二碘化铅薄膜在亚皮秒全光磁开关中的应用

摘要

本发明公开了二碘化铅薄膜在亚皮秒全光磁开关中的应用。根据光学取向原理，利用圆偏振光产生一个有效磁场，在有效磁场的作用下，线偏振光的偏振面产生瞬态旋转。该类开关的切换速度达到亚皮秒量级，适用于470nm‑510nm的可见光波长范围，可以承受500μJ/cm

说明书

技术领域

本发明属于超强超快激光的应用和全光磁开关技术领域，涉及半导体材料PbI₂，特别是 涉及材料在圆偏振飞秒激光脉冲作用下产生的超快磁光信号响应。

背景技术

光开关是一种具有一个或多个可选择的传输窗口，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。光开关的功能为切换光路，是光通信网络中实现光交叉 连接、光交换、光分插复用以及自愈保护等功能的关键节点器件。依据不同的开关原理，光 开关分为机械开关，热光开关，声光开关，液晶光开关，电光开关和全光开关，开关时间从 毫秒到微秒，纳秒，再到皮秒量级。随着科学技术的进步，人们对光电器件的响应速度、工 作精度、集成密度等诸多指标提出了越来越高的要求。目前互联网的节点上信息交换容量达 到Tb/s量级，要求开关速度必须达到皮秒量级。脉冲激光器的飞速发展解决了光通信对光开 关的这一要求，激光脉冲宽度从纳秒缩短到飞秒，几十飞秒的激光器已经商业化。超快光磁 领域的研究结果启示我们，将超短激光脉冲和光学取向原理相结合，可以实现全光磁开关。

近年来，随着对磁光材料研究的不断深入，大法拉第旋转系数和高透射系数的磁光材料 不断被研发出来，使得磁光开关的性能不断提高，多数磁光开关依据的物理原理是法拉第效 应，通过外加磁场来控制传输光偏振面的旋转，从而切换光路起到开关的作用。它具有开关 速度快、稳定性高、驱动电压低、串扰小等优势。磁光开关有块状、薄膜状和光纤型三种。

目前，全光磁开关材料的研究主要集中于Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体GaAs和InGaAsP等近 红外材料，研究证明InGaAsP量子阱的开关时间为皮秒量级，在红外波段已经得到广泛应 用，其最大缺点为成本太高。而PbI₂的带隙处于可见光区域(约为500nm)，属于宽禁带 半导体，其带隙能量大，荧光波长短，击穿电场高，电子饱和速率高等优点，更适合于制 作高温、高频及大功率电子器件。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于超强超快激光脉冲的全光磁开关材料。该材料具有亚 皮秒的响应速度，体积小，适合光电器件的集成，成本低廉，具有高激光损伤阈值，是全 光通信领域中超快全光开关的优良材料。

本发明采用以下技术方案：

本发明的第一个方面，提供一种PbI₂薄膜在制备亚皮秒全光磁开关中的应用，其中， 所述PbI₂薄膜采用旋涂法制备得到，具体的制备方法如下：将浓度为500～600mg/mL的PbI₂ 溶液滴在基片上，2500～3500rpm旋涂成膜，然后干燥即可。

其中，所述基片为石英片，干燥温度为60～80℃。

本发明中的PbI₂薄膜厚度为影响材料磁光性能的重要因素，所述PbI₂薄膜的厚度可根 据要求适当调节。经过大量实验验证与分析，优选的，所述PbI₂薄膜的厚度为几十nm到μm 量级，进一步优选的，所述PbI₂薄膜的厚度为10～300nm(较佳的为200nm)，激光有效光斑 尺寸直径为几十μm到300μm(优选的为10～300μm，较佳的为170μm)。薄膜的厚度影响 磁光响应信号的大小，实验证明几十纳米到微米量级的薄膜仍然具有较好的法拉第旋转信 号。较厚的薄膜透光性差，但可以采用反射式(即克尔旋转技术)，较薄的薄膜更适合集成。 光斑尺寸的大小由光路中聚焦透镜的焦距的长度决定，光斑太小，功率密度就会高，容易 破坏材料；光斑大，功率密度低，可能无法开启开关。本发明中实验数据测量过程中光斑 尺寸约为170μm。

优选的，采用PbI₂薄膜制备得到的亚皮秒全光磁开关适用于反射(克尔旋转技术)和 透射(法拉第旋转技术)光路。

优选的，采用PbI₂薄膜制备得到的亚皮秒全光磁开关适用于超快超强激光中，使用波 长范围为470～510nm，波长越短，响应越快，波长为500nm时，效果最好，误差最小；功 率范围为20～500μJ/cm²。激光科技的最新前沿之一是超强超快激光，例如飞秒激光。所述 超强即超高的功率和功率密度(指单位面积上的功率)，目前一个激光系统甚至可产生高达 10¹⁵瓦的峰值功率，而全世界电网的平均功率只不过10¹²瓦数量级；所述超快即极短的时 间尺度，目前激光脉冲最短不过几个飞秒(10^-15秒)，光在1飞秒内仅仅传播0.3微米。

优选的，所述PbI₂薄膜为透明(透射)或不透明(反射)薄膜。

本发明中所用激光的参数，脉冲宽度50飞秒，重复频率1000赫兹，波长可调谐。

本发明利用时间分辨的法拉第/克尔旋转技术测量磁光响应的变化曲线，利用origin软 件拟合得到具体的时间响应常数。

本发明的第二个方面，提供一种亚皮秒全光磁开关的制备方法，包括以下步骤：将浓 度为500～600mg/mL的PbI₂溶液滴在基片上，2500～3500rpm旋涂成膜，然后干燥即可得到 亚皮秒全光磁开关。

其中，所述基片为石英片，干燥温度为60～80℃。

更进一步的，经过大量实验验证与分析，采用以下制备方法得到的磁光开关的性能较 佳。所述制备方法包括：将浓度为578mg/mL的PbI₂溶液滴在清洗过的1毫米厚的石英片 上，3000rpm旋涂成膜，然后放在70℃热台上烘干即可，得到厚度为200nm的磁光开关材 料。

本发明的第三个方面，提供一种采用上述方法制备得到的亚皮秒全光磁开关。该类开 关切换速度快，处于亚皮秒量级，体积小，适合光电器件的集成。

本发明的第四个方面，提供一种包括上述亚皮秒全光磁开关的光电器件，本发明保护 采用所述亚皮秒全光磁开关集成的光电器件。利用半导体光敏特性工作的光电导器件、利 用半导体光生伏特效应工作的光电池和半导体发光器件等统称为光电器件。

本发明的有益效果是：

(1)本发明采用PbI₂薄膜制备得到的超快自旋全光磁开关的切换速度达到亚皮秒量级， 误差小于3％，适用于470～510nm的可见光波长范围，具有高激光损伤阈值，可以承受500μJ/ cm²的强脉冲激光。

(2)PbI₂材料成本低廉，大大降低制备全光磁开关的成本。

(3)PbI₂薄膜制备简单，成本低廉，体积小，无需外加磁场，适合大批量开发和推广 使用；薄膜厚度为纳米量级，光斑尺寸为微米量级，适合制备小体积全光磁开关并应用到 集成光通信网络中。

附图说明

图1是利用飞秒激光脉冲测量的PbI₂薄膜的时间分辨克尔磁光响应曲线，激光波长为 490nm，激光强度为203μJ/cm²，横坐标表示延迟时间，纵坐标表示磁光响应强度。黑色(□) 线为实验直接测量数据，实线是利用指数函数拟合得到的拟合曲线。该曲线反映了PbI₂薄 膜由飞秒激光脉冲激发后的磁光响应。

图2不同激光脉冲波长和不同激光功率下的克尔磁光信号的开关时间，激光波长分别为 480nm(▇)，490nm(●)和500nm(▲)，纵坐标表示开关时间，横坐标表示激光的激 发光强度。测量范围内克尔磁光信号的响应时间均在1ps左右。

具体实施方式

1、PbI₂薄膜的制备

本发明中PbI₂薄膜制备简单，将浓度为578mg/mL的PbI₂溶液直接滴在清洗过的1毫 米厚的石英片上，3000rpm旋涂成膜，然后放在70℃热台上烘干即可，厚度约为200纳米， 可根据要求适当调节。

2、开关时间的测量

利用时间分辨克尔旋转技术测量PbI₂薄膜的开关时间。所用激光器为Coherent公司生 产的Libra再生放大器泵浦的光参量放大器(OperaSoloOPA)，激光器直接输出的激光为垂 直偏振的线偏振光。利用巴比涅-索列尔补偿器(Babinet-SoleilCompensator)将线偏振的抽运 光变为圆偏振光，探测光为垂直线偏振光。经薄膜反射的探测光由1/2波片和沃拉斯顿棱镜 分为强度相等的两束，分别进入两个全同探测器，探测器的强度之差即为克尔旋转信号。 探测器输出的信号经由前置放大器放大后进入锁相放大器，最终由电脑直接读取。利用 origin软件对实验数据进行处理，如图1所示，实线是理论函数拟合得到，该信号的半高全 宽为PbI₂薄膜的开关时间。所有的实验均在室温下进行。

时间分辨法拉第/克尔旋转技术是研究自旋动力学的重要方法之一，原理是采用强圆偏振 激光脉冲为抽运光照射材料，根据光学取向原理，材料内部产生瞬态有效磁场，有效磁场强 度为M＝χ[E(ω)×E(ω)^*]，另一束强度较弱的线偏振脉冲作为探测光，在抽运光产生的有效 磁场作用下，透过材料/经材料反射后探测光偏振面会发生偏转，偏转角称为法拉第/克尔旋转 角。逐步改变探测光和抽运光的延迟时间就可以得到旋转角信号随时间演化的整个动力学过 程。图1是PbI₂薄膜中典型的克尔旋转角的时间演化曲线，激发波长为490nm，激发强度为 203μJ/cm²，PbI₂薄膜材料被圆偏振飞秒激光激发后，产生强的克尔磁光信号，该信号几乎没 有载流子弛豫动力学过程，快速回到初始状态，开关时间由克尔磁光信号的半高全宽决定。 图中黑色(□)线为实验直接测量数据，实线是利用指数函数拟合得到的理论曲线，根据拟 合数据得到PbI₂薄膜开关时间为600fs。图2是改变激发波长和激发强度得到的一系列开关时 间，在研究范围内，开关仅为1ps左右。因此研究结果表明PbI₂薄膜具有亚皮秒的开关时间， 是制备自旋超快全光磁开光的优良材料。