CN102124395B - 基于表面等离子体激元的光调制器 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种利用布洛赫表面等离子体激元(BSP)效应的光调制器。所述BSP光(BSPO)调制器(10)包括调制介电常数(P-M)的光栅(20)，该光栅可以是一维的或者二维的。电-光(EO)基片(30)将所述P-M光栅夹在中间。所述EO基片具有设置在其上的电极(64)，使用与所述电极相连的电压电源(60)，通过开关调制器的调制电压信号(SM)提供施加的电压(V₃₀)。可以使用折射率匹配层(40)减少不利的反射作用。所述BSPO调制器便于在不需要输入光形成倾斜的入射角的条件下为了激发表面等离子体激元对垂直入射的输入光(100I)进行直接调制。

Description

基于表面等离子体激元的光调制器

相关申请的交叉参考

本申请要求2008年8月15日提交的题为“基于表面等离子体激元的光调制器”的美国临时专利申请第61/189,100号的优先权和权益，本文以该申请的内容为依据并将其全文结合于此。

发明领域

本发明一般涉及光调制器，具体涉及基于表面等离子体激元效应的光调制器。

背景技术

人们将光调制器用于各种光学系统，通常是以快速的方式改变光束的强度，从而将信息赋予到载体光学信号上。在基于波导的光学系统中，例如使用光纤的光通信系统中，将使用光调制器将信息编码到用波导引导的光上。光调制器的其它应用包括将其作为快速开关，用于进行逻辑操作，以及作为光门(light gate)，选择性地阻挡或传输光，而同时不一定需要将信息赋予到光束上。

现有技术的光调制器通常是基于电光(EO)的或者基于电吸收(EA)的。前者是基于线性电-光(Pockels)效应，而后者利用多量子阱异质结构中的Franz-Keldysh效应或者量子限制的Stark效应。基于EO的调制器通常使用由制造集成光学器件和系统的标准方法(例如Ti-内扩散，质子交换等)用EO材料(通常是铌酸锂)制造的Mach-Zehnder干涉仪(MZI)。不幸的是，因为MZI对外与光纤相连，MZI和波导之间的连接会导致不希望有的光信号衰减。另外，衰减过程包括将一道光束分成两道光束，将相对相位赋予光束，于是使光束发生干涉。这样产生了相当复杂的系统和方法。

反之，基于EA的调制器可以与激光器集成在单个芯片上。但是，它们通常具有约为10dB的较低的消光比(即对应于逻辑“1”和“0”的功率水平之比)。目前使用的EAM体积很大，无法直接将其与包含不同材料的系统和/或器件集成。

某些光纤光调制器力图依赖于使用表面等离子体激元。表面等离子体激元(SP)是一种电磁波，其在满足某些条件的情况下在金属层和介电层(可以是空气)之间的界面处传播。基于SP的光调制器使用能够将受引导的光载带的能量选择性地转化为SP的结构。通过选择性地改变转化为SP的功率的量，使得受引导的光波选择性地衰减，以实现所需的模拟调制或数字调制。

迄今为止，为了达到激发SP所需的条件，基于SP的光纤光调制器依赖于与特定金属-电介质结构连接的横向(即平行于光纤轴)光。例如，在一种情况下，通过波导的传播模式以及波导外部的金属-电介质界面支持的等离子体激元模式的渐逝连接实现光强度调制。其它的方法使用棱镜或光栅获得倾斜的入射角，以激发SP。

发明概述

本发明的第一个方面涉及一种光调制器，其包括中心轴，该调制器在操作波长下使用布洛赫表面等离子体激元(BSP)效应，以在受到施加的电压的时候调制输入光。所述光调制器包括调制介电常数的(P-M)光栅，该光栅包括表面，以及垂直于所述表面并且与光轴基本对准的中心轴。所述P-M光栅包括金属区段和/或金属和电介质区段的周期性设置，这些区段限定光栅表面并且限定调制的介电常数。所述光调制器还包括第一和第二EO基片，所述基片各自具有可以根据施加的电压而变化的折射率。所述第一和第二EO基片沿着光轴设置，从而将P-M光栅夹在中间，形成一种当通过可操作地设置在至少一个EO基片上的电极对至少一个EO基片施加电压时可以支持BSP的结构。

本发明的第二个方面涉及一种光调制器，其包括中心轴，该调制器在操作波长下使用BSP效应，从而在受到施加的电压的时候调制输入光。所述光调制器包括EO基片，该基片具有基本平行的第一表面和第二表面，所述基片的折射率可以根据施加的电压而变化。所述光调制器还包括第一和第二P-M光栅，所述光栅设置成将EO基片夹在中间，从而形成第一和第二基片-光栅界面，当通过可操作地设置在EO基片上的电极对EO基片施加电压的时候，所述界面可以支持相应的第一和第二BSP。所述光调制器还包括第一和第二介电基片，所述介电基片分别设置在与第一和第二P-M光栅紧邻并且与EO基片相反的位置。

本发明的第三个方面涉及一种利用BSP效应调制输入光，以形成调制过的输出光的方法。所述方法包括提供至少一个限定操作波长的P-M光栅。所述方法还包括使得所述至少一个P-M光栅与至少一个EO基片面接，从而形成至少一个能够支持至少一个BSP的光栅-基片界面，所述至少一个EO基片的折射率在施加电压的情况下会发生变化。所述方法还包括使得输入光通过所述至少一个光栅-基片界面，同时改变施加于所述至少一个EO基片的电压，以改变所述至少一个光栅-基片界面在操作波长下支持至少一个BSP的能力，从而使得输入光选择性地衰减，形成调制过的输出光。

在以下的详细描述中提出了本发明的附加特征和优点，其中的部分特征和优点对本领域的技术人员而言根据所作描述就容易理解，或者通过实施包括以下详细描述、权利要求书以及附图在内的本文所述的本发明而被认识。

应理解，前面的一般性描述和以下的详细描述都提出了本发明的实施方式，用来提供理解要求保护的本发明的性质和特性的总体评述或框架。包括的附图提供了对本发明的进一步的理解，附图被结合在本说明书中并构成说明书的一部分。附图举例说明了本发明的各种实施方式，并与描述一起用来解释本发明的原理和操作。

附图简要说明

图1是使用1D P-M光栅的基于布洛赫(Bloch)表面等离子体激元的光调制器的(BSPO调制器)第一个示例性实施方式的透视示意图；

图2是用于图1的BSPO调制器的一维P-M光栅的示例性实施方式的放大透视图；

图3是一个示例性实施方式的剖视的侧视示意图，其中BSPO调制器保持在外壳内，所述外壳构造成用来便于面接，或者以其它的方式将波导可操作地连接于BSPO调制器；

图4是图3的外壳的示意图，图中显示与外壳连接器端部相连的有连接器的光纤；

图5A是图1的BSPO调制器在通过施加两种不同的电压值(V₃₀)而产生两种不同的折射率n＝2.1和2.2的情况下，输入光的传输系数T(dB)随波长λ(nm)变化的“开关曲线”；

图5B是与图5A类似的开关曲线，但是是对于金属条中实际损失较多，EO基片的折射率n变化较小的情况(图中还显示了中间开关曲线CI)；

图6A和6B是根据使用用来在有薄结构的金属-电介质膜上激发BSP的分析模型进行的多参数优化计算，获得的图1的示例性BSPO调制器的模拟传输系数T(dB)与光栅厚度T_G(Y-轴)和光栅周期Λ(X-轴)的灰度曲线；

图7A是与图1类似的BSPO调制器的另一个示例性实施方式的侧视示意图，但是其使用被EO基片隔开的两个一维P-M光栅；

图7B与图7A类似，但是显示了将不透明的电极设置在EO基片的侧面上的一个示例性实施方式；

图8A显示了在通过施加不同的(模拟的)电压产生一些不同的折射率n的条件下，图7A和7B的双光栅BSPO调制器的示例性实施方式的以传输系数T(dB)-波长(λ)曲线形式表示的模拟开关曲线图；

图8B与图8A类似，区别在于两个光栅之间的EO基片的厚度T₃₀不同(T₃₀＝50nm，100nm和150nm)；

图9是由金属区段和介电区段制成的2D P-M光栅的一个示例性实施方式的从上向下的视图，所述光栅用来形成对偏振不敏感的BSPO调制器；

图10显示与图5A的曲线类似的开关曲线C1和C2，其以传输系数T(dB)-波长(λnm)曲线形式表示，但是是对于包括图9的2D光栅的图1的BSPO调制器的情况；以及

图11是使用本发明的BSPO调制器对来自激光光源的光进行调制的光学系统的示例性实施方式的示意图。

在以下的详细描述中提出了本发明的附加特征和优点，其中的部分特征和优点对本领域的技术人员而言由所述内容就容易理解，或按下面的描述和权利要求书以及附图中所述实施本发明而被认识。

发明详述

下面将详细介绍本发明的优选实施方式，这些实施方式的例子在附图中示出，附图不一定按照比例绘制。只要有可能，在所有附图中使用相同或类似的编号来表示相同或类似的部分。应当理解，本发明所揭示的实施方式仅仅是示例，各自结合本发明的某些优点。

可以在本发明范围之内，根据以下示例进行各种改进和变化，可以将不同示例的方面以不同的方式混合，以获得另外的示例。因此，本发明的真正的范围应当从整个说明书来理解，而不应当限于本文所述的各实施方式。

本发明利用了以下文献所述的BSP激发的效应：A.Kobyakov等的题为“硅和玻璃基片上的平面双金属光栅中的基态和较高次布洛赫表面等离子体激元(Fundamental and higher-order Bloch surface plasmons in planarbi-metallic gratings on silicon and glass substrates)，”美国光学学会学报(Journal of the Optical Society of America)(JOSA)B，第25卷(2008)(印刷中)，可在http://josab.osa.org/upcoming.cfm查阅，以及A.Kobyakov等的题为“用于光与1D纳米等离子体激元结构的相互作用的半分析方法(Semi-analytical method for light interaction with 1D nano-plasmonicstructures)，”Optics Express，第16卷，第12期，2008年6月9日(第8938-57页)，这两篇文献都参考结合入本文中。

定义

在附图中用于参照以及为了表述的方便，使用了术语例如“水平”、“垂直”、“前”、“后”、“输入”、“输出”、“内”、“外”等，以及使用了笛卡尔坐标，但是它们并不用来在说明书或权利要求书中对绝对的取向和/或方向构成严格的限制。术语“波导”表示“光波导”，不限于光纤，但是本发明特别适于光纤形式的光波导。在下文中，使用符号“～”作为简化形式来表示“大约”。

包括1D P-M光栅的BSPO调制器

图1是基于布洛赫表面等离子体激元的光调制器(“BSPO调制器”)10的一个示例性实施方式的透视示意图，该调制器10包括中心光轴A1，输入侧12I和输出侧12O。为了参照起见，图中显示了笛卡尔坐标。图中显示BSPO调制器10与波导70面接，所述波导70包括端部72和芯区(“芯”)73。为了描述，在一些情况下将波导70称为输入波导70I和输出波导70O，它们分别传输下文详述的输入光100I和(调制过的)输出光100O。在图1中，为了便于图示，省去了包围所述芯73的包覆区域(“包层”)74，该包覆区域74是包围所述包层的缓冲层75(见图3)。

BSPO调制器10包括调制介电常数的周期性平面光栅20(“P-M光栅”)，其包括上表面22和下表面24。P-M光栅20沿着光轴A1被两个电光(EO)基片30夹在中间，所述两个基片30各自具有基本平行的表面32。在一个示例性实施方式中，表面32可以呈波纹状，但是表面仍然大体上基本平坦且互相平行，这是因为波纹的尺寸远小于EO基片30的尺寸。EO基片30以基本垂直于光轴A1的方式设置在BSPO调制器10中。在下文中对EO基片30进行更详细的讨论。

对于图2，在一个示例性的实施方式中，P-M光栅20为金属-电介质光栅的形式，其包括宽度分别为W_M和W_D的金属区段(条)26M和电介质区段(条)26D的周期性设置，图中显示它们沿着X方向取向，沿着Y方向周期性地变化。此种结构被称作“一维”或1D光栅。P-M光栅20的厚度为T_G，长度为L_G，宽度为W_G。在一个示例实施方式中，L_G＝W_G。P-M光栅20具有表面22以及垂直于表面22的中心轴A2。

在一个示例性的实施方式中，光栅厚度T_G为50-250纳米。并且在一个示例性实施方式中，L_G＝W_G，约为10μm，T_G～100nm。因此，BSPO调制器10的截面尺寸(例如直径)约为常规波导芯73的尺寸，例如～10μm x 10μm。这些尺寸允许BSPO调制器10具有小形式的因子，提供与光波导(特别是光纤)连接和与之封装的优点。可以形成较大的P-M光栅20，将其用来制造较大的BSPO调制器10，用于较大的光纤芯，例如具有大的有效面积的光纤70I和70O(即所谓的“大有效面积光纤”)。

在操作波长λ_O下，金属条26M优选具有低的损失，具有有限的负的介电常数ε，以适合于BSP的激发。最适合于形成金属条26M的金属的例子包括金、银和铜，这是因为它们的损失低。电介质条26D的折射率n_D可以发生很大的变化。例如，电介质条26D可以由与用来制造EO基片30相同的EO材料形成，而在另一个例子中，电介质条可以是空气。

在另一个示例性实施方式中，通过使用双金属P-M光栅20使得n_D为负值，其中光栅20的电介质条26D用金属条26M’代替，所述金属条26M’的介电常数(ε₂)与金属条26M(ε₁)的不同。例如通过使在某个波长范围具有不同光学性能的两种金属条26M和26M’交替，如金和银在可见波长范围的光学性能不同，实现必需的介电常数调制。用于金属条26M和26M’的金属的例子包括例如金和银。用来形成双金属P-M光栅20的其它选择包括通过几何结构设计来改良金属条的有效介电常数，以及使用具有规定的有效介电常数的合金或金属-电介质复合体。还可以通过使得一种或两种金属区段的表面产生波纹而实现介电常数的周期性调制。

P-M光栅20具有周期Λ，该周期限定了(选择了)BSPO调制器10所需的操作波长λ_O。在一个示例性的实施方式中，对操作波长λ_O进行选择，使其处于通信C-带波长中心1550纳米处或该波长附近。在其它的示例性实施方式，操作波长λ_O选择位于1300纳米或该波长附近，或者位于850纳米或该波长附近。预期BSPO调制器10在这些后面的波长下能够更有效地操作，这是因为在较高的光频率下，金属中的损失较低。

在一个示例性的实施方式中，光栅厚度T_G约为100nm，而各个EO基片的EO基片厚度T₃₀(图3)约大于400纳米，以确保BSP适当地定位。

在一个示例性的实施方式中，工作循环

在一个示例性实施方式中，通过本发明人计算机模拟确定，D优选约为0.2。但是，本领域技术人员能够理解，可以根据具体的应用以及BSPO调制器10的相关设计参数对工作循环D进行进一步优化。

在一个优选的示例性实施方式中，使用常规的沉积技术直接在EO基片的一个表面32上直接形成P-M光栅20。例如，首先在特定的EO基片表面32上涂覆金属层。然后在该层上沉积光刻胶并形成图案(例如采用光刻曝光)来限定电介质区域的位置。然后对曝光的光刻胶进行显影，对结构进行蚀刻，从而除去曝光的金属。可以在金属条26M之间选择性地沉积空气或另一种电介质材料(例如二氧化硅)，以形成电介质条26D。然后除去剩余的覆盖金属条26M的光刻胶。注意可以通过使得EO基片表面32形成波纹，然后在有波纹的表面上形成一个或多个金属膜，从而形成有波纹的金属区段26M和/或26M’。

再来看图1，EO基片30由EO材料制成。用于EO基片30的示例性的EO包括铌酸锂钛酸钡和铌酸锶钡。优选形成EO基片30，使得它们的晶体取向为使用的特定材料提供最大的EO系数。

EO基片30通过电线62与电源60电连接。在基片上形成电极64(还参见图3和图7)，用来提供所需的电连接。在图7A所示的一个示例性实施方式中，使用透明电极64沿着A1轴在EO基片30上施加电压V₃₀。在此情况下，电极64之间的EO材料的厚度T₃₀较小，可以供较小的电压(例如5-10V)之用，导致开关较快。透明电极64可以由任意数量的透明导电膜形成，例如掺杂锡的氧化铟，掺杂氟的氧化锡，或者掺杂的氧化锌。由这些金属氧化物制得的透明导电膜通常在玻璃基片或陶瓷基片上形成。已知的用来形成透明导电膜的方法包括化学气相沉积(CVD)法(例如等离子体CVD法和光CVD法)，物理气相沉积(PVD)法(例如真空蒸发法，离子镀覆法和溅射法)，以及各种涂覆法。

在例如图1和图3所示的其它的实施方式中，在EO基片30的侧面上提供了电极64，这样光轴A1上具有电势V₃₀。在此情况下，需要较高的电压(例如50-70V，通常＜100V)，这会稍微减慢开关速度。为了使得开关速度和效率最佳，将施加的电压V₃₀施加于两个EO基片30。如果使用EO系数大于铌酸锂(r33＝31pm/V)的材料，可以减小必需施加的电压V₃₀，所述材料是例如钛酸钡BaTiO₃(r33＝97pm/V，r42＝1640pm/V)或铌酸锶钡(r33＝224pm/V)。可以通过对P-M光栅20进行另外的优化，进一步减小施加的电压V₃₀。

在一个示例性的实施方式中，可以在相反的侧面上，在相邻的一个或两个EO基片表面32上提供一个或两个折射率匹配层40。折射率匹配层40各自具有与相邻的EO基片30相反的表面42(即分别位于BSPO调制器的输入端12I和输出端12O)。例如如图1所示，当BSPO调制器10与一个或多个波导70面接的时候，设置折射率匹配层40来减少反射。在一个示例性的实施方式中，构造了包括一个或多个薄电介质板(图中未显示)的一个或两个折射率匹配层40以防止由于波导70的材料(例如二氧化硅，掺杂的二氧化硅等)和EO基片30中的EO材料的折射率不同造成光从所述结构反射。在一个示例性的实施方式中，一个或两个折射率匹配层40包括施加于EO基片30的一个或两个外表面32的一个或多个薄膜减反射涂层(图中未显示)。

在一个示例性的实施方式中，一个或两个波导70是光纤。在优选的实施方式中，波导70是保持偏振的，以确保入射到P-M光栅20上的电磁(EM)波是TM EM波。波导70还可以是保持无偏振的，但是此时P-M光栅20优选是2D对称的(即被电介质区段分隔的金属正方形或矩形的棋盘结构)，这将在下文中更详细地讨论。

在一个示例性的实施方式中，最容易使用标准的光刻方法和技术制造BSPO调制器10，这些光刻方法和技术经常用来制造用于各种光子学、集成光学和半导体应用的微米尺寸和纳米尺寸的结构和器件。类似地，提出的调制器可以在光子集成电路中与光波导70集成以及与光纤波导集成。BSPO调制器10的制造不限于特定的一种或一组材料，例如铌酸锂或砷化镓。本领域技术人员能够理解，P-M光栅20的审慎的设计可以制得与很多种材料平台相容的BSPO调制器10。

在一个示例性的实施方式中，可以在不使用折射率匹配层40的情况下使得BSPO调制器10的总厚度T₁₀约为1-2微米，在使用折射率匹配层的情况下，约为5-7微米。

BSPO调制器10优选构造成使得其在操作波长λ_O下传输光，在“传输”或“断开”模式下衰减极低(例如约等于或小于2dB)，在“阻断”或“接通”模式下衰减极高(例如约等于或大于20dB)。可以构造BSPO调制器10，使得“接通”模式需要施加电压，或者“断开”模式需要施加电压。在以下讨论中，为了举例说明起见，选择“断开”模式作为“未施加电压”的模式。

可以通过BSP模式的选择性激发在垂直入射条件下产生较宽范围的衰减(因此有较大的消光比)，其本征频率与输入光100I的操作波长λ_O相同。这与需要倾斜入射角的其它基于SP的光调制器是大不相同的。需要注意的是，BSP是集中激发，形成驻波，而不是形成沿着特定方向传播的SP波。图2中用P-M光栅表面22上的电荷分布(+，-)显示了该种驻波BSP的示意图。

当使用BSPO调制器10作为导波光学系统的一部分的时候，第一步通常包括使得调制器与一个或多个波导70面接。在一个示例性的实施方式中，光纤形式的波导70在输入侧12I和输出侧12O与BSPO调制器10面接。

图3是一个示例性实施方式的剖视的侧视示意图，其中BSPO调制器10保持在外壳150内，所述外壳构造成便于面接或者以其它的方式将波导70可操作地连接于调制器。外壳150包括中央区段152，该中央区段152包括构造成容纳BSPO调制器10的内部154。外壳150还包括位于外壳150相反侧上的通道区段156，该通道区段具有开放的端部158，并限定出各个通道160，这些通道的尺寸能容纳各个波导70。在一个示例性的实施方式中，通道160具有相同的尺寸以容纳两个相同的波导70，而在另一个示例性的实施方式中，设定通道160的尺寸(以及/或者形状)，以容纳不同的波导70。在一个示例性的实施方式中，与电极64相连的电线62包括电接触件63，以便于与电压电源60连接。

外壳150特别可用来将两个光纤70互相连接。图3显示了一种示例性的实施方式，其中部分剥去缓冲层75，这样“裸露的”光纤70(即具有包层74的芯73)可以插入通道160。在另一个示例性的实施方式中，可以形成通道区段156以容纳标准的光纤连接件(例如STP型连接件)，光纤70的端部部分可以与标准光纤连接件80相连，例如如图4所示。

再来看图1，在BSPO调制器10操作的时候，输入光100I沿着输入波导70I中的光轴A1传播，在入射侧12I入射到BSPO调制器10上。如果使用折射率匹配层40来减少由于波导端72形成的界面造成的不利的反射，则输入光100I首先入射到该折射率匹配层上，而仅发生很少的反射。在这里应提到，在没有一个或两个折射率匹配层40的情况下，BSPO调制器10仍然可以发挥作用。但是，本领域技术人员能够理解，在大多数情况下，折射率匹配层有利于减少反射，使调制器在传输(“断开”)状态下传输的光的量最大。

因此大部分输入光100I传播到第一EO基片30。假设施加的电压V₃₀＝0，则EO基片的折射率n会具有较低的值(例如n＝2.1)，这样输入光100I不会在光栅-EO基片界面处被BSP效应显著衰减。因此当V₃₀＝0的时候，输入光100I基本上传输通过P-M光栅20，第二EO基片30以及第二折射率匹配层40而没有发生显著的衰减，从而形成输出光100O。

另一方面，通过电压电源60对一个或两个EO基片30施加电压V₃₀可以用来改变基片30的折射率，因此使得BSP的本征频率发生迁移。在断开状态下，系统的参数使得BSP被激发，调节了膜的高传输系数。施加的电压用来显著抑制输入(入射)光100I的强度，从而在输出光100O中形成了基本没有光传输的间隙100G。通过选择性地接通和断开施加的电压V₃₀(或者，对于模拟调制的情况，选择性地改变施加的电压)，可以控制传输的光100T部分之间的间隙100G的出现和尺寸，从而调制输出光100O。在一个示例性的实施方式中，调制信号SM以一定的方式为BSPO调制器10(特别是通过电极64对EO基片30)提供施加的电压V₃₀，所述方式包括调制信息，在需要的时候还包括偏压。

还需要注意可以在很多应用(例如逻辑操作，激光模式锁定操作等)中将BSPO调制器10用作数字EO开关。此处还需要注意，可以将施加的电压V₃₀施加于一个或两个EO基片30。将施加的电压V₃₀施加于对单个EO基片30不会导致好的调制性能，但是对于不要求大的衰减(即高消光比)的某些应用来说也是可以接受的。

图5A是示例性BSPO调制器10在通过施加两种不同值的电压V₃₀而产生两种不同的折射率n＝2.1和2.2的情况下，输入光100I的传输系数T(dB)随波长λ(nm)变化的“开关曲线”。这两个开关曲线记作C1和C2。图5A是对低损失金属和施加的高V₃₀的理想情况使用全数值有限差时域(fullnumerical finite-difference time-domain)(FDTD)模拟形成的。模拟的BSPO调制器10的光栅厚度T_G＝116nm，光栅周期Λ＝688nm。

曲线C1显示当对基片施加的电压V₃₀为“断开”(V₃₀＝0)，这样n＝2.1的时候，传输系数T与波长λ的关系。特定波长下的传输值之差表示该波长下的衰减。曲线C2显示当对基片施加的电压V₃₀为“接通”(V₃₀＝V_最大)，这样n＝2.2的时候，传输系数T与波长λ的关系。图5A显示在大约1550纳米的操作波长λ_O条件下，可获得相当大的40dB消光比。

图5B是与图5A类似的开关曲线，但是是对于金属条26M中实际损失较多，EO基片30的折射率n变化较小的情况。这些变化导致透明(传输)状态较高的损失以及较小的消光比。模拟的BSPO调制器10的光栅厚度T_G＝100nm，光栅周期Λ＝694nm。显示了三条曲线C1，CI和C2。曲线C1显示了V₃₀＝0(即“断开”状态)，导致折射率n＝2.1。曲线CI是“中间”曲线，其中施加的电压V₃₀不等于零(即在“接通”状态，但是不在最大电压V_最大下)，导致折射率n＝2.13。曲线C3是对于V₃₀＝V_最大(即完全“接通”状态)，导致折射率n＝2.16的情况。与图5A相比，图5B需要较低的施加的电压V₃₀来产生曲线C1，CI和C2。假定可以接受的消光比约为25dB，则由曲线C1和C2估计可以接受的操作波长带宽Δλ_O(即操作波长λ_O的范围)约为20纳米。

图6A和6B是根据使用用来在有薄结构的P-M膜上激发BSP的分析模型进行的多参数优化计算，获得的示例性BSPO调制器10的模拟传输系数T(dB)与光栅厚度T_G(Y-轴)和光栅周期Λ(X-轴)的灰度曲线。所述计算有助于确定BSPO调制器10最有效操作所需的参数范围。图6A是对于n＝2.1(“断开”状态)的情况，图6B是对于n＝2.2(“接通”状态)的情况。

因为图6A和6B的结果是使用根据分析模型的模拟获得的，因此峰值传输系数的值略微低估了。但是，这样的根据模拟的优化使人们能确定P-M光栅20的合适的光栅厚度T_G和光栅周期Λ。

BSPO调制器10的开关速度通常上由使用的特定EO基片材料决定，因此通常与其它基于EO的调制器相同。例如，使用铌酸锂EO基片30可以获得大约40Gb/s的开关速度。可以通过特定的电极结构以及对于非轴向电极结构进行开关所需的较高电压(例如最高达大约70V)稍微减小这些开关速度。

包括两个1D P-M光栅的BSPO调制器

图7A和图7B是与图1所示的类似的BSPO调制器10的示例性实施方式的侧视示意图，但是调制器使用被EO基片30隔开的两个P-M光栅20，还包括沿着光轴A1将两个P-M光栅20夹在中间的两个电介质基片110。EO基片表面32和两个P-M光栅20形成两个相应的光栅-基片界面GSI，当BSPO调制器10处于“接通”状态的时候，这两个界面各自支持BSP。

如图7A所示，对于设置在两个透明导电膜之间的单独的EO基片30，各个EO基片表面32上的两个透明的导电膜可以作为透明的电极64。该结构的优点在于能够促进EO基片表面32上的电压均匀分布。优选将透明电极64的厚度保持尽可能小(例如约等于100纳米)以将连接损失减至最小。

在另一个示例性实施方式中，使用本身作为电极的双金属P-M光栅20。另外，当光栅20是P-M光栅的时候，电介质条26D可以由导电材料制造，并用作透明电极64。

图7B显示一个示例性的实施方式，其中电极64位于EO基片30的侧面上。

图7A和7B的单独EO基片实施方式便于将EO基片的厚度T₃₀减小到约为50纳米。在图7A的使用轴上透明电极64的实施方式中，与上文所述第一示例实施方式相比，前一实施方式考虑到开关所需的施加的电压V₃₀的大小显著减小。图7B的实施方式中所需的施加的电压V₃₀的减小也很显著，但是不如图7A的轴上电极实施方式那样大。现在所述两个P-M光栅20各自的厚度可以为上面讨论的第一示例性实施方式所考虑的厚度的二分之一，这样传输(“断开”)模式的BSPO调制器10的传输系数不受影响。

图8A显示了对于通过施加不同的(模拟的)电压V₃₀产生一些不同的折射率n，图7A的BSPO调制器10的示例性实施方式的以传输系数T(dB)-波长(λ)曲线形式表示的模拟开关曲线图。该模拟的其它参数如下：对于各P-M光栅20，T_G＝50nm，Λ＝696nm，对于两个电介质基片110，n₁₁₀＝2.1。在图8A中，EO基片的厚度T₃₀＝100nm。

图8B与图8A类似，区别在EO基片的厚度T₃₀不同(T₃₀＝50nm，100nm和150nm)；与图5A和图5B的开关曲线相比，图8A和图8B的开关曲线显示类似的性能。

图7A和图7B的BSPO调制器10优于图1的单光栅实施方式的优点在于，对于特定用途设计调制器可得到的优化参数更多(即自由度更高)。例如，由于使用了两个P-M光栅20，现在有两个光栅厚度T_G。而且，EO基片的厚度T₃₀可以变化。另外，电介质基片110(不一定是电光的)的折射率n₁₁₀可以变化，不需要相同。例如，从图8B可以看到，EO基片厚度T₃₀增大50纳米的变化会显著改变BSPO调制器10的开关性能。

包括2D P-M光栅的BSPO调制器

图9是一种2D P-M光栅20的示例性实施方式从上向下的视图，所述光栅具有被电介质区段26D分隔的金属区段26M的棋盘状结构。一般来说，金属区段26M和电介质区段26D具有不同的尺寸。该P-M光栅20的2D示例性实施方式与图2的1D形式类似，但是现在光栅具有沿X方向的周期Λ_X以及沿Y方向的周期Λ_Y。图9的2D P-M光栅20可以用于上文讨论的BSPO调制器10的任何实施方式。P-M光栅20的这种几何结构使得BSPO调制器10基本上对偏振不敏感，这意味着可以使用保持无偏振的波导70。

图10显示与图5A的曲线类似的开关曲线C1和C2，其以传输系数T(dB)-波长(λnm)曲线的形式表示，但是采用图1的BSPO调制器中使用图9的2D P-M光栅得到的。该模拟中用来形成曲线C1和C2的2D P-M光栅20的周期Λ_X＝Λ_Y＝696nm，沿X轴和Y轴的工作循环D＝0.2。根据光栅厚度T_G＝100nm的金膜模拟金属区段26M。输入光100I中的入射平面波的偏振是沿着Y轴。曲线中的折射率“n ”表示折射率匹配层40和电介质区段26D的电介质折射率，在数值模拟中假设它们相等。对于折射率变化Δn＝0.03，在λ_O＝1557nm的操作波长下获得了大约10dB的差异。

包括BSPO调制器的光学系统

图11是使用本发明的BSPO调制器10作为外部调制器(与直接对光源进行调制不同)的光学系统200的示意图。光学系统200包括激光源210，所述激光源与输入波导70I区段光连接。输入波导70I和输出波导70O与容纳在外壳150内的BSPO调制器10的输入侧12I和12O光连接(图3)。调制器10通过电线62与电压电源60电连接。而电压电源60又与控制器/处理器230电连接，所述控制器/处理器230还与激光源210连接，并构造成控制光学系统200的操作。光学系统200还可以包括电压控制器信号S₆₀源250，或者与其相连，用来驱动电压电源60。或者，可以通过控制器/处理器230由内部产生电压控制器信号S₆₀。

在操作中，控制器/处理器230向激光源210发送激光器控制信号SL，以引发激光源的操作。为了响应，激光源210产生输入光100I，例如待调制的连续载波信号。

控制器/处理器230还产生电压控制器信号S₆₀，或将该信号再射到电压电源60。电压控制器信号S₆₀包含将要由电压电源60使用的调制信息，以形成调制电压信号SM，该调制电压信号SM包括例如包含调制信息的偏压和RF施加的电压V₃₀。电压电源60为BSPO调制器10提供调制电压信号SM(即电压V₃₀)，根据该调制电压信号SM，BSPO调制器10如上所述对输入的光100进行调制，形成调制过的输出光100O(见图1)。

优点

本发明的BSPO调制器10可以有一些主要优点。第一个优点在于，其能够制造得非常紧凑，因此调制器的截面尺寸约等于常规波导(例如光纤)的芯73的尺寸。所述BSPO调制器10还可以通过使用折射率匹配层40制造成具有低的连接损失。另外，提供了BSPO调制器10用来对光进行直接调制，这与基于干涉的调制不同，后者需要相调制，然后转化为强度调制。另外，本发明的BSPO调制器能够对垂直入射的光进行调制，而不是必须提供倾斜的入射角。

还可以通过选择上文讨论的各种调制器参数来调节BSPO调制器10的操作波长λ_O。还可以将设计延伸到各种波长，例如1550nm，1300nm和850nm。

可以使操作波长带宽Δλ_O约为20nm。另外，可以获得非常高的消光比(约等于或大于20dB)。但是，除非使用具有较高EO系数的EO材料，或者如果可以沿着光轴A1使用透明电极64，可能需要较高的施加电压V₃₀。根据P-M光栅20是1D还是2D，可以形成BSPO调制器10的PM实施方式和非-PM实施方式。

应当理解以上的描述只是本发明的示例，用来提供综览，以理解本发明的性质和特征，本发明的性质和特征由权利要求书所限定。包括的附图提供了对本发明的进一步理解，附图被结合在本说明书中并构成说明书的一部分。附图举例说明了本发明的各种特征和各种实施方式，并与描述一起用来解释本发明的原理和操作。对本领域的技术人员而言，显而易见的是在不偏离所附权利要求书限定的本发明的精神或范围的情况下可以对本文所述的本发明的优选实施方式进行各种修改。

Claims (4)

1.一种光调制器(10)，其包括第一中心轴(A1)，该调制器在操作波长下使用布洛赫表面等离子体激元效应，以在受到施加的电压的时候调制沿着光轴传输的入射光(100I)，该光调制器包括：

调制介电常数的光栅(20)，所述光栅具有表面(22,24)以及垂直于所述表面(22,24)并且与光轴基本对准的第二中心轴,所述光栅(20)包括金属区段的周期性设置，这些区段限定光栅表面(22,24)，并且限定调制的介电常数;以及

第一和第二电-光基片(30)，所述基片各自具有根据施加的电压而变化的折射率,所述两个基片沿着光轴设置，从而将所述调制介电常数的光栅(20)夹在中间，形成一种当所述至少一个电-光基片(30)受到施加的电压的时候支持所述布洛赫表面等离子体激元效应的结构。

2.如权利要求1所述的光调制器(10)，其特征在于，该调制器还包括电压电源(60)，该电压电源适于产生所述施加的电压，通过可操作地设置在至少一个电-光基片(30)上的电极(64)与所述第一和第二电-光基片(30)中的至少一个电连接。

3.如权利要求1所述的光调制器(10)，其特征在于，所述第一和第二电-光基片(30)具有基本垂直于光轴的表面,所述调制介电常数的光栅(20)在所述第一和第二电-光基片表面(32)之一上形成。

4.如权利要求1所述的光调制器(10)，其特征在于，该调制器还包括至少一个波导(70)，所述波导沿着所述光轴与所述第一和第二电-光基片(30)中的至少一个光连接。

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