CN102460295B - 采用内嵌金属富勒烯的光学装置、系统和方法 - Google Patents

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Abstract

通过受激发射进行光放大的一种光学装置(100)、一种光学系统(200)以及一种方法(300)采用内嵌金属富勒烯(120，220)作为耦合至光波导(110，210)的有源材料。所述内嵌金属富勒烯(120，220)光耦合至所述光波导(110，210)光场。所耦合的光场在所述内嵌金属富勒烯(120，220)中产生受激发射。所述光学系统(200)还包括生成光功率(232)来泵浦所述内嵌金属富勒烯(200)以产生受激发射的光源(230)。所述方法(300)还包括通过将光泵引入到所述光波导中来对所耦合的内嵌金属富勒烯进行光泵浦(330)。

Description

采用内嵌金属富勒烯的光学装置、系统和方法
相关申请的交叉引用
无
关于联邦资助的研究和研发的声明
无
技术领域
本发明涉及光子器件。特别地，本发明涉及激光器和光放大器。
背景技术
光子器件和采用光子器件的系统在配置数量和功能复杂性两方面都在增长。伴随功能复杂性的增长而来的是以成本有效的方式在光子器件和系统内来实现功能块和元件的需要。例如，相当感兴趣于研发诸如激光器和基于激光器的光放大器有源器件，其显示了有商业吸引力的操作能力，并且与集成电路兼容及易于制造为集成电路。通常，通过有商业吸引力的操作能力和集成电路制造兼容性施加的双重约束导致了唯一地基于III-V族半导体结器件的光子器件和系统。相对近的兴趣转为识别并研发用在激光器和激光放大器中的作为有源材料或增益媒质使用的替代材料。例如，包含各种稀土元素的有源材料激发了大量兴趣。制造使用该新研发的有源材料的光子器件和光子系统的当前和将来的挑战主要是研发一种用于将这些材料与其它光子元件集成的方式。
附图说明
参照结合附图的以下详细描述可以更易于理解本发明的实施例的各种特征，其中相似的参考数字指代相似的结构元件，并且其中：
图1A示例了根据本发明的实施例的光学装置的透视图；
图1B示例了根据本发明的实施例的图1A中所示例的光学装置的横截面图；
图2A示例了根据本发明的另一实施例的光学装置的透视图；
图2B示例了根据本发明的另一实施例的图2A中所示例的光学装置的横截面图；
图3示例了根据本发明的实施例的光学系统的框图；
图4示例了根据本发明的实施例的包括谐振器的光学系统的透视图；
图5示例了根据本发明的另一实施例的包括谐振器的光学系统的顶视图；
图6示例了根据本发明的实施例的借助于受激发射的光放大的方法的流程图。
本发明的某些实施例具有其它特征，所述其它特征是上面参照的图中所示例的特征的附加或替代之一。以下参照前面的附图详述本发明的这些以及其它特征。
具体实施方式
本发明的实施例提供了使用富勒烯基有源材料，通过在光波长的受激发射进行的光放大。特别地，根据各个实施例，富勒烯基有源材料包括内嵌金属富勒烯(endohedral metallofullerene)。将富勒烯基有源材料的内嵌金属富勒烯暴露于光泵(即，通过光泵浦)有助于受激发射。例如，可以采用通过光泵浦的内嵌金属富勒烯产生的受激发射来实现光(即，激光)放大。通过本发明的实施例提供的光放大可以在各种应用中有用，包括但不限于用于生成光的激光器以及增大光信号的强度或光功率的光放大器。此外，根据本发明的实施例构建的包括耦合至光波导的内嵌金属富勒烯的光学装置，可以实现为在基底上的相对小且紧凑的结构。例如，包括光波导和用作有源材料的耦合的内嵌金属富勒烯的该光学装置可以有助于本发明的光学装置与光子系统内其它光学部件的集成。
根据本发明的各个实施例，内嵌金属富勒烯定义为在富勒烯笼(cage)中围住或包含一个或多个金属原子或离子的富勒烯。特别地，内嵌金属富勒烯可以由通用化学式(1)描述：
MmSsCn    (1)
其中“C”表示作为有效闭合富勒烯笼排列的碳(如巴克球(buckyball))，M表示陷入富勒烯笼内的金属离子，m是整数(如m＝1,2,3,…)，S是富勒烯笼内的另一核素(species)，s是整数(如s＝0,1,2,3,…)，并且n是通常大于20的整数。例如，n可以选自20、28、60、80以及82。“”符号指示金属离子Mm和其它核素Ss通常由富勒烯笼包含，但不是必须化学键合至富勒烯笼。换句话说，富勒烯由金属原子有效地“掺杂”。例如，包含一个或多个铒(Er)离子(例如，Mm＝Er2)的内嵌金属富勒烯可以称为“铒掺杂”内嵌金属富勒烯。例如，包含一个或多个镨(Pr)离子(如Mm＝Pr3)的内嵌金属富勒烯可以称为“镨掺杂”内嵌金属富勒烯。其它核素Ss包括但不限于氮(N)和碳(C)。
在一些实施例中，由内嵌金属富勒烯的富勒烯笼包含的金属离子Mm包括一种或多种所谓的“稀土”。稀土包括但不限于钪(Sc)、钇(Y)以及镧系元素(即原子量在57与71之间的十五种元素)，镧系元素包括但不限于镧(La)、钕(Nd)、铒(Er)、以及镱(Yb)。例如，内嵌金属富勒烯可以描述为Er2C82，其为包含或掺杂有2个铒(Er)离子的具有82个碳原子的富勒烯笼。类似地，Yb2NdC80是包含2个镱(Yb)离子与一个钕(Nd)离子的具有80个碳原子的富勒烯笼。在另一范例中，PrC82表示包括镨(Pr)的内嵌金属富勒烯。
在一些实施例中，富勒烯笼可以是改良的富勒烯。即，富勒烯笼可以不是纯富勒烯。在这些实施例的一些中，改良的内嵌金属富勒烯可以通过向富勒烯笼中添加原子、分子或其它基(group)，同时仍然保持基本的富勒烯笼结构来进行改良。例如，可以通过向富勒烯笼中添加一个或多个氢(H)原子(例如，通过氢化)来形成改良的内嵌金属富勒烯。
改良的内嵌金属富勒烯可以由化学式(2)来描述：
MmSsCnRk    (2)其中“R”表示添加到富勒烯笼的单个基或多个基并且k是整数。在一些实施例中，基R是通过氢化富勒烯笼而添加的氢(R＝H)。根据一些实施例，一般来说改良，特别是氢化，可以增加内嵌金属富勒烯的富勒烯响应(例如，受激发射)的强度。当考虑到氢化时，氢化可以是部分或全部氢化。根据式(2)其它原子或分子可以作为基R添加以替代氢，从而形成其它改良的内嵌金属富勒烯。例如，包括但不限于氯、溴、氟、铁、氩和氧的原子以及包含这些原子的各种组合物、化合物和分子可以添加到富勒烯笼，以形成其它改良的内嵌金属富勒烯。Dorn等的美国专利No.6,303,760提供了制造内嵌金属富勒烯的范例方法。例如，Dorn等的美国专利申请公开No.2007/0280873描述了内嵌金属富勒烯的氢化。添加其它R基的过程可以包括但不限于卤化和芳基化。在一些实施例中，不管已改良还是未改良，内嵌金属富勒烯都可以以簇(cluster)排列或者作为聚合物排列。
根据本发明的各个实施例，作为富勒烯基有源材料的内嵌金属富勒烯耦合至光波导的光场。特别是，内嵌金属富勒烯可以与光波导相邻地设置，使得内嵌金属富勒烯暴露于光波导的部分光场或者与之交叉。这种暴露于此也称为光场与内嵌金属富勒烯之间的“光耦合”。在一些实施例中，内嵌金属富勒烯的位置确保暴露或光耦合至光波导内的光场的相对高场的区域。显著地，根据本发明的各种实施例的并入有稀土离子的内嵌金属富勒烯的使用有助于获得比打算用于光子器件中的其它有源材料中所能获得的密度高得多的稀土离子的密度。例如，当使用内嵌金属富勒烯时，比实际以其它方式(例如，通过掺杂具有Er的氧化物)提供每单位体积更多的铒(Er)离子是可能。
在一些实施例中，光波导包括低指数芯光波导(例如，槽形光波导)。在这些实施例的一些中，内嵌金属富勒烯设置在低指数芯光波导的低指数区域或者芯中。在这里，“低指数芯光波导”定义为具有芯且芯的折射率比芯外部的围绕区域的折射率相对要低的光波导。具有相对较低折射率的区域称为“低指数区域”或者“低指数芯”。在该低指数芯光波导中，在其中传播的大多数光场基本上限制于低指数芯。即，光场沿设置在低指数芯光波导的低指数芯中的轴传播。换句话说，低指数芯光波导的引导结构包括低指数芯。
如于此定义的，低指数芯光波导区别于常规或高指数光波导(例如，光纤波导)在于高指数光波导包括的引导结构所具有的芯的折射率比围绕材料的折射率高。在本发明的一些范例实施例中，低指数芯光波导是槽形光波导。在其它范例实施例中，低指数芯光波导使用与低指数区域相邻的光子带隙晶体以将光场限制在光波导芯内传播。低指数芯光波导的其它范例包括但不限于有孔光纤和空芯的布拉格光纤。
如于此定义的，“槽形光波导”指包括亚微米的由一对具有相对高的折射率的壁状物界定的低折射率槽的低指数芯光波导。具体地，槽的折射率小于壁状物的材料的折射率，并且在一些实施例中小得多。例如，槽的折射率可以是大约1.0(例如，空气)而壁状物的折射率可以是大约3.5(例如，硅)。如此，槽可以称为“低折射率槽”或“低指数”槽，而壁状物经常称为“高折射率壁状物”或“高指数”壁状物。槽形光波导于此也简单地称为“槽形波导”。此外，槽形波导是低指数芯光波导的代表实施例。如此，术语“槽形波导”和“低指数芯光波导”于此通常交换使用，除非因为正确理解而必须区分。
槽形光波导的操作可以理解为在界定低折射率槽的高折射率壁状物中传播的光信号或光功率得两个“高指数”光波导模的模结构。特别地，在光信号的电场中的高对比不连续性产生在低折射率槽与高折射率壁状物之间的界面处。传播通过槽形光波导结构的光信号的准横电(TE)模经历不连续性，该不连续性和壁状物的高折射率与槽的低折射率的比值的平方成正比。当槽的宽度与电场的衰变长度可比较时，高对比不连续性在槽内产生两个高指数波导模的相对强的交叠。强交叠导致低折射率槽内的场的功率密度相对恒定地穿过该槽并且可以高于高折射率壁状物内的场。如此，光信号的显著部分通常由槽形波导承载或者在槽形波导的槽内。此外，槽内的光信号的光场强度表示相对于围绕槽的区域中的光场强度的高强度区域。
在各个实施例中，槽的特定宽度部分取决于壁状物的材料的折射率以及槽形波导的槽区域的折射率。例如，具有包括硅(Si)的壁状物并且具有基本上由空气或者由诸如是但不限于二氧化硅(SiO2)的其它相对低折射率材料填充的槽的槽形波导的槽宽度的数量级为大约50纳米(nm)至大约100nm。通常，低于大约200nm的槽宽度可以用于广泛的各种实际材料，该实际材料包括但不限于各种内嵌金属富勒烯。例如，由Lipson等的美国专利申请公开2006/0228074A1以及由Barrios等的美国专利申请公开2007/0114628A1提供了关于槽形光波导设计与操作的附加细节。
除上述的槽形波导外，基本上可以采用将光波导的光场限制于内嵌金属富勒烯基有源材料附近的任何光波导，而不脱离本发明意在的范围。例如，可以使用填充有内嵌金属富勒烯的有孔波导。也可以采用类似地填充的光子带隙以及布拉格光纤。在其它实施例中，内嵌金属富勒烯耦合至光波导的消逝场。耦合至消逝场是与沿光波导的轴的高场区域交叉或并置(collocate)的替代或附加。
在采用消逝场耦合的一些实施例中，光波导可以包括脊加载光波导。如于此使用的，“脊加载光波导”指包括相对薄平板层的光波导，该平板层包括覆盖第二材料的层(即，“支撑层”)的第一材料的平板或片(即，“平板层”)。平板层的第一材料的折射率通常高于下方支撑层的第二材料的折射率。此外，平板层的第一材料通常对光波长处的电磁信号(即，光信号)透明。
在脊加载光波导中传播的光信号有效地限制于第一材料的平板层内并且优选地在该平板层内传播。特别是，第一材料与第二材料的折射率之间的差有助于将光信号限制于平板层。如此，脊加载光波导是已知为“平板光波导”的一类光波导中的一员。于此，脊加载光波导也简单地称为“脊形波导”。
在一些实施例中，脊加载光波导的平板层的厚度优选地选择为保持传播光信号的较低级的传播模。例如，厚度可以小于特定厚度，使得仅能传播第一横电模(即，TE10)的。特定厚度取决于平板层的材料的折射率以及其其它具体物理特性。
例如，平板层可以包括与传播光信号兼容的半导体材料，诸如但不限于硅(Si)、砷化镓(GaAs)以及铌酸锂(LiNbO3)。在一些实施例中，平板层包括内嵌金属富勒烯或其一部分。例如，第二材料层可以是氧化物基绝缘层(例如，当平板层是硅时为氧化硅)。在另一范例中，第二材料层是其上沉积有平板层的绝缘体上硅(SOI)基底的绝缘层。可以用于平板层和第二材料层的其它材料包括但不限于玻璃(例如，硼硅酸盐玻璃)以及各种聚合物(例如，聚碳酸酯)。根据各个实施例，可以采用电介质材料的或半导体材料的单晶、多晶或非晶层中的任意一个。平板层材料的透明度可以影响脊加载光波导的光损耗。例如，材料的透明度越低，则光信号经历的损耗越高。
脊加载光波导还包括从平板层的与支撑层相对的侧上的表面延伸的脊。脊用于进一步将传播光信号限制于平板层附近，紧邻脊以下。如此，传播光信号有效地跟随脊加载光波导的脊或者沿该脊传播。用于确定脊的宽度和高度以及平板层厚度的信息可以从常规设计方针以及使用用于脊加载光波导的计算机设计模型而容易地获得。
而在其它实施例中，光波导可以包括带状光波导。如于此定义的，带状光波导或者简单地“带状波导”包括带状层和支撑层。带状光波导还包括形成在带状层中的带或者从带状层形成的带。特别是，通过在带状层中蚀刻平行沟道以限定带可以在带状层中形成带。沟道将带与带状层光隔离以有助于将光信号限制于带。在其它实施例中，带包括整个带状层。例如，在制造期间，可以通过蚀刻基本上去除带状层而仅留下带。如此，在制造后，不再清楚地存在沟道，或者替代地，可以认为沟道具有“无限的”宽度。
由于带的侧壁的存在，带状光波导内的光能基本上限制于带。材料边界存在于带状层的材料与空气或沟道内的其它电介质材料之间的侧壁处。边界表示沿边界的折射率的改变。由于其内的全内反射，折射率改变导致光信号紧密束缚于带。另外，根据本发明的实施例，对于脊加载光波导，当采用带状光波导时，内嵌金属富勒烯通常耦合至消逝场。
根据本发明的一些实施例，内嵌金属富勒烯可以耦合至脊加载光波导或带状光波导中的传播光信号。特别是，内嵌金属富勒烯可以形成为与脊加载光波导的脊相邻的层。类似地，内嵌金属富勒烯可以形成为与带状光波导的带(例如，在沟道中以及在带的顶部)相邻的层。
根据于此的各个实施例，可以以相对紧凑且有空间效益的形成因子来实现光学装置。此外，可以容易地以集成形式制造光学装置，作为较大电路或光子系统的部分。特别是，根据本发明的各个实施例，光学装置非常适合制造在基底上或者基底中，基底诸如是但不限于多层半导体或绝缘基底。基底上或者基底中的制造有利于光学装置与其它光子和非光子部件的集成，该光子和非光子部件包括但不限于一个或多个无源光子部件、有源光子部件、无源电子部件以及有源电子部件。
例如，光学装置可以直接制造在绝缘体上硅(SOI)基底的表面层(例如，薄膜半导体层)中。例如，表面层可以是单晶硅、非晶硅或绝缘体上硅基底的多晶硅薄膜层。根据本发明的一些实施例，其它光子部件类似地可以在相同半导体基底上或者中制造并且与光学装置集成。可以与光学装置集成的该光子部件包括但不限于光信号传输结构(例如，其它光波导)、光放大器、光开关以及光调制器。
在一些实施例中，光波导和内嵌金属富勒烯基有源材料布置为光谐振器。例如，在低指数区域(例如，槽)中包含的内嵌金属富勒烯的低指数芯光波导(例如，槽形波导)的段可以设置在产生法布里-珀罗(即，驻波)谐振器的镜对之间。在另一范例中，光谐振器可以实现为环谐振器，其中包含内嵌金属富勒烯的低指数芯光波导的一个或多个段布置在闭合环路中。在这些实施例的一些中，因为沿光谐振器内的光路(如同与光谐振器内的光路的末端相对)采用镜，所以光谐振器可以称为“折叠腔(foldedcavity)”谐振器。特别地，可以采用镜以在光谐振器内的传播信号的方向上引入突变。换句话说，谐振器内的光路通过镜的存在而有效地“折叠”。在一些实施例中，镜允许以比其它方式更紧凑以及有空间效益的形状实现来光谐振器。根据一些实施例，可以采用全内反射镜来实现光谐振器的折叠腔。
全内反射镜(TIR镜)定义为使用全内反射来反射或改变光信号的方向的镜。全内反射是公知的光现象。当在材料中行进的光信号相对于边界的法线以大于临界角的角度遇到材料边界时，该光信号的全内反射发生。特别是，当材料边界表示从高折射率到低折射率的折射率改变时，临界角以外的光信号基本上不能透过边界并且会从边界反射开。反射遵守反射定律，因为在边界上反射角等于入射角。可以提供全内反射并且从而用作TIR镜的边界的范例为高指数材料与低指数材料(例如，玻璃或硅与空气)之间的边界。
如于此使用的术语“半导体”以及“半导体材料”独立地包括但不限于来自元素周期表的IV族的半导体元素和化合物、来自III和V族的化合物半导体以及来自II和VI族的化合物半导体，或者形成任意晶体取向的其它半导体材料。例如，但非限制性地，取决于实施例，半导体基底可以是具有(111)取向的硅层(即顶层)的绝缘体上硅晶片或者(111)硅的单个自支撑晶片。根据于此的一些实施例的使得导电的半导体材料掺杂掺杂剂材料以取决于应用赋予目标量的电导率(以及可能的其它特性)。
对于本发明的各个实施例有用的绝缘体或绝缘体材料是能够进行绝缘的任意材料，包括但不限于来自上面列举的族的半导体材料、其它半导体材料以及固有地绝缘的材料。此外，绝缘体材料可以是任意该半导体材料的氧化物、碳化物、氮化物或者氮氧化物，使得有助于该材料的绝缘性能。替代地，绝缘体可以包括金属的氧化物、碳化物、氮化物或者氮氧化物(例如，氧化铝)或者甚至是多种不同绝缘材料的组合。
在这里，“光泵”定义为将有源激光媒质或材料(即有源材料)中的电子从较低能级提升或“泵浦”到较高能级的电磁波或信号(例如，光)。有效地，泵浦的电子在有源材料中存储通过光泵提供或者供应的能量。泵浦的电子回到较低能级的衰减可以释放出光子，导致自发发射和受激发射之一或二者。特别地，当考虑光放大器时，耦合至有源材料的输入信号可以激发衰减并且引起有效地放大(将功率添加至)输入信号的受激发射，导致放大的输出信号。在激光器(即激光振荡器或激光源)的情况下，泵浦的电子的衰减起初产生自发发射。例如，与谐振腔或谐振器结合的自发发射依次可以从有源材料产生受激发射，提供激光器的输出。光泵可以由光源提供，光源诸如是但不限于例如发光二极管(LED)或激光器。光源可以称为“光泵源”。光泵源通常与给光放大器提供输入信号的源分开。
于此为简化，基底与基底上的任意层或结构之间没有进行区别，除非该区别对正确理解来说是必需的。另外，于此描述的所有波导是光波导，使得当引用“波导”时省略术语“光”不改变所描述的意指的意思。另外，如于此使用的，冠词“一”意在具有在专利技术中它的一般意思，即“一个或多个”。例如，“一段”意思是一个或多个段，并且同样，“该段”于此意思是“该一个或多个段”。另外，于此对“顶”、“底”、“上部”、“下部”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”或“右”的任何引用于此不是意在限制。此外，于此的范例仅意在示例并且是用于讨论的目的呈现而并非限制性的。
图1A示例了根据本发明的实施例的光学装置100的透视图。图1B示例了图1A中所示例的光学装置100的横截面视图。当暴露于光泵102时，光学装置100通过受激发射产生光输出或提供光放大。在一些实施例中，通过将光学装置100暴露于光泵102所产生的受激发射可以包括不同于光泵102的波长的波长。在一些实施例中，光学装置由基底104支撑。在一些实施例中，基底104可以包括例如在另一层108上的绝缘层106。
光学装置100包括光波导110。特别地，如图1A和1B中所示例，光波导110包括槽形光波导(slot optical waveguide)110。槽形光波导110包括第一高指数壁状物(high index wall)112和第二高指数壁状物114。第一和第二高指数壁状物112、114彼此间隔开，以在各高指数壁状物112、114之间形成低指数槽(low index slot)116。如图1A和1B中所示例，槽116竖直取向(即竖直槽116)。在其它实施例中(未示例)，槽可以水平取向，且两个高指数区域分别在槽的上方和下方(即水平槽)。
光学装置100还包括内嵌金属富勒烯120。在实际中，内嵌金属富勒烯120包括具有多个富勒烯笼(fullerene cage)的层、膜、涂层或沉积物。在一些实施例中，该层、膜、涂层或沉积物包括大量的(例如，百万、十亿或万亿)富勒烯笼。根据一些实施例，多个富勒烯笼可以在该层、膜、涂层或沉积物内相对紧密地填塞(pack)在一起。例如，富勒烯笼可以在所述层、膜、涂层或沉积物内有效地彼此接触。
在一些实施例中，由内嵌金属富勒烯120的富勒烯笼包含的金属是单个类型的金属，例如，内嵌金属富勒烯可以在富勒烯笼中包括铒(Er)(即掺铒内嵌金属富勒烯)。在其它实施例中，内嵌金属富勒烯的富勒烯笼内的金属可以是多种不同的金属。在利用多种不同的金属的一些实施例中，不同的金属可以在不同的富勒烯笼中。例如，内嵌金属富勒烯的一些富勒烯笼可以包含Er离子，而其它富勒烯笼可以包含钪(Sc)或钇(Y)。在包括多种不同金属的其它实施例中，不同的金属可以在相同的富勒烯笼内。例如，给定的富勒烯笼可以具有Er原子和钕(Nd)原子。在一些实施例中，除包含金属离子的富勒烯笼以外，一些富勒烯笼可以有效地是空的或者至少不包含金属离子。
光学装置100的内嵌金属富勒烯120光耦合至光波导110的光场。在一些实施例中，通过处于光波导110的高光场的区域内，内嵌金属富勒烯120被光耦合。例如，内嵌金属富勒烯120可以有效地与光波导110的光轴交叉。在其它实施例中，通过与光波导110的高光场的区域相邻但不并置来进行内嵌金属富勒烯120的光耦合。例如，内嵌金属富勒烯120可以设置在光波导110的光场的消逝场(evanescent field)中。
再次参考图1A和1B，内嵌金属富勒烯120示例于槽形光波导110的槽116内。槽形光波导110的光轴设置在槽116中。将内嵌金属富勒烯120设置于槽116内使得将内嵌金属富勒烯120布置于槽形光波导110的高光场中。可以采用各种方式中的任意方式来在槽116中设置内嵌金属富勒烯120。
例如，内嵌金属富勒烯120可以形成为粉末并且沉积(例如，撒(dusted)或填塞)到槽116中。在另一范例中，内嵌金属富勒烯120可以溶解和/或另外地悬浮在溶液中。于是溶液可以用作将内嵌金属富勒烯120沉积到槽116中的媒介。例如，可以先将槽形光波导110浸没入溶液然后再将其从溶液中去除。干燥后，包含内嵌金属富勒烯120的膜会保留在槽形光波导110的表面上且在槽116中。在另一范例中，溶液以液滴的形式沉积到槽形光波导上(例如，使用喷墨打印机)并且随后使其干燥。在另一实施例中，还可以通过在槽形光波导110上旋涂溶液来沉积内嵌金属富勒烯120。
图2A示例了根据本发明的另一实施例的光学装置100的透视图。图2B示例了图2A中所示例的光学装置100的横截面视图。如以上对图1A和1B提供的，图2A和2B中的光学装置100的实施例包括光波导110。如图2A和2B中所示例，光波导110包括替代槽形波导的脊加载(ridge-loaded)光波导110’。脊加载光波导110’包括覆盖支撑层115的平板层(slab layer)113。脊加载光波导110’还包括从平板层113的顶表面(如示例)延伸的脊117。如图2A和2B所示例，平板层113的顶表面在平板层113的与平板层113的与支撑层115相邻的侧相对的侧上。在一些实施例中，支撑层115可以包括在另一层115b(例如，基底)顶部的绝缘体层115a。包括绝缘体层115a的平板层113和支撑层115的组合可以实现为例如绝缘体上半导体(SOI)基底。
图2A和2B中的光学装置100的实施例还包括内嵌金属富勒烯120。在图2A和2B中，内嵌金属富勒烯120示例为脊加载光波导110’的脊117上以及与脊117相邻的平板层113的顶表面上的涂层或膜。例如，涂层或膜可以由沉积在涂层或膜上或以上的钝化层(未示例)保持在适合的位置。如示例的，内嵌金属富勒烯120暴露于在脊加载光波导110’内传播的光场的消逝场。消逝场有效地在内嵌金属富勒烯120与脊加载光波导110’的光场之间提供光耦合。一般来说，内嵌金属富勒烯120的折射率高于没有内嵌金属富勒烯120时，脊加载光波导110’之上的真空或空气的折射率。同样地，消逝场可以在脊加载光波导110’之上进一步延伸，并且从而比其它情况更进一步的延伸入内嵌金属富勒烯120中。
图3示例了根据本发明的一个实施例的光学系统200的框图。例如，光学系统可以是光或激光放大器。光学系统200包括光波导210和内嵌金属富勒烯220。内嵌金属富勒烯220光耦合至光波导210的光场。在图3中用加粗双向箭头示例光耦合。
在一些实施例中，内嵌金属富勒烯220光耦合至光波导210的高场(highfield)区域。例如，内嵌金属富勒烯220可以设置在光波导210的芯中或者光轴上。例如，这种光轴可以包括槽形光波导的槽。在另一范例中，内嵌金属富勒烯220可以设置在光子带隙波导、光子晶体或者有孔光纤的中空的芯中或者类似的中空区域中。
在其它实施例中，内嵌金属富勒烯220可以光耦合至光波导210的消逝场。例如，内嵌金属富勒烯220可以设置在消逝场附近，在脊加载光波导的表面处或者正好在该表面上方。在另一范例中，通过将内嵌金属富勒烯220邻近带状光波导设置或设置在其顶部(例如，在沿带状光波导的侧面的沟道中)，将内嵌金属富勒烯220耦合至带状光波导附近的光场。
光学系统200还包括光源230。光源230生成在内嵌金属富勒烯220中泵浦并存储能量的光功率232(例，如光)。因为由光源230生成的光功率232泵浦内嵌金属富勒烯220，所以光功率232也被称为“光泵”232。
如图3所示例，光泵232描述为被施加于内嵌金属富勒烯220以强调光功率232泵浦内嵌金属富勒烯220。在一些实施例中，光泵232可以直接施加于内嵌金属富勒烯220(例如，通过直接照明)。在其它实施例中，光泵232从光波导210耦合入内嵌金属富勒烯220中。
存储在内嵌金属富勒烯220中的能量通过泵浦电子的衰减作为发射而释放。特别地，当光学系统200实施为光放大器时，存储的能量可以作为受激发射而释放。例如，受激发射可以通过将输入信号234引入到光学系统200中来激发。例如，可以通过光波导210来引入输入信号234。在一些实施例中，受激发射添加到输入信号234以产生光输出236。替代地，当光学系统200实施为激光器时，存储在泵浦的内嵌金属富勒烯220中的能量产生自发发射。自发发射可以依次从泵浦的内嵌金属富勒烯220产生进一步的受激发射。激光器的光输出236包括受激发射和自发发射之一或二者。
在一些实施例中，光泵232的波长不同于从内嵌金属富勒烯220发射的波长，且通常比从内嵌金属富勒烯220发射的波长要短。例如，光泵232可以具有大约为980纳米(nm)的波长，而范例掺铒内嵌金属富勒烯220的发射(例如，受激发射和/或自发发射)可以具有大约为1520nm的波长。
在一些实施例中，光学系统200还包括光谐振器240，光谐振器240包括光波导210。特别地，光波导可以是在光谐振器240内的光波导的一部分。在该实施例中，由光学系统200提供的光放大器可以实施为激光器。例如，可以采用光谐振器240来反馈来自泵浦的内嵌金属富勒烯220的自发发射和受激发射之一或二者，以通过激光来产生进一步的受激发射并且实现激光振荡(例如，激射)。
图4示例了根据本发明的实施例的包括谐振器240的光学系统200的透视图。特别地，图4示例了实施为环谐振器240’的谐振器240。如示例的，光波导210和耦合的内嵌金属富勒烯220包括环谐振器240’的环形光波导242的一个部分或多个部分。例如，如图4所示例，光波导210和耦合的内嵌金属富勒烯220可以包括设置在环谐振器240’的相对侧上的两个象限内的环形光波导242的段。在另一范例中(未示例)，光波导210和耦合的内嵌金属富勒烯220可以有效地包括整个环形光波导242。
通过范例的方式，在图4中将光波导210示例为槽形光波导，该槽形光波导具有设置在槽形光波导的槽中的内嵌金属富勒烯220。例如，槽形光波导相对于图1A和1B中示例的槽形光波导水平取向。替代地，光波导210可以实施为包括但不限于脊加载光波导的另一类型光波导(未示例)。
图4中示例的环谐振器240’还包括输入光波导250。输入光波导250耦合至环形光波导242。在一些实施例中，输入光波导250可以从光源接收光泵232(图4中未示例)，并且将接收到的光泵232耦合至环形光波导242。在一些实施例中，输入光波导250与环形光波导242间的耦合是临界耦合。临界耦合优化了从输入光波导250耦合至环形光波导242的光功率。在一些实施例中，输入光波导250还可以接收输入信号234并将其传播到环形光波导242。在该实施例中，光泵232可以通过输入光波导242引入或可以不通过输入光波导242引入。例如，光泵232可以从环形光波导242之上照射内嵌金属富勒烯220，替代或附加于从输入光波导250被耦合入内嵌金属富勒烯220。
图4中示例的环谐振器240’还包括耦合至环形光波导242的输出光波导260。输出光波导260接收由在环形光波导242中的内嵌金属富勒烯220的发射产生的光输出236。在一些实施例中，优化光波导260至环形光波导的耦合，以有助于由内嵌金属富勒烯220产生的受激发射，还有效地将功率传输出环谐振器240’。例如，当光学系统200实施为激光器时，在确信受激发射发生时，可以优化该耦合以有助于功率传输(例如，维持用于内嵌金属富勒烯220中的粒子数反转的合适的条件)。
图5示例了根据本发明的另一实施例的包括谐振器240的光学系统200的顶视图。特别地，图5中示例的谐振器240实施为线性谐振器240”。例如，线性谐振器240”可以是法布里-珀罗(Fabry-Perot)谐振器。如示例，线性谐振器240”包括安置于第一镜246和第二镜248之间的光波导段244。在一些实施例中，光波导段244有效地是光波导210的直的段。例如，第一和第二镜246、248可以实施为分布反馈布拉格(DFB)反射器。
光波导段244包括光波导210和耦合的内嵌金属富勒烯220。例如，如图5中所示例，光波导段244可以是光波导210。在另一范例中(未示例)，光波导210和耦合的内嵌金属富勒烯220构成光波导段244的一部分，以替代第一和第二镜246、248之间的整个段244。
来自光源(图5中未示例)的光功率232通过例如第一镜246耦合入线性谐振器240”中。耦合入线性谐振器240”中的光功率232泵浦内嵌金属富勒烯220以产生受激发射234。受激发射234通过例如第二镜248，作为光输出236耦合出线性谐振器240”。
图6示例了根据本发明的实施例的通过受激发射进行光放大的方法300的流程图。由受激发射进行光放大的方法300包括提供310光波导。例如，提供310的光波导可以包括槽形光波导、脊加载光波导和带状光波导中的一个或多个。例如，光波导可以提供310为基底上的集成结构。根据一些实施例，常规半导体制造(例如，蚀刻)可以用于提供310的光波导。
通过受激发射进行光放大的方法300还包括提供320内嵌金属富勒烯。提供320的内嵌金属富勒烯光耦合至光波导的光学模。根据一些实施例，通过有效地并置内嵌金属富勒烯和光学模或其一部分来实现耦合。例如，提供320的内嵌金属富勒烯可以光耦合至光波导的高场强度(例如，光轴)的区域或光波导的光学模的消逝场。
通过受激发射进行光放大的方法300还包括光泵浦330耦合的内嵌金属富勒烯。根据一些实施例，通过将光泵(即来自光源的光功率)引入到光波导内来实现光泵浦330。在一些实施例中，光泵可以由激光器提供，来自激光器的光光泵浦330内嵌金属富勒烯。
在一些实施例中，光波导是光谐振器的谐振腔的光波导。在一些实施例中，光波导包括槽形光波导，在槽形光波导的槽中提供320有内嵌金属富勒烯。在其它实施例中，光波导是脊加载光波导和带状光波导之一。在这些实施例中，可以作为光波导顶部上或围绕光波导的涂层或膜提供320内嵌金属富勒烯。
从而，描述了采用内嵌金属富勒烯作为耦合至光波导的有源材料，通过受激发射进行光放大的光学装置、光学系统以及方法的实施例。应当理解，上述实施例仅示例了表示本发明的原理的许多特定实施例中的一些。明显地，本领域技术人员能够不脱离由以下权利要求限定的本发明的范围容易地设计出许多其它布置。

Claims (15)

1.一种光学装置（100），包括：
光波导（110）；以及
内嵌金属富勒烯（120），所述内嵌金属富勒烯（120）光耦合至所述光波导（110）的光场。
2.根据权利要求1所述的光学装置（100），其中，所述内嵌金属富勒烯（120）包括掺铒内嵌金属富勒烯（120），其中，所耦合的光场有助于所述内嵌金属富勒烯（120）中的发射。
3.根据权利要求1所述的光学装置（100），其中，所述光波导（110）包括槽形光波导，所述内嵌金属富勒烯（120）设置在所述槽形光波导的槽内。
4.根据权利要求1所述的光学装置（100），还包括光谐振器，其中，所述光波导（110）在所述光谐振器的谐振腔内并且包括所述谐振腔的一部分。
5.根据权利要求4所述的光学装置（100），其中，所述光谐振器是环谐振器。
6.根据权利要求4所述的光学装置（100），其中，所述光谐振器包括安置在作为法布里-珀罗谐振器的两个镜之间的所述光波导（110）。
7.根据权利要求6所述的光学装置（100），其中所述光波导（110）包括槽形光波导并且所述镜包括分布反馈布拉格反射器。
8.根据权利要求1所述的光学装置（100），还包括光源，所述光源提供对所述内嵌金属富勒烯（120）进行光泵浦并将能量存储于所述内嵌金属富勒烯（120）中的光功率。
9.一种光学系统（200），包括：
内嵌金属富勒烯（220），所述内嵌金属富勒烯（220）光耦合至光波导（210）的光场；以及
光源（230），所述光源（230）生成对所述内嵌金属富勒烯（210）进行泵浦并将能量存储于所述内嵌金属富勒烯（210）中的光功率（232）。
10.根据权利要求9所述的光学系统（200），还包括光谐振器（240），所述光谐振器（240）包括所述光波导（210），其中，所述光学系统实施为激光器。
11.根据权利要求10所述的光学系统（200），其中，所述光谐振器（240）是环谐振器（240’），并且所述光波导（210）是所述环谐振器（240’）的环形光波导（242）的一部分，所述环谐振器（240’）还包括：
输出光波导（260），所述输出光波导（260）耦合至所述环形光波导（242），并且所述输出光波导（260）接收由所泵浦的内嵌金属富勒烯（220）的发射产生的光输出（236）。
12.根据权利要求10所述的光学系统，其中，所述光谐振器（240）是环谐振器（240’），并且所述光波导（210）是所述环谐振器（240’）的环形光波导（242）的一部分，所述环谐振器（240’）还包括：
输入光波导（250），所述输入光波导（250）耦合至所述环形光波导（242），所述输入光波导（250）与所述环形光波导（242）之一或二者接收所述光功率（232）并且接收输入信号（234），所接收的光功率（232）作为能量存储在所述内嵌金属富勒烯（220）中，所述输入信号（234）耦合至所述环形光波导（242）。
13.根据权利要求9所述的光学系统，其中，所述光波导（210）包括槽形光波导，所述内嵌金属富勒烯（220）设置在所述槽形光波导的槽中。
14.一种通过受激发射进行光放大的方法（300），包括：
提供（310）光波导；
提供（320）内嵌金属富勒烯，所述内嵌金属富勒烯光耦合至所述光波导的光学模；以及
通过将光泵引入到所述光波导中来对所耦合的内嵌金属富勒烯进行光泵浦（330）。
15.根据权利要求14所述的通过受激发射进行光放大的方法，其中，所述光波导是光谐振器的谐振腔的光波导，所述光波导包括槽形光波导，所述槽形光波导的槽中提供有所述内嵌金属富勒烯。
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