CN107430295A - 纳米复合物电光调制器 - Google Patents

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Abstract

一种纳米复合物光学调制器装置，其包括光学透明电光区域。所述电光区域展现二阶光学非线性特性。所述纳米复合物光学调制器进一步包括：一或多个介电层，其中所述介电质中的至少一个与所述电光区域接触；一或多个电极，其接近所述电光区域。其中上述元件中的至少一个是具有约0.25体积％到约70体积％的纳米颗粒负载的纳米复合物材料。

Description

纳米复合物电光调制器
对相关专利的参考
本申请案主张2015年1月19日申请的美国专利申请案14/599,917的优先权，所述申请案是2014年6月2日申请的美国专利申请案第14/293,574号的部分继续申请案。
技术领域
本发明通常涉及电光调制装置。本发明尤其涉及由纳米复合物材料制成的电光调制装置。
背景技术
电光调制器是利用电光效应的装置。可用电信号调制展现二阶电光效应的材料。传统光学调制器传统上由具有应用电信号的电极的单晶体制成。本申请案涉及另一方法。
发明内容
本发明涉及纳米复合物光学调制器。在一个方面中，根据本发明的装置包括光学透明电光区域，其展现二阶光学非线性特性。一或多个介电层，其中所述层中的至少一个与电光区域接触。一或多个电极，其接近电光区域。其中前述元件中的至少一个为具有约0.25体积％到约70体积％的纳米颗粒负载的纳米复合物材料。
附图说明
并入本说明书并且构成本说明书的一部分的附图示意性地说明本发明的优选实施例且和以上所给的通用描述和以下所给优选方法和实施例的具体实施方式一起用于解释本发明的原理。
图1A是示意性地说明根据本发明的纳米复合物电光学调制器(EO调制器)的横截面图，所述EO调制器包括：光学透明电光区域，其展现二阶光学非线性特性；一或多个介电层，其中所述层中的至少一个与电光区域接触；一或多个电极，其接近电光区域；其中前述元件中的至少一个为具有约0.25体积％到约70体积％的纳米颗粒负载的纳米复合物材料。
图1B是示意性地说明展示于图1A中的EO调制器的横截面图，其中所述EO调制器元件是水平的。
图1C是示意性地说明展示于图1A中的EO调制器的横截面图，除在本文中外，所述电光区域是连续的。
图2A是示意性地说明用于打印纳米复合物油墨的喷墨打印机的透视图。
图2B是具有两个额外打印头的展示于图2A中的喷墨打印机的透视图。
图2C是示意性地说明沉积在衬底上的纳米复合物油墨的横截面图。
图2D是示意性地说明纳米复合物油墨的额外沉积的横截面图。
图2E是示意性地说明来自纳米填料的扩散或对流混合的所得纳米复合物的横截面图，所述纳米填料来自如图2D中所展示的第一纳米复合物油墨和第二纳米复合物油墨。
图2F是示意性地说明来自第一纳米复合物油墨和第二纳米复合物油墨的纳米填料的扩散的第一纳米复合物油墨与第二纳米复合物油墨之间的所得折射梯度的横截面图，其中所述第一纳米复合物在所述第二纳米复合物油墨沉积之前部分地固化。
图2G是示意性地说明纳米复合物油墨并排沉积的横截面图。
图2H是示意性地说明展示于图2G中的纳米复合物油墨的横截面图，其中所述纳米复合物油墨混合导致折射梯度分布的缓慢转变。
图2I是示意性地说明展示于图2G中的纳米复合物油墨的横截面图，其中所述纳米复合物油墨混合导致折射梯度分布的快速转变。
图2J是示意性地说明纳米复合物油墨在空气中的混合的横截面图。
图3A是示意性地说明根据本发明的相位EO调制器的横截面图。
图3B是示意性地说明添加两个偏光片的展示于图3A中的相位EO调制器的横截面图。
图3C是示意性地说明根据本发明的波导马赫-曾德尔(Mach-Zender，MZ)类型EO调制器的横截面图。
图3D是示意性地说明添加另一EO调制器的展示于图3C中的波导马赫-曾德尔(MZ)类型EO调制器，示例根据本发明的推挽式类型MZ EO调制器的横截面图。
图3E是示意性地说明根据本发明的呈二维线性阵列的复数个EO调制器的横截面图。
图3F是示意性地说明轻推式波导耦合器的横截面图。
图3G是示意性地说明直波导耦合器的横截面图。
图4A是示意性地说明根据本发明的复数个EO调制器的三维相位阵列的部分横截面的透视图。
图4B是示意性地说明展示于图4A中的EO调制器的截面视图，所述EO调制器进一步包括喷墨打印透镜阵列，对齐所述透镜阵列以使得透镜阵列中的每一透镜与三维EO调制器阵列中的相应EO调制器对应。
图5A是示意性地说明根据本发明的随机相位EO调制器的透视图。
图5B是示意性地说明展示于图5A中的随机相位EO调制器的横截面图。
图6A是示意性地说明具有跨电极的电位的波束转向EO调制器的平面视图。
图6B是示意性地说明不具有跨电极的电位的展示于图6A中的波束转向EO调制器的平面视图。
具体实施方式
现参看图式，其中用相同参考编号指示相同组件。在下文中进一步描述制造方法和本发明的优选实施例。
图1A示意性地说明光学调制器10A。光学调制器10A具有电光区域116。电光区域116与介电层118接触且由介电层118包围。介电层118在上方与介电层114A接触，接着是电极112A。介电层118在下方与缓冲层114B接触，接着是电极112B。
电光区域是光学透明的，由具有10-9欧姆(Ω)或更低的电阻率的展现二阶光学非线性特性的非晶形π功能性材料制成，例如电光聚合物(EO聚合物)。现在通常达到大于10-44静电单位(esu)的发色团偶极矩分子超极化产物(mb)值。已实现此改进，而无需牺牲热学或化学稳定性。举例来说，苯基亚乙烯基噻吩亚乙烯基(FTC)发色团的分解温度是约325℃。分子间静电相互作用产生主体聚合物基质中的EO活性反向发色团负载的曲线的最大值。此最大值的位置随增大的发色团偶极矩且因此偶极矩超极化产物转向较低负载。电光活性的衰减对扁长椭圆形发色团影响最严重，且对于球形发色团不太严重。发色团形状和结构可用于优化电光活性。电光系数(r33)限定材料电光效应的强度。80pm/V或更高的电光系数值是合乎需要的。
可用于电光区域的EO聚合物和材料的一些非限制性实例包含双酚A聚碳酸酯(BPAPC)中的AJ307、AJ309、AJ404、AJLZ53、AJ-CKL1、AJCKL1、AJLS102、AJPL172，非晶形聚碳酸酯(APC)中的AJLZ53，以及SEO 100(呈各种体积百分比)。上述EO聚合物可商购自位于华盛顿州西雅图(Seattle，WA)的索拉科斯拉有限责任公司(Soluxra，LLC)。纳米颗粒可与EO聚合物混合，在下文中进一步论述，从而产生混合型EO聚合物纳米复合物。
有机EO聚合物具有随机分布的具有永久偶极矩的发色团。为了使EO聚合物展现二阶非线性，需要操作光学调制器，发色团必须极化(对齐)。极化是对齐发色团的过程。通用极化技术包含接触极化和电晕极化。接触极化需要加热EO聚合物接近EO聚合物的玻璃化转变，应用接触EO聚合物的电极两端的电场，使得偶极对齐，接着冷却EO聚合物。通过施加约100伏特(V)至约1,000V的极化电压产生电场。电晕极化类似于接触极化，但电场通过在较高电压下，通过导体的电晕放电在EO聚合物的表面上的电荷累积而建立。所属领域的技术人员将大体上认可所描述的极化技术，参见黄瑟(Se Huang)等人，“引入及保持用于下一代光子装置的有机电光材料中的偶极定向的先进处理方法(Advanced processing methodto introduce and preserve dipole orientation in organic electro-opticmaterials for next generation photonic devices)”。可通过引入纳米颗粒来调谐EO聚合物折射率。纳米颗粒可通过离子键或共价键键结到EO聚合物的有机基质。替代地，可添加纳米颗粒，而无需键结到有机基质。无需键结的纳米颗粒将导致相邻层之间的更快扩散和混合。
介电层118是具有通过主体基质中的纳米颗粒的不同浓度调谐的材料特性的优选纳米复合物。可调谐的特性包含光、热、电和机械。举例来说，介电层118可通过将纳米复合物油墨的折射率调谐低于电光区域的折射率、产生突变折射率(step-index)波导、限制电光区域内的光辐射来充当电光区域的包覆层，所述电光区域充当波导的核心。类似地，介电层118可由多层组成或以其它方式连续地改变纳米颗粒浓度，使得低于电光区域的折射梯度的折射梯度从产生梯度折射率波导的电光区域径向地减小。产生多层或连续折射梯度的一个方法是通过使用喷墨打印技术，在以下本文中进一步描述。替代地，可选择介电层18的纳米颗粒和有机主体以修改所得纳米复合物的介电强度、热导率、机械稳定性、铁电特性、磁特性、电导率和热膨胀系数。
介电层114A和114B也是具有可调谐材料特性的优选纳米复合物。介电层114A和114B优选地充当介电缓冲层，保护电光区域免受电荷注入且以在极化期间减少泄漏电流。优选地选择介电缓冲层的有机主体和纳米颗粒以使得材料具有较高介电强度。下文中进一步论述的适合有机主体材料通常展现较高介电强度。添加具有较高介电强度的纳米颗粒增加所得纳米复合物的介电强度。展现较高介电强度的纳米颗粒中的一些包含二氧化锆(ZrO2)、氧化铝和三氧化钛。聚合物可包含氰基乙基普鲁兰(CYELP)、聚丙烯酸酯、己二醇二丙烯酸酯(HDODA)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和SU-8。可通过改变纳米复合物介电层中的纳米颗粒的浓度来调谐纳米复合材料的介电常数。替代地，可选择纳米颗粒和有机主体以修改介电层18的介电强度、热导率、电导率、热膨胀系数和机械稳定性。
当交流电流动穿过电路时，电路元件两端的电流与电压之间的关系不仅通过其幅度的比率，还通过其相位的差异表征。参看电介质或电光区域中的电导率，出于本申请案的目的，是指复值电容率的无功分量，其中完美导体具有无限制导电性且在零无功分量下，完美介电质具有重估电容率。在有损介质中，位移电流的大小视所应用场的频率而定；恒定场中不存在位移电流。在较低频率下，解耦对电阻和无功元件的能量耗散和能量存储的贡献。相反，在较高频率下，所存储电磁能部分地贡献于电阻，且功率耗散部分地贡献于电抗。为改进电子极化，因此实现较高r33，介电层中的增加的电导率可为合意的，以降低极化电光材料中的发色团所需的半波电压。发色团可添加至介电质，其可增加主体介电材料的电导率且改进EO调制器的分层结构的极化效率。
电极优选地为喷墨可打印导电油墨。适合导电油墨的两个类型为金属有机分解油墨(MOD油墨)且更通常为导电纳米复合物油墨。MOD油墨为具有例如银盐的金属盐的溶剂基油墨。然而，水基纳米复合物油墨在打印不具有不规律形态且不具有剩余污染物的狭窄导电图案时赋予优于常规的基于有机溶剂的MOD油墨的各种优点。导电纳米复合物油墨为例如银和铜的金属纳米颗粒的悬浮液。导电纳米复合物油墨在各种制造商下为可商购的，例如银基纳米复合物油墨在美国得克萨斯奥斯汀的诺瓦森克斯公司(Novacentrix)、美国马萨诸塞州波士顿的卡伯特公司(Cabot Corporation)和南韩京畿道水原的三星电子机械公司(Samsung ElectroMechanics)下可获得。
导电油墨需要烧结处理以便产生导电纳米颗粒的连续连接。烧结处理可包含实施熔炉以增加导电油墨的温度。EO调制器的温度必须保持在聚合物的玻璃化转变之下。优选地EO调制器的温度保持在100摄氏度(℃)之下。可实施数个技术以避免高温，同时允许导电纳米颗粒的连续连接。盐酸盐溶液可用于溶解纳米颗粒上的化学物质涂层。可通过直接电阻加热实现导电油墨的直接局部化加热。脉冲光可经由经脉冲紫外辐射氙气弧形灯、近红外或其它辐射来源烧结材料。
图1B示意性地说明光学调制器10B。除元件包括水平定位的光学调制器以外，光学调制器10B类似于具有相同元件的展示于图1A中的光学调制器。除那些元件外，加热元件120经定位与非常接近电光区域116的包覆层118连接。可在EO聚合物在电光区域中极化期间使用加热元件120。也可在导电油墨的烧结处理期间使用加热元件120。此外，可使用加热元件120以经由热光学效应改变光学调制器的光学特性。举例来说，折射率可随增加的温度偏移，或替代地调制加热元件可调制折射率，由此调制光的相位，如在本领域中所熟知。加热元件120为电光区域附近的区域中的优选高阻，且通过在所述区域中的焦耳加热将电流转换为热量。焦耳加热加热在例如尼克洛姆(NiChrome)的材料中是熟知的，尼克洛姆是用作电阻线的镍、铬且通常铁的非磁性合金。可使用光微影图案化，或优选地使用纳米复合物油墨喷墨打印沉积电阻线。
图1C示意性地说明光学调制器10C。除水平地连续的光学调制器10C中的电光区域以外，光学调制器10C类似于光学调制器10A。电光区域116在上方与介电包覆层118A接触，接着与介电缓冲层114A接触且接着与电极112A接触。电光区域116在下方与介电包覆层118B接触，接着与介电缓冲层114B接触，接着与电极112B接触。
可使用各种技术以供沉积EO调制器的前述元件。可使用喷墨打印以沉积且形成导电油墨、介电层和电光聚合物。替代地，可使用旋涂技术和UV压印。
图2A展示用于沉积根据本发明的纳米复合物油墨的喷墨打印设备210A。出于解释性的目的简化打印设备210。所属领域的技术人员将大体上认识喷墨打印方法，参见在2003年的固体自由(Solid Freeform，SFF)研讨会上提出的李察查托夫(Richard Chartoff)等人，“通过固体自由形成制造功能梯度的聚合物基体纳米复合材料(Functionally GradedPolymer Matrix Nano-Composites by Solid Freeform Fabrication(SFF))”和2005年在SFF研讨会上提出的李察查托夫(Richard Chartoff)等人，“通过喷墨打印聚合物基体纳米复合材料(Polymer Matrix Nanocomposites by Ink-jet Printing)”。
打印设备210A具有分别容纳纳米复合物油墨222A和222B的储集器212A和212B。储集器222A和222B经由馈入线214A和214B分别提供具有纳米复合物油墨222A和222B的打印头216A和216B。打印头216A和216B将纳米复合物油墨222A和222B沉积在特定体元下的衬底218上，由此形成纳米复合物结构，例如本发明的EO调制器。体元是指三维空间中的位置。级217相对于打印头放置衬底218，以供沉积纳米复合物油墨在特定体元下。
衬底218可由各种材料制成，所述各种材料包含塑胶、玻璃、金属、陶瓷、有机树脂、电子电路和接触电子或电光组件的晶片。衬底218可变为纳米复合物结构的部分或替代地可从衬底移除纳米复合物结构。对于其中衬底变为光学元件的部分的应用，可针对特定特性选择衬底。举例来说，在形成EO调制器的应用中，衬底材料可为充当接地平面的导电金属。衬底可为具有微电子的硅晶片，其中电极与电子元件接触。此外，可将硅晶片上的氧化硅层用作用于EO调制器的至少一侧的介电层。替代地，衬底可为具有防黏特性的模具材料，允许从模具移除纳米复合物结构。
在从打印头中的一个沉积纳米复合物油墨之后，可相对于辐射源219A放置衬底218以供选择性固化体元下的纳米复合物油墨。选择性固化指关于体元的局部化辐射，活化有机主体基质。有机主体基质的活化固化纳米复合物油墨。选择性固化是指零固化、部分固化或完全固化，其分别指不固化、部分地固化或完全地固化纳米复合物油墨。另一辐射源219B大量固化衬底上的衬底纳米复合物油墨。当需要部分或完全固化全部纳米复合物油墨时，大量固化是合意的。
图2B说明具有额外储集器212C和212D的类似于展示于图2A中的打印设备的打印设备210B，其分别容纳纳米复合物油墨222C和222D、馈入线214C和214D和打印头216C和216D。额外打印头提供不同于其它打印头中的纳米复合物油墨的额外纳米复合物油墨。不同纳米复合物油墨可为用以形成EO调制器的纳米复合物油墨。举例来说，储集器中的一个可容纳纳米颗粒导电油墨，另一个可容纳用于介电包覆层的纳米复合物油墨，且又一个可容纳用于介电缓冲层的纳米复合物油墨。打印头可容纳用于介电缓冲层的不同纳米复合物油墨，且以允许形成复杂折射梯度的下文中所提及的技术沉积。另外，储集器可分离纳米颗粒和有机主体，且按需求从打印头中的任一个混合各种纳米颗粒浓度。
对于适合于喷墨打印的那些EO聚合物，其可容纳于储集器中的一个中。替代地，可使用紫外线纳米压印或纳米冲压技术应用EO聚合物，其容许纳米尺度的部件。对于足够小的部件，纳米压印技术为优选方法。在纳米压印时，使用在本领域中熟知的光刻技术产生具有合适大小的部件的原始硅模具。接着从原始硅模具产生弹性模具材料。弹性模具具有期望图案以经由冲压压印。举例来说，可将单模波导压印成介电包覆层，接着经EO聚合物填充，以产生根据本发明的EO调制器。首先，经由喷墨打印、旋涂技术或其它熟知制程沉积达到EO聚合物的层。通过暴露于紫外光部分地胶化介电包覆层。接着将弹性模具按压成胶化介电包覆层。足以固化胶化包覆层，使得其采用模具的形状。接着剥离模具，将压印留在包覆层中，其接着固化，保持模具的特征形状。可接着沉积EO聚合物填充经压印部件。这些技术允许波导通道(例如展示于图1A、图1B和图1C中的那些)足够小以充当单模波导。替代地，纳米冲压可用于可光学固化的光阻或金属中的正型或负型图案中任一个图案化部件。接着湿式化学处理或电感耦合等离子体蚀刻可用于限定部件。
图2C示意性地说明展示于图2A和图2B中的纳米复合物油墨的沉积的另外细节。沉积于衬底218上的纳米复合物油墨222A由纳米复合物空气界面226A界定。纳米复合物油墨由具有贯穿有机基质的分散纳米填料224A的有机基质组成。有机基质为喷墨可印刷的、光学清晰的、光固化树脂。视EO调制器的元件而定，将使用不同纳米复合物油墨。如前述，导电纳米复合物油墨主要基于银。用于介电层的可印刷有机基质材料的四个非限制性实例为聚丙烯酸酯、己二醇二丙烯酸酯(HDODA)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、二甘醇二丙烯酸酯(DEGDA)和SU-8。纳米填料是相对于光波足够小的陶瓷纳米颗粒，对于打算使用的那些波长，不散射光。纳米复合物油墨可因纳米填料类型、有机主体基质型或纳米填料的浓度和其组合而不同。纳米填料的非限制性实例包含氧化铍(BeO)、氮化铝(AlO)、碳化硅(SiC)、氧化锌(ZnO)、硫化锌(ZnS)、氧化锆(ZrO)、原钒酸钇(YVO4)、三氧化钛(TiO2)、硫化铜(CUS2)、硒化镉(CdSe)、硫化铅(PbS)、二硫化钼(M0S2)和二氧化硅(SiO2)包含具有核心、核壳和核壳配体架构的那些。可通过所使用的纳米复合物油墨修改介电包覆层的折射率。可通过有机主体类型、纳米填料类型和有机基质中的纳米填料的浓度调谐纳米复合物油墨。将通过有机主体和纳米填料的光学特性的体积百分比求和纳米复合物油墨的折射率。按纳米颗粒与有机主体体积计的浓度为约0.25体积％到约70体积％，视特性的所期望改变而定。纳米颗粒和有机主体组合和化学性质的各种实例描述于美国专利申请案第US 14/036660号中，共同拥有并转让给本发明的受让人，所述申请案的全部公开内容在此以引用的方式并入。
图2D示意性地说明在高于纳米复合物油墨222A的体元的体元下具有纳米复合物油墨222B的额外沉积的展示于图2C中的纳米复合物结构21。在本文中，在沉积之后展示纳米复合物油墨222B，其以分散的纳米填料226B、油墨-油墨接口228A(其中未出现纳米颗粒-油墨之间的混合)和空气-油墨接口226B表征。
图2E示意性地说明如展示于图2D中的纳米复合物结构21，其中在沉积纳米复合物油墨222B之前的纳米复合物油墨222A的选择性固化是零固化。纳米复合物油墨230是未固化纳米复合物222A和222B的所得混合物。纳米复合物油墨230通过分散于其内的空气-油墨接口232和纳米填料224A和224B表征。纳米复合物油墨230的顶部和底部之间的折射梯度取决于对流混合，所述对流混合由纳米复合物油墨之间的相关大小、速度和纳米填料浓度、在沉积纳米复合物油墨222B之前降低的任何部分固化的纳米复合物油墨222A、衬底的温度以及在额外的部分固化纳米复合物油墨之前从纳米复合物油墨222A和222B扩散纳米填料所允许的时间引起。
图2F示意性地说明展示于图2D中的纳米复合物结构，其中纳米复合物222A经部分地固化。在本文中，部分的固化纳米复合物222A在纳米复合物222A和222B之间产生梯度区域222B。梯度区域222B的程度取决于纳米复合物油墨222A的选择性固化。零固化允许如图2E中示例的纳米复合物油墨的混合物。部分固化允许如图2F中示例的有限梯度区域228A中的扩散。完全固化允许极少扩散且产生如图2D中示例的显著地油墨-油墨接口228A。除控制梯度区域以外，在随后沉积之前的部分固化减少所得光学元件中的压力和张力。
图2G示意性地说明展示于图2A和图2B中的纳米复合物结构21，其中并排沉积纳米复合物油墨。在本文中，具有纳米填料224B的纳米复合物油墨222B和油墨空气接口226B沿纳米复合物油墨222C的侧面沉积。纳米复合物油墨222C不具有由空气接口226C界定的纳米填料。
图2H示意性地说明如图2G中所展示的纳米复合物结构21，其中纳米复合物油墨222B与纳米复合物222C混合，产生梯度纳米复合物222D。在本文中，纳米复合物222D由油墨空气接口226D界定，具有纳米填料224D(与纳米复合物油墨222B相同的纳米填料)，根据折射梯度分布229B分布。梯度为混合纳米复合材料的结果，其中纳米复合物222B的部分固化最小且在进一步部分固化之前允许前述对流混合和时间。折射梯度分布229B通过较高折射率nB表征，所述较高折射率归因于纳米颗粒224D的较高浓度，折射梯度的折射率在y方向上缓慢且平滑地平移到较低折射率nC，所述较低折射率归因于纳米颗粒224D的较低浓度。
图21示意性地说明如图2G中所展示的纳米复合物结构21，其中纳米复合物油墨222B在沉积纳米复合物油墨222C之前经部分地固化。在本文中，纳米复合物油墨222B的部分固化引起纳米复合物油墨222C在接口224AB处的有限混合，产生折射梯度229C。折射梯度分布229C通过较高折射率nB表征，所述较高折射率归因于纳米颗粒224D的较高浓度，折射梯度的折射率在y方向上未改变直至迅速平移到前者接口224AB处的较低折射率nB。替代地，折射梯度分布229C可通过限制前述混合因数(例如，控制纳米复合物油墨沉积速度)且限制对衬底的扩散温度控制且固化受控制时间内的经沉积纳米复合物油墨在沉积纳米复合物222C之前在不需要部分固化纳米复合物油墨222B的情况下产生。
图2J示意性地说明另一纳米复合物油墨混合方法。沉积纳米复合物油墨226B和纳米复合物油墨226C，使得相应的打印头对齐以使得纳米复合物油墨在空气中混合，产生纳米复合物油墨222E。接着使纳米复合物油墨222E沉积并且混合到具有由油墨空气接口226B界定的纳米填料224E的衬底118上。
图3A示意性地说明根据本发明的相位EO调制器30。在没有介电层的细节的情况下绘制EO调制器30。可使用如图1A、图1B和图1C中所描述的EO调制器结构和前述制造方法且适用于描述于下文中的EO调制器和其它的本实施方案。EO调制器30经展示为具有电光区域116的简单波导。波导几何构型将视所使用的材料的折射率和光的波长而定，如在本领域中所熟知。用电极112A两端的电性调制调相连接到穿过电光区域的波导302的光，连接到单个发电机和电极112B，连接到电接地。对电光区域的调制经由二阶非线性效应调制电光区域折射率。电光区域折射率变化造成沿电光区域的光程长度的变化，由此诱发穿过的光的相位变换。约几伏特的电位通常为供相位调制所需要的。
图3B示意性地说明振幅EO调制器31。EO调制器31与添加有两个穿过线形偏光片的展示于图3A中的EO调制器相同。偏光片304A安置于波导302，使得光在进入电光区域之前穿过偏光片。偏光片304B安置在电光区域之后且相对于偏光片304A以90度定向，偏光片阻挡相位以其它方式不变的光，使得无光穿过振幅EO调制器。穿过电光区域的光的相位调制改变光的相位，使得其不完全被偏光片304B阻挡。所属领域的技术人员将大体上认识到本设计。
图3C示意性地说明另一EO调制器32。EO调制器32具有波导306，其包括分成第一支路304A和第二支路304B的单个波导304，重组为单个波导304。第一支路304具有伴随介电层(未展示)的电光区域116A，和电极112A和112B。第二支路304B不具有电光区域。第一支路中的相位调制造成从第一支路重组的光与第二支路之间的相移，产生构造性或破坏性干涉，由此调制来自波导304的输出。所属领域的技术人员将大体上将本设计视为马赫-曾德尔(MZ)类型EO调制器。
图3D示意性地说明推挽式EO调制器33。推挽式调制器32类似于在第二支路304B中添加有EO调制器的展示于图3C中的调制器。第二支路304B具有电光区域116B和电极112C且通常共享接地电极112B。与产生推挽式类型调制的电极112A相比，施加至电极112C的电信号是相反的。
图3E示意性地说明EO调制器34的线性阵列。EO调制器30A、30B、30C、30D和30E全部实质上类似于展示于图3A中的相位EO调制器30。在y方向上以间隔在每一调制器之间的变量线性地布置EO调制器。可如除EO调制器30C之外的每一EO调制器中的全部波导所展示，通过轻推达成EO调制器的输出之间的间隔。EO调制器中的每一个之间的距离、Z方向上的每一EO调制器的未端和由电光区域的调制所造成的相位变换造成每一输出之间的相位差。输出通过分布308A表征，展示基于由EO调制器的线性阵列造成的相位差的y轴上的由构造性和破坏性干涉造成的强度分布。分布308B经展示为虚线，展示另一强度剖面，通过平坦顶部分布表征，展示y方向上的通用平坦顶部分布，可通过EO调制器的相位调制达成。
图3F示意性地说明轻推式波导耦合器35。以沿波导的横截面图展示推式波导耦合器35。波导耦合器35通过平移到折射梯度310A中的波导302表征，其将光折射到电光区域中，由此轻推波导以外的光且轻推到电光区域中。电光区域由介电包覆层118A和118B环绕，介电包覆层118B为波导302。介电包覆层由介电缓冲层114A和114B环绕，其分别与电极112A和112B接触。光行进穿过电光区域且经由折射梯度310B返回到波导。考虑到具有不同几何布置的设计和由此针对电光区域的不同模态设计，轻推式波导耦合器允许从波导独立地形成电光区域。
图3G示意性地说明直波导耦合器36。直波导耦合器36类似于波导耦合器35，除直波导耦合器36经由直线折射梯度312A将来自波导302的光直线耦合到电光区域中且经由直线折射梯度312B离开电光区域以外。轻推式波导和直波导耦合器二者可用于将光耦合到本文所描述的电光区域中。
图4A为示意性地说明二维相位阵列EO调制器40的部分横截面的透视图。EO调制器40由由下标x-y标识表示的EO调制器组成。举例来说，EO调制器3011、3012、3013和3014皆围绕相同y坐标定位。同样地，EO调制器3014、3024、3034和3044皆围绕相同x坐标定位。不是所有EO调制器出于说明性目的经标记，但使用以下指导，可识别任何一个特定EO调制器。具有标识30xy的EO调制器的参考将以具有数字标识30xy的多个参考。EO调制器30xy皆实质上类似于如图3A中所展示和如通过EO调制器30n所示例的EO调制器30。EO调制器30xy可径向地布置于栅格中，且具有各种间隔，类似于展示于图3E中的线性阵列中的EO调制器EO调制器中的每一个之间的位置和间隔通过经由调制个别EO调制器调制相位经由构造性和破坏性干涉来限定可产生辐射方向图且改变那些辐射方向图的相位阵列。
图4B为示意性地说明添加有喷墨打印透镜阵列的展示于图4A中的EO调制器的横截面图。光学调制器41由如展示于图4A中的EO调制器40中的EO调制器组成。EO调制器41进一步包括透镜阵列402。透镜阵列402为喷墨打印梯度折射率(GRIN)透镜阵列，经打印为EO调制器的部分。透镜阵列402由用于所展示的个别EO调制器40414、40424、40434和40444的个别GRIN透镜组成。每一GRIN透镜通过灰度表征，更暗区域表示较高折射率且因此纳米颗粒的较高浓度。除光辐射以外，EO调制器在功能上类似于图4A的EO调制器40，通过由每一相应光束的GRIN透镜定向的光束440A、440B、440C和440D示例。
图5A和图5B示意性地说明根据本发明的随机相位电光调制器50。图5A为透视图。图5B为横截面图。随机相位电光调制器50具有电光区域502，其中电光区域是具有允许光束进入和离开的开放孔口的圆形。电光区域502具有电光材料504在介电层118内的多个随机分布的袋形区，使得进入随机相位EO调制器的光将通过电光材料504的至少一部分传输。电光区域502由围绕电光区域502的整个周边的介电缓冲层114环绕。电极112A、112B、112C和112D经其之间的缓冲层围绕电光区域周围均匀隔开。电极112A、112B或112D或其组合上的电信号产生对随机放置电光材料504的调制。电极112C通过实例被标记为地面。在电极112A、112B或112D上之高频率调制、混合随机信号产生，或其组合允许进入和离开随机相位调制器的光的随机相位调制。与所描述的其它EO调节器相比，较大电位为较大随机相位电光调制器所需要的。
图6A和图6B示意性地说明根据本发明的波束转向EO调制器30。参看图6A，电光区域116具有应用于电极112A和112B两端的电场的梯度折射分布。折射梯度分布归因于改变电光区域中的eo聚合物浓度。光束630A折射穿过电光区域，以一角度射出。参看图6B，不应用电场，导致电光区域中无折射梯度。光束630B行进穿过电光区域，以光进入的相同角度射出。
根据本文中所提供的本发明的描述，所属领域的技术人员可设计EO调制器且将其实施于根据本发明的所描述应用中。本发明涉及的所属领域的技术人员将认识到，虽然使用特定配置和沉积技术示例本发明光学元件和制造方法的上文所描述的实施例，但可在不脱离本发明的精神和范围的情况下使用其它特定配置和沉积技术。
总起来说，在以上根据特定实施例描述本发明。然而，本发明不限于在本文中描述和描绘的实施例。确切地说，本发明仅受在此随附的申请专利范围限制。

Claims (25)

1.一种纳米复合物光学调制器装置，其包括：
光学透明电光区域，其用于基于光传输的相移效应，所述电光区域包括展现二阶非线性特性的电光材料；
一或多个介电层，其中所述介电层中的至少一个与所述电光区域接触；
一或多个电极，所述电极接近所述电光区域；且
其中上述元件中的至少一个是具有约0.25体积％到约70体积％的纳米颗粒负载的固化纳米复合物油墨，其中所述上述元件中的一个具有纳米颗粒负载以改变光学传播。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述电极中的一或多个与所述介电层中的一或多个接触，其中所述介电层是缓冲层，所述缓冲层具有增大所述介电缓冲层介电强度的纳米颗粒负载。
3.根据权利要求1所述的装置，其中所述介电层中的一或多个的电导率是随着所述介电层的有机主体材料的发色团负载而增大。
4.根据权利要求1所述的装置，其中所述电光区域随机地分布为电光材料在不展现电光特性的透明有机材料内的袋形区。
5.根据权利要求1所述的装置，其中调制所述电光区域调制光束的射出角度。
6.根据权利要求1所述的装置，其进一步包括衬底，其中所述衬底是晶片、PCB板或具有电子元件的其它装置。
7.根据权利要求1所述的装置，其进一步包括加热元件，所述加热元件接近所述电光区域，其中来自所述加热元件的热量改变所述电光区域的折射率。
8.根据权利要求1所述的装置，其中与所述电光区域接触的所述介电层是包覆层，所述包覆层和所述电光区域形成单模电光波导。
9.根据权利要求8所述的装置，其进一步包括另一波导，所述波导将光辐射分解为第一支路和第二支路，所述第一支路具有所述电光波导，其中所述第一支路和所述第二支路重组。
10.根据权利要求8所述的装置，其进一步包括波导耦合器，其中所述波导耦合器将光从波导引导到所述电光区域中。
11.根据权利要求10所述的装置，其中所述波导耦合器具有折射梯度区域，所述折射梯度区域减少所述波导与电光区域之间的损耗。
12.根据权利要求10所述的装置，其中所述电光区域的大小和折射率减少所述波导与所述电光区域之间的波导模不匹配损耗。
13.一种纳米复合物光学调制器装置，其包括：
复数个透明电光区域，其用于基于光传输的相移效应，所述电光区域包括展现二阶光学非线性特性的电光材料；
复数个的一或多个包覆层，其中每一相应复数个的所述介电层中的至少一个与所述相应复数个的所述电光区域接触；
复数个的一或多个电极，每一相应复数个的所述电极接近所述相应复数个的所述电光区域；
其中每一复数个中的上述元件中的至少一个是具有约0.25体积％到约70体积％的纳米颗粒负载的固化纳米复合物油墨，其中所述上述元件中的一个具有纳米颗粒负载以改变光学传播；并且其中形成复数个EO调制器。
14.根据权利要求13所述的装置，其进一步包括波导耦合器，其中所述波导耦合器将光从波导引导到所述电光区域中。
15.根据权利要求13所述的装置，其中所述复数个介电层中的一或多个层的电导率随所述介电层的有机主体材料的发色团负载而增大。
16.根据权利要求13所述的装置，其进一步包括衬底，其中所述衬底是晶片、PCB板或具有电子元件的其它装置。
17.根据权利要求13所述的装置，其中对于每一相应EO调制器，与所述电光区域接触的所述介电层中的一或多个是包覆层，所述包覆层和所述电光区域形成单模电光波导。
18.根据权利要求17所述的装置，其进一步包括波导分解器，所述波导分解器将光辐射分解为第一支路和第二支路，所述支路重组成单个波导，所述第一支路和所述第二支路各自具有所述电光区域中的至少一个。
19.根据权利要求17所述的装置，其中所述复数个电光波导在二维平面中定向。
20.根据权利要求17所述的装置，其中所述复数个波导形成三维阵列电光相位阵列。
21.根据权利要求20所述的装置，其进一步包括GRIN透镜阵列，其中所述GRIN透镜阵列具有复数个GRIN透镜，所述复数个GRIN透镜对应于引导来自所述EO调制器的光的所述复数个EO调制器。
22.根据权利要求17所述的装置，其进一步包括用于所述相应复数个EO调制器中的每一个的波导耦合器，其中所述波导耦合器将光引导到每一相应复数个EO调制器中的所述电光区域中。
23.根据权利要求22所述的装置，其中所述波导耦合器是轻推式波导耦合器。
24.根据权利要求22所述的装置，其中所述电光区域的大小和折射率经设计以减少所述波导与所述电光区域之间的波导模不匹配损耗。
25.根据权利要求17所述的装置，其进一步包括用于所述复数个EO调制器中的每一个的加热元件，其中来自所述加热元件的热量改变所述相应EO调制器中的所述电光区域的折射率。
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