CN101622562B - 用于在载体电磁波中编码数据的光子器件系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明的各实施例涉及可以用于在载体电磁波中编码数据，以及调节载体电磁波的传输的光子器件系统和方法。在本发明的一个实施例中，一种光子器件系统(1000，1500)包括第一波导(1002)，配置为传送多个电磁波。光子器件系统(1000，1500)包括光子晶体(1004，1502)，其具有谐振腔(1014，1504)，并配置为选择性地并倏逝地将所述电磁波中的一个或多个从第一波导(1002)耦合到谐振腔(1014，1504)中。光子器件系统(1000，1500)还包括第二波导(1006)，定位为通过倏逝耦合从所述谐振腔(1014，1504)中传送和提取一个或多个电磁波。

Description

用于在载体电磁波中编码数据的光子器件系统和方法

技术领域

本发明的实施例涉及光子器件系统，特别涉及可以被配置为在载体电磁波中编码数据的光子器件系统。

背景技术

从1970年代末期开始，光子器件已经越来越多地替代传统电子器件来传输数据。除了在电信号中编码数据并通过信号线传输编码的数据，数据可以编码在电磁波中并通过光子器件传输，诸如光纤和光子晶体波导。通过光子器件传输编码的电磁波相比于通过信号线传输编码的电磁信号有很多优点。首先，对于通过光子器件传输的电磁波，信号退化或损失比通过信号线传输的电信号小得多。其次，光子器件提供比信号线高得多的带宽。例如，单个铜或铝导线只能传输单个电信号，而单个光纤可以配置为传输约100个或更多的电磁波。最后，电磁波提供高得多的数据传输速率并消除了电磁干扰。

最近，材料科学和半导体制造技术上的进展，使得能够制造将光子器件与诸如存储器和处理器的电子器件集成的计算设备。特别是，光子集成电路(PIC)是等价于电子集成电路的光子设备。PIC可以在半导体材料的小晶片上实现，该晶片形成集成电路的基底，并可以包括多个波导用于将编码在电磁波中的数据传输到多个集成光子和电子器件。不同于硅是主要材料的电子集成电路，PIC可以由多种材料构成。例如，PIC可以由一元半导体，诸如绝缘体上的硅，或者二元化合物半导体和三元化合物半导体，诸如InP和Al_xGa_1-xAs(其中x从0到1变化)构成。

为了有效地实现PIC，需要多种无源和有源光子组件。波导和衰减器是可以使用传统外延和光刻方法制造的无源光子器件组件的示例，并且可用于引导电磁波在电子器件之间的传播。物理学家，工程师和计算机科学家已经意识到对于有源光子器件组件的需求，诸如调制器和开关，其可在PIC中实现来在电磁波中编码数据和调节电磁波的传输。

发明内容

本发明的各种实施例涉及可用于在电磁波中编码数据的光子器件系统和方法。在本发明的一个实施例中，光子器件系统包括第一波导，其配置为传输多个电磁波。该光子器件系统包括具有谐振腔的光子晶体，并被配置为选择性地并且倏逝地将一个或多个电磁波从第一波导耦合到谐振腔中。该光子器件系统还包括第二波导，其定位为通过倏逝耦合从谐振腔传输和提取一个或多个电磁波。

附图说明

图1示出了一维光子晶体的示例。

图2示出了二维光子晶体的示例。

图3A-3B分别是第一一维光子晶体和第二一维光子晶体的频率对波矢量z分量的假想图。

图4-5示出了两个二维光子晶体的透视图。

图6A-6B示出了横向电场和磁场模在图5所示的二维光子晶体中的传播。

图7示出了在图4所示的二维光子晶体中传播的横向电场和磁场模的光子带结构。

图8示出了具有两个谐振腔和一个波导的光子晶体的示例。

图9是图8所示的光子晶体的波导的频率对波矢量幅度的假想图。

图10示出了代表本发明一个实施例的第一光子器件系统的等轴视图。

图11A示出了图10所示的第一光子器件系统的截面图，其中有代表本发明一实施例的单层半导体传输层。

图11B示出了图10所示的第一光子器件系统的截面图，其中有代表本发明一实施例的三层半导体传输层。

图12示出了三种不同的示例谐振腔配置，每种谐振腔代表本发明的一个实施例。

图13示出了对于在图10所示的代表本发明一个实施例的第一光子器件系统的波导之间倏逝地传输的电磁波，标准化的传输对标准化的频率的曲线图。

图14示出了代表本发明一个实施例的图10所示的光子器件系统的一种示例使用，来过滤电磁波。

图15示出了代表本发明一个实施例的第二光子器件系统的等轴视图。

图16A示出了图15所示的第二光子器件系统的截面图，其中有代表本发明一实施例的单层半导体传输层。

图16B示出了图15所示的第二光子器件系统的截面图，其中有代表本发明一实施例的三层半导体传输层。

图17示出了对于在图15所示的代表本发明一个实施例的第二光子器件系统的波导之间倏逝地传输的电磁波，标准化的传输对标准化的频率的曲线图。

图18A-18B示出了图15所示的第二光子器件系统作为代表本发明的一个实施例的电磁波调制器工作的示意性表示。

图19A-19E示出了代表使用图15所示的代表本发明一个实施例的第二光子器件系统，可以在载体电磁波中编码信息的三种方式的曲线图。

图20示出了代表本发明一个实施例的，包括四个图15所示的第二光子器件系统来编码信息的第一示例性光子集成电路。

图21A-21B示出了代表本发明一个实施例的第一光子开关的操作。

图22A-22B示出了代表本发明一个实施例的光子开关的波导和储存器的截面图。

图23示出了代表本发明一个实施例的，包括四个图15所示的第二光子器件系统的第二示例性光子集成电路。

图24A-24B示出了代表本发明一个实施例的基于光子晶体的开关的操作。

具体实施方式

本发明的各个实施例涉及可用于调节电磁波的传输，以及在电磁波中编码数据的光子器件系统和方法。注意，用于描述本发明的各实施例的术语“光子器件”是指可用于传输波长跨越电磁波谱的经典的电磁波或量化电磁波的器件。换言之，用于描述本发明的各实施例的术语“光子器件”不限于传输被称为“光子”的电磁波量的器件。为了帮助读者理解对本发明的各实施例的说明，在第一小节中提供了光子晶体，波导和谐振腔的概述。在第二小节中说明了本发明的各种系统和方法实施例。

光子晶体、波导和谐振腔的概述

本发明的实施例使用了光子晶体、脊波导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“Optical WaveguideTheory”、由Jean_Michel Lourtioz著的由Springer-Verlag，Berlin公司在2005年出版的“Photonic Crystals”教科书是本领域的出色的引用书。在本小节中，说明了与本发明的实施例有关的光子晶体的主题。与脊波导和其它光子器件有关的更多的细节可从上文引用的教科书或与本领域相关的许多其它教科书、论文和杂志文献中得到。

光子晶体是由具有电介质特性的两种或更多种不同材料构成的光子器件，所述材料在以规则的模式结合在一起时，能够修改电磁辐射(“ER”)的传播特性。图1和图2示出了具有不同介电特性的两种不同材料能够结合形成光子晶体的多种不同的可能模式中的两种。光子晶体一般由其中电介质模式为周期性的方向的数目来标示。例如，图1示出了一维光子晶体的示例。在图1中，光子晶体100由7层在z方向上周期交替的两种不同电介质构成。非阴影层101-104由具有介电常数ε₁的第一电介质构成，标有斜线的层105-107由具有不同的介电常数ε₂的第二电介质构成。这些层以称为“晶格常数”的重复距离规则地间隔，在图1所示的晶格常数的情形中，晶格常数为a。图2示出了二维光子晶体的示例。二维光子晶体200包括两种不同电介质的交替层，并在x方向和y方向上是以两个晶格常数a和b为周期性的。诸如区201的非阴影区由具有介电常数ε₁的第一电介质构成，诸如区202的标有斜线的区由具有不同介电常数ε₂的第二电介质构成。光子晶体还能够以在三维中的重复模式构造。三维光子晶体可以使用嵌入在包括第二电介质的厚片中的包括第一电介质的球体、管状体或其它立体形状来构造。

ER在电介质中的传播能够用包括振荡正交的电场

和磁场

和传播方向

的电磁波来表征。所述电场和磁场由麦克斯韦方程式来相关联：

式1： $\▿\·\stackrel{\→}{H}(\stackrel{\→}{r},t)=0$

式2： $\▿\·\mathrm{\ϵ}\left(\stackrel{\→}{r}\right)\stackrel{\→}{E}(\stackrel{\→}{r},t)=0$

式3： $\▿\×\stackrel{\→}{E}(\stackrel{\→}{r},t)=-\frac{\∂\stackrel{\→}{H}(\stackrel{\→}{r},t)}{\∂t}$

式4： $\▿\×\stackrel{\→}{H}(\stackrel{\→}{r},t)=\mathrm{\ϵ}\left(\stackrel{\→}{r}\right)\frac{\∂\stackrel{\→}{E}(\stackrel{\→}{r},t)}{\∂t}$

式中

是电磁波在电介质中的空间位移，t是时间，

是介电常数。

由于电介质通常不支持自由电荷或自由电流，所以，式1-4不包括电荷密度项或体电流密度项。旋度方程式3和式4是线性微分方程。在这两个式中，左侧表示场对独立空间位移

的依赖性，右侧表示场对t的依赖性。使相对于变化的微分量与相对于t变化的微分量维持相等的唯一方式是使所述微分量等于同一常数值。式3和式4的两侧都等于常数，可应用分离变量法来得到：

$\stackrel{\→}{H}(\stackrel{\→}{r},t)=\stackrel{\→}{H}\left(\stackrel{\→}{r}\right)\exp \left(\mathrm{i\ωt}\right)$

$\stackrel{\→}{E}(\stackrel{\→}{r},t)=\stackrel{\→}{E}\left(\stackrel{\→}{r}\right)\exp \left(\mathrm{i\ωt}\right)$

其中ω是在电介质中传播的电磁波的角频率。

能够通过将式4除以介电常数

应用旋度算子并且以式3替代电场旋度来对麦克斯韦的旋度方程3和4解耦而给出：

式5： $\mathrm{\Θ}\stackrel{\→}{H}\left(\stackrel{\→}{r}\right)={\mathrm{\ω}}^2\stackrel{\→}{H}\left(\stackrel{\→}{r}\right)$

其中 $\mathrm{\Θ}=\▿\×(\frac{1}{\mathrm{\ϵ}\left(r\right)}\▿\×)$ 是微分算子。

式5是特征值方程，其中特征值是ω²，并且特征函数是相应的磁场

在根据式5确定磁场后，能够通过将

代入式3中并求解

而得到电场

对诸如图1和图2所示光子晶体的有限维光子晶体而言，对式5的特征值和特征函数进行量化以得出：

$\mathrm{\Θ}{\stackrel{\→}{H}}_j\left(\stackrel{\→}{r}\right)={\mathrm{\ω}}_j^2{\stackrel{\→}{H}}_j\left(\stackrel{\→}{r}\right)$

式中j是称为“频带指数”的非负整数值，频带指数以角频率增加的次序标记磁场

的谐波模。

可用光子晶体的平移对称性来确定磁场

的函数形式。例如，在光子晶体100中传播的磁场

的函数形式如下：

式6： ${\stackrel{\→}{H}}_{j,k_{//},k_z}\left(\stackrel{\→}{r}\right)=\exp (i{\stackrel{\→}{k}}_{//}\·\stackrel{\→}{\mathrm{\ρ}})\exp \left({\mathrm{ik}}_{z}z\right){\stackrel{\→}{u}}_{j,k_{//},k_z}\left(z\right)$

其中

是xy平面矢量，是xy平面波矢量，k_z是z方向波矢量分量，

是z方向上的周期函数。式6中的指数项

源自于穿过xy平面中的电介质层传播的ER的连续平移对称性。但是，式6中的项

源自于布洛赫定理以及由光子晶体100的介电常数的周期性在z方向所施加的离散平移对称性，其由下式给出：

$\mathrm{\ϵ}\left(\stackrel{\→}{r}\right)=\mathrm{\ϵ}(\stackrel{\→}{r}+\stackrel{\→}{R})$

式中 $\stackrel{\→}{R}=\mathrm{al}\hat{z},$ a是由电介质层的规则模式确定的晶格常数，1是一个整数。

磁场

是以2π/a的整数倍为周期。结果，相关的角频率也是周期性的：

式7： ${\mathrm{\ω}}_j\left(k_z\right)={\mathrm{\ω}}_j(k_z+\frac{m2\mathrm{\π}}{a})$

光子晶体的电介质模式的不同生成一个或多个被称为“光子带隙”的频率ω_j的范围，在该范围中，ER被阻止在所述光子晶体中传播。所述光子带隙也对应于电磁能范围和波长范围，所述波长表示为λ_j，在该范围中，电介质之间的差异防止ER吸收和ER传播。通过光子晶体传播的ER的波长λ_j与角频率ωj有关：

${\mathrm{\λ}}_j=\frac{2\mathrm{\πv}}{{\mathrm{\ω}}_j}$

其中v是ER在光子晶体中的速度。某些ER频率范围不传播通过光子晶体，因为高频谐波模趋于在具有低介电常数的电介质区集中电磁能，而低频谐波模趋于在具有高介电常数的电介质区集中电磁能。电磁能W可以根据如下的变分原理来确定：

$W\left(\stackrel{\→}{H}\right)=\frac{1}{2(\stackrel{\→}{H},\stackrel{\→}{H})}\∫d\stackrel{\→}{r}\frac{1}{\mathrm{\ϵ}\left(\stackrel{\→}{r}\right)}{|\▿\×\stackrel{\→}{H}\left(\stackrel{\→}{r}\right)|}^2$

式中 $(\stackrel{\→}{H},\stackrel{\→}{H})=\∫d\stackrel{\→}{r}\stackrel{\→}{H}\left(\stackrel{\→}{r}\right)*\stackrel{\→}{H}\left(\stackrel{\→}{r}\right),$ “*”表示复共轭。在具有高介电常数的区中传播的谐波模的电磁能低于在具有低介电常数的光子晶体的区中传播的模的电磁能。

一维光子晶体的光子带隙中的频率的大小和范围取决于构成光子晶体的电介质的介电常数之间的相对差异。在构成光子晶体的材料的介电常数之间具有大的相对差异的一维光子晶体比在介电常数之间具有较小相对差异的光子晶体在较高频率范围具有更大的光子带隙。

图3A-3B分别是第一一维光子晶体和第二一维光子晶体的频率(ωa/2πc)对波矢量z分量k_z的假想图。在图3A-3B中，诸如横轴301的横轴对应于波矢量z分量k_z，诸如纵轴302的纵轴对应于频率。由于如以上参考式7所述的那样频率ω_j是周期性的，所以，对于角频率带j等于1、2和3，相对于波矢量z分量范围-π/a和π/a绘制出频率(ω_ja/2πc)。用阴影区303和304来标示光子带隙。线305、306和307对应于第一、第二和第三角频率带(j＝1、2、3)。在图3A中的光子带隙303的宽度310小于图3B中的光子带隙304的宽度312，原因在于构成第一光子晶体的材料的介电常数之间的相对差异小于构成第二光子晶体的材料的介电常数之间的相对差异。此外，光子带隙303覆盖了比光子带隙304所覆盖的频率范围更低的频率范围。

二维光子晶体能够由在电介质厚片中所构建的圆柱孔的规则晶格来构成。所述圆柱孔可以是气孔或填充了与所述光子厚片的电介质材料不同的电介质材料的孔。图4示出了二维光子晶体的透视图。在图4中，光子晶体400由具有诸如柱402的嵌入圆柱孔的规则晶格的电介质厚片401构成。如标为圆柱孔403的圆柱孔从厚片401的顶表面延伸至底表面，并且可以是填充了气体或具有不同于厚片401的介电常数的介电常数的任意其它材料的孔。二维光子晶体还能够由气体或液体所包围的圆柱的规则晶格排列来构成。图5示出了具有由诸如气体或液体的流体所包围的诸如圆柱501的立体圆柱的规则方形晶格的二维光子晶体500，所述流体的介电常数不同于所述圆柱的介电常数。

二维光子晶体使得在光子晶体的周期性平面中传播的ER偏振，并且电场和磁场可分为两种不同的偏振：(1)横向电场(“TE”)模；和(2)横向磁场(“TM”)模。TE具有指向垂直于光子晶体的周期性平面的以及指向在光子晶体的周期性平面中的

而TM具有指向垂直于光子晶体的周期性平面的

以及指向在光子晶体的周期性平面中的

图6A-6B示出了TE和TM模在图4所示的二维光子晶体中的传播。光子晶体400的周期性平面位于xy平面中，圆柱孔平行于z方向，ER在y方向上传播通过光子晶体400。在图6A中，振荡曲线601表示指向垂直于xy平面的

模，振荡曲线602表示指向在xy平面中的正交

模。在图6B中，振荡曲线603表示指向垂直于xy平面的

模，振荡曲线604表示指向在xy平面中的正交

模。

图7示出了在图4所示的光子晶体中传播的ER的TM和TE模的光子带结构。在图7中，纵轴701表示在光子晶体400中传播的ER的角频率，横轴702表示在图4所示的光子晶体400的光子晶体片段703中标记为Γ、M和K的晶格点之间的ER传播路径。诸如实线704的实线表示TM模，诸如虚线705的虚线表示TE模。带阴影的区706标示不允许TE模和TM模在光子晶体400中传播的光子带隙。

诸如光子带隙706的二维光子晶体厚片中的光子带隙所覆盖的宽度和频率范围取决于由晶格常数a表示的圆柱孔的周期性间隔和所述厚片的介电常数与圆柱孔的介电常数之间的相对差异。此外，对于所述厚片的介电常数与圆柱孔的介电常数之间较大的相对差异，光子带隙706覆盖的频率范围能够被移到较高的频率范围，而对于所述厚片的介电常数与圆柱孔的介电常数之间较小的相对差异，光子带隙706能够被移到较低的频率范围。

二维光子晶体能够被设计成反射在指定的频带之内的ER。结果，二维光子晶体能够被设计和构造为用于防止具有在光子晶体的光子带隙内的频率的ER的传播的频带阻止滤波器。一般来说，圆柱孔的大小和相对间隔控制ER的哪些波长被禁止在二维光子晶体中传播。但是，可以在圆柱孔的晶格中引入缺陷来产生特定的局部化分量。特别地，可以制备也称为“谐振腔”的点缺陷来提供暂时捕获窄范围的ER频率或波长的谐振器。能够制备被称作“波导”的线缺陷来传送频率范围或波长处于光子带隙的频率范围内的ER。结果，三维光子晶体厚片能够被认为是具有折射率n的二维光子晶体，所述折射率n依赖于厚片的厚度。

图8示出了具有两个谐振腔和一个波导的光子晶体的示例。能够通过省却选择圆柱孔、增大或减少选择圆柱孔的大小来在二维光子晶体厚片中创建谐振腔。例如，如由虚线圆圈所环绕的空白区所示，通过省却圆柱孔来在光子晶体800中创建谐振腔801。谐振腔801和805由暂时捕获在光子带隙的频率范围中的ER的有效反射壁包围。谐振腔能够在与光子晶体的平面垂直的方向上引导窄频带内的ER。例如，谐振腔801能够捕获光子带隙的窄频带内的局部化TM模和TE模。除非光子晶体800被夹在产生完全内反射的两个反射板或电介质之间，否则，在谐振腔801中谐振的ER就会在与光子晶体800的周期性平面垂直的方向上逃逸。每个谐振腔具有相关联的质量(“Q”)因子，其提供在ER漏入包围谐振腔的区之前在谐振腔中发生了多少次振荡的度量。

波导是能够被用来将光子带隙的特定频率范围内的ER从光子晶体中的第一位置引至光子晶体中的第二位置的光传输路径。能够通过改变圆柱孔的行或列内的某些圆柱孔的直径或者通过省却圆柱孔的行来制备波导。例如，在光子晶体800中，如虚线803和804之间的空白区域所示，通过在制备光子晶体800期间省略整行圆柱孔来构建电介质波导802。电介质波导802沿单个路径传送具有波长λ₀和λ₁的ER。能够使用分支波导的网络在多个不同的路径中引导ER通过光子晶体。沿波导传播的电磁信号的直径能够小至λ/3n，其中n是波导的折射率，而谐振腔的谐波模体积能够小至2λ/3n。

波导和谐振腔在防止ER漏入直接包围波导和谐振腔的区中的效率可能会低于100％。例如，沿波导传播的处于光子带隙中的频率范围之内的ER也趋于扩散到包围所述波导的区中。进入包围波导或谐振腔的区中的ER经历幅度呈指数衰减的称作“消散”的过程。结果，谐振腔能够被置在波导的短距离之内，以允许波导所承载的ER的某些波长被谐振腔提取。在功效上，谐振腔是能够被用来提取在波导中传播的ER的某一波长的一部分的滤波器。取决于谐振腔Q因子，所提取的ER能够保持被捕获在谐振腔中并且在漏入周围环境中或反向散射进波导中之前谐振一段时间。例如，在图8中，谐振腔801距离波导802太远以至于不能提取具有ER的特定波长的模。然而，谐振腔805能够提取沿波导802传播的具有波长λ₃的ER的一部分。这样，具有波长λ₃的ER的更小的一部分可以留下来与波长为λ₁和λ₂的ER一起在波导802中传播。

图9是图8所示的光子晶体的波导的频率对波矢量

的幅度的假想图。在图9中，阴影区901和902表示图8所示的光子晶体800在没有波导802时所计划的第一和第二带结构。区903标识由光子晶体800所形成的光子带隙。线904标识允许在波导802中传播的频带。能够通过增大波导802的大小来增加允许在波导802中传播的频带的数目。对三维光子晶体而言，三维晶格参数、介电常数之间的差异以及所含物的尺寸确定了光子带隙的频率范围。还能够通过有选择地除去某些所含物或改变某些所含物的尺寸来在三维光子晶体中制备波导和谐振腔。

本发明的实施例

图10示出了代表本发明一个实施例的第一光子器件系统1000的等轴视图。光子器件系统1000包括已经形成在传输层1008中的第一脊波导1002，光子晶体1004，以及第二脊波导1006。传输层1008由诸如SiO₂的衬底1010支持。光子晶体1004包括跨越光子晶体的高度的多个孔洞，诸如孔洞1012，的三角形晶格，并且还包括谐振腔1014。谐振腔1014通过在第一脊波导1002和第二脊波导1006之间的大致中间处选择性地略去孔洞晶格中的一个孔洞来产生。传输层1008可以使用化学气相沉积来形成，孔洞晶格和脊波导1002和1006可以使用任何公知的外延或光刻技术来形成。

传输层1008可以由单一半导体层构成，或者由多个层构成，其中每个层由不同种类的半导体构成。图11A示出了光子器件系统1000的截面图，其中有代表本发明一实施例的单一半导体构成的传输层1008。传输层1008可以由一元半导体，诸如硅，或者二元，三元或四元半导体化合物，诸如II-VI或III-V族半导体构成。例如，传输层1008可以由都是II-VI族半导体化合物的ZnTe或CdSe中之任一构成，或者都是III-V族半导体化合物的GaAs或InP中之任一构成。图11B示出了光子器件系统1000的截面图，其中有代表本发明一实施例的三个半导体层构成的传输层1008。如图11B所示，传输层1008由夹在顶部半导体层1104和底部半导体层1106之间的中间半导体层1102构成，顶部半导体层1104和底部半导体层1106由基本相同的材料构成。例如，中间半导体层1102可以由GaAs构成，顶部半导体层1104和底部半导体层1106可以都由InP构成。

可以选择用于传输层1008的不同半导体材料的数量可以基于要在光子器件系统1000中传输的电磁波的波长。换言之，每种半导体材料具有不同的对应的介电常数ε，其与电磁辐射的特定波长的传输相关联。例如，硅传输层1008具有大约11.8的介电常数，并且可以传输波长大于约1微米的电磁波，而GaAs传输层具有大约8.9的介电常数，并且可以传输波长大于约0.35微米的电磁波。

晶格常数a和晶格孔洞的半径r可以变化来产生阻止一频率范围上的电磁波在第一波导1002和第二波导1006之间传输的光子带隙。然而，谐振腔1014可以被配置为允许位于光子带隙之内的一频率范围上的电磁波，通过倏逝耦合在第一波导1002和第二波导1006之间传输。电磁波被限制到谐振腔1504附近的区域。

如上参考图10所述，谐振腔1014通过选择性地略去构成光子晶体1004的孔洞晶格中的一个孔洞来产生。然而，根据本发明的不同的系统实施例，可以在光子晶体1004中形成任意数量的不同种类的谐振腔配置。图12示出了三种不同的示例谐振腔配置，每种谐振腔代表本发明的一个实施例。如图12所示，第一谐振腔1202包括半径大于晶格孔洞的半径r的单个孔洞，第二谐振腔1204包括半径小于晶格孔洞的半径r的单个孔洞，第三谐振腔1206可以通过略去孔洞并以小于晶格孔洞的半径r的半径制造周边孔洞来形成。注意对于所有三种谐振腔1202，1204和1206，光子晶体的晶格常数a保持不变。

除了谐振腔的配置，用于形成传输层的半导体材料的类型确定了可以在第一波导1002和第二波导1006之间传输的电磁波的频率范围。图13示出了对于通过谐振腔1014而在第一波导1002和第二波导1006之间传输的电磁波，标准化的传输对标准化的频率的曲线图。在图13中，横轴1302对应于在谐振腔1014中谐振的电磁波的标准化的频率(a/λ)，纵轴1304对应于在第一波导1002和第二波导1006之间传输的电磁波的标准化的传输。标准化的传输曲线1306-1308分别对应于具有介电常数10.5，10.45和10.4的三种不同传输层1008半导体材料。曲线1306-1308是对晶格间隔和半径以r＝0.4a相关的光子晶体1004，使用二维时域有限差分(FDTD)数值方法生成的。FDTD方法是用于仿真电磁波在光子晶体中的传播的很多公知的数值方法中的一种(见例如，Jean-Michel Lourtioz等人的Photonic Crystals，Springer-Verlag，Berlin，2005，pp.78-88)。曲线1306-1308显示，随着传输层1008的介电常数降低，电磁波的强度变小大约1/2，并且传输峰向更高的频率偏移。还注意，只有频率在曲线1306-1308的频域内的电磁波在第一波导1002和第二波导1006之间传输。例如，对于介电常数为10.4的传输层1008，标准化频率在从约0.297到约0.298之间的域中的电磁波，可以通过谐振腔1014而在第一波导1002和第二波导1006之间传输。然而，频率在曲线1308的域之外的电磁波不在第一波导1002和第二波导1006之间传输。

图14示出了代表本发明一个实施例的光子器件系统1000的一种示例使用，来过滤电磁波。如图14所示，波长为λ₁，λ₂和λ₃的多个电磁波在第一波导1002中朝着光子晶体1004传播。晶格常数a和孔洞的半径r被定尺寸为使得电磁波λ₁，λ₂和λ₃落在光子晶体1004的光子带隙内。然而，谐振腔1004被配置为使得只有电磁波λ₁可以在谐振腔1004内谐振。结果，电磁波λ₂和λ₃被光子晶体1004反射，而电磁波λ₁被倏逝地耦合到谐振腔1004中。接着，电磁波λ₁被倏逝地耦合到第二波导1006中。

图15示出了代表本发明一个实施例的光子器件系统1500的等轴视图。光子器件系统1500包括结构上类似上面参照图10所示的光子器件系统1000所述的组件的多个组件。因此，为了简明起见，光子器件系统1000和光子器件系统1500中结构上相似的组件被提供了相同的附图标记，并且它们的结构和功能的解释不再重复。光子晶体1502包括基本上位于第一波导1002和第二波导1006之间的中间的谐振腔1504。尽管该谐振腔1504通过从孔洞晶格略去一个孔洞来形成，本发明不限于这样的配置。在本发明的替代实施例中，谐振腔1504可以如上面参考图12所述地配置。不像上面参照图10-13所述的光子晶体1004，光子晶体1502包括延伸区域1506和1508，其可以由高折射率材料形成。光子器件系统1500还包括第一电接触1510，支持在传输层1008上；以及第二电接触1512，由延伸区域1506支持。电接触1510和1512定位在光子晶体1500的相对侧上，使得电压可以跨谐振腔1502施加。电接触1510和1512可以由Cu，Al，Au，Ag，Pt，掺杂的半导体材料，或其他适当的材料构成。

图16A-16B示出了代表本发明的实施例的光子器件系统1500的截面图。如图16A-16B所示，传输层1008可以由单层半导体材料或三层半导体材料构成，如上面参照图11A-11B所述。电极1512定位在延伸区域1506的顶表面上。

在第一和第二电接触1510和1512之间跨谐振腔1502施加的电压改变谐振腔的介电常数。换言之，电接触1510和1512之间施加的电压使得光子器件系统1500的传输峰偏移。图17示出了对于通过代表本发明一个实施例的谐振腔1504，在第一波导1002和第二波导1006之间通过倏逝耦合传输的电磁波，标准化的传输对标准化的频率的曲线图。在图17中，横轴1702对应于在谐振腔1504中谐振的电磁波的标准化的频率(a/λ)，纵轴1704对应于在第一波导1002和第二波导1006之间传输的电磁波的标准化的传输。标准化的传输曲线1706-1708对应于具有介电常数值10.5，10.45和10.4的谐振腔1504，这是通过跨谐振腔1504施加三个不同的电压等级来产生的。这些标准化的曲线是使用上面参照图13所述的FDTD方法生成的。换言之，通过跨谐振腔1504施加适当的电压，谐振腔1504的介电常数可以从传输特定频率范围上的电磁波偏离。例如，假定初始地，谐振腔1504的介电常数是大约10.4。结果，曲线1708显示频率范围从约0.297到约0.298的电磁波可以在第一波导1002和第二波导1006之间传输。然而，当适当的电压施加在电接触1510和1512之间时，谐振腔的介电常数可以偏移到10.5，这对应于曲线1706。如图17所示，频率范围从约0.297到约0.298的电磁波不再能够在第一波导1002和第二波导1006之间传输。

通过比较图13和图17所示的标准化的传输，注意到高折射率延伸区域1506和1508降低了第一波导1002和第二波导1006之间的电磁波传输。在本发明的替代实施例中，该传输降低可以通过在第二波导1006和延伸区域1506和1508之间蚀刻空气间隙来避免。否则的话，传输分别对于Δε/ε等于大约0.0048降低大约4.1dB，对于Δε/ε等于大约0.0095降低大约14.0dB。还注意到电接触1510和1512不影响电磁波的传输。

光子器件系统1500可以作为在载体电磁波(载波)中编码信息的调制器工作。图18A-18B示出了光子器件系统1500作为代表本发明的一个实施例的调制器工作的示意性表示。在图18A中，光子器件系统1500与第一节点1802电耦接，第一节点1802可以是处理器，存储器，或其他数据存储或数据生成电子装置。第一节点1802在发送到光子器件系统1500的电信号中编码数据。源1804生成也发送到光子器件系统1500的载波λ_CW。现在参照图18B，源1804生成的载波λ_CW在第一波导1002中发送到光子晶体1502。载波λ_CW倏逝地耦合到谐振腔1504中。在载波λ_CW倏逝地耦合到谐振腔1504中的同时，电接触1510和1512也接收产生跨谐振腔1504的振荡电压的电信号，该电信号也编码节点1802产生的信息。电压振荡调制载波λ_CW来产生调制的电磁波λ_MOD，其编码了相同的信息并倏逝地耦合到第二波导1006中。回到图18A，调制的电磁波λ_MOD可以在光纤1806中在长距离上传输到第二节点1808供处理。在本发明的替代实施例中，调制的电磁波λ_MOD可以在光子晶体波导，脊波导上，或者通过自由空间传输。

图19A-19E提供了代表本发明一个实施例的使用如上参照图18A-18B所示的光子器件系统1500，在载波中编码信息的概念表示。计算系统中的信息通常由比特的序列表示。每个比特等价于两种选项，诸如“是”和“否”，或者“导通”或“断开”中的一个选择。单个比特的两种状态通常由二进制数“1”和“0”表示。尽管电磁波包括磁场分量和电场分量，为了简明起见，在下面的讨论中载波由电场分量表示：

E(z，t)＝E_ocos(zk-ωt)

其中电场沿z方向传播，ω是角频率，k是波矢ω/c，t是时间，E_o是电场幅度。图19A示出载波的电场分量对时间的曲线图。在图19A中，以及在后续的图19C-19E中，横轴1902是时间轴而纵轴1904是幅度E。曲线1906表示具有规则振荡频率的载波的电场分量E(z，t)。载波1906在第一波导1002中传输并倏逝地耦合到谐振腔1504中。为了产生上面参照图18所述的调制的电磁波λ_MOD，跨谐振腔1504的电压根据图18A所示的第一节点1802提供的电信号变化。图19B示出编码了二进制数“10101”的振荡电压的电压对时间的曲线图，其代表了施加到谐振腔1504的电压可以变化来编码信息的很多种可能方式之一。较低电压1908-1910对应于二进制数“1”，而较高电压1911和1912对应于二进制数“0”。

光子器件系统1500可以通过调制载波λ_CW幅度来产生调制的电磁波λ_MOD。图19C示出了幅度调制的电磁波λ_MOD的示例，其根据图19B所示的电压编码了二进制序列“10101”。在图19C中，单个比特对应于信号的四个相继的周期。周期1914和1915具有小的幅度，其对应于二进制数“0”，并且是通过当跨谐振腔的电压分别对应于较高电压等级1911和1912时，将谐振腔1504的介电常数从在第一波导1002和第二波导1006之间传输载波移开而实现的，如上面参考图17所述。周期1916-1918具有大的幅度，其对应于二进制数“1”，并且是通过当跨谐振腔1504的电压分别对应于较低电压等级1908-1910时，很少到不偏移谐振腔1504的介电常数而实现的。

光子器件系统1500还可以通过调制载波λ_CW频率或相位来产生调制的电磁波λ_MOD。图19D-19E分别代表频率和相位调制的电磁波，并且每个可以通过施加适当的振荡电压来改变谐振腔1504的介电常数来实现。图19D示出了根据未示出的电压模式的，二进制数“10101”的频率调制的电磁信号编码的示例。在图19D中，较低频率周期1920-1922对应于二进制数“1”，较高频率周期1923和1924对应于二进制数“0”。使用相位调制来通过偏移载波的相位编码信息，如下所示：

E(z，t)＝E_ocos(zk-ωt+φ)

其中φ代表相移。图19E示出了二进制数“0”和“1”的相位调制电磁波编码的示例。在图19E中，周期1924-1926对应于二进制数“1”，并且周期1927和1928包括从周期1924-1926的1/2周期相移且对应于二进制数“0”。还可以为电信信号调制这些电磁信号。例如，可以为电信信号中的归零(RZ)或非归零(NRZ)轴码调制电磁信号。

光子器件系统1500可以用于在PIC中编码信息。图20示出了代表本发明一个实施例的，包括四个光子器件系统来编码信息的示例性PIC2000。PIC2000包括源2002，六个节点2004-2009，四个光子器件系统2010-2013，以及耦接到其他光学或电子设备(未示出)的两个光纤2014和2015。节点2004-2009可以是电子处理器，存储器，传感器或其他电子数据生成装置的任意组合。光子器件系统2010-2013电耦接到节点2004-2007，如上参考图18A所述。源2002通过波导诸如波导2016耦接到光子器件系统。波导可以是单个传输层中的脊波导或光子晶体波导，或者光纤。源2002生成通过波导传输到光子器件系统2010-2013的载波λ_CW。节点2004-2007在载波λ_CW中编码信息来产生四个不同地调制的电磁波λ_MOD，如上参考图18-19所述。这些调制的电磁波λ_MOD分开地传输到节点2008和2009以及光纤2014和2015。

PIC还可以包括位于波导接合处的光子开关，用于调节载波到不同节点的传输。例如，如图20所示，光子开关可以位于脊波导接合2018-2010处。图21A-21B示出了代表本发明一个实施例的第一光子开关2100的操作。光子开关2100包括分叉成第一脊波导2104和第二脊波导2106的单个脊波导2102。如图21A所示，第一脊波导2104包括孔洞2108-2110，第二脊波导2106包括孔洞2111-2113。孔洞2108-2113阻止载波λ_CW传过第一和第二脊波导2104和2106。结果，第一和第二波导2104和2106被称为被关“断”。另一方面，通过用折射率和第一和第二波导2104和2106的折射率基本相同的液体填充这些孔洞，载波λ_CW可以传过任意第一和第二脊波导2104和2106。如图21B所示，三个虚线的圆圈代表被液体填充的波导2204中的孔洞2108-2110。结果，载波λ_CW可以传过该接合，通过第一波导2104，这称为开“通”。

图22A-22B示出了代表本发明一个实施例的光子开关的波导中的三个孔洞的截面图。如图22A所示，波导2202包括跨越波导2202的高度的三个孔洞2204-2206。储存器2208位于衬底2210中并在三个孔洞2204-2206之下。储存器2208填充有折射率和波导2202基本相同的液体。该光子开关还包括电阻器线圈2212，其连接到电源2214。换言之，电阻器线圈2212操作为加热储存器2208中的液体的加热元件。

将波导2202开“通”和关“断”参照图22A-22B来描述。参考图22A，没有存储在储存器2208中的液体填充孔洞2204-2206。结果，载波λ_CW不传过孔洞2204-2206，波导关“断”。然而，参照图22B，当电源2214产生的电流通过电阻器线圈2212时，波导2202可以被开“通”。电阻器线圈2212加热，其加热储存器2208中的液体，使得液体膨胀并填充孔洞2204-2206。因为液体的折射率与波导2202的折射率基本相同，载波λ_CW传过孔洞2204-2206。波导2202通过关“断”电源2214并通过允许液体冷却并收缩来关“断”。

在本发明的替代实施例中，光子开关可以使用光子晶体波导接合来在PIC中制造。图23示出代表本发明一个实施例的，包括光子器件系统的第二示例性PIC 2300。PIC 2300包括结构上类似上面参照图20所示的PIC 2000所述的组件的多个组件。因此，为了简明起见，结构上相似的组件被提供了相同的附图标记，并且它们的结构和功能的解释不再重复。然而，不同于图20所示的PIC 2000，基于光子晶体的开关2302-2304用于调节载波到节点2004-2007的传输。

图24A-24B示出了代表本发明一个实施例的基于光子晶体的开关的操作。基于光子晶体的开关2400包括分叉成第一波导2404和第二波导2406的单个波导2402。如图24A中所示，第一和第二波导2404和2406包括三个孔洞。这些孔洞阻止载波λ_CW传过该接合，从而第一和第二波导2104和2106被称为被关“断”。通过用折射率和光子晶体厚板的折射率基本相同的液体填充这些孔洞，载波λ_CW可以传过第一和第二波导2104和2106。如图24B所示，波导2204中三个虚线的圆圈代表被液体填充的孔洞。结果，载波λ_CW可以传过该接合和波导2404，从而波导2204被称为开“通”。可以如上参考图22A-22B所述地填充这些孔洞。

虽然以具体实施例的形式说明了本发明，但无意将本发明限于这些实施例。对本领域技术人员，在本发明的精神范围内的变更是明显的。在本发明的替换实施例中，本领域技术人员将认识到，可以将更多的孔洞添加到光子开关中的波导。在本发明的替代实施例中，光子开关可以是从单个波导输出的三个或更多波导。在本发明的替代实施例中，图10所示的光子晶体1004，以及图15所示的光子晶体1502，可以用正载流子，负载流子，或其他掺杂剂掺杂，使得光子晶体1004和1502的介电常数不同于第一和第二脊波导1002和1006的介电常数。在本发明的替代实施例中，除了采用电阻器线圈2212来产生热量使得液体填充光子晶体中的孔洞，如上面参考图22所述，可以使用压电泵来强迫存储在储存器中的液体进入孔洞。

出于解释的目的，上述说明使用了特定的术语以提供对本发明的深入理解。可是，对本领域技术人员来说，很显然，并不需要这些具体细节来实施本发明。本发明的具体实施例的上述说明是出于描述和说明的目的。它们并不是详尽无遗的或将本发明限制为所公开的确切形式。显然，鉴于上述教示，许多修改和变化是可能的。示出和说明这些实施例是为了最好地解释本发明的原则及其实际应用，从而使其他的本领域技术人员能够最好地利用各种发明，各种修改的多种实施例适合于所设想的特定应用。旨在由如下的权利要求及其等同物来界定本发明的范围。

Claims (6)

1.一种光子器件系统(1000，1500)，包括：

第一波导(1002)，配置为传送多个电磁波；

光子晶体(1004，1502)，包括谐振腔(1014，1504)，并配置为选择性地并倏逝地将所述电磁波中的一个或多个从第一波导(1002)耦合到谐振腔(1014，1504)中；以及

第二波导(1006)，定位为通过倏逝耦合从所述谐振腔中传送和提取一个或多个电磁波。

2.根据权利要求1所述的光子器件系统，还包括第一电极(1510)和第二电极(1512)，定位为施加跨谐振腔(1014，1504)的电压，以便通过改变所述谐振腔(1014，1504)的介电常数，调制从第一波导(1002)到第二波导(1006)传输的该一个或多个电磁波。

3.根据权利要求2所述的光子器件系统，其中第一电极(1510)和第二电极(1512)还包括以下之一：

Cu；

Al；

Au；

Ag；

Pt；以及

掺杂半导体材料。

4.根据权利要求1所述的光子器件系统，其中第一波导(1002)和第二波导(1006)还包括以下之一：

脊波导；以及

光子晶体波导。

5.根据权利要求1所述的光子器件系统，其中光子晶体(1005，1502)还包括以下之一：

Si；

III-V族半导体；以及

II-VI族半导体。

6.根据权利要求1所述的光子器件系统，其中谐振腔(1014，1504)还包括以下之一：

从光子晶体略去的孔洞(1014，1504)；

直径不同于构成光子晶体的孔洞的单个孔洞(1202，1204)；或者

多个孔洞，每个孔洞具有的直径小于构成光子晶体的孔洞(1206)。

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