CN100553029C - 用于引进电磁波的可调移相和衰减的设备 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种可调移相器和/或衰减器，它包括：一个波导，具有一个波道和一个在波导内沿所述波道的一个内壁配置的光敏材料片(18)；以及一个配置在波导外的光源，将光通过所述内壁的一个孔(30)发射到所述光敏材料片(18)的一个外表面的至少一部分上。

Description

用于引进电磁波的可调移相和衰减的设备

技术领域

本发明涉及移相器和/或衰减器，特别是涉及能在微波、毫米波和亚毫米波波段工作的光可调移相器和/或衰减器。这种移相器和/或衰减器可以用于各种应用，包括(但并不局限于)相移键控电路、兆兆赫成像、收发机和相控阵天线。

背景技术

就所关心的亚毫米波段来说，兆兆赫技术主要用于地表、天文和地球探察。然而，许多在可见光和红外区不透明的物质对于兆兆赫波(0.1THz至10THz)是透明的。因此，兆兆赫技术的应用近来扩展到包括诸如航空导航(兆兆赫波能穿过云和雾)、医学成像(可以不用可能有害的电离辐射对人体组织进行检查)和非侵犯性的用于机场和港口的安全防范系统(兆兆赫波能穿过不透红外线的衣服和物质)之类的领域。

由于兆兆赫波具有亚毫米的波长，因此对诸如天线、波导、透镜、反光镜之类的部件所要求的尺寸和精度使得用传统的制造工艺制造相当困难和成本很高。

在毫米波段，铁电体移相器通常通过用一个外加电场改变铁电材料的介电常数来改变信号的相位。然而，铁电体移相器有着相当大的功率损耗、信号失真和噪声，而且只能提供不连续的步进移相。

在ROSEN等人的美国专利No.5,099,214中揭示了一种波导型光激励移相器。这种器件包括一个附着在波导内壁12上的半导体板条24，它接收来自配置在与内壁12对面的内壁14的一个孔内的照射源30的光。在DE FONZO的美国专利No.4,263,570中，一块半导体材料20附着在波导的内壁22上，它的内表面受到光源12从外面通过一个开在与内壁22对面的壁28上的一个孔30的光的照射。

在这些照射来自对面的波导壁的现有技术的文件中，在波导内离内壁等于半导体块或板条的厚度的距离处形成了一个有损耗的电阻性层，这意味着插入损耗将永远是高的，而且需要一个高能级的光以得到明显的相移或衰减。也就是说，这个光平通常应该高到足以产生高密度的载流子使光敏材料(硅)处于金属或半金属状态。

发明内容

因此，本发明的一个目的是提供一种能以具有得到改善的可调性在微波、毫米波和/或亚毫米波工作的可调移相器和/或衰减器。按照本发明，这是通过将一个光源和/或一个光敏材料定位成相对于波导隔开和通过光照射改变光敏材料内的载流子浓度。

按照第一方面，本发明提供了一种可调移相器和/或衰减器，它包括：一个波导，具有一个波道(channel)和一个在波导内沿所述波道的一个内壁配置的一段光敏材料；一个光源，配置在波导外，将光通过所述内壁的一个孔发射到所述光敏材料的一个外表面的至少一部分上。按照这个第一方面，通过改变波导的有效宽度来改变相位，而不会改变传播的模。

光敏材料优选的是具有高电阻率的材料。光敏材料的朝向孔的表面可以例如通过氧化平定。

这种移相器还可以包括多个横贯光敏材料的朝向孔的表面延伸的金属条。这个金属栅的作用是避免在波导内传播的内部波向外辐射而允许光(有着更短的波长)进入波导。这个栅格的尺寸取决于波导所传播的辐射的频率。

在美国专利No.5,099,214中，还建议使板条24离壁12一段距离x，使得板条处在沿距离n的中央，n表示波导宽度。

然而，这样将板条在波导内定位成与波导壁隔开相对插入损耗来说并没有多少好处。本发明的发明者发现除了通过在半导体内产生一个类金属状态改变有效波导宽度外还有另一个现象，即通过照射改变半导体介电常数的虚数部分，使得通常不会存在的其他波导模能够传播。

按照第二方面，本发明提供了一种可调移相器和/或衰减器，它包括：一个波导，具有一个波道和一片配置在波导内与所述波道的一个内壁隔开的光敏材料；以及一个将光发射到所述光敏材料的一个表面的至少一部分上的光源，所述光源在强度和/或照射长度上是可调的，以在光敏材料内产生在10¹²cm^-3到10¹⁶cm^-3之间的载流子浓度，改变光敏材料的介电常数的实部和虚部，产生场部分在光敏材料层内和部分在波导内的至少一个模，从而在一个频率范围上形成一个取决于光照射(在强度和/或长度上)的移相器和/或衰减器。

相位光是通过改变传播的模得到的。使半导体层离开波导壁允许在所述频率范围内传播高阶模，这些高阶模具有非常不同的有效导波波长和相位。

光敏材料可以是诸如硅、砷化镓或锗(无论是本征的还是掺杂的)之类的光敏导电材料。

附图说明

下面将结合附图举例说明本发明的一些实施例，在这些附图中：

图1为按照本发明设计的用于波导技术的可调移相器或可调衰减器的示意性剖视图；

图2为按照本发明设计的用于波导技术的可调移相器或可调衰减器的沿图1中的a-a线切剖的示意性剖视图；

图3为通过按照本发明设计的用于波导技术的可调移相器或可调衰减器传播的辐射的示意性剖视图；

图3为通过按照本发明设计的用于波导技术的可调移相器或可调衰减器传播的辐射的另一个示意性剖视图；

图5例示了硅的吸收系数α(mm^-1)对光子波长(nm)的关系；

图6例示了硅的折射指数对光子波长(nm)的关系，图7例示了硅反射、透射和吸收的光的百分比对光子波长(nm)的关系(分别为曲线I、II和III)，而图8例示了不同厚度50μ(I)、100μ(II)和600μ(III)的硅晶片吸收的光的百分比对光子波长(nm)的关系；

图9和10示出了硅分别在40GHZ和250Hz的介电常数和tanδ；

图11示出了在WR-28波导内的波长(mm)对Ka波段内的频率和对参数a的改变的关系；

图12a和12b示出了用一片厚度为t的介质填在一个壁上的不均匀充填波导和在这波导内的基模TE₁₀；

图13示出了在一个壁上带一片300μ厚的硅的WR-28波导内在不同的光照状况下波长(mm)与频率(GHz)的关系的曲线；

图14示出了对于一个WR-28波导在一个壁上有一片厚度为300μ(I)、500μ(II)、1000μ(III和IV)的硅情况下的波长(mm)与频率(GHz)的关系的曲线，对于厚度为1000μ的示出了两种不同光照的状况；

图15以及16a和16b示出了带有一个与波导壁隔开的内部介质片的不均匀充填WR-28波导，用来分别得到TE₂₀模、TE₁₀模和TE₁₁模，这些模与传统的矩形波导的模不同；

图17示出了带有一个与波导壁隔开0.85mm的300μ厚的硅暗片的WR-28波导内的TE₁₀和TE₂₀模在与硅片内部不同的载流子密度相应的不同照度下的传播模的波长(mm)；以及

图18例示了在带有一个与一个波导壁隔开0.85mm的硅片的WR-28波导的六个不同照射状态下以不同的频率传播的情况。

具体实施方式

图1和2所示的可调移相器10包括一个波导11，具有一个沿波导11长度延伸的波道12和在波导11的一个侧面13上形成的一个孔。可调移相器10还可以包括一个金属栅格20，以避免波导内部的微波、毫米波或亚毫米波辐射到波导系统外而引起的损耗。

在波导11的波道12内配置有一个光敏层18，使得它基本上横跨孔延伸。可调的照射光源14发射波导内光敏材料可较好吸收的那部分光谱的光(红外线、可见光、紫外线等)。光源14设置在波导外，使得光源14发出的辐射照射到光敏层18的一个被在波导11的侧壁13上形成的孔30暴露的区域。光导材料设置成正对着这个波导壁，通过壁上的孔受到照射。如果光强度足够，在波导壁/光敏材料的最靠近波导壁的界面就形成一层类金属层。这个层改变了波导的有效宽度，从而改变了有效波导波长，也就改变了相位。由于类金属层26的厚度取决于光的强度，因此相移也就取决于光的强度。

光敏层18可以是例如硅、AsGa、锗之类的半导电材料。

波导11包括一个硅或金属的主体15，具有一个沿主体15长度延伸的截面基本上是长方形的中央波道12。波道12的宽度和高度可以是传统上在矩形波导结构中所使用的。然而，硅主体15的尺寸可以按照需要调整。

硅主体15的内表面16可以镀有一层金属薄膜17，优选的是用例如真空淀积和电镀技术镀上的。镀硅主体15所用的适当金属包括(但不局限于)镍、铜、黄铜、铬、银和金。金属镀层17用来反射沿波道12长度传播的辐射。因此，镀层17可以包括任何可以反射辐射的物质。

或者，也可以是使用一个例如用铣床加工的完全是金属的波导。

已知有一种用微切削加工技术加工的用于兆兆赫应用的金属化硅波导的结构，例如可参见Yap等人的“硅微切削加工的毫米和亚毫米波波导”(“Silicon Micromachined Waveguides for Millimeter andSubmillimeter Wavelengths”，Symposium Proceedings：ThirdInternational Symposium on Space Terahertz Technology，AnnArbor，MI，pp.316-323，March 1992)和Lubecke等人的“兆兆赫应用的微切削加工”(“Micromachining for Terahertz Applications”，IEEE Trans.Microwave Theory Tech.，Vol.46pp.1821-1831，Nov.1998)。

在波导11的侧壁13上形成的孔穿过硅主体15和波导11的其中一个较长侧壁上的金属镀层17。这个孔可以是长方形的，宽度基本上与波道12的宽度相同。孔的长度由在工作频率所希望的移相的程度确定。一般说来，孔的长度越长(确切地说，光敏反射板18的暴露部位越长)，移相和/或衰减的程度越大。

半导体层18可以与多个反射元20关联。光敏半导体层18具有例如基本上是长方形的上表面21和下表面22。层18的宽度可以基本上与波道12的宽度相同，而层18的长度优选的是比在波导11的侧壁13上形成的孔的长度长一些。优选的是，层18的长度只比孔的长度稍长一些。层18在波导11的波道12内固定成使得层18基本上横跨在波导11的侧壁13上形成的孔。光敏材料层18用一个有粘性的薄层涂在层18伸出孔长度的两端24、25固定到波道12的壁23上。或者，在波导是用金属化硅制成的情况下，层18也可以与波导集成在一起。

光敏材料18可以是光敏导电的，优选的是基本上包括本征硅。然而，也可以使用的其他光敏材料，包括(但不局限于)砷化镓和锗。

在光辐射入射到光敏层18的暴露表面21上时，在表面21附近的区域产生光激载流子(carrier)。因此，使光敏材料18在这个区域内的介电常数改变，这通常称为光致反射性。光敏材料18的受照射表面21的反射性甚至可以表现为类似于一个与入射光辐射的强度有关的金属的反射性，但采用这个装置足以使介电常数的实部只有小的增大而相应的虚部有大的增大。在这一点上，光敏材料18可以认为是具有一个独立的光致电阻性层(图4中的标号为26)，但是对于一个薄的层来说，光的效果是彻底改变物质的介电性质，即基本上整个厚度的介电常数的虚部。

虽然光敏材料18通常是对沿波导11的波道12传播的辐射是透明的，但仍将有一些信号功率损耗。因此，光敏材料层18的厚度例如可以在60到100μm之间。可以使用厚到1000μm左右的厚度。此外，光敏材料18优选的是硅。

光激载流子的寿命主要由它们在光敏材料18的晶格内的迁移性和复合部位的可得到性来决定。通过增大载流子的寿命，可以延长光致反射层的寿命。因此，光源14发出的辐射可以时间短一些。这不仅降低了照射源消耗的功率，而且还防止光敏材料18由于连续照射而达到可能损坏的温度。为了增大载流子的寿命，光敏层18优选的是具有高电阻率(＞1kΩcm^-2)。光敏层18可以由电阻率例如在4到10kΩcm^-2之间的硅形成。

此外，载流子的寿命可以例如通过平定光敏材料19的受照射表面21进一步增大。光敏层18的表面21提供了一系列复合部位。通过平定受照射表面21，可以显著地减少载流子可能得到的复合部位的数目。因此优选的是将光敏材料的最上面的表面21氧化。然而，即使是用了氧化，复合部位的数目也仍然是高到足以显著地影响载流子的迁移性。然而，业已发现，在光敏材料的氧化表面上加一个诸如环氧树脂之类的粘合剂镀层就可以显著地增大载流子寿命。

在一个光敏层18基本上包括高电阻的硅(例如电阻率在4到10kΩcm^-2之间)和氧化的上表面涂以环氧树脂的情况下，光致载流子的寿命从而也就是光致反射层的寿命大大增大。

因此，可以用强度比较低的照射达到和保持相移。然而，在延长光致载流子的寿命中，也增大了移相器的响应时间。

然而，可以理解，可以通过用光致载流子的寿命比较短的光敏材料来达到快速响应时间。这可以例如通过用一个低电阻和表面没有平定的光敏层来达到。

在光敏材料18的由在波导11的侧面13上的孔限定的区域内的最上面的表面21上形成多个反射元20。这些反射元20优选的是一些反射材料条。因此，这些反射元20是一些金属条，可以配置成一个栅格。它们允许大部分的光进入光敏材料。同样，适当的金属包括(但不局限于)镍、铜、黄铜、铬、银和金。这些条优选的是在光敏材料18的表面21上排列成基本上与波道12的宽度平行因此就与波道12的长度垂直延伸。条的长度可以至少是波道12的宽度，优选的是延伸到跨过光敏材料18的整个宽度。这些条沿光敏材料18的长度均匀隔开(或渐变)，优选的是覆盖小于由孔30露出的表面21的区域的50％。条的宽度和间距优选的是不大于1mm(这当然取决于工作频率)。这些条的厚度应该适合于全反射入射的辐射而不会有任何大的损耗。这些条可以例如通过在光敏材料19的表面21上加一个掩模再用汽相淀积来淀积一个金属膜形成。

照射源14可以是任何能在光敏材料层18内产生光致载流子反射性的光源，优选的是一个具有可见或近红外波长(实际上具有所用的光敏材料的最佳吸收频谱)的市售激光器或LED阵列。光源14所需的功率主要取决于光敏材料18的类型和所需的相移或衰减程度。

一个电子电路可以通过控制对光敏材料的照射来控制相移或衰减的程度。

现在来看图3，沿着波导11的波道12的长度传播的辐射被金属镀层17的表面内部反射。在辐射入射到光敏材料18上时，辐射将由于光敏材料18的介电常数的减小而有些在光敏材料18的内部传播。到达光敏材料层18的最上面的表面21时，部分辐射被多个反射元20反射回波道12。一小部分辐射透射入空气(由虚线所示)，因此离开波导11。由于传播辐射入射光敏材料18的这个入射角，在光敏材料18内不会出现内部反射。因此，被反射元20反射的辐射通过光敏材料18传播回波道12。传播辐射可以不止一次入射到光敏材料18上，这取决于反射板18的长度，而后再沿着波导11的波道12的长度继续传播。

图4例示了照射源14发出的照射辐射入射到光敏反射板18上的情况。照射辐射在光敏材料内产生载流子，从而在光敏材料18内引起光致电阻性。光致电阻层26的有效厚度或深度取决于入射到光敏材料18上的照射辐射的波长和强度。在沿波导11的波道12传播的辐射入射到光敏层18上时，辐射通过光敏材料18只传播到光致反射层26。一到达光致电阻层26，传播辐射就朝波道12反射。

在层18内的光致有损耗材料将波导内的模式传播改变成使得没有场进入有损耗的受光照射的材料，但是这个新的波导的基模的改变实际上将改变相位。传播辐射现在具有一个基本上不同于在没有光敏层18的情况下沿波导11传播的辐射的相位(或振幅)。此外，每当传播辐射入射到光敏层18上时就会发生相移。因此，光敏层的受到照射的长度还确定了相移的程度。这个照射长度可以是可调的，以调整相移和/或衰减。由于在波导内传播的模的改变由照射辐射的强度和波长特性确定，因此可以通过改变光源14发出的照射辐射的强度和/或波长来控制相移的程度。

在图1至4所示的装置中，硅片在它的与波导壁邻接的表面上受到照射。这是很重要的，因为在一个内部带有一个半导体片(设置成紧靠波导壁或稍有间隙)的矩形波导内的电场在波导的中间最强而在边缘为零，因此一片设置在靠近波导中央的有损耗材料将比设置在边缘的吸收更多的能量。对于一个移相器来说，最希望的特性是插入损耗低和以小功率得到大的相移。在移相器受到低光平的照射时，产生光敏载流子，改变材料的电阻率，然而也改变了介电常数的虚部。随着光强度的增大，最终硅呈现为具有金属属性。为了在硅内获得一个“类金属层”，必须有10¹⁸-10²¹载流子/cm³那样高的载流子密度。然而，要注意的是，这种类金属状态不是从高电阻率突变为低电阻率的，而是在每个极值之间按指数规律改变的。在这个区域的一侧(受到照射的那侧)呈现为接近金属状态，另一侧呈现为高电阻率状态，而在中间是有损耗的电阻状态。插入损耗大部分就是在硅内的这个区域引起的。这个有损耗层将始终在类金属状态区域的对侧而不是受照射侧，因为光沿硅的厚度是指数衰减的。在如本发明中那样从外部照射与波导壁相邻的硅层时，它在波导的外部首先开始形成，从而使插入损耗保持最小。在较低的光强度，有损耗的电阻区域也将在材料18的外部。在从对面的波导壁进行照射的现有技术的专利(US 4,263,570和US5,099,214)中，有损耗层首先在波导内部离波导壁有一段等于硅物质18的厚度的距离处形成。这是一个基本差别，将意味着插入损耗始终是较高的。此外，这个位置相对波导壁是物理上固定的。这意味着硅内任何电阻率的改变将出现在硅的最里面与波导壁之间。因此，它对波导有效宽度的改变具有比较小的影响。利用如在本装置中那样的从外部照射，就可以得到相反的结果。

波导11的波道12的尺寸、光敏反射板18的尺寸和特性和在波导11的侧壁13上形成的孔的尺寸都可以设计成适合所希望的移相器10的性能。下面来说明可以用来对兆兆赫频率进行相移的尺寸的一个例子。波道12的宽度和高度优选的是分别约为1.5mm和0.75mm。这使波导截止频率为0.1THz左右。因此，用来构成硅主体15的硅片具有为0.75mm左右的厚度。金属镀层17优选的是在500nm左右。在波导的侧壁13上形成的孔30的宽度优选的也是0.75mm。孔30的长度优选的是2cm左右。光敏材料层18优选的是宽度、长度和厚度分别为0.75mm、2.5cm和70μm，在最上面的表面21上有一个通常为10-50nm左右的氧化层。每个反射元优选的是宽度、长度和厚度分别为0.5mm、0.75mm和500nm左右。反射元之间的间距优选的是0.5mm。

虽然以上所说明的实施例包括一个具有单个横跨这个孔延伸的光敏层18，但可以理解，也可以有两个孔开在波导11的相对的侧壁上。于是可以用两个或更多个光敏层使可达到的相移或衰减的程度为两倍、三倍或四倍。可以理解，通过将单个孔和光敏反射板18的长度加倍来获得相同的技术效果。然而，在移相器的尺寸特别是长度是一个重要的需考虑的事项时，可以考虑用一个包括两个或更多个孔30和两个或更多个光敏层18的移相器。

可以理解，可以省去这些反射元20。在这种情况下，必须对光敏反射板18进行某种形式的照射辐射，使得光致反射层26连续存在。例如，照射源14可以连续用辐射对光敏反射板18进行照射。或者，也可以是照射源14进行脉冲式的高强度照射。

也可以不在光敏材料18的朝向孔的表面上21形成多个反射元20，而在一个诸如玻璃板之类的独立构件上形成这些反射元20。玻璃板于是可以设置在孔内，放在光敏材料18的顶上。

移相器10还可以包括一个诸如可变的光衰减器之类的衰减器，以补偿由于相移而引起的传播辐射的振幅的改变，或者包括一个简单的可调衰减器，不一定要与移相器邻接。此外，对一个信号进行调相和调幅于是也是可行的。

毫米波信号需要用尺寸比亚毫米波(兆兆赫)的大的波导。因此，由于光致层厚度对波导高度的比减小，可能的相移的程度就要减小。然而，相移的这种减小可以通过加长光敏反射板18来补偿。

由于光敏材料18通常对传播信号是透明的，因此与铁电体移相器相比，信号失真和功率损耗都比较小。

以下涉及移相器由于硅的光学性质而得到的优点，如发明者所发现的，硅在受到一个红外波长的光源的照射时它的相对复介电常数可以改变。

用近红外/可见光光源照射硅会导致产生电子空穴对，从而产生等离子体。这个等离子体直接取决于入射光的强度和波长。

如果假设光垂直入射到硅片上，可以得到一些解释材料性质的表达式，情况如下。

在空气与硅的交界面反射的光量为：

$R_1=\frac{{(n_r-1)}^2+n_i^2}{{(n_r+1)}^2+n_i^2}$

其中n＝n_r+jn_i，n为硅的折射指数。

对于吸收系数值大于零的情况，所反射的总的光的比率R可以用下式确定：

$R\≈R_1+(1-R_1)R_1{e}^{-\mathrm{\α}2t}-(1-R_1)R_1^2{e}^{-\mathrm{\α}2t}+(1-R_1)R_1^3{e}^{-\mathrm{\α}4t}-(1-R_1)R_1^4{e}^{-\mathrm{\α}4t}+...$

其中，系数α为硅的吸收系数，它取决于光的波长，见图5，而t为硅片的厚度。

这个无穷级数中的每一项与光在硅片的表面之间反弹的反射相关联。类似，透射率T可以用下式确定：

$T\≈{(1-R_1)e}^{-\mathrm{\αt}}-(1-R_1)R_1{e}^{-\mathrm{\αt}}+(1-R_1)R_1^2{e}^{-\mathrm{\α}3t}-(1-R_1)R_1^3{e}^{-\mathrm{\α}3t}+....$

其中，光的吸收率A为：

A≈1-(R+T)

在硅内基本上有两个强的光吸收区域。图5示出了分别对于可见光-FIR和IR区域的吸收系数与光子波长的关系。对于等于或大于禁带宽度的光子能量，出现由于产生自由载流子而引起的正常光吸收。

在图6中，示出了硅物质的折射指数与波长(nm)的关系曲线。在紫色波段折射指数为最大，这意味着硅反射紫-蓝光比反射其他颜色的可见光更强一些，因此我们看到这材料呈现为紫-蓝色。

在图7中，示出了一个600μm厚的硅片的吸收、反射和透射的光功率的百分比。最大吸收出现在红色可见光和近红外波长处。

在图8中还示出了三个厚度不同的晶片所吸收的光功率的比较，例示了硅所吸收的光的百分比与光子波长(nm)的关系。

含有电子-空穴对的半导体相对复介电常数可以表示为两个与电子(e)和空穴(h)相关的项之和：

${\mathrm{\ϵ}}_r^{\mathrm{Si}}={\mathrm{\ϵ}}_u-\underset{i=e,h}{\mathrm{\Σ}}\frac{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{pi}}^2}{{\left(2\mathrm{\πf}\right)}^2+v_i^2}(1+j\frac{v_i}{2\mathrm{\πf}})$

其中， ${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{pi}}^2=(N{q}^2/{\mathrm{\ϵ}}_0{m}_i)$ 为等离子体角频率，ε_u＝11.8为硅的暗介电常数，v_i为碰撞角频率，m_i为载流子有效质量，q为电子电荷，而ε₀为自由空间介电常数。

为了计算起见给定：ε₀＝8.854·10^-12Fm^-1，v_e＝4.53·10¹²s^-1，v_h＝7.71·10¹²s^-1，m_e＝0.259m₀，m_h＝0.38m₀，而m₀＝9.107·10^-28g为自由电子质量，N为在等离子体内所产生的载流子的数目。

材料的介电常数定义为一个实部和一个虚部。实部和虚部之间的关系就是所谓的材料的tan(δ)。这个重要的材料参数直接与材料在有电磁波通过时的损耗有关。

ε＝ε′+jε″ $\tan \left(\mathrm{\δ}\right)=\frac{{\mathrm{\ϵ}}^{\′\′}}{{\mathrm{\ϵ}}^{\′}}$

在以下这些图中，示出了硅在分别为40GHz和250GHz的不同频率时的介电常数和tan(δ)与在10¹⁰到10²⁰/cm³之间的载流子浓度的关系曲线。

例如，在图9中可以看到在载流子浓度为10¹⁷cm^-3时硅的介电常数的实部在40GHz为85.6，而在N＝10¹⁸cm^-3时为750，此时硅具有一个很高的介电常数。在N超过10¹⁷cm^-3时，硅的介电常数的实部和虚部以同样的斜率增大，因此tan(δ)成为常数。

在没有受到光照时，如果在40GHz时tan(δ)为10^-4，硅内载流子的数量就在10¹⁰cm^-3左右。但是，随着由于光照载流子浓度增加，硅就成为高损耗材料，而保持它的介电常数相当稳定。如在本说明的以下各段可看到的那样，相移所关心的是改变影响电磁波传播特性的硅材料的介电常数而不是改变装置的衰减器功能所关心的使电磁波衰减的材料的损耗。因此，需要一定的每单位面积光量。

在图10中可以看到在较高的毫米波频率(250GHz)，材料的介电常数的实部完全与在40GHz的一样，而虚部较小，但是随光以同样的斜率增大，因此实际上损耗在较高的毫米波频率较小。

根据对以上特性的理解，可以说可以实现用强度可变的光源改变硅的绝缘材料特性。这个性质打开了一些设计和制造各种利用光照射的毫米波频率部件的应用的新领域。在用Ansoft-HFSS进行的有限元计算中假设等离子体厚度保持不变而等离子体密度在这厚度上随着所施加的光改变。

本研究的主要原因是为了设计、制造和测量矩形波导技术的移相器。可调移相器必须以高精度和尽可能低的损耗实现相移。一个最佳模式是能进行360°相移的可调移相器。这个概念的主要创意是将一片硅安置在矩形波导内部，而通过适当的光照射状况来改变它的介电特性。如果将一个一定大小的硅片设置在一个矩形波导内再加以照射，它就可以改变波导的传播特性和波导的透射特性。

可以通过波导的一个壁上的对光是透明的和对毫米波是“金属”的金属栅格进行照射，使得矩形波导的特性不会改变。

此外，还需要一定光量使内部有一个硅片的波导的传播特性改变。实际上，很容易验证，随着波长的增大，每单位面积的光量将较少，因为需要执行改变的硅片较小。实际上，如果频率增大10倍，所需的每单位面积的光量将减少100倍(a factor of 100)。

为了使制造和测量方便起见，作为例子给出的这个设计用于Ka波段的WR-28标准波导。这个波导的尺寸是a＝7.1mm，b＝3.6mm，在图11中示出了在这个波导内的波长与频率的关系。此外，在图11中还可以看到WR-28波导的参数a从7.1mm改变到5mm对WR-28波导内的波长(mm)的影响。

矩形波导内的波长确定为：

${\mathrm{\λ}}_g=\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{\sqrt{1-{\left(\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{2a}\right)}^2}}$

其中，λ₀为自由空间波长，而a为矩形波导的宽边长度。

该式意味着，如果改变矩形波导的参数a，就可以改变矩形波导内的波长，从而对于一个一定长度的波导实际上改变了相位。因此，如果将一片硅放置在一个波导壁上，就可以将它的介电常数从11.8改变到超过100，实际上将改变波导的尺寸a，从而改变它对于某个频率的内部波长。

相位改变量于是将取决于硅片的厚度、它在波导内的位置、它的长度和我们用光照射时硅的介电常数。为了避免波导内的损耗，如果我们试图以短的长度获得大的相位改变和我们将波导推到接近截止，必须特别小心，因为装置的回波损耗将增大许多。

如果分析一个壁上有一个硅片的矩形波导(见图12a)，就可以推断发生与普通矩形波导非常类似的模传播。实际上，如由图8b可见，基模与普通矩形波导的TE₁₀[见Collin的导波场论(Field Theory ofGuided Waves)]非常类似，这种模的优点是只有少量场将在硅插入物内传播，因此损耗小，而且这类波导的截止频率比普通矩形波导的低(这也是一个优点，除了我们必须注意在波段的较高频率可以出现的其他模以外)。

在图13中可以看到一个在壁上有一个300μm厚的硅片的WR-28波导在暗状况和受到照射状况下的波长。

如图13所示，一个普通的WR-28波导和壁上填有一个300μm厚的硅片的同样的波导在暗状况下接近相同。对硅照射时，它内部的介电常数就改变，从而导致波长实际上也就是相位的改变。为了在一个短的装置内获得有效的相位改变，通过光照射使硅的介电常数的改变必须比较大。

作为一个例子，如果将材料的介电常数从11.9改变到500，需要一段长为40mm的硅片以在整个Ka波段获得总共360度的相位改变，但是如果介电常数只达到100，就需要一段长接近300mm的硅片。因此，如果旨在得到360度的相移，装置用后一种情况就不是非常实际的。

为了达到为500的介电常数，以允许得到一个占40×3.6mm面积的有效和紧凑的装置，意味着(见图5)载流子浓度必须相当高，超过10¹⁸。这样一个高密度的等离子体用普通的光照设备将是达不到的，从而需要成本很高的设备。

从图14可见，如果使用一个厚度为1mm的较厚的硅片，就可以使一段长为15mm的硅的介电常数从11.9改变到50，以在整个Ka波段获得360度的相位改变。这意味着可以很容易得到5×10¹⁶左右的载流子浓度。

如果一个绝缘材料片设置在一个矩形波导内与它的优势模E场平行和与一个内壁隔开，就可以通过解简单的有限元模拟模型来得到在这种波导内传播的模及其特性。

如果将这种波导(带有一个厚为300μm的与内壁隔开0.85mm的硅片的WR-28波导)对于暗状况的模进行分类(图15和16)，可见在传播中有三个主要的模。

如图15所示，在这种波导内的第一模为第一型TE₂₀模，它的场部分在介质内而部分在波导内。介质内的场强比在波导其余部分内的低得多(例如为十分之一或更低)，因此损耗不大。此外，这个模可以很好地耦合到普通矩形波导的TE₁₀。

这种波导的第二模为第二型TE₁₀模，它的场集中在介质内(图12a)，因此对于相移来说将有很大损耗，但是对于作为衰减器来说是很有效的。同样的原则可以用于这种波导的第三模，它是一个TM₁₁模，场集中在介质内部(图12b)。

在图17中可以看到这种波导的一个具体例子。图中示出了在一个带有一个放置在波导内的厚为300μm的与内壁隔开0.85mm的硅片的WR-28波导的情况下两个主模的波长与频率的关系曲线，TM₁₁模没有示出。与普通矩形波导的TE₁₀的IGS耦合效率非常低，因此它适合作为一个衰减器，而不适合用来移相。

从图17这个例子可以看到，对于暗硅看来是最有利的TE₂₀模(曲线II、IV、VIII、IX、X)很快就到达截止。但是在对硅的照射增大时，它的截止频率就成为较低。TE₁₀模在载流子浓度超过6×10¹⁴(曲线VII)时截止，因此在照射增大时，这个有损耗的模不再存在，损耗大大减小，而留存的唯一的模为TE₂₀，随着硅的介电常数的增大越来越像普通矩形波导的TE₁₀，而它在硅内的场下降许多，(因此减小了组件的损耗)。波导尺寸不同和/或介质片厚度不同，使TE₁₀模处于截止的最低载流子浓度也不同，而这个效应可用来调整使这个模(或同样类型的其他模)处于截止状态的光强度。

因此，用图17这个例子所获得的结果是：

通过将硅片内的载流子量从10¹²改变到10¹⁵可以在26.5GHz使波导内波长从13mm(TE₁₀模)改变到超过25mm(TE₂₀模)；

如果假设只是TE₂₀模，可以使35GHz的波长从16mm改变到13mm；以及

假设只是TE₂₀模，可以使40GHz的波长从11mm改变到9mm。

用这种结构，可以得到在大致34GHz到40GHz的频率范围内工作的完全360度的移相器，长度为44mm，光照量不很大(每立方厘米10¹⁵载流子)。

在较低频率(低于34GHz和在暗状态(没有照射)的情况下，在这个移相器内的传播模是TE₁₀，而在有光照射时这个模必须改变为TE₂₀模。移相器的TE₁₀耦合到普通波导的TE₁₀很不好，在这两个转换中耦合损耗很大。此外，对于一定长度在硅内功率传播的固有损耗也大。

按照本发明，可以以Brewster角(或再小一些的角)照射光敏材料片，使得发生内部反射，从而使得所有的光都被吸收和沿光敏材料片的长度传播。这将减小对于给定的相移或衰减量所需要的光量。

Claims (16)

1.一种用于引进电磁波的可调移相和衰减的设备，包括：一个波导，具有一个波道和一个在波导内沿所述波道的一个内壁配置的光敏材料片(18)；以及一个配置在波导外的光源，将光通过所述内壁的一个孔(30)发射到所述光敏材料片(18)的一个外表面的至少一部分上。

2.如权利要求1所述的设备，其中所述光敏材料(18)是光敏导电材料。

3.如权利要求1所述的设备，其中所述光敏材料是硅、砷化镓或锗。

4.如权利要求1或2所述的设备，其中所述光敏材料片的至少朝向孔的表面是经平定的。

5.如权利要求3所述的设备，其中所述光敏材料片的至少朝向孔的表面具有一个环氧树脂涂层。

6.如权利要求1或2所述的设备，其中所述光敏材料片的朝向孔的表面至少部分覆盖有一些反射元条。

7.如权利要求6所述的设备，其中所述这些条形成一个栅格。

8.如权利要求1或2所述的设备，其中所述对光敏材料片的照射是以一个使得出现全部内部反射的角度执行的。

9.一种用于引进电磁波的可调移相和衰减的设备，包括：一个波导，具有一个波道和一个配置在波导内与所述波道的一个内壁隔开的光敏材料片；以及一个将光发射到所述光敏材料片的一个表面的至少一部分上的光源，所述光源是可调的，用来在光敏材料片内产生浓度在10¹²cm^-3到10¹⁶cm^-3之间的载流子，以改变光敏材料的介电常数的实部和虚部，从而产生部分场在光敏材料片内和部分场在波导内的至少一个模，在一个频率范围内形成取决于光照射的移相器和/或衰减器。

10.如权利要求9所述的设备，其中所述载流子浓度在2×1014cm-3到10¹⁶cm^-3之间。

11.如权利要求9或10所述的设备，其中所述模是第一型的，在光敏材料层内的场强比在波道内光敏材料外的场强小。

12.如权利要求11所述的设备，其中所述第一型的模是TE₂₀。

13.如权利要求9或10所述的设备，其中所述模是第二型的，在光敏材料内的场强比在波道内光敏材料层外的场强大。

14.如权利要求9或10所述的设备，其中所述第二型的模是TE₁₀或TE₁₁。

15.如权利要求13所述的设备，其中所述光源的强度可调成使所述第二型的模中至少一个模处于截止状态。

16.如权利要求9或10所述的设备，其中所述对光敏材料片的照射是以一个使得出现全部内部反射的角度执行的。

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