專利名稱：波導(dǎo)調(diào)制器與相關(guān)的調(diào)制方法
波導(dǎo)調(diào)制器與相關(guān)的調(diào)制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及包含波導(dǎo)的調(diào)制器，例如光學(xué)調(diào)制器，以及相關(guān)的調(diào) 制方法。
調(diào)制器是用于控制波的傳輸，例如在光學(xué)調(diào)制器情況下控制光線 傳輸?shù)难b置。所述概念因此包括了能夠以連續(xù)或不連續(xù)方式改變所傳 輸?shù)牟ǖ膹?qiáng)度，例如在波段轉(zhuǎn)換開關(guān)情況下改變?yōu)?有"或者"無"，的 裝置。
如今，人們盡力以設(shè)計具有下述結(jié)構(gòu)的調(diào)制器使其能夠與在硅 模具中生產(chǎn)的部件相集成，以簡化簡化組件的制造、降低其尺寸。
在這種背景下，已經(jīng)提出通過注入或耗盡電荷載流子來改變材料 的折射率，例如如文獻(xiàn)EP 140368所描述。上述指數(shù)的改變能引起波 導(dǎo)諧振的頻鐠移動或波的移相，人們常常用移相的波與未移相的波相 干擾(Mach-Zehnder (馬赫-曾德爾)裝置)。
這樣的Mach-Zehnder裝置例如在專利申請US 2003/161565中有 描述，按照所述文獻(xiàn)，在裝置的一分支上改變?nèi)核俣?，以在所述分?上獲得的信號相對于裝置另一分支上通過的信號發(fā)生相移。
在上述兩種情況下(諧振偏移或相移波干擾)，所獲得的波，尤 其是其強(qiáng)度，根據(jù)電荷載流子的密度而變化，所述電荷載流子本身可 受電壓控制。
然而，由于所利用的物理現(xiàn)象的緣故，在所述裝置內(nèi)僅能在很窄 的頻帶上實(shí)現(xiàn)調(diào)制。此外，Mach-Zehnder裝置的結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，原 因是其使用兩個分支，這兩個分支還必須被進(jìn)一步聯(lián)結(jié)在電磁波的主 波導(dǎo)上。
此外，還已經(jīng)提出通過調(diào)節(jié)材料的吸收性從而直接調(diào)節(jié)穿過所述 材料的波的強(qiáng)度。這樣的解決方案例如在下述文章中提出來1995年 5月8日的PPL.Phys Lett.66 (19)中的A.Fenigstein等人的文章
"Current induced intersubband absorption in GaAs/GaAIAs quantum wells"以及Physica E16(2003)450/454中M.EIkurdi等人的
"Electromodulation of the interband and intraband absorption of Ga/Si cells assembled islands"。
然而，硅模具材料的低吸收性，不能夠使用已知技術(shù)傳輸?shù)牟ǖ?強(qiáng)度產(chǎn)生較強(qiáng)的調(diào)制效果，因此不可能實(shí)現(xiàn)高效而緊湊的調(diào)制器。
尤其為了克服所述問題，本發(fā)明提出包括波導(dǎo)的調(diào)制器，所述波 導(dǎo)具有吸收性地傳播給定波長的電磁波，其特征在于適于改變電磁波 在波導(dǎo)中存在的時間的裝置。
這樣，即使波導(dǎo)材料的固有吸收相對較弱時，也可以通過增加所 述電磁波在波導(dǎo)內(nèi)的存在時間而放大電磁波的吸收現(xiàn)象，因此獲得相 對較大的吸收性。
例如用給定波長的吸收材料來實(shí)現(xiàn)所述波導(dǎo)。
波導(dǎo)還可以例如包括納米結(jié)構(gòu)，所述納米結(jié)構(gòu)可以為半導(dǎo)體材料 的量子盒或量子阱。
所述兩種可能兼容的技術(shù)可允許獲得具有不可忽略的固有吸收 性的波導(dǎo)，然而所述吸收性也可能如上所述相對較微弱。
波導(dǎo)可以具有電介質(zhì)介電常數(shù)的周期性變化，這允許從散射結(jié)構(gòu) 的物理特性，尤其是在布里淵區(qū)(zone de Brillouin)邊界或中心的慢
傳播模式的存在中獲得好處。
按照一種可能的實(shí)施方式，波導(dǎo)為光子晶體波導(dǎo)。所述波導(dǎo)可以 例如通過硅模具工藝獲得實(shí)現(xiàn)，這就使調(diào)制器與部件的集成獲得簡 化。
還可以涉及邊緣具有正弦波形狀的脊形(rib或者ridge)波導(dǎo)。 所述用于改變存在時間的裝置實(shí)踐中可以包括用于改變電磁波 在波導(dǎo)中的折射率的裝置。該解決方案允許通過改變所述折射率來降 低群速度，且在上面所提及的慢傳播模式下使所述變化很大。
按照一種可能的實(shí)施方式，用于改變折射率的裝置可以包括電學(xué) 結(jié)。該解決方案在往部件中集成的方面也是有利的。
本發(fā)明還提出一種電磁波調(diào)制方法，所述電磁波具有給定波長且 在具有有吸收性的波導(dǎo)內(nèi)傳播，其特征在于，所述方法包括改變電磁 波在波導(dǎo)內(nèi)存在時間的步驟。
改變存在時間的步驟例如通過改變電磁波在波導(dǎo)內(nèi)的折射率來 獲得。
上述方法可以具有上面針對上述調(diào)制器已經(jīng)提出的特征及優(yōu)點(diǎn)。 本發(fā)明的其它特征與優(yōu)點(diǎn)將在下面參考附圖給出的描述中體現(xiàn)
出來。圖中


圖1示出了按照本發(fā)明說明實(shí)現(xiàn)的調(diào)制器；
圖2示出了圖1的調(diào)制器的切面圖3呈現(xiàn)了圖解圖1的裝置的功能的色散曲線。
圖l所示調(diào)制器為光學(xué)調(diào)制器，其包括入口區(qū)2、波導(dǎo)(這里是
光學(xué)波導(dǎo))4以及出口區(qū)6。
波導(dǎo)4形成在光子晶體8(例如由半導(dǎo)體材料內(nèi)部周期孔形成)
中且因此具有電介質(zhì)介電常數(shù)的周期性變化。
波導(dǎo)4包括納米結(jié)構(gòu)，例如硅上鍺(Ge/Si)量子盒5(見圖2)，
其允許吸收要傳輸?shù)碾姶挪āＴ趯?shí)施變型中，所述吸收性可以通過選
擇實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)的吸收性材料來獲得。
在硅技術(shù)中，材料的固有吸收通常為大約lcm"到lOcm-1。 光子晶體8被放在電學(xué)結(jié)11的內(nèi)部，通過兩個分別位于光子晶
體8兩側(cè)的接頭10、 12在電學(xué)結(jié)上施加電壓。
圖2示出了剛被描述的調(diào)制器的切面圖，其中清晰體現(xiàn)了電學(xué)結(jié)
11的結(jié)構(gòu)。
電學(xué)結(jié)11例如被設(shè)置在襯底20上，中間夾有光學(xué)指數(shù)比電學(xué)結(jié) 材料更低的層，例如氧化物層22，尤其是硅氧化物。電學(xué)結(jié)包括由摻 雜半導(dǎo)體材料(這里是Si-p)實(shí)現(xiàn)且設(shè)置在所述氧化物層22上、與 接頭12電接觸的第一層18，以及用半導(dǎo)體材料(這里是Si)實(shí)現(xiàn)且 設(shè)置在第一層上但不與接頭12接觸的第二層16，以及設(shè)置在第二層 16之上，同樣也不與接頭12接觸的摻雜半導(dǎo)體(這里是Si-n)的第
三層14。相反，接頭10直接設(shè)置在第三層14上，以使得按照圖1所 示舉例，把所述層接地。
第二氧化物層24可以覆蓋第三層14。
如圖2所示，第一層18、第二層16以及第三層14 (或可能第二 氧化物層24)被一些凹槽以規(guī)律的間隔所穿透，這些凹槽形成上面提 及的光子晶體8的孔。
此外，在光學(xué)波導(dǎo)4的位置上，半導(dǎo)體材料的第二層16包括納 米結(jié)構(gòu)(這里是量子盒5)，其如上所述在波導(dǎo)內(nèi)產(chǎn)生吸收性。
具有波長k的準(zhǔn)單色電磁波(例如光波)通過入口區(qū)2進(jìn)入波導(dǎo) 4內(nèi)，所述電磁波由帶吸收性的波導(dǎo)4穿過光子晶體8傳輸，且通過 出口區(qū)6從光子晶體8中出射。
電磁波在波導(dǎo)內(nèi)向光子晶體4的傳播的群速度由圖3所示的色散 曲線上點(diǎn)的斜率所確定。
圖3示出了使用硅上鍺量子井或盒的電荷栽流子相對較快的耗 盡(借助于電學(xué)結(jié)11所獲得)的情況，其中，利用了凹形色散曲線 向下的一部分。
然而，按照所使用的吸收材料與方法，可以使用凹形曲線向上的 一部分。
光子晶體8為散射結(jié)構(gòu)，波導(dǎo)4的色散曲線(其示出了按照傳播 模式的波矢量變化的能量)不是直線，因此具有變化的斜率，所述斜 率在至少一點(diǎn)相互抵消，原因是光子晶體8的光學(xué)模式的存在，所述 光學(xué)模式通過光子晶體8的介電常數(shù)的周期性特征而成對存在(也就 是源于色散曲線的能帶結(jié)構(gòu))。
通過在電學(xué)結(jié)11內(nèi)施加電壓(通過圖1示意性示出的接頭10、 12)，可以令光子晶體8在電荷載流子方面的分布密度變化，因此在 能量上(也就是通過圖3上的垂直偏移)移動波導(dǎo)4的色散曲線，例 如從圖2所示的曲線C2移動到曲線C1。
這樣就改變了波導(dǎo)4內(nèi)光學(xué)模式的折射率，這就等于改變了給定 波長的光線的傳播速度。
如圖3所示，色散曲線的能量移動可以使所述曲線的斜率在對應(yīng) 于所考慮的波長X的點(diǎn)上變?yōu)榱慊驇缀鯙榱?，并且由于色散曲線較大 的曲率而無需施加較高的電壓。
所述現(xiàn)象允許能十分一貫地(以100劃分)降低在波導(dǎo)內(nèi)傳播的 波的群速度。實(shí)際上，群速度可以事實(shí)上從c/3降低至c/100，甚至 c/1000 (此處c為光速)。
由此產(chǎn)生的光線速度的巨大減緩允許電磁波在波導(dǎo)內(nèi)的存在時 間的相應(yīng)增加，這就導(dǎo)致由光線穿過波導(dǎo)4所整體產(chǎn)生的吸收獲得大 幅的增加。
事實(shí)上，總吸收ag通過關(guān)系式ag-a/Vg與固有吸收ai相聯(lián)系，
其中Vg為群速度。
所述效果同樣適用于波長X附近的波長，對于這些波長，色散曲 線的斜率幾乎為零而群速度大幅度降低。
事實(shí)上，如上所述，對于具有電介質(zhì)介電常數(shù)周期性變化的波導(dǎo)， 波導(dǎo)內(nèi)存在時間Zf的變化不與指數(shù)」w的變化成正比(如在線性波導(dǎo) 內(nèi)的情況)，但是仍然按照如下數(shù)學(xué)關(guān)系式獲得巨大提高
^ = A"./.^，其中，/^€波導(dǎo)長度，Vg是群速度，由于
如上解釋的電介質(zhì)介電常數(shù)的周期性變化，項(xiàng)^J可以變得十分大。 圖i所示的包括單個波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)也可以被用作為光學(xué)調(diào)制器，而
無需增加諧振結(jié)構(gòu)，也無需如在Mach-Zehnder類型的裝置中那樣， 增加一平行的波導(dǎo)，這就避免了衍射損耗，而且擴(kuò)大了可用頻譜范圍。
還可以注意到，電荷栽流子密度在電學(xué)結(jié)11內(nèi)的改變，可允許 其本身借助于量子盒5控制所述材料的吸收，尤其是波導(dǎo)4處的吸收。
因此，將帶有光子晶體8的波導(dǎo)4設(shè)置在結(jié)11中可以將以下兩 種效應(yīng)結(jié)合起來，以當(dāng)電壓被施加在結(jié)上時調(diào)制波導(dǎo)的傳輸
-調(diào)制光學(xué)波導(dǎo)的固有吸收；
—調(diào)制被引導(dǎo)的光學(xué)模式的傳播速度，以便增加波的存在時間， 由此放大波導(dǎo)的吸收現(xiàn)象。
上述舉例自然僅代表本發(fā)明一種可能的實(shí)施方式。
權(quán)利要求
1.一種包括一波導(dǎo)(4)的調(diào)制器，所述波導(dǎo)有吸收性地傳播給定波長(λ)的電磁波，其特征在于，所述裝置(11)適于改變電磁波在所述波導(dǎo)中存在的時間。
2. 按照權(quán)利要求l所述的調(diào)制器，其特征在于，波導(dǎo)(4)用在 給定波長(X)處具有吸收性的材料實(shí)現(xiàn)。
3. 按照權(quán)利要求1或2所述的調(diào)制器，其特征在于，波導(dǎo)U) 包括納米結(jié)構(gòu)(5)。
4. 按照權(quán)利要求3所述的調(diào)制器，其特征在于，所述納米結(jié)構(gòu) 為半導(dǎo)體量子盒(5)。
5. 按照權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的調(diào)制器，其特征在于， 波導(dǎo)(4)具有電介質(zhì)介電常數(shù)的周期性變化。
6. 按照權(quán)利要求5所述的調(diào)制器，其特征在于，波導(dǎo)(4)為光 子晶體(8)波導(dǎo)(4)。
7. 按照權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的調(diào)制器，其特征在于， 用于改變存在時間的裝置包括用于改變電磁波在波導(dǎo)內(nèi)的折射率的 裝置。
8. 按照權(quán)利要求7所述的調(diào)制器，其特征在于，用于改變折射 率的裝置包括電學(xué)結(jié)(11)。
9. 一種電磁波調(diào)制方法，所述電磁波具有給定波長(k)且在具 有吸收性的波導(dǎo)(4)內(nèi)傳播，其特征在于，所述方法包括改變電磁 波在波導(dǎo)內(nèi)存在時間的步驟。
10. 按照權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，改變存在時間的 步驟是通過改變電磁波在波導(dǎo)U)內(nèi)的折射率而獲得的。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種調(diào)制器，其包括的有吸收性地傳播給定波長(λ)的電磁波的波導(dǎo)(4)。例如電學(xué)結(jié)(11)這樣的裝置允許改變電磁波在所述波導(dǎo)內(nèi)的存在時間。也提出了相應(yīng)的調(diào)制方法。
文檔編號G02F1/025GK101116025SQ200680004585
公開日2008年1月30日 申請日期2006年2月9日 優(yōu)先權(quán)日2005年2月11日
發(fā)明者塞爾萬·戴維, 昂馬呂?！ぐ⒓?申請人:原子能委員會