入光实现E00和E01模式隔离，减少信号光损耗，提高泵浦光的光热转换效率。
7.权利要求1中所述的基于聚吡咯纳米粒子阵列的一阶模式全光开关芯片，其特征在于，所述第一层聚合物芯层(201)和第二层聚合物芯层(202)选用聚合物材料相同，如SU-82002、SU-8 2005或EPO Core。所述聚合物材料具有优良的光学性能和加工性能，能够满足高精度的光波导结构的制造需求。所述上包层(300)的材料选自聚甲基丙烯酸甲酯、聚酯或聚酰亚胺或EPO Clad中的一种。
8.权利要求2所述的基于聚吡咯纳米粒子阵列的一阶模式全光开关芯片，其特征在于，输入直波导的厚度为2～20μm，宽度为1～10μm，长度为0.1～1cm；
9.一种基于聚吡咯纳米粒子阵列的一阶模式全光开关芯片制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
...【技术特征摘要】
1.一种基于聚吡咯纳米粒子阵列的一阶模式全光开关芯片，其特征在于，
2.根据权利要求1所述的基于聚吡咯纳米粒子阵列的一阶模式全光开关芯片，其特征在于，所述第一层聚合物芯层(201)包括第一输入直波导(1)、第一弯波导(3)、第一耦合臂(5)、第三弯波导(7)、第一输出直波导(9)、第三输出直波导(11)和第五输出直波导(14)；
3.权利要求2所述的基于聚吡咯纳米粒子阵列的一阶模式全光开关芯片，其特征在于，第一弯波导(3)和第二弯波导(4)在光传输方向的长度l2保持一致，第三弯波导(7)和第四弯波导(8)在光传输方向的长度l4保持一致；波导的弯曲部分采用余弦函数波导形式，即x＝(1-cosπz/l)·d，其中z为波导中光传输方向的坐标，x为垂直波导方向的坐标，l为弯曲波导在x-z方向上平行光传输方向的投影，d为弯曲波导在x-z方向上垂直光传输方向的投影。
4.权利要求3中任一项所述的基于聚吡咯纳米粒子阵列的一阶模式全光开关芯片，其特征在于，所述聚吡咯纳米粒子阵列(12)设置在第一层聚合物芯层(201)第三输出直波导(11)和第二层聚合物芯层(202)的第四输出直波导(13)中部，通过控制聚吡咯纳米粒子阵列(12)的排列和密度，实现对光信号的有效调制；所述聚吡咯纳米粒子具有光热效应，当光信号通过时，聚吡咯纳米粒子能够吸收光能并转化为热能，改变波导内的折射率，从而实现对光信号的调制。
5.权利要求4所述的基于聚吡咯纳米粒子阵列的一阶模式...
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