專利名稱：用于在載體電磁波中編碼數據的光子器件系統和方法
技術領域：
本發明的實施例涉及光子器件系統，特別涉及可以被配置為在載體 電磁波中編碼數據的光子器件系統。
背景技術：
從1970年代末期開始，光子器件已經越來越多地替代傳統電子器 件來傳輸數椐。除了在電信號中編碼數據并通過信號線傳輸編碼的數 據，數椐可以編碼在電磁波中并通過光子器件傳輸，諸如光纖和光子晶 體波導。通過光子器件傳輸編碼的電磁波相比于通過信號線傳輸編碼的 電磁信號有很多優點。首先，對于通過光子器件傳輸的電磁波，信號退 化或損失比通過信號線傳輸的電信號小得多。其次，光子器件提供比信 號線高得多的帶寬。例如，單個銅或鋁導線只能傳輸單個電信號，而單 個光纖可以配置為傳輸約IOO個或更多的電磁波。最后，電磁波提供高
得多的數據傳輸速率并消除了電磁干擾。
最近，材料科學和半導體制造技術上的進展，使得能夠制造將光子 器件與諸如存儲器和處理器的電子器件集成的計算設備。特別是，光子 集成電路(PIC )是等價于電子集成電路的光子設備。PIC可以在半導體 材料的小晶片上實現，該晶片形成集成電路的基底，并可以包括多個波 導用于將編碼在電磁波中的數據傳輸到多個集成光子和電子器件。不同 于硅是主要材料的電子集成電路，PIC可以由多種材料構成。例如，PIC 可以由一元半導體，諸如絕緣體上的硅，或者二元化合物半導體和三元 化合物半導體，諸如InP和AlxGa^As (其中x從0到1變化)構成。
為了有效地實現PIC,需要多種無源和有源光子組件。波導和衰減
二可;于引導電磁波在電子器件之間的傳播:物理J家，工程師和計算
機科學家已經意識到對于有源光子器件組件的需求，諸如調制器和開 關，其可在PIC中實現來在電磁波中編碼數椐和調節電磁波的傳輸。
發明內容
曰A的谷狎工漲.伸J巧
系統和方法。在本發明的一個實施例中，光子器件系統包括第一波導， 其配置為傳輸多個電磁波。該光子器件系統包括具有諧振腔的光子晶 體，并被配置為選擇性地并且倏逝地將一個或多個電磁波從第一波導耦 合到諧振腔中。該光子器件系統還包括第二波導，其定位為通過倏逝耦 合從諧振腔傳輸和提取一個或多個電磁波。
圖1示出了一維光子晶體的示例。
圖2示出了二維光子晶體的示例。
圖3A-3B分別是第一一維光子晶體和第二一維光子晶體的頻率對波 矢量z分量的假想圖。
圖4-5示出了兩個二維光子晶體的透視圖。
圖6A-6B示出了橫向電場和磁場模在圖5所示的二維光子晶體中的 傳播。
圖7示出了在圖4所示的二維光子晶體中傳播的橫向電場和磁場模 的光子帶結構。
圖8示出了具有兩個諧振腔和一個波導的光子晶體的示例。
圖9是圖8所示的光子晶體的波導的頻率對波矢量幅度的假想圖。
圖10示出了代表本發明一個實施例的第一光子器件系統的等軸視圖。
圖1U示出了圖10所示的第一光子器件系統的截面圖，其中有代
表本發明一實施例的單層半導體傳輸層。
圖IIB示出了圖10所示的第一光子器件系統的截面圖，其中有代
表本發明 一 實施例的三層半導體傳輸層。
圖12示出了三種不同的示例諧振腔配置，每種諧振腔代表本發明 的一個實施例。
, 圖13示出了對于在圖IO所示的代表本發明一個實施例的第一光子 器件系統的波導之間倐逝地傳輸的電磁波，標準化的傳輸對標準化的頻 率的曲線圖。
圖14示出了代表本發明一個實施例的圖IO所示的光子器件系統的一種示例使用，來過濾電磁波。
圖15示出了代表本發明一個實施例的笫二光子器件系統的等軸視圖。
圖16A示出了圖15所示的第二光子器件系統的截面圖，其中有代
表本發明一實施例的單層半導體傳輸層。
圖16B示出了圖15所示的笫二光子器件系統的截面圖，其中有代
表本發明一實施例的三層半導體傳輸層。
圖17示出了對于在圖15所示的代表本發明一個實施例的第二光子 器件系統的波導之間倏逝地傳輸的電磁波，標準化的傳輸對標準化的頻 率的曲線圖。
圖18A-18B示出了圖15所示的第二光子器件系統作為代表本發明 的 一 個實施例的電磁波調制器工作的示意性表示。
圖19A-19E示出了代表使用圖15所示的代表本發明一個實施例的 第二光子器件系統，可以在載體電磁波中編碼信息的三種方式的曲線 圖。
圖20示出了代表本發明一個實施例的，包括四個圖〗5所示的第二 光子器件系統來編碼信息的第 一示例性光子集成電路。
圖21A-21B示出了代表本發明一個實施例的第一光子開關的操作。 圖22A-22B示出了代表本發明一個實施例的光子開關的波導和儲存 器的截面圖。
圖23示出了代表本發明一個實施例的，包括四個圖15所示的第二 光子器件系統的第二示例性光子集成電路。
圖24A-24B示出了代表本發明一個實施例的基于光子晶體的開關的操作。
具體實施例方式
本發明的各個實施例涉及可用于調節電磁波的傳輸，以及在電磁波 中編碼數據的光子器件系統和方法。注意，用于描述本發明的各實施例 的術語"光子器件"是指可用于傳輸波長跨越電磁波譜的經典的電磁波 或量化電磁波的器件。換言之，用于描述本發明的各實施例的術語"光 子器件"不限于傳輸被稱為"光子，，的電磁波量的器件。為了幫助讀者 理解對本發明的各實施例的說明，在第一小節中提供了光子晶體，波導和諧振腔的概述。在第二小節中說明了本發明的各種系統和方法實施 例。
光子晶體、波導和諧振腔的概述
本發明的實施例使用了光子晶體、脊波導和其它光子器件中的概
念。由Katsunari Okamoto著的由Elsevier Inc.公司在2005年出版 的"Fundamentals of Optical Waveguides"、 由Snyder和Love著的 由Chapman and Hall, London公司在1983年出版的"0ptical Waveguide Theory"、 由Jean—Michel Lourtioz著的由Springer-Verlag, Berlin 公司在2005年出版的"Photonic Crystals"教科書是本領域的出色的 引用書。在本小節中，說明了與本發明的實施例有關的光子晶體的主題。
與本領域相關的許多其它教科書、論文和雜志文獻中得到。
光子晶體是由具有電介質特性的兩種或更多種不同材料構成的光 子器件，所述材料在以規則的模式結合在一起時，能夠修改電磁輻射 ("ER")的傳播特性。圖l和圖2示出了具有不同介電特性的兩種不 同材料能夠結合形成光子晶體的多種不同的可能模式中的兩種。光子晶 體一般由其中電介質模式為周期性的方向的數目來標示。例如，圖l示 出了一維光子晶體的示例。在圖l中，光子晶體100由7層在z方向上 周期交替的兩種不同電介質構成。非陰影層101-104由具有介電常數 e,的第一電介質構成，標有斜線的層105-107由具有不同的介電常數 52的第二電介質構成。這些層以稱為"晶格常數"的重復距離規則地 間隔，在圖1所示的晶格常數的情形中，晶格常數為a。圖2示出了二 維光子晶體的示例。二維光子晶體200包括兩種不同電介質的交替層， 并在x方向和y方向上是以兩個晶格常數a和b為周期性的。諸如區 201的非陰影區由具有介電常數^的第一電介質構成，諸如區202的標 有斜線的區由具有不同介電常數s 2的第二電介質構成。光子晶體還能 夠以在三維中的重復模式構造。三維光子晶體可以使用嵌入在包括第二 電介質的厚片中的包括第一電介質的球體、管狀體或其它立體形狀來構 造。
ER在電介質中的傳播能夠用包括振蕩正交的電場S和磁場A,和 傳播方向f的電磁波來表征。所述電場和磁場由麥克斯韋方程式來相關
7聯:
式1 式2
式3
▽ ，,0 = 0 Vs(F)維,)-0
Vx左(;v)---
3/
式4 :Vx ) &
式中F是電磁波在電介質中的空間位移，t是時間，"F)是介電常數。
由于電介質通常不支持自由電荷或自由電流，所以，式l-4不包括 電荷密度項或體電流密度項。旋度方程式3和式4是線性微分方程。在 這兩個式中，左側表示場對獨立空間位移F的依賴性，右側表示場對t 的依賴性。使相對于F變化的微分量與相對于t變化的微分量維持相等 的唯一方式是使所述微分量等于同一常數值。式3和式4的兩側都等于 常數，可應用分離變量法來得到 A(F,/)-辟)exp(/—
其中w是在電介質中傳播的電磁波的角頻率。
能夠通過將式4除以介電常數"F)、應用旋度算子并且以式3替代 電場旋度來對麥克斯韋的旋度方程3和4解耦而給出
式5: = a;2j^)
其中0-Vxf;Vx)是微分算子。
式5是特征值方程，其中特征值是必2,并且特征函數是相應的磁場A(F)。 在根據式5確定磁場A^)后，能夠通過將A(f,/)代入式3中并求解f(F)而 得到電場f。。
對諸如圖1和圖2所示光子晶體的有限維光子晶體而言，對式5的 特征值和特征函數進行量化以得出
式中j是稱為"頻帶指數，，的非負整數值，頻帶指數以角頻率增加的次 序標記磁場的諧波4莫。 —
可用光子晶體的平移對稱,來確定磁場巧(0的函數形式。例如， 在光子晶體100中傳播的磁場巧W的函數形式如下
式6: A從A (f) = exP(丄〃 .》)exP(^力^W, W其中/5是xy平面矢量，^是xy平面波矢量，、是z方向波矢量分量，
^A,人W是z方向上的周期函數。式6中的指數項exp(^.句源自于穿過 xy ^面中的電介質層傳播的ER的連續平移對稱性。但是，式6中的項
exp(,V聲M,人(z)源自于布洛赫定理以及由光子晶體100的介電常數的周 期性在z方"所施加的離散平移對稱性，其由下式給出
式中月="/2, a是由電介質層的規則模式確定的晶格常數，1是一個整數。 磁場^j^,W是以2%的整數倍為周期。結果，相關的角頻率也是 周期性的
式7:
A'十
、 or _
光子晶體的電介質模式的不同生成一個或多個被稱為"光子帶隙" 的頻率coj的范圍，在該范圍中，ER被阻止在所述光子晶體中傳播。所
述光子帶隙也對應于電磁能范圍和波長范圍，所述波長表示為人j,在該 范圍中，電介質之間的差異防止ER吸收和ER傳播。通過光子晶體傳播
的ER的波長入j與角頻率巧有關
_ 2;rv /t乂 =- .
其中v是ER在光子晶體中的速度。某些ER頻率范圍不傳播通過光子晶 體，因為高頻諧波模趨于在具有低介電常數的電介質區集中電磁能，而 低頻諧波模趨于在具有高介電常數的電介質區集中電磁能。電磁能W可 以根據如下的變分原理來確定
,)油^lv,)12
式中^,AhJd^(f)w(F) ， "*"表示復共軛。在具有高介電常數的區
中傳播的諧波模的電磁能低于在具有低介電常數的光子晶體的區中傳 播的模的電磁能。
一維光子晶體的光子帶隙中的頻率的大小和范圍取決于構成光子 晶體的電介質的介電常數之間的相對差異。在構成光子晶體的材料的介 電常數之間具有大的相對差異的一維光子晶體比在介電常數之間具有 較小相對差異的光子晶體在較高頻率范圍具有更大的光子帶隙。
圖3A-3B分別是第——維光子晶體和第二一維光子晶體的頻率 (fi^^J對波矢量z分量&的假想圖。在圖3A-3B中，諸如橫軸301的橫
9軸對應于波矢量z分量&,諸如縱軸302的縱軸對應于頻率。由于如以 上參考式7所述的那樣頻率巧.是周期性的，所以，對于角頻率帶j等于
1 、 2和3，相對于波矢量z分量范圍-丌/a和7T/a繪制出頻率(",/J。
用陰影區303和304來標示光子帶隙。線305、 306和307對應于第一、 第二和第三角頻率帶(j-l、 2、 3)。在圖3A中的光子帶隙303的寬度 310小于圖3B中的光子帶隙304的寬度312,原因在于構成第一光子晶 體的材料的介電常數之間的相對差異小于構成第二光子晶體的材料的 介電常數之間的相對差異。此外，光子帶隙303覆蓋了比光子帶隙304 所覆蓋的頻率范圍更低的頻率范圍。
二維光子晶體能夠由在電介質厚片中所構建的圓柱孔的規則晶格 來構成。所述圓柱孔可以是氣孔或填充了與所述光子厚片的電介質材料 不同的電介質材料的孔。圖4示出了二維光子晶體的透視圖。在圖4中， 光子晶體400由具有諸如柱402的嵌入圓柱孔的規則晶格的電介質厚片 401構成。如標為圓柱孔403的圓柱孔從厚片401的頂表面延伸至底表 面，并且可以是填充了氣體或具有不同于厚片401的介電常數的介電常 數的任意其它材料的孔。二維光子晶體還能夠由氣體或液體所包圍的圓 柱的規則晶格排列來構成。圖5示出了具有由諸如氣體或液體的流體所 包圍的諸如圓柱501的立體圓柱的規則方形晶格的二維光子晶體500, 所述流體的介電常數不同于所迷圓柱的介電常數。
二維光子晶體使得在光子晶體的周期性平面中傳播的ER偏振，并 且電場和磁場可分為兩種不同的偏振(l)橫向電場("TE")模；和 (2)橫向磁場("TM")模。TE具有指向垂直于光子晶體的周期性平 面的A(-)以及指向在光子晶體的周期性平面中的左C5),而TM具有指向 垂直于光子晶體的周期性平面的^巧以及指向在光子晶體的周期性平 面中的^(力。圖6A-6B示出了 TE和TM模在圖4所示的二維光子晶體中 的傳播。光子晶體400的周期性平面位于xy平面中，圓柱孔平行于z 方向，ER在y方向上傳播通過光子晶體400。在圖6A中，振蕩曲線601 表示指向垂直于xy平面的Ap)模，振蕩曲線602表示指向在xy平面中 的正交左05)模。在圖6B中，振蕩曲線603表示指向垂直于xy平面的Sp) 模，振蕩曲線604表示指向在xy平面中的正交A(巧模。
圖7示出了在圖4所示的光子晶體中傳播的ER的TM和TE模的光 子帶結構。在圖7中，縱軸701表示在光子晶體400中傳播的ER的角 頻率，橫軸702表示在圖4所示的光子晶體400的光子晶體片段703中標記為r 、 M和K的晶格點之間的ER傳播路徑。諸如實線704的實線表 示TM模，諸如虛線705的虛線表示TE模。帶陰影的區706標示不允許 TE模和TM模在光子晶體4 00中傳播的光子帶隙。
諸如光子帶隙706的二維光子晶體厚片中的光子帶隙所覆蓋的寬度 和頻率范圍取決于由晶格常數a表示的圓柱孔的周期性間隔和所述厚片 的介電常數與圓柱孔的介電常數之間的相對差異。此外，對于所述厚片 的介電常數與圓柱孔的介電常數之間較大的相對差異，光子帶隙706覆 蓋的頻率范圍能夠被移到較高的頻率范圍，而對于所述厚片的介電常數 與圓柱孔的介電常數之間較小的相對差異，光子帶隙706能夠被移到較 低的頻率范圍。
二維光子晶體能夠被設計成反射在指定的頻帶之內的ER。結果，二
維光子晶體能夠被設計和構造為用于防止具有在光子晶體的光子帶隙 內的頻率的ER的傳播的頻帶阻止濾波器。 一般來說，圓柱孔的大小和 相對間隔控制ER的哪些波長被禁止在二維光子晶體中傳播。但是，可 以在圓柱孔的晶格中引入缺陷來產生特定的局部化分量。特別地，可以 制備也稱為"諧振腔"的點缺陷來提供暫時捕獲窄范圍的ER頻率或波 長的諧振器。能夠制備被稱作"波導"的線缺陷來傳送頻率范圍或波長 處于光子帶隙的頻率范圍內的ER。結果，三維光子晶體厚片能夠被認為 是具有折射率n的二維光子晶體，所述折射率n依賴于厚片的厚度。
圖8示出了具有兩個諧振腔和一個波導的光子晶體的示例。能夠通 過省卻選擇圓柱孔、增大或減少選擇圓柱孔的大小來在二維光子晶體厚 片中創建諧振腔。例如，如由虛線圓圈所環繞的空白區所示，通過省卻 圓柱孔來在光子晶體800中創建諧振腔801。諧振腔801和805由暫時 捕獲在光子帶隙的頻率范圍中的ER的有效反射壁包圍。諧振腔能夠在 與光子晶體的平面垂直的方向上引導窄頻帶內的ER。例如，諧振腔801 能夠捕獲光子帶隙的窄頻帶內的局部化TM模和TE模。除非光子晶體8 00 被夾在產生完全內反射的兩個反射板或電介質之間，否則，在諧振腔8 01 中諧振的ER就會在與光子晶體800的周期性平面垂直的方向上逃逸。 每個諧振腔具有相關聯的質量("Q")因子，其提供在ER漏入包圍諧 振腔的區之前在諧振腔中發生了多少次振蕩的度量。
波導是能夠被用來將光子帶隙的特定頻率范圍內的ER從光子晶體 中的第一位置引至光子晶體中的第二位置的光傳輸路徑。能夠通過改變
ii圓柱孔的行或列內的某些圓柱孔的直徑或者通過省卻圓柱孔的行來制
備波導。例如，在光子晶體800中，如虛線803和804之間的空白區域 所示，通過在制備光子晶體800期間省略整行圓柱孔來構建電介質波導 802。電介質波導802沿單個路徑傳送具有波長A。和入，的ER。能夠使 用分支波導的網絡在多個不同的路徑中引導ER通過光子晶體。沿波導 傳播的電磁信號的直徑能夠小至入/3n,其中n是波導的折射率，而諧 振腔的諧波模體積能夠小至2 X /3n。
波導和諧振腔在防止ER漏入直接包圍波導和諧振腔的區中的效率 可能會低于100%。例如，沿波導傳播的處于光子帶隙中的頻率范圍之內 的ER也趨于擴散到包圍所述波導的區中。進入包圍波導或諧振腔的區 中的ER經歷幅度呈指數衰減的稱作"消散"的過程。結果，諧振腔能 夠被置在波導的短距離之內，以允許波導所承栽的ER的某些波長被諧 振腔提取。在功效上，諧振腔是能夠被用來提取在波導中傳播的ER的 某一波長的一部分的濾波器。取決于諧振腔Q因子，所提取的ER能夠 保持被捕獲在諧振腔中并且在漏入周圍環境中或反向散射進波導中之 前諧振一段時間。例如，在圖8中，諧振腔801距離波導802太遠以至 于不能提取具有ER的特定波長的模。然而，諧振腔805能夠提取沿波 導802傳播的具有波長入3的ER的一部分。這樣，具有波長"的ER的 更小的一部分可以留下來與波長為、和入2的ER —起在波導802中傳
播。 一
圖9是圖8所示的光子晶體的波導的頻率對波矢量￡〃的幅度的假 想圖。在圖9中，陰影區901和902表示圖8所示的光子晶體800在沒 有波導802時所計劃的第一和第二帶結構。區903標識由光子晶體800 所形成的光子帶隙。線904標識允許在波導802中傳播的頻帶。能夠通 過增大波導802的大小來增加允許在波導802中傳播的頻帶的數目。對 三維光子晶體而言，三維晶格參數、介電常數之間的差異以及所含物的 尺寸確定了光子帶隙的頻率范圍。還能夠通過有選擇地除去某些所含物 或改變某些所含物的尺寸來在三維光子晶體中制備波導和諧振腔。
本發明的實施例
圖10示出了代表本發明一個實施例的第一光子器件系統1000的等 軸視圖。光子器件系統1000包括已經形成在傳輸層1008中的第一脊波導1002,光子晶體1004，以及第二脊波導1006。傳輸層1008由諸如 Si02的襯底1010支持。光子晶體1004包括跨越光子晶體的高度的多個 孔洞，諸如孔洞1012，的三角形晶格，并且還包括諧振腔1014。諧振 腔1014通過在第一脊波導1002和第二脊波導1006之間的大致中間處 選擇性地略去孔洞晶格中的一個孔洞來產生。傳輸層1008可以使用化 學氣相沉積來形成，孔洞晶格和脊波導1002和1006可以使用任何公知 的外延或光刻技術來形成。
傳輸層1008可以由單一半導體層構成，或者由多個層構成，其中 每個層由不同種類的半導體構成。圖11A示出了光子器件系統1000的 截面圖，其中有代表本發明一實施例的單一半導體構成的傳輸層1008。 傳輸層1008可以由一元半導體，諸如硅，或者二元，三元或四元半導 體化合物，諸如II-VI或III-V族半導體構成。例如，傳輸層1008可 以由都是II-VI族半導體化合物的ZnTe或CdSe中之任一構成，或者都 是III-V族半導體化合物的GaAs或InP中之任一構成。圖11B示出了 光子器件系統1000的截面圖，其中有代表本發明一實施例的三個半導 體層構成的傳輸層1008。如圖11B所示，傳輸層1008由夾在頂部半導 體層1104和底部半導體層1106之間的中間半導體層1102構成，頂部 半導體層1104和底部半導體層1106由基本相同的材料構成。例如，中 間半導體層1102可以由GaAs構成，頂部半導體層1104和底部半導體 層1106可以都由InP構成。
可以選擇用于傳輸層1008的不同半導體材料的數量可以基于要在 光子器件系統1000中傳輸的電磁波的波長。換言之，每種半導體材料 具有不同的對應的介電常數s ，其與電磁輻射的特定波長的傳輸相關 聯。例如，硅傳輸層1008具有大約11. 8的介電常數，并且可以傳輸波 長大于約1微米的電磁波，而GaAs傳輸層具有大約8. 9的介電常數， 并且可以傳輸波長大于約0. 35微米的電磁波。
晶格常數a和晶格孔洞的半徑r可以變化來產生阻止一頻率范圍上 的電磁波在第一波導1002和第二波導1006之間傳輸的光子帶隙。然而， 諧振腔1014可以被配置為允許位于光子帶隙之內的一頻率范圍上的電 磁波，通過倐逝耦合在第一波導1002和第二波導1006之間傳輸。電磁 波被限制到諧振腔1504附近的區域。
如上參考圖10所迷，諧振腔1014通過選擇性地略去構成光子晶體
131004的孔洞晶格中的一個孔洞來產生。然而，根據本發明的不同的系統 實施例，可以在光子晶體1004中形成任意數量的不同種類的諧振腔配 置。圓12示出了三種不同的示例諧振腔配置，每種諧振腔代表本發明 的一個實施例。如圖12所示，第一諧振腔1202包括半徑大于晶格孔洞 的半徑r的單個孔洞，第二諧振腔1204包括半徑小于晶格孔洞的半徑r 的單個孔洞，第三諧振腔1206可以通過略去孔洞并以小于晶格孔洞的 半徑r的半徑制造周邊孔洞來形成。注意對于所有三種諧振腔1202, 1204和1206,光子晶體的晶格常數a保持不變。
除了諧振腔的配置，用于形成傳輸層的半導體材料的類型確定了可 以在第一波導1002和第二波導1006之間傳輸的電磁波的頻率范圍。圖 13示出了對于通過諧振腔1014而在第一波導1002和第二波導1006之 間傳輸的電磁波，標準化的傳輸對標準化的頻率的曲線圖。在圖13中， 橫軸1302對應于在諧振腔1014中諧振的電磁波的標準化的頻率(a/ 入)，縱軸1304對應于在第一波導1002和第二波導1 006之間傳輸的 電磁波的標準化的傳輸。標準化的傳輸曲線1306-1308分別對應于具有 介電常數IO. 5, 10. 45和10. 4的三種不同傳輸層1 008半導體材料。曲 線1306-1308是對晶格間隔和半徑以r=0. 4a相關的光子晶體1004,使 用二維時域有限差分(FDTD )數值方法生成的。FDTD方法是用于仿真電 磁波在光子晶體中的傳播的很多公知的數值方法中的 一 種(見例如， Jean-Michel Lourt ioz等人的Photonic Crystals, Springer-Verlag, Berlin, 2005， pp. 78-88 )。曲線1306-1308顯示，隨著傳輸層1008 的介電常數降低，電磁波的強度變小大約1/2，并且傳輸峰向更高的頻 率偏移。還注意，只有頻率在曲線1306-1308的頻域內的電^f茲波在第一 波導1002和第二波導1006之間傳輸。例如，對于介電常數為10.4的 傳輸層1008，標準化頻率在從約0. 297到約0. 298之間的域中的電磁波， 可以通過諧振腔1014而在第一波導1002和第二波導1006之間傳輸。 然而，頻率在曲線1 308的域之外的電磁波不在第一波導1002和第二波 導1006之間傳輸。
圖14示出了代表本發明一個實施例的光子器件系統1000的一種示 例使用，來過濾電磁波。如圖14所示，波長為入n入2和入3的多個電 磁波在第一波導1002中朝著光子晶體1004傳播。晶格常數a和孔洞的 半徑r被定尺寸為使得電磁波入，，入2和入3落在光子晶體1004的光子帶隙內。然而，諧振腔1004被配置為使得只有電磁波入，可以在諧振腔 1004內諧振。結果，電磁波入2和入3被光子晶體1004反射，而電磁波 入，被倏逝地耦合到諧振腔1004中。接著，電磁波入，被倏逝地耦合到第 二波導1006中。
圖15示出了代表本發明一個實施例的光子器件系統1500的等軸視 圖。光子器件系統1500包括結構上類似上面參照圖IO所示的光子器件 系統1000所述的組件的多個組件。因此，為了簡明起見，光子器件系 統IOOO和光子器件系統1500中結構上相似的組件被提供了相同的附圖 標記，并且它們的結構和功能的解釋不再重復。光子晶體1502包括基 本上位于第一波導1002和第二波導1006之間的中間的諧振腔1504。盡 管該諧振腔1504通過從孔洞晶格略去一個孔洞來形成，本發明不限于 這樣的配置。在本發明的替代實施例中，諧振腔1504可以如上面參考 圖12所迷地配置。不像上面參照圖10-13所述的光子晶體1004，光子 晶體1502包括延伸區域1506和1508,其可以由高折射率材料形成。光 子器件系統1500還包括第一電接觸1510,支持在傳輸層1008上；以及 第二電接觸1512，由延伸區域1506支持。電接觸1510和1512定位在 光子晶體1500的相對側上，使得電壓可以跨諧振腔1502施加。電接觸 1510和1512可以由Cu， Al， Au, Ag, Pt,摻雜的半導體材料，或其他 適當的材料構成。
圖16A-16B示出了代表本發明的實施例的光子器件系統1500的截 面圖。如圖16A-16B所示，傳輸層1008可以由單層半導體材料或三層 半導體材料構成，如上面參照圖11A-UB所述。電極1512定位在延伸 區域1506的頂表面上。
在第一和第二電接觸1510和1512之間跨諧振腔1502施加的電壓 改變諧振腔的介電常數。換言之，電接觸1510和1512之間施加的電壓 使得光子器件系統1500的傳輸峰偏移。圖17示出了對于通過代表本發 明一個實施例的諧振腔1504,在第一波導1002和第二波導1006之間通 過倏逝耦合傳輸的電磁波，標準化的傳輸對標準化的頻率的曲線圖。在 圖17中，橫軸1702對應于在諧振腔1504中諧振的電磁波的標準化的 頻率(a/A )，縱軸1704對應于在第一波導1002和第二波導1006之 間傳輸的電磁波的標準化的傳輸。標準化的傳輸曲線1706-1708對應于 具有介電常數值IO. 5， 10. 45和10. 4的諧振腔1504，這是通過跨諧振
15腔1504施加三個不同的電壓等級來產生的。這些標準化的曲線是使用 上面參照圖13所述的FDTD方法生成的。換言之，通過跨諧振腔1504 施加適當的電壓，諧振腔1504的介電常數可以從傳輸特定頻率范圍上 的電磁波偏離。例如，假定初始地，諧振腔1504的介電常數是大約10. 4。 結果，曲線1708顯示頻率范圍從約0. 297到約0. 298的電石茲波可以在 第一波導1002和第二波導1006之間傳輸。然而，當適當的電壓施加在 電接觸1510和1512之間時，諧振腔的介電常數可以偏移到10. 5，這對 應于曲線1706。如圖17所示，頻率范圍從約0. 297到約0. 298的電》茲 波不再能夠在第一波導1002和第二波導1006之間傳輸。
通過比較圖13和圖17所示的標準化的傳輸，注意到高折射率延伸 區域1506和1508降4氐了第一波導1002和第二波導1006之間的電磁波 傳輸。在本發明的替代實施例中，該傳輸降低可以通過在第二波導1006 和延伸區域1506和1508之間蝕刻空氣間隙來避免。否則的話，傳輸分 別對于△ s / s等于大約0. 0048降低大約4. ldB,對于△ s / s等于大約 0. 0095降低大約14. OdB。還注意到電接觸1510和1512不影響電/f茲波 的傳輸。
光子器件系統1500可以作為在載體電磁波(載波)中編碼信息的 調制器工作。圖18A-18B示出了光子器件系統1500作為代表本發明的 一個實施例的調制器工作的示意性表示。在圖18A中，光子器件系統 1500與第一節點1802電耦接，第一節點1802可以是處理器，存儲器， 或其他數據存儲或數椐生成電子裝置。第一節點1802在發送到光子器 件系統1500的電信號中編碼數椐。源1804生成也發送到光子器件系統 1500的載波？Ww。現在參照圖18B，源1804生成的載波入M在第一波導 1002中發送到光子晶體1502。栽波入cw倏逝地耦合到諧振腔1504中。 在載波？Uw倏逝地耦合到諧振腔1504中的同時，電接觸1510和1512也 接收產生跨諧振腔1504的振蕩電壓的電信號，該電信號也編碼節點 1802產生的信息。電壓振蕩調制載波入^來產生調制的電磁波入咖，其 編碼了相同的信息并倏逝地耦合到第二波導1006中。回到圖18A,調制 的電磁波入咖可以在光纖1806中在長距離上傳輸到第二節點1808供處 理。在本發明的替代實施例中，調制的電磁波入M。。可以在光子晶體波導， 脊波導上，或者通過自由空間傳輸。
圖19A-19E提供了代表本發明一個實施例的使用如上參照圖18A-18B所示的光子器件系統1500,在載波中編碼信息的概念表示。計 算系統中的信息通常由比特的序列表示。每個比特等價于兩種選項，諸 如"是，，和"否"，或者"導通"或"斷開，，中的一個選擇。單個比特 的兩種狀態通常由二進制數"1"和"0"表示。盡管電磁波包括磁場分 量和電場分量，為了簡明起見，在下面的討論中載波由電場分量表示
其中電場沿z方向傳播，w是角頻率，A是波矢w/c, f是時間，f。是電 場幅度。圖19A示出栽波的電場分量對時間的曲線圖。在圖19A中，以 及在后續的圖19C-19E中，橫軸1902是時間軸而縱軸1904是幅度E。 曲線1906表示具有規則振蕩頻率的栽波的電場分量f)。栽波1906 在第一波導1002中傳輸并倐逝地耦合到諧振腔1504中。為了產生上面 參照圖18所述的調制的電磁波入咖，跨諧振腔1504的電壓根據圖18A 所示的第一節點1802提供的電信號變化。圖19B示出編碼了二進制數 "10101"的振蕩電壓的電壓對時間的曲線圖，其代表了施加到諧振腔 1504的電壓可以變化來編碼信息的^^多種可能方式之一。較低電壓 1908-1910對應于二進制數"1"，而較高電壓1911和1912對應于二進 制數"0"。
光子器件系統1500可以通過調制載波人^幅度來產生調制的電磁波 入，。圖19C示出了幅度調制的電磁波入M。。的示例，其根椐圖19B所示 的電壓編碼了二進制序列"10101"。在圖19C中，單個比特對應于信 號的四個相繼的周期。周期1914和1915具有小的幅度，其對應于二進 制數"0"，并且是通過當跨諧振腔的電壓分別對應于較高電壓等級1911 和1912時，將諧振腔1504的介電常數從在第一波導1002和第二波導 1006之間傳輸載波移開而實現的，如上面參考圖17所述。周期 1916-1918具有大的幅度，其對應于二進制數"1"，并且是通過當跨諧 振腔1504的電壓分別對應于較低電壓等級1908-1910時，4艮少到不偏 移諧振腔1504的介電常數而實現的。
光子器件系統1500還可以通過調制載波入^頻率或相位來產生調制 的電磁波入咖。圖19D-19E分別代表頻率和相位調制的電磁波，并且每 個可以通過施加適當的振蕩電壓來改變諧振腔1504的介電常數來實現。 圖19D示出了根據未示出的電壓模式的，二進制數"10101"的頻率調 制的電磁信號編碼的示例。在圖19D中，較低頻率周期1920-1922對應于二進制數"1"，較高頻率周期1923和1924對應于二進制數"0"。 使用相位調制來通過偏移載波的相位編碼信息，如下所示
其中0代表相移。圖19E示出了二進制數"0"和'T，的相位調制電磁 波編碼的示例。在圖19E中，周期1924-1926對應于二進制數"1"， 并且周期1927和1928包括從周期1924-1926的1/2周期相移且對應于 二進制數"0"。還可以為電信信號調制這些電磁信號。例如，可以為 電信信號中的歸零(RZ)或非歸零(NRZ)軸碼調制電磁信號。
光子器件系統1500可以用于在PIC中編碼信息。圖20示出了代表 本發明一個實施例的，包括四個光子器件系統來編碼信息的示例性PIC 2000。 PIC 2000包括源2002,六個節點2004-2009，四個光子器件系統 2010-2013,以及耦接到其他光學或電子設備(未示出)的兩個光纖2014 和2015。節點2004-2009可以是電子處理器，存儲器，傳感器或其他電 子數據生成裝置的任意組合。光子器件系統2010-2013電耦接到節點 2004-2007,如上參考圖18A所述。源2002通過波導諸如波導2016耦 接到光子器件系統。波導可以是單個傳輸層中的脊波導或光子晶體波 導，或者光纖。源2002生成通過波導傳輸到光子器件系統2010-2013 的栽波入m。節點2004-2007在載波入c,中編碼信息來產生四個不同地調 制的電磁波入咖，如上參考圖18-19所述。這些調制的電磁波入咖分開 地傳輸到節點2008和2009以及光纖2014和2015。
PIC還可以包括位于波導接合處的光子開關，用于調節栽波到不同 節點的傳輸。例如，如圖20所示，光子開關可以位于脊波導接合 2018-2010處。圖21A-21B示出了代表本發明一個實施例的第一光子開 關2100的操作。光子開關2100包括分叉成第一脊波導2104和第二脊 波導2106的單個脊波導2102。如圖21A所示，笫一脊波導2104包括孔 洞2108-2110,第二脊波導2106包括孔洞2111-2113。孔洞2108-2113 阻止載波入ew傳過第一和第二脊波導2104和2106。結果，第一和第二波 導2104和2106被稱為被關"斷"。另一方面，通過用折射率和第一和 第二波導2104和2106的折射率基本相同的液體填充這些孔洞，載波 入cw可以傳過任意第一和第二脊波導2104和2106。如圖21B所示，三個 虛線的圓圈代表被液體填充的波導2204中的孔洞2108-2110。結果，載 波入^可以傳過該接合，通過第一波導2104,這稱為開"通"。圖22A-22B示出了代表本發明 一個實施例的光子開關的波導中的三 個孔洞的截面圖。如圖22A所示，波導2202包括跨越波導2202的高度 的三個孔洞2204-2206。儲存器2208位于襯底2210中并在三個孔洞 2204-2206之下。儲存器2208填充有折射率和波導2202基本相同的液 體。該光子開關還包括電阻器線圏2212，其連接到電源2214。換言之， 電阻器線圏2212操作為加熱儲存器2208中的液體的加熱元件。
將波導2202開"通"和關"斷"參照圖22A-22B來描述。參考圖 22A,沒有存儲在儲存器2208中的液體填充孔洞2204-2206。結果，載 波入M不傳過孔洞2204-2206,波導關"斷，，。然而，參照圖22B，當電 源2214產生的電流通過電阻器線圏2212時，波導2202可以被開"通"。 電阻器線圍2212加熱，其加熱儲存器2208中的液體，使得液體膨脹并 填充孔洞2204-2206。因為液體的折射率與波導2202的折射率基本相 同，載波入^傳過孔洞2204-2206。波導2202通過關"斷"電源2214 并通過允許液體冷卻并收縮來關"斷"。
在本發明的替代實施例中，光子開關可以使用光子晶體波導接合來 在PIC中制造。圖23示出代表本發明一個實施例的，包括光子器件系 統的笫二示例性PIC 2300。 PIC 2300包括結構上類似上面參照圖20所 示的PIC 2000所述的組件的多個組件。因此，為了簡明起見，結構上 相似的組件被提供了相同的附圖標記，并且它們的結構和功能的解釋不 再重復。然而，不同于圖20所示的PIC 2000，基于光子晶體的開關 2302-2304用于調節載波到節點2004-2007的傳輸。
圖24A-24B示出了代表本發明一個實施例的基于光子晶體的開關的 操作。基于光子晶體的開關2400包括分叉成第一波導2404和第二波導 2406的單個波導2402。如圖24A中所示，第一和第二波導2404和2406 包括三個孔洞。這些孔洞阻止載波入ew傳過該接合，從而第一和第二波 導2104和2106被稱為被關"斷"。通過用折射率和光子晶體厚板的折 射率基本相同的液體填充這些孔洞，栽波入ew可以傳過第一和第二波導 2104和2106。如圖24B所示,波導2204中三個虛線的圓圏代表被液體 填充的孔洞。結果，載波入"可以傳過該接合和波導2404,從而波導2204 被稱為開"通"。可以如上參考圖22A-22B所迷地填充這些孔洞。
雖然以具體實施例的形式說明了本發明，但無意將本發明限于這些 實施例。對本領域技術人員，在本發明的精神范圍內的變更是明顯的。在本發明的替換實施例中，本領域技術人員將認識到，可以將更多的孔 洞添加到光子開關中的波導。在本發明的替代實施例中，光子開關可以
是從單個波導輸出的三個或更多波導。在本發明的替代實施例中，圖10 所示的光子晶體1004,以及圖15所示的光子晶體1502,可以用正載流 子，負載流子，或其他摻雜劑摻雜，使得光子晶體1004和1502的介電 常數不同于第一和第二脊波導1002和1006的介電常數。在本發明的替 代實施例中，除了采用電阻器線圈2212來產生熱量使得液體填充光子 晶體中的孔洞，如上面參考圖22所述，可以使用壓電泵來強迫存儲在
儲存器中的液體進入孔洞。
出于解釋的目的，上述說明使用了特定的術語以提供對本發明的深
入理解。可是，對本領域技術人員來說，很顯然，并不需要這些具體細 節來實施本發明。本發明的具體實施例的上述說明是出于描述和說明的 目的。它們并不是詳盡無遺的或將本發明限制為所公開的確切形式。顯 然，鑒于上述教示，許多修改和變化是可能的。示出和說明這些實施例 是為了最好地解釋本發明的原則及其實際應用，從而使其他的本領域技 術人員能夠最好地利用各種發明，各種修改的多種實施例適合于所設想 的特定應用。旨在由如下的權利要求及其等同物來界定本發明的范圍。
權利要求
1.一種光子器件系統(1000，1500)，包括第一波導(1002)，配置為傳送多個電磁波；光子晶體(1004，1502)，包括諧振腔(1014，1504)，并配置為選擇性地并倏逝地將所述電磁波中的一個或多個從第一波導(1002)耦合到諧振腔(1014，1504)中；以及第二波導(1006)，定位為通過倏逝耦合從所述諧振腔中傳送和提取一個或多個電磁波。
2. 根椐權利要求1所述的裝置，還包括第一電極(1510)和第二 電極(1512)，定位為施加跨諧振腔(1014, 1504 )的電壓，以便通過 改變所述諧振腔(1014, 1504 )的介電常數，調制從第一波導(1002 ) 到第二波導(1006 )傳輸的該一個或多個電磁波。
3. 根據權利要求2所述的裝置，其中第一電極(l510)和第二電 極(1512)還包括以下之一Cu; Al; Au; Ag;Pt;以及 摻雜半導體材料。
4. 根據權利要求1所述的裝置，其中第一波導(1002 )和第二波 導(1006 )還包4舌以下之一脊波導；以及 光子晶體波導。
5. 根椐權利要求1所述的裝置，其中光子晶體U005， 1502 )還 包括以下之一Si;III-V族半導體；以及 II-VI族半導體。
6. 根據權利要求1所述的裝置，其中諧振腔(1014, 1504 )還包 括以下之一從光子晶體略去的孔洞(1014， 1504 );直徑不同于構成光子晶體的孔洞的單個孔洞(1202, 1204 );或者 多個孔洞，每個孔洞具有的直徑小于構成光子晶體的孔洞(1206 )。
7. —種光子開關(2100， 2400 ),包括 波導(2104)，配置為引導電磁波；波導(2104)中的多個孔洞(2108-2110, 2204-2206 ),其阻止電 /磁波傳過孔洞；儲存器(2208 ),位于孔洞(2108-2110, 2204-2206 )之下，并填 充有與波導(2104)折射率相同的液體；以及裝置，用于強迫液體進入孔洞(2108-2110， 2204-2206 ),使得孔 洞的折射率大致匹配波導(2104)的折射率，并且電磁波可以在波導內 傳過孔洞。
8. 根據權利要求7所述的裝置，其中波導(2104)還包括以下之脊波導；以及 光子晶體波導。
9. 根據權利要求7所述的裝置，其中波導(2104)還包括以下之 Si;III-V族半導體；以及 II-VI族半導體。
10. 根椐權利要求7所述的裝置，其中用于強迫液體進入孔洞的裝 置還包括以下之一加熱元件(2212)，位于儲存器(2208 )中并與液體接觸，使得當 加熱元件的溫度增加時，液體膨脹進入孔洞；以及 壓電泵，強迫液體進入孔洞。
全文摘要
本發明的各實施例涉及可以用于在載體電磁波中編碼數據，以及調節載體電磁波的傳輸的光子器件系統和方法。在本發明的一個實施例中，一種光子器件系統(1000，1500)包括第一波導(1002)，配置為傳送多個電磁波。光子器件系統(1000，1500)包括光子晶體(1004，1502)，其具有諧振腔(1014，1504)，并配置為選擇性地并倏逝地將所述電磁波中的一個或多個從第一波導(1002)耦合到諧振腔(1014，1504)中。光子器件系統(1000，1500)還包括第二波導(1006)，定位為通過倏逝耦合從所述諧振腔(1014，1504)中傳送和提取一個或多個電磁波。
文檔編號G02B6/10GK101622562SQ200880007016
公開日2010年1月6日 申請日期2008年1月3日 優先權日2007年1月3日
發明者M·西加拉斯, S·王 申請人:惠普開發有限公司