CN102112901A - 用于放大、调制和检测光信号的纳米线光学块设备 - Google Patents

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Abstract

一种用于放大、调制和检测大芯径空心金属化波导（100）中的光信号（108）的纳米线光学块设备（200、300、500、700）。纳米线光学块设备（200）包括衬底（202），其中多个纳米线（206）被耦合到该衬底以形成纳米线光学块。每个适当地形成的纳米线都包括p掺杂区、本征区和n掺杂区。纳米线光学块（200、300、500、700）可工作来被插入到大芯径空心金属化波导（100）中，以提供放大、调制和检测光信号（108）中的至少一个操作。

Description

用于放大、调制和检测光信号的纳米线光学块设备
背景技术
随着电路板上的计算机芯片速度日益提高，芯片间通信中的通信瓶颈正在成为更大的问题。一种可能的解决方案是使用光学系统来使高速计算机芯片互连。然而，大多数电路板包含许多层且常常要求其制造中的公差小于微米。以物理方式安置光纤并将这些纤维连接到芯片可能会太不准确并耗费时间而不能在电路板制造工艺中被广泛地采用。
另外，在多个位置处访问实芯光波导中的光信号可能具有挑战性。每当访问光信号时，该光信号都与原始信号相干扰并使原始信号退化。因此，尽管有对宽带数据传输的需求，芯片之间的适于出售的光学互连仍已被证明是不劳靠的。
附图说明
通过结合附图进行的以下详细说明，本发明的特征和优点将是显而易见的，所述附图一同以实例的方式图解说明本发明的特征；并且，其中： 
图1是依照本发明的实施例的大芯径空心金属化波导的图示； 
图2a是依照本发明的实施例的具有在垂直方向上取向的纳米线的纳米线光学块设备（nano-wire optical block device）的图示； 
图2b是包括p掺杂区、本征区和n掺杂区的纳米线的图示； 
图2c是依照本发明的实施例的示出相对于衬底具有离轴取向的纳米线的纳米线光学块设备的图示； 
图2d是依照本发明的实施例的具有基本上在水平方向上取向的纳米线的纳米线光学块设备的图示； 
图2e是依照本发明的实施例的具有基本上在垂直和水平方向上的纳米线的纳米线光学块设备的图示； 
图2f是依照本发明的实施例的具有被设置成一定角度的纳米线的纳米线光学块设备的图示； 
图2g是依照本发明的实施例的具有基本上随机地对准的纳米线的纳米线光学块设备的图示； 
图2h是依照本发明的实施例的具有基本上与衬底正交地形成的纳米线的纳米线光学块设备的图示； 
图3a是依照本发明的实施例的具有带有垂直纳米线的纳米线网格阵列的纳米线光学块设备的图示； 
图3b是依照本发明的实施例的具有带有水平纳米线的纳米线网格阵列的纳米线光学块设备的图示； 
图3c是依照本发明的实施例的具有带有垂直的和水平的纳米线的纳米线网格阵列的纳米线光学块设备的图示； 
图3d是依照本发明的实施例的具有带有被设置成一定角度的纳米线的纳米线网格阵列的纳米线光学块设备的图示； 
图3e是依照本发明的实施例的具有带有基本上随机地对准的纳米线的纳米线网格阵列的纳米线光学块设备的图示； 
图3f是依照本发明的实施例的具有带有基本上与衬底正交地形成的纳米线的纳米线网格阵列的纳米线光学块设备的图示； 
图4是依照本发明的实施例的具有被插入到波导中的槽中的纳米线光学块的大芯径空心金属化波导的图示； 
图5是依照本发明的实施例的具有带有基本上开放的区域的纳米线网格阵列的纳米线光学块检测器的图示； 
图6是依照本发明的实施例的具有被插入波导中的槽中的被配置用于放大和检测光信号的纳米线光学块的大芯径空心金属化波导的图示； 
图7a是依照本发明的实施例的具有纳米线网格阵列的纳米线光学块检测器的图示，其中纳米线网格阵列在所述纳米线网格阵列的每个区域中具有相对低密度的纳米线； 
图7b是依照本发明的实施例的具有纳米线网格阵列的纳米线光学块检测器的图示，其中纳米线网格阵列在所述纳米线网格阵列的每个区域中具有相对高密度的纳米线；以及 
图8是描绘用于放大、调制和检测大芯径空心金属化波导中的光信号的方法的流程图。
现在将参考所图示的示例性实施例，并且在此将使用特定语言来对其进行描述。尽管如此，将理解的是并不由此意图限制本发明的范围。
具体实施方式
一种用于在电路板上的计算机芯片之间形成光学互连的方法是使用在电路板上形成的光波导。光波导可能由于能够使用光刻工艺或类似工艺在电路板上形成波导而比用于使电子装置互连的光纤通信优越。通常用诸如聚合物和/或电介质的基本上光学透明的材料在电路板上形成波导。还可以在未被安装在电路板上的其它类型的衬底上形成使用光刻工艺或类似工艺制成的光波导。例如，可以在柔性衬底上形成（多个）光波导，以产生具有一个或更多光波导的带状电缆。使用光刻工艺或类似工艺在衬底上形成在本申请中公开的光波导。
以这种方式形成光波导能够提供被构造有必需的物理公差以被用在现代多层电路板上的互连。然而，可以在芯片和电路板制造中用来形成机载波导（on-board waveguide）的聚合物、电介质和其它材料通常明显比光纤更有损耗。事实上，机载波导中的损耗量已经是限制对光波导互连的认可（acceptance）的因素之一。用来构造波导的聚合物可以具有每厘米0.1dB的损耗。相反，光纤中的损耗约为每千米0.1dB。因此，聚合物波导可以具有比光纤中的损耗大几个数量级的损耗。
另外，典型的波导通常被制造为具有大致上与这些波导被设计来载送的光的波长成比例的尺寸。例如，被配置来载送1000nm光的单模波导的最大尺寸可以为1000nm至5000nm（1μm至5μm）。连接这种尺寸的波导可能是昂贵的且具有挑战性的。在历史上，产生并连接波导的成本已使其在最常见的应用中的使用减少。多模波导可以具有用于芯区的在20－60μm数量级的较大尺寸。单模和多模波导都具有针对芯的约0.2至0.3的相对高的数值孔径（NA）和0.01至0.02的包层折射率对比度。数值孔径确定来自发射纤维的射束的发散。因此，较大的NA将导致与纤维间分隔有关的不良耦合。使用这些波导也难以实现所导向的光束的分裂和分接。
相对于使用聚合物或电介质材料形成的传统光波导的重要改进是使用（如图1所示的）被配置来导向相干光108的大芯径空心波导100。大芯径空心波导可具有为波导被配置来导向的相干光的波长的约50至150倍或更多倍的直径（或宽度和/或高度）。所述大芯径空心波导可以具有被配置来导向光信号的为正方形、矩形、圆形、椭圆形或某种其它形状的横截面形状。此外，因为波导是空心的，所以光在空气或真空中实质上以光速传播。
图1图示将多模射束106发射到波导105中的光源（通常为激光器或发光二极管）102。多模射束可以在波导的壁之间弹跳。在每次反射时，可能发生射束的显著损耗。为了降低波导内的损耗，可以添加反射涂层113，以覆盖空心波导100的内部。如可以理解的那样，可以使用镀层、溅射或类似工艺来形成该反射涂层。如果空心波导包括具有低熔点的聚合物或其它材料，则可以使用诸如溅射、电镀或热蒸发的低温工艺来涂敷该反射涂层。
反射涂层113可以包括一层或更多层金属、电介质或在相干光的波长下基本上具有反射性的其它材料。可以基于其反射率来选择金属。期望的是覆盖通道的高反射层。例如，可以使用能够形成高反射层的银、金、铝或某些其它金属或合金来形成反射层。
可替换地，反射涂层113可以是能够由一层或更多层在所选波长下基本上具有反射性的电介质材料形成的电介质堆叠。在沉积反射涂层之前，可以对无涂层的空心通道进行热回流，以使任何表面粗糙平滑。还可以对反射涂层进行热回流或类似工艺，以平滑反射层中的在沉积工艺期间可能出现的表面粗糙。还可以使用电解抛光来使反射金属表面平滑。具有反射涂层的大芯径空心波导被称为大芯径空心金属化波导。
如果光子导向设备未被密封，则反射涂层113可能随着时间的推移而氧化。反射涂层的氧化可显著降低其反射率。为了减少或消除金属涂层的反射率的退化，可以在反射涂层上形成保护层111。该保护层可以包括在相干光的波长下基本上是透明的材料。例如，保护层可以由能够在反射涂层上形成基本上气密的结合（bond）的二氧化硅或某种其它材料形成。这个保护层还将通过使传播的光进一步与有损耗的反射层分离来减少传播损耗。
具有反射表面的空心波导以与实心波导不同的方式工作。空心波导使用衰减的全内反射通过来自（多个）反射层的反射来导向光而不是通过在较高指数芯区和较低指数包覆区之间的全内反射来导向光的原理工作，而通常在诸如光纤的实心波导中，衰减的全内反射是通过在较高指数芯区和较低指数包覆区之间的全内反射来导向光的。如可以理解的那样，空心波导内的光可以以比全内反射所需的入射角大的入射角被反射。
对于圆形空心波导而言，TE01模具有可以根据等式1确定的每单位长度的衰减。
Figure 2008801306394100002DEST_PATH_IMAGE002
                 （1），
其中，
Figure 2008801306394100002DEST_PATH_IMAGE004
是波导半径，ω是光的以弧度为单位的频率，ωc是TE0`截止频率，而η是自由空间的阻抗。空心波导中的衰减是由于金属壁的有限导电性而引起的。Rs是金属的表面电阻率并由下式给出： 
Figure DEST_PATH_IMAGE006
         （2），
其中，σ是电导率，f是光的频率，δ是光到金属中的穿透深度，而μ是金属的磁导率。可以得知Rs随着f的平方根而增加。
从以上等式（1）可以得知TE01模的衰减随着频率的增加而减小。衰减在频率增加时的减小是由于该模在高频率下并未被耦合到导壁而发生。
还具有在空心金属波导100中存在的高阶模。然而，这些模损耗非常大，因为这些模更多地被耦合到金属壁（即，这些模由于更高的数值孔径而经历更多的反射）。在波导弯曲和不连续处，TE01模将由于到高阶模的模转换而被衰减。可以通过如下一组射线来描述最低损耗模：该组射线仅从法线以陡峭的角度擦过反射壁，从而导致在其沿着波导传播时的较少次数的弹跳。因此，低损耗模与常规实芯波导相比具有非常小的数值孔径。
理想地，通常使用单模激光器来将相干光指引到空心波导中。然而，单模激光器可能会相对昂贵。已经发现，诸如垂直腔表面发射激光器（VCSEL）的更廉价的多模激光器在使用具有反射内表面的空心波导来通过相对短的距离传送高数据速率信号时可能是有用的。例如，可以使用多模激光器来指引高数据速率信号通过用作芯片间和电路板间连接的大芯径空心反射波导。多模激光器的使用可以显著地降低光学互连的成本，从而使得能够使用这些光学互连来使更多种类的电子设备互连。然而，多模激光器输出在被直接耦合到空心金属波导时可能具有明显更大的损耗。
为了克服从多模激光器102发射的高阶模的衰减，在从激光器发射的多模光线106的路径之内安置准直仪104。该准直仪可以是准直透镜或一系列透镜。在一个实施例中，可以将准直仪配置为球透镜。该球透镜可以具有防反射涂层。
准直仪104被配置为使多模射束准直，以使得从激光器102发射的多个多模或射线106形成其中所述多模基本上在大芯径空心波导200之内并行行进的准直射束108。可以使用多模射束的准直来通过发射几乎平行于波导的射线而高效地将多模激光器耦合到空心金属波导的低损耗模，从而显著减少在波导内发生的反射的数目。准直射束的在波导内发生的反射通常将相对于波导壁成相对浅的角度，由此使波导内的反射数目最小化并因此减少光在空心波导内的衰减。
另外，可以由准直仪来压缩射束的直径，以使波导未充满。换言之，准直射束可以具有比波导的直径、宽度或高度小的直径。压缩准直射束以使波导未充满能够减少外层模或射线与空心大芯径波导的内部上的反射涂层的交互，并且还考虑到较大的不对准公差。
即使在相干射束108被准直并被压缩来使大芯径空心波导100未充满的情况下，射束的宽度或直径可充满波导的相当大的部分。例如，准直射束可以具有大于波导宽度的一半的直径。相对于单模射束，多模准直射束的宽度可以减小波导内的多模射束的不对准公差。
例如，可以通过具有损耗在0.07 dB/cm的数量级的反射涂层的150μm大芯径波导来传送850 nm光的相干多模射束。离开波导的光的数值孔径被确定为小于0.05。波导的损耗可以随着其尺寸而缩放。较小尺寸的波导由于波导中的较大数目的内部反射（弹跳）而具有较高的损耗。因此，可以使用较大的波导来减少损耗。
如果通过波导的光学路径不是基本上是直的，则在波导100内可能发生相当大的损耗。在波导中出现的弯曲或转弯可能使光具有不期望数目的弹跳，从而引起相当大的衰减量。为了使得能够在不同的方向上路由光信号，可以使用镜、分路器（splitter）以及透镜。然而，这些组件中的每个都还可能引起光信号108的损耗和退化。这些损耗可能在波导的相对大幅度的长度上变得相当大。如果使用诸如分路器的大量光学设备来去除或重定向波导中的多个位置处的光信号，则这些损耗也可能变得相当大。
依照本发明的一个方面，已经认识到需要能够被插入到空心金属波导100中的廉价的光子设备，其能够将光信号108放大以允许该信号行进更大的距离和/或使得能够在允许光信号在空心金属波导内维持期望功率水平的同时使用诸如分路器、透镜和镜的附加光学组件。
在本发明的一个实施例中，用于放大、调制和检测光信号的纳米线光学块设备200可被配置来被插入到大芯径空心金属波导中，如在图2a、2b和2d－2h中所图示的示例性实施例中所示出的那样。每个纳米线光学块可以包括衬底材料202和位于光学块的有源区域（active area）204中的多个活性纳米线（active nano-wire）206。这些纳米线光学块可被确定尺寸来被插入到空心金属波导100中。
光学块的衬底202可以由导电材料组成，诸如由单晶硅、微晶硅、具有短程晶体信息的非晶硅、诸如磷化铟（InP）、砷化镓（GaAs）、氮化镓（GaN）等的III-V族材料组成。在一个实施例中，衬底可以由在所选频率下基本上光学透明的材料形成。可替换地，可以基本上从有源区域204去除衬底，以允许来自光信号的光与纳米线相交互。
每个适当地形成的纳米线206可以由诸如GaAs、InP、GaN的III-V族材料及其合金形成，其中该纳米线206的直径小于空心金属波导中的光信号的波长。纳米线可被配置为PIN二极管，具有p型区、轻掺杂本征区和n型区，如图2b中所示。PIN二极管可以是同质结或异质结，在这种情况下，该PIN二极管将包含III-V材料族的三元和四元合金。p型和n型区通常被重掺杂，以便用作与导体衬底202的欧姆接触。在一个实施例中，本征区可以充当量子阱。
使光学块中的纳米线206正向偏置给与纳米线相交互的光子提供益处。每个适当地形成的纳米线可以起到小型半导体光学放大器的作用，从而将空心金属波导内的光信号中的光子放大。可以使纳米线相对于衬底202以特定对准（alignment）相对准。如图2c中所图示的那样，每个纳米线还可以相对于衬底以几十度的所选角度205与衬底离轴。可以将该所选角度选择为在波导100（图1）中的光子与纳米线之间提供期望水平的交互。无论是同轴（与衬底齐平）还是离轴（以所选角度被指引远离衬底），也都可以使纳米线在特定方向上对准，诸如水平地（图2a）、垂直地（图2d）、水平地和垂直地（图2e）、以所选角度（图2f）、在基本上随机的领地（mandor）（图2g）或垂直于衬底（图2h）来对准。还可以相对于波导100的光轴以比90度小或大几十度的特定角度形成垂直的纳米线。
当光信号108（图1）被偏振时，可以使用纳米线206相对于衬底202的特定对准。例如，水平或垂直对准可以使得偏振光信号能被放大，同时保持该信号的所选偏振。使纳米线对准还可以提供用于放大偏振信号的更高效的手段。可替换地，具有基本上随机对准的纳米线206的纳米线块200可以更有效地放大偏振加扰光信号。
如前文所讨论的那样，典型的空心金属波导100（图1）可以具有近似150μm的高度和宽度。然而，形成该长度的纳米线可能是困难的。另外，具有相对大幅度的长度的纳米线可能相当易碎。为了克服这些局限，如图3a中所图示的那样，可以形成具有纳米线网格阵列的光学块300。该网格阵列可以包括其中可以形成纳米线的区域302的阵列308。每个区域都可以包括纳米线被耦合到的框或框架304。该框架可以是包括诸如衬底202（图2a）的衬底的框。衬底可以基本上是连续的，如图2c中所示的那样，其中纳米线以所选角度被指引到衬底以外。可以将框架配置为使得能够根据需要使连接到框架的纳米线正向偏置或反向偏置。虽然框架在图3a－3f中图示的示例性实施例中被示为正方形，但是该框架可以是基本上任何形状，诸如矩形、圆形、三角形、蜂窝状或纳米线可以被附着于并被偏置的另外的多边形形状。
在一个实施例中，网格阵列308中的每个区域302都具有近似10μm×10μm的尺寸。网格中的每个区域都可以与相邻区域间隔比光信号108（图1）中的光的波长小的距离。可以在每个区域中形成具有比光信号中的光的波长小的直径的多个PIN二极管纳米线306。这些纳米线也可以以基本上小于光的波长的距离被间隔开。例如，对于具有850 nm的波长的光信号而言，每个10μm×10μm的区域可以包括具有从10nm至100nm的直径的多个纳米线。纳米线可以与相邻纳米线间隔落在10nm至1000nm的范围内的距离。网格阵列中的每个区域302都可以与相邻区域间隔小于1μm的距离。
在图3a－3f中图示了包括纳米线网格阵列308的光学块302的示例性实施例。如前文参考图2a－2h所讨论的那样，纳米线可以在所选方向上被取向且朝向与包括光学块300的网格阵列的每个区域302中的衬底垂直的方向离轴几十度。纳米线可以垂直地（图3a）、水平地（图3b）、垂直地和水平地（图3c）或相对于网格阵列中的框架304成所选角度地（图3d）来取向。可替换地，纳米线可以以基本上随机的方式（图3e）来取向。如前文所讨论的那样，还可以将纳米线形成为基本上垂直于衬底（图3f）或相对于波导100的光轴成所选角度。在一个实施例中，包括光学块300的所选网格阵列中的每个区域302都可以具有基本上类似的纳米线对准。可替换地，光学块可以在包括光学块的区域中包含两个或更多不同的对准。
在一个实施例中，纳米线306可以利用不同的带隙材料来配置，使得可以使用不同区域302中的纳米线来选择性地检测不同波长的信号。例如，纳米线块300可以包括具有至少两个不同带隙的纳米线。充分的区域（sufficient area）302可以包括具有第一带隙的纳米线，以吸收第一波长的20%。充分的区域可以包括具有第二带隙的纳米线，以吸收复用过的光信号中的第二波长的90%。可以在纳米线块中包括具有多个不同带隙的纳米线，以使得能够检测、放大和/或调制粗波分复用（CWDM）信号。
如图4中所示的那样，可以在空心金属化波导100中插入（如图3a－3f中所图示的）一个或更多纳米线光学块、诸如光学块300。当纳米线被正向偏置时，如前文所讨论的那样，可以使用适当地形成的纳米线306的每个区域302（图3a）来放大光信号108。可以将多个纳米线光学块插入到波导中，只要从该纳米线光学块输出的经放大的光信号的信噪比大于期望水平即可。
如在图4的示例性实施例中所示的那样，可以将诸如图2a和2d－2h及3a－3f中所图示的实例的纳米线光学块配置为被插入到在空心金属化波导100中形成的槽402中。在一个实施例中，可以以与波导内的光信号路径近似正交的角度形成槽。然而，适当的对准对于光学块的运行而言不是关键的。光学块可以不对准几度但仍和与光信号路径正交的设备基本上类似地运行。另外，可以向光学块涂防反射涂层，以消除到空心金属化波导中的背向反射。
空心金属化波导100的使用使得能够在穿过波导的光信号108无显著退化的情况下插入纳米线光学块300。这是可能的，因为光信号正穿过波导内的真空或空气介质。相反，将外部设备插入到诸如光纤波导或聚合物波导的实芯波导中的槽中可能由于纤维芯与空气或真空之间的折射率的变化而导致光信号的显著退化。因此，大芯径空心金属化波导的使用使得能够将纳米线光学块插入到在波导中形成的槽402中。
纳米线光学块300可以是能够被容易地插入以进行制造或测试的所谓的落入式块（drop-in block）。可以用手、使用器具或使用诸如机器人系统的自动化机械装置来插入落入式块。可以使用例如粘合剂来快速地将块设置在槽中。与实心波导相反，在已插入块之后仍保留在空心金属波导中的小间隙将不会显著地使光信号退化。空心金属波导通常相当容忍间隙。在不招致不期望的额外损耗量的情况下，在波导中可以存在约几十分之一毫米的间隙。例如，已经发现0.1mm的间隙导致光信号中的0.03dB的损耗。随着间隙尺寸的增加，光学损耗线性地增加。快速且廉价地将纳米线光学块插入空心金属化波导中的能力能够在制造和测试方面提供显著的成本节省。
在另一实施例中，纳米线光学块300中的包括每个适当地形成的纳米线的PIN二极管306（图3a）可以被反向偏置。在反向偏置下，与PIN二极管的本征区相交互的来自空心金属波导中的光信号的光子可以在该区内生成载荷子。反向偏置场可以将载流子清除到本征区之外并产生可检测的电流。因此，反向偏置的纳米线光学块可以充当光检测器。在反向偏置的纳米线光学块中，每个适当地形成的PIN二极管可以具有比空心金属化波导中的光信号的波长小的半径，以使对光信号的干扰最小化。
通常在PIN二极管306纳米线与光信号之间期望有强交互。如图3a－3f中的示例性实施例中所图示的那样，这可以通过使用纳米线网格阵列308来获得。当使用具有小于光的波长的直径的纳米线时，通常只有光的部分被吸收。网格阵列可以致使发生光信号的多次反射，从而生成多个电子空穴对并实现纳米线与光信号之间的强交互。当被用作检测器时，纳米线可以被间隔大于光信号的波长的距离。
在（图5中所图示的）一个示例性实施例中，可以使所选数目的区域502在具有纳米线网格阵列508的反向偏置的纳米线光学块检测器500中基本上保持开放。这些基本上开放的区域可以具有数目减少的纳米线或根本没有纳米线。这可以允许预定量的光信号108通过检测器，从而使得能够检测一定量的光信号并且光信号的其余部分继续在空心金属化波导100之内传播。
在一个实施例中，可以基于纳米线光学块检测器500在波导100中的位置来选择开放区域502相对于纳米线网格阵列508中的区域总数的比率。例如，如图6中的示例性实施例所图示的那样，第一检测器510可以包括90%的开放区域和10%的包括纳米线的区域。下一个检测器520可以包括60%的开放区域和40%的包括纳米线的区域。随后的检测器可以包括30%的开放区域和70%的包括纳米线的区域，等等。最后一个检测器530可以包括100%的包括纳米线的区域。随着光信号变弱，可以使用更多数目的检测器来检测光信号。在一个实施例中，可以在相同的波导中使用检测器块500和放大器块300。可替换地，可以仅将检测器插入波导中。
在另一示例性实施例中，（图7a中所图示的）第一检测器700可以被形成为基本上每个区域702都具有相对低数目的纳米线706。不同于被用作放大器的纳米线块，反向偏置的纳米线光学块检测器700可以具有被间隔比空心金属化波导中的光信号的波长大的距离的纳米线。例如，纳米线光学块检测器700可以具有少到阵列708中的每个区域702一个纳米线，虽然通常每个区域都会包括至少数个纳米线检测器。另外，可以将用来制成PIN二极管的材料的类型选择为部分透光。具有密度增加的纳米线的第二纳米线光学块检测器可以位于第一检测器之后。每个随后的检测器可以具有密度增加的纳米线，以能够检测越来越小的光信号。在一个实施例中，（如图7b中所图示的）最后一个检测器720可以在网格阵列的每个区域中包括足够密度的纳米线，以提供用于检测的基本上最大化的区域。
将纳米线光学块用作空心金属化波导中的检测器相比于使用分路器来检测光信号的所选部分而言能够提供显著的优点。例如，块可以被容易地插入空心金属化波导中的槽中并对于插入角相当宽容。相反，分路器通常以相对高的精度以一定的角度被插入，以允许以期望的角度反射光信号。可以以相对于光信号方向的90度角插入块，从而使得能够在短的区域中插入大量检测器。相反，通常以45度角插入分路器，从而占用波导中的较大覆盖区。该块还直接检测光信号并将该光信号转换成可以直接在电芯片和设备中使用的电信号。分路器通常使用附加透镜和组件来指引光信号并将该光信号其转换成电信号。因此，与诸如分路器的其它光学组件相比，纳米线光学块可以用数目减少的组件、更简单的装配过程和更大的公差实现显著的成本降低。
在另一实施例中，可以使用诸如检测器720的纳米线光学块作为光学调制器。在一个实施例中，纳米线光学块可以充当电吸收型调制器。光学块720中的PIN二极管706可以被充分地反向偏置，以使与有源区的带隙移位来控制其对入射光束的吸收。可以以诸如大于10 GHz的高速率来调制偏置信号，以提供能够具有大于每秒10千兆位的传输速率的调幅光信号。
在另一实施例中，如图8的流程图中所描绘的那样，公开了一种用于放大、调制和检测大芯径空心金属化波导中的光信号的方法800。该方法包括提供810包括被耦合到多个纳米线的衬底的纳米线光学块的操作。如前文所讨论的那样，每个适当地形成的纳米线都包括p掺杂区、本征区和n掺杂区。附加操作涉及将纳米线光学块插入到820大芯径空心金属化波导中。可以将块插入到波导中的槽中并使用粘合剂、焊料或另外结合方法将块结合在适当位置。另一操作包括在所述多个纳米线两端施加830偏压，以提供放大、调制和检测大芯径空心金属化波导中的光信号中的至少一个操作。
虽然前述实例在一个或更多特定应用中说明了本发明的原理，但对于本领域的技术人员来说将显而易见的是，在不付出创造性劳动且在没有偏离本发明的原理和概念的情况下，可以进行在实施方式的形式、用法和细节方面的多种修改。因此，除了由下文阐述的权利要求之外，并不意图限制本发明。

Claims (15)

1. 一种用于放大、调制和检测大芯径空心金属化波导中的光信号的纳米线光学块设备，其包括： 
衬底； 
多个纳米线，所述多个纳米线被耦合到所述衬底以形成纳米线光学块，其中基本上每个纳米线都包括p掺杂区、本征区和n掺杂区；以及 
其中，所述纳米线光学块工作来被插入到大芯径空心金属化波导中，以提供放大、调制和检测光信号中的至少一个操作。
2. 权利要求1的设备，其中，所述衬底包括纳米线网格阵列，其中每个网格都具有至少一个纳米线并且每个网格之间的间隔小于光信号的波长。
3. 权利要求1的设备，其中，所述多个纳米线中的每个纳米线都具有小于光信号的波长的尺寸。
4. 权利要求1的设备，其中，所述多个纳米线中的每个纳米线都被间隔开小于光信号的波长的距离。
5. 权利要求1的设备，其中，所述多个纳米线由III-V族材料形成。
6. 权利要求1的设备，其中，所述本征区被配置为量子阱。
7. 一种用于放大、调制和检测大芯径空心金属化波导中的光信号的方法，其包括： 
提供包括被耦合到多个纳米线的衬底的纳米线光学块，其中基本上每个纳米线都包括p掺杂区、本征区和n掺杂区； 
将所述纳米线光学块插入到大芯径空心金属化波导中；以及 
在所述多个纳米线两端施加偏压，以提供放大、调制和检测大芯径空心金属化波导中的光信号中的至少一个操作。
8. 如权利要求7所述的方法，其中，施加偏压还包括向所述多个纳米线施加正向偏压，以提供大芯径空心金属化波导中的光信号的放大。
9. 如权利要求7所述的方法，其中，施加偏压还包括向所述多个纳米线施加反向偏压，以使得能够检测大芯径空心金属化波导中的光信号。
10. 如权利要求7所述的方法，其中，施加偏压还包括向所述多个纳米线施加反向偏置的调制过的信号，以提供空心金属化波导中的光信号的调制。
11. 如权利要求10所述的方法，还包括以大于每秒10千兆位的速率用反向偏置的调制过的信号来调制光信号。
12. 如权利要求7所述的方法，还包括沿着大芯径空心金属化波导横向地插入多个纳米线块，其中，纳米线块上的纳米线中的基本上每个纳米线都作为光检测器和光电二极管之一来工作，以使得每个纳米线块都能够检测光信号的部分并使光信号的其余部分通过，其中每个被检测的部分都被转换成电信号。
13. 如权利要求12所述的方法，其中，插入多个纳米线块还包括沿着大芯径空心波导插入多个纳米线块，其中每个随后的块都包括数目增加的纳米线，以使得能够检测越来越小的光信号。
14. 一种用于放大、调制和检测大芯径空心金属化波导中的光信号的系统，其包括： 
纳米线光学块，所述纳米线光学块包括被耦合到多个纳米线的衬底，其中基本上每个纳米线都包括p掺杂区、本征区和n掺杂区； 
用于将所述纳米线光学块插入到大芯径空心金属化波导中的装置；以及 
用于在所述多个纳米线两端施加偏压以提供放大、调制和检测大芯径空心金属化波导中的光信号中的至少一个操作的装置。
15. 如权利要求14所述的系统，其中，所述衬底包括纳米线网格阵列，其中每个网格都具有至少一个纳米线并且每个网格之间的间隔小于光信号的波长。
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