人工構成的介電材料的製作方法

2023-07-07 16:31:51

專利名稱：人工構成的介電材料的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種具有光學特性的人工構成的介電材料。
背景技術：
人工構成的介電材料是這樣一種結構，該結構的光學特性是由結構而不是組成該構成材料的固有特性(即那些由電子特性引起的固有特性)所產生。那些人工構成的介電材料的實例展示了光子帶隙(PBG)的特性，即材料構造抑制了光在一定波長範圍內的傳播。在介電常量中包含周期性的變化的人工構成的材料所引起的這種特性，是半導體中電子帶隙的一種光學類比。這種特性已經引起廣泛的關注，如一些人認為該材料是完全集成光學電路的關鍵所在。PBG結構的一個實例包含一基板，在其表面內蝕刻有規則排列的空穴陣列，其中空穴按四分之一光波長間隔引入正如在變化方向傳播的光所經歷的介電常量中的周期變化。
在光通訊中期望增加傳輸數據的速率，能使用例如光控開關或門在光域中處理網絡內部的數據，而不需要轉換回電信號。這些系統被成為光子網絡。
光學處理數據需要展示非線性光學效應的元件，也就是他們的光學特性，即在任何瞬間時刻依賴照射光的光強或其他特性的折射指數。非線性光學處理器的一個實例是基於採用Sagnac結構的幹涉儀的非線性光環形鏡(NOLM)，其中非線性元件包括一光纖環。在NOLM中，入射耦合器將入射光脈衝分為兩個沿光纖環反向傳播的脈衝，隨後在耦合器被重新結合形成輸出光。一個高強度的光控脈衝被另外輸入到光纖環，並沿光環的一個方向傳播以破壞幹涉儀的平衡。控制脈衝在光纖中具有降低折射指數變化的作用，同向傳播的光脈衝和較小範圍內反向傳播的光脈衝所經歷的變化使得在兩個脈衝重新結合後存在一個網絡位移。既然轉換機構源自光纖材料的固有特性，而非線性效應的響應和反應時間估計有幾個的毫微微(femto)秒，故在理論上超速轉換成為可能。
這類設備的一個特殊局限就是非常小的光學非線性玻璃，其對於矽來說是3×10-2m2W-1級，並要求光控信號的光功率和波長1Wkm的積為。對於實用設備，這將要求幾千米的光環來保持光控信號的平均功率在實用級(＜100mW)。

發明內容
本發明提供一種具有非線性光學特性的人工構成的材料，該材料能夠用光學設備集成。
依據本發明的人工構成的介電材料，包括一附著在基板上彈性的可移動機械元件的陣列，其中所述元件被如此構造，即當選定強度和波長的光照射其材料時，元件向較大光強的區域移動，進而改變材料的光學特性。
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非規則或規則的陣列。無論怎樣，優選的是陣列的平均周期要比所選光波長明顯小，使得該光波和構成的材料相互作用好像是一個連續的介質。例如，陣列選定的平均周期典型的比所選四分之一光波長小。
當元件按規則陣列構造時，進一步優選的是陣列周期是所選光波長四分之一級以使該結構包括一個光子晶體。這樣配置將導致根據元件的給定機械移動/變形改變光學特性，同時也能對這種變化特性進行更多的控制。例如，有效的指數變化能被設置為負。
方便地，元件和基板包括擴一個半導體材料，如矽，鍺砷化物，銦磷化物或其他III-V半導體材料。元件優選集成形成為基板的一部分和如刷或叉的齒般方便地設置。
在一種設置中，陣列是非規則的，元件和基板有利地包括多孔矽。
根據本發明的另一方面，一包括如上所述的人工構成的材料的非線性光學部件，其折射指數能通過選定強度和波長光的照射而改變。


為了能更好地理解本發明，根據本發明的一種人工構成的材料將通過參考以下附圖予以說明圖1(a)示意表示了根據本發明的一種人工構成的材料；圖1(b)是光照射時附圖1(a)的構成的材料；圖2是根據本發明人工構成的材料的一個電子的微量圖。
圖3示意表示了橫向傳播光照射根據本發明的人工構成的材料；和圖4是對比根據本發明人工構成的材料的響應時間計算的非線性折射指數(n2)曲線圖。
具體實施例方式
參考圖1(a)，示意了根據本發明的人工構成的介電材料2。材料2包括一個砷化鎵基板4，選擇性地蝕刻基板的上表面以形成柱或齒6的陣列。在此實施例中的所述柱6，下文稱為元件，在交叉部分實質上是圓形並按六角形緊密裝配。可理解其他幾何結構的元件也能使用，並被設置在其他規則陣列甚至不規則(隨機)陣列上。
材料的一個重要方面是元件6的幾何構造，如此構型使得選定波長和強度的光照射材料時元件6是彈性可移動/變形的。參考圖1(b)最好地示例了光點8照射材料時對元件6的影響。從附圖中可以看出元件6具有尺寸，因此其可通過照射光8而彈性變形，彎曲。因柱列6由介電材料構成，在光域影響下向更高的光區域彎曲，進而改變此區域中元件6的平均密度。平均密度增加的結果是區域中平均折射指數的增加同時其他光學特性如表面反射率也都被改變。因此可以理解構成的材料的光學特性依賴於照射構成的材料的光強梯度。也應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，同時也出現在材料被如附圖3中所說明的橫向傳播光照射時。更進一步，由於這種影響依賴於光強梯度而不是光強，進而最大程度接近光點的外圍，通常具有高斯強度外形。這樣將可以理解如果材料全部表面都被相同強度的光照射，這種影響將不存在。
參照附圖2，其展示了依照本發明人工構成的材料的一個電子微量圖，其材料期望用于波長λ＝1550nm光的操作。該材料包括一個二維鎵砷化合物環柱陣列，其中相鄰最近的間隔為350nm。將理解到，由於柱列按具有四分之一光波(λ/4＝387.5nm)級的規則陣列設置，圖2構成的材料是一個光子晶體因此將另外說明光子帶隙特性。
參照圖4，展示了根據本發明的一系列人工構成的材料的元件響應時間一計算的非線性折射指數n2(折射指數的改變)的曲線圖。該曲線圖說明了由鎵砷化合物10和矽12製成構造材料。為參考目的，曲線圖還包括點14-24，對於已知材料其光學特性源自材料的固有特性。這些數據來於Boyd RW(1992)「非線性光學」ISBN0-12121680-2，並依下列各項點14為摻雜玻璃的鎘硒化合物，點16為聯乙炔聚合物，18為用於液晶的熱成分，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。
本發明構成的材料的一特殊優點是非線性特性由結構而不是材料固有特性產生，根據給定的通過幾何和/或可移動/變形元件的尺寸適合選擇定製在非線性光學效應n2的大小n2與材料的響應時間之間的平衡。將理解元件的響應時間又依賴於元件的機械彈性，而機械彈性本身還依賴於形成結構化材料。
本發明不限於所述的特定實施例，同時可理解為在發明的範圍有有各種變形。例如，雖然已經說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則的，在一個實施例中預計使用多孔矽。在另一個實例中陣列的平均周期優選是比所選光波長要顯著的小，其中光和構成的材料似乎是一個連續的介質。例如，選定陣列的平均周期比所選波長的四分之一典型地少。可理解到，在與波長相比較足夠小的周期中存在一定的交替使用，以使材料表現得好像一個連續的介質，非線性效應的大小依賴用於給定斑點大小的輻射照明的強度梯度，並將隨著平均周期的減少而降低。在本發明專利申請中，術語光學和光廣義上解釋為不僅包括光譜中可見光波長也包括紅外和紫外輻射波長。
本發明構成的材料的一個應用實例是作為光功率限制器。其被設計為包括由兩個平面部分反射鏡組成的Fabry-Perot空腔功率限制器，其中反射鏡之間設置有構成的材料。設定空腔的大小以諧振所需運作的波長。對於相關低光強(功率)，當空腔被調諧到一個諧振頻率，限制器將無衰減地充分傳輸光波。隨著光功率的增加，將引起構成的材料折射指數的增加，並顯著地解調振蕩器，進而限制耦合在空腔內的光功率並通過其傳輸。如此形成的光功率限制器根據其自身的特點而被認為是有創造性的。
應當理解本發明發存在許多應用，其中要求具有一含有非線性光學特性的易定製的材料。在很多應用中優選的是光傳播沿基板平面發生，由於光必須通過更多的結構傳播，因此將增強任何非線性效應。
權利要求
1.一種人工構成的介電材料，包括一個連接在基板上的彈性可移動的機械元件陣列，所述元件被如此構造，即當選定強度和波長的光照射其材料時，元件向較大光強的區域移動，進而改變材料的光學特性。
2.根據權利要求1的一種材料，其中元件是彈性柔軟的。
3.根據權利要求1或2的一種材料，其中元件彈性柔軟地連接在基板上。
4.根據前述權利要求的任一種材料，其中元件包括一規則陣列。
5.根據權利要求4的一種材料，其中陣列的周期為四分之一光波長級，使得結構包括一個光子晶體。
6.根據前述權利要求的任一種材料，其中元件和基板包括一個半導體材料，該半導體材料可選自於矽，鍺砷化物，銦磷化物或其他III-V半導體材料。
7.根據前述權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.根據前述權利要求1-6中任一種材料，其中元件和基板包括多孔矽。
9.一種非線性光學元件，其折射指數能根據照射在其上的光而改變，其中光的強度根據前述任一權利要求中所述的人工構成的材料選定。
10.一種具有光學特性的人工構成的介電材料，其光學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明的材料的光入射。
全文摘要
一種具有光學特性的人工構成的介電材料，其光學特性依賴於入射在上述材料上的光強。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成的彈性可移動的機械元件(6)所組成。元件(6)被如此構造，即當選定強度和波長的光(8)照射其材料時，元件(6)向較大光強區域移動，進而改變材料(2)的光學特性。
文檔編號G02B6/122GK1474953SQ0181614
公開日2004年2月11日 申請日期2001年9月25日 優先權日2000年9月25日
發明者W·J·斯圖爾特, W J 斯圖爾特 申請人:布克哈姆技術公共有限公司