專(zhuān)利名稱(chēng)：人工構(gòu)成的介電材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有光學(xué)特性的人工構(gòu)成的介電材料。
背景技術(shù)：
人工構(gòu)成的介電材料是這樣一種結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的光學(xué)特性是由結(jié)構(gòu)而不是組成該構(gòu)成材料的固有特性(即那些由電子特性引起的固有特性)所產(chǎn)生。那些人工構(gòu)成的介電材料的實(shí)例展示了光子帶隙(PBG)的特性，即材料構(gòu)造抑制了光在一定波長(zhǎng)范圍內(nèi)的傳播。在介電常量中包含周期性的變化的人工構(gòu)成的材料所引起的這種特性，是半導(dǎo)體中電子帶隙的一種光學(xué)類(lèi)比。這種特性已經(jīng)引起廣泛的關(guān)注，如一些人認(rèn)為該材料是完全集成光學(xué)電路的關(guān)鍵所在。PBG結(jié)構(gòu)的一個(gè)實(shí)例包含一基板，在其表面內(nèi)蝕刻有規(guī)則排列的空穴陣列，其中空穴按四分之一光波長(zhǎng)間隔引入正如在變化方向傳播的光所經(jīng)歷的介電常量中的周期變化。
在光通訊中期望增加傳輸數(shù)據(jù)的速率，能使用例如光控開(kāi)關(guān)或門(mén)在光域中處理網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的數(shù)據(jù)，而不需要轉(zhuǎn)換回電信號(hào)。這些系統(tǒng)被成為光子網(wǎng)絡(luò)。
光學(xué)處理數(shù)據(jù)需要展示非線性光學(xué)效應(yīng)的元件，也就是他們的光學(xué)特性，即在任何瞬間時(shí)刻依賴照射光的光強(qiáng)或其他特性的折射指數(shù)。非線性光學(xué)處理器的一個(gè)實(shí)例是基于采用Sagnac結(jié)構(gòu)的干涉儀的非線性光環(huán)形鏡(NOLM)，其中非線性元件包括一光纖環(huán)。在NOLM中，入射耦合器將入射光脈沖分為兩個(gè)沿光纖環(huán)反向傳播的脈沖，隨后在耦合器被重新結(jié)合形成輸出光。一個(gè)高強(qiáng)度的光控脈沖被另外輸入到光纖環(huán)，并沿光環(huán)的一個(gè)方向傳播以破壞干涉儀的平衡。控制脈沖在光纖中具有降低折射指數(shù)變化的作用，同向傳播的光脈沖和較小范圍內(nèi)反向傳播的光脈沖所經(jīng)歷的變化使得在兩個(gè)脈沖重新結(jié)合后存在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)位移。既然轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)源自光纖材料的固有特性，而非線性效應(yīng)的響應(yīng)和反應(yīng)時(shí)間估計(jì)有幾個(gè)的毫微微(femto)秒，故在理論上超速轉(zhuǎn)換成為可能。
這類(lèi)設(shè)備的一個(gè)特殊局限就是非常小的光學(xué)非線性玻璃，其對(duì)于硅來(lái)說(shuō)是3×10-2m2W-1級(jí)，并要求光控信號(hào)的光功率和波長(zhǎng)1Wkm的積為。對(duì)于實(shí)用設(shè)備，這將要求幾千米的光環(huán)來(lái)保持光控信號(hào)的平均功率在實(shí)用級(jí)(＜100mW)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種具有非線性光學(xué)特性的人工構(gòu)成的材料，該材料能夠用光學(xué)設(shè)備集成。
依據(jù)本發(fā)明的人工構(gòu)成的介電材料，包括一附著在基板上彈性的可移動(dòng)機(jī)械元件的陣列，其中所述元件被如此構(gòu)造，即當(dāng)選定強(qiáng)度和波長(zhǎng)的光照射其材料時(shí)，元件向較大光強(qiáng)的區(qū)域移動(dòng)，進(jìn)而改變材料的光學(xué)特性。
元件本身可以是彈性柔軟的和/或彈性柔軟地連接在基板上。
元件的陣列可以包括一個(gè)非規(guī)則或規(guī)則的陣列。無(wú)論怎樣，優(yōu)選的是陣列的平均周期要比所選光波長(zhǎng)明顯小，使得該光波和構(gòu)成的材料相互作用好像是一個(gè)連續(xù)的介質(zhì)。例如，陣列選定的平均周期典型的比所選四分之一光波長(zhǎng)小。
當(dāng)元件按規(guī)則陣列構(gòu)造時(shí)，進(jìn)一步優(yōu)選的是陣列周期是所選光波長(zhǎng)四分之一級(jí)以使該結(jié)構(gòu)包括一個(gè)光子晶體。這樣配置將導(dǎo)致根據(jù)元件的給定機(jī)械移動(dòng)/變形改變光學(xué)特性，同時(shí)也能對(duì)這種變化特性進(jìn)行更多的控制。例如，有效的指數(shù)變化能被設(shè)置為負(fù)。
方便地，元件和基板包括擴(kuò)一個(gè)半導(dǎo)體材料，如硅，鍺砷化物，銦磷化物或其他III-V半導(dǎo)體材料。元件優(yōu)選集成形成為基板的一部分和如刷或叉的齒般方便地設(shè)置。
在一種設(shè)置中，陣列是非規(guī)則的，元件和基板有利地包括多孔硅。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，一包括如上所述的人工構(gòu)成的材料的非線性光學(xué)部件，其折射指數(shù)能通過(guò)選定強(qiáng)度和波長(zhǎng)光的照射而改變。


為了能更好地理解本發(fā)明，根據(jù)本發(fā)明的一種人工構(gòu)成的材料將通過(guò)參考以下附圖予以說(shuō)明圖1(a)示意表示了根據(jù)本發(fā)明的一種人工構(gòu)成的材料；圖1(b)是光照射時(shí)附圖1(a)的構(gòu)成的材料；圖2是根據(jù)本發(fā)明人工構(gòu)成的材料的一個(gè)電子的微量圖。
圖3示意表示了橫向傳播光照射根據(jù)本發(fā)明的人工構(gòu)成的材料；和圖4是對(duì)比根據(jù)本發(fā)明人工構(gòu)成的材料的響應(yīng)時(shí)間計(jì)算的非線性折射指數(shù)(n2)曲線圖。
具體實(shí)施例方式
參考圖1(a)，示意了根據(jù)本發(fā)明的人工構(gòu)成的介電材料2。材料2包括一個(gè)砷化鎵基板4，選擇性地蝕刻基板的上表面以形成柱或齒6的陣列。在此實(shí)施例中的所述柱6，下文稱(chēng)為元件，在交叉部分實(shí)質(zhì)上是圓形并按六角形緊密裝配。可理解其他幾何結(jié)構(gòu)的元件也能使用，并被設(shè)置在其他規(guī)則陣列甚至不規(guī)則(隨機(jī))陣列上。
材料的一個(gè)重要方面是元件6的幾何構(gòu)造，如此構(gòu)型使得選定波長(zhǎng)和強(qiáng)度的光照射材料時(shí)元件6是彈性可移動(dòng)/變形的。參考圖1(b)最好地示例了光點(diǎn)8照射材料時(shí)對(duì)元件6的影響。從附圖中可以看出元件6具有尺寸，因此其可通過(guò)照射光8而彈性變形，彎曲。因柱列6由介電材料構(gòu)成，在光域影響下向更高的光區(qū)域彎曲，進(jìn)而改變此區(qū)域中元件6的平均密度。平均密度增加的結(jié)果是區(qū)域中平均折射指數(shù)的增加同時(shí)其他光學(xué)特性如表面反射率也都被改變。因此可以理解構(gòu)成的材料的光學(xué)特性依賴于照射構(gòu)成的材料的光強(qiáng)梯度。也應(yīng)注意到在此方式中元件的變形不是光波施加光壓(直接光壓的影響非常小)的緣故，同時(shí)也出現(xiàn)在材料被如附圖3中所說(shuō)明的橫向傳播光照射時(shí)。更進(jìn)一步，由于這種影響依賴于光強(qiáng)梯度而不是光強(qiáng)，進(jìn)而最大程度接近光點(diǎn)的外圍，通常具有高斯強(qiáng)度外形。這樣將可以理解如果材料全部表面都被相同強(qiáng)度的光照射，這種影響將不存在。
參照附圖2，其展示了依照本發(fā)明人工構(gòu)成的材料的一個(gè)電子微量圖，其材料期望用于波長(zhǎng)λ＝1550nm光的操作。該材料包括一個(gè)二維鎵砷化合物環(huán)柱陣列，其中相鄰最近的間隔為350nm。將理解到，由于柱列按具有四分之一光波(λ/4＝387.5nm)級(jí)的規(guī)則陣列設(shè)置，圖2構(gòu)成的材料是一個(gè)光子晶體因此將另外說(shuō)明光子帶隙特性。
參照?qǐng)D4，展示了根據(jù)本發(fā)明的一系列人工構(gòu)成的材料的元件響應(yīng)時(shí)間一計(jì)算的非線性折射指數(shù)n2(折射指數(shù)的改變)的曲線圖。該曲線圖說(shuō)明了由鎵砷化合物10和硅12制成構(gòu)造材料。為參考目的，曲線圖還包括點(diǎn)14-24，對(duì)于已知材料其光學(xué)特性源自材料的固有特性。這些數(shù)據(jù)來(lái)于Boyd RW(1992)“非線性光學(xué)”ISBN0-12121680-2，并依下列各項(xiàng)點(diǎn)14為摻雜玻璃的鎘硒化合物，點(diǎn)16為聯(lián)乙炔聚合物，18為用于液晶的熱成分，20為液晶分子成分，22銦銻化合物和24為鎵砷化合物/鎵鋁砷化合物量子井。
本發(fā)明構(gòu)成的材料的一特殊優(yōu)點(diǎn)是非線性特性由結(jié)構(gòu)而不是材料固有特性產(chǎn)生，根據(jù)給定的通過(guò)幾何和/或可移動(dòng)/變形元件的尺寸適合選擇定制在非線性光學(xué)效應(yīng)n2的大小n2與材料的響應(yīng)時(shí)間之間的平衡。將理解元件的響應(yīng)時(shí)間又依賴于元件的機(jī)械彈性，而機(jī)械彈性本身還依賴于形成結(jié)構(gòu)化材料。
本發(fā)明不限于所述的特定實(shí)施例，同時(shí)可理解為在發(fā)明的范圍有有各種變形。例如，雖然已經(jīng)說(shuō)明柱列或元件可彈性變形，比但也可使用可彈性變形地粘結(jié)在基板上或相互粘合較硬的元件，。如上所述，元件的陣列不需是規(guī)則的，在一個(gè)實(shí)施例中預(yù)計(jì)使用多孔硅。在另一個(gè)實(shí)例中陣列的平均周期優(yōu)選是比所選光波長(zhǎng)要顯著的小，其中光和構(gòu)成的材料似乎是一個(gè)連續(xù)的介質(zhì)。例如，選定陣列的平均周期比所選波長(zhǎng)的四分之一典型地少?？衫斫獾剑谂c波長(zhǎng)相比較足夠小的周期中存在一定的交替使用，以使材料表現(xiàn)得好像一個(gè)連續(xù)的介質(zhì)，非線性效應(yīng)的大小依賴用于給定斑點(diǎn)大小的輻射照明的強(qiáng)度梯度，并將隨著平均周期的減少而降低。在本發(fā)明專(zhuān)利申請(qǐng)中，術(shù)語(yǔ)光學(xué)和光廣義上解釋為不僅包括光譜中可見(jiàn)光波長(zhǎng)也包括紅外和紫外輻射波長(zhǎng)。
本發(fā)明構(gòu)成的材料的一個(gè)應(yīng)用實(shí)例是作為光功率限制器。其被設(shè)計(jì)為包括由兩個(gè)平面部分反射鏡組成的Fabry-Perot空腔功率限制器，其中反射鏡之間設(shè)置有構(gòu)成的材料。設(shè)定空腔的大小以諧振所需運(yùn)作的波長(zhǎng)。對(duì)于相關(guān)低光強(qiáng)(功率)，當(dāng)空腔被調(diào)諧到一個(gè)諧振頻率，限制器將無(wú)衰減地充分傳輸光波。隨著光功率的增加，將引起構(gòu)成的材料折射指數(shù)的增加，并顯著地解調(diào)振蕩器，進(jìn)而限制耦合在空腔內(nèi)的光功率并通過(guò)其傳輸。如此形成的光功率限制器根據(jù)其自身的特點(diǎn)而被認(rèn)為是有創(chuàng)造性的。
應(yīng)當(dāng)理解本發(fā)明發(fā)存在許多應(yīng)用，其中要求具有一含有非線性光學(xué)特性的易定制的材料。在很多應(yīng)用中優(yōu)選的是光傳播沿基板平面發(fā)生，由于光必須通過(guò)更多的結(jié)構(gòu)傳播，因此將增強(qiáng)任何非線性效應(yīng)。
權(quán)利要求
1.一種人工構(gòu)成的介電材料，包括一個(gè)連接在基板上的彈性可移動(dòng)的機(jī)械元件陣列，所述元件被如此構(gòu)造，即當(dāng)選定強(qiáng)度和波長(zhǎng)的光照射其材料時(shí)，元件向較大光強(qiáng)的區(qū)域移動(dòng)，進(jìn)而改變材料的光學(xué)特性。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的一種材料，其中元件是彈性柔軟的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的一種材料，其中元件彈性柔軟地連接在基板上。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求的任一種材料，其中元件包括一規(guī)則陣列。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的一種材料，其中陣列的周期為四分之一光波長(zhǎng)級(jí)，使得結(jié)構(gòu)包括一個(gè)光子晶體。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求的任一種材料，其中元件和基板包括一個(gè)半導(dǎo)體材料，該半導(dǎo)體材料可選自于硅，鍺砷化物，銦磷化物或其他III-V半導(dǎo)體材料。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求的任一種材料，其中元件包括整體地形成作為基板一部分的齒。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求1-6中任一種材料，其中元件和基板包括多孔硅。
9.一種非線性光學(xué)元件，其折射指數(shù)能根據(jù)照射在其上的光而改變，其中光的強(qiáng)度根據(jù)前述任一權(quán)利要求中所述的人工構(gòu)成的材料選定。
10.一種具有光學(xué)特性的人工構(gòu)成的介電材料，其光學(xué)特性充分地依賴在此之前所述作為參考或在參考附圖中說(shuō)明的材料的光入射。
全文摘要
一種具有光學(xué)特性的人工構(gòu)成的介電材料，其光學(xué)特性依賴于入射在上述材料上的光強(qiáng)。材料(2)包括一附著在基板(4)上的陣列，該陣列由介電材料構(gòu)成的彈性可移動(dòng)的機(jī)械元件(6)所組成。元件(6)被如此構(gòu)造，即當(dāng)選定強(qiáng)度和波長(zhǎng)的光(8)照射其材料時(shí)，元件(6)向較大光強(qiáng)區(qū)域移動(dòng)，進(jìn)而改變材料(2)的光學(xué)特性。
文檔編號(hào)G02B6/122GK1474953SQ0181614
公開(kāi)日2004年2月11日 申請(qǐng)日期2001年9月25日 優(yōu)先權(quán)日2000年9月25日
發(fā)明者W·J·斯圖爾特, W J 斯圖爾特 申請(qǐng)人:布克哈姆技術(shù)公共有限公司