CN111133375A

CN111133375A - 高频光学开关及其制造方法

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Publication number: CN111133375A
Application number: CN201880059395.9A
Authority: CN
Inventors: E·加巴里
Original assignee: Terahertz Group Co Ltd
Current assignee: Terahertz Group Co Ltd
Priority date: 2017-07-24
Filing date: 2018-07-24
Publication date: 2020-05-08
Also published as: ZA202000962B; EP3658985A1; IL272229B1; US11747705B2; JP2020528581A; RU2020106422A3; WO2019021282A1; US20220171252A1; IL272229A; RU2020106422A; JP2024088690A; US11181800B2; IL272229B2; US20200225554A1; CA3070849A1; EP3658985A4; KR20200034745A; AU2018306670A1; BR112020001377A2

Abstract

本发明描述可用于太赫数据通信速率的光学开关及调制器装置。所述装置包括：光学透射衬底，其经配置以使电磁辐射传播通过；及超材料布置，其光学地耦合到所述衬底。所述超材料布置包括光学地耦合到所述光学透射衬底的至少某个部分的至少一个超材料颗粒层及由放置在所述至少一个超材料层的至少某个部分上方的至少一种导电材料制成的至少一个纳米网层。所述至少一个纳米网层经配置以响应于施加到所述超材料布置的电磁或电信号而将电子释放到所述至少一个超材料层中，且所述至少一个超材料层经配置以在接收所述经释放电子之后从光学不透明状态变成光学透明状态，以由此至少部分地改变穿过所述衬底的电磁辐射。

Description

高频光学开关及其制造方法

技术领域

本发明通常涉及可用于高频光学波调制的光学开关的领域。

背景技术

由于智能手机、社交媒体、视频流及大数据的广泛使用，为了满足快速增长的需要，对数据通信服务的带宽的需求持续增长。现今在数据中心广泛使用的10Gb/s技术已经成熟，且现需要更大数据通信管道来处理通过通信网络流动的大量数据。实际上，服务提供商(SP)正转向更高位速率设备，以将带宽增加到每个波长40Gb/s及100Gb/s范围。

国际电信联盟(ITU)将1530到1565nm的相关电磁微波频谱范围(其中光纤展示最低损耗，也被称为C带)划分成固定的50GHz频谱时隙。然而，这种信道间距方案可能不适用于大于100Gb/s的位速率。因此，在所属领域中需要一种能够满足未来带宽需求的需要的更灵活网格范例。

事实上，即使足够宽的频谱可用，高数据速率信号也越来越难以在长距离内按高频谱效率传输。因此，有益的是，使收发器适应网络的实际状况及每一给定流量需求的数据速率以便最大化频谱效率。除增强频谱效率的需要之外，大型内容提供商、新构建数据中心及提供商之间不断发展的对等关系正助推需求在整个网络中的不确定性及异构性。因此，需要一种灵活且自适应的网络，其配备有灵活收发器及网络元件，可适应实际持续增长的数据通信流量需求。

应认识到，快速切换及调制是在大于100Gb/s的位速率及太赫下增加带宽通信的主要障碍。超快通信的障碍及限制可归因于与现今使用的网络基础架构相关联的RF、光学、切换及太赫限制，如下文中所解释：

·RF限制(微波频谱)主要是由于制造经配置以在远远高于几百吉赫的频率范围内操作的电子装置的难度所致。这个困难部分地是由于在半导体作用区中的非常短载波传输时间的固有需要，且也是由装置产生的低功率的结果，所述装置必须具有小作用区以最小化其电容。

·由于带间二极管激光主要经设计以在可见光及近红外线频率下操作，因此会遇到光学限制。然而，似乎无法简单地将通过传导带电子与跨有源半导体材料的带隙的价带空穴的辐射复合的光信号生成扩展到中红外线或更长波长范围内，因为无合适窄带隙半导体可用。

·还遇到切换限制，因为例如用电场控制光透射通过材料不适于光谱的长波长(例如，在太赫区域附近或在太赫区域中)，这是因为固态电子设备可实现的开/关状态之间的切换对比太弱及太慢。

·太赫限制归因于缺乏具有良好分辨率的高能太赫频率源。

下文中简要地描述专利文献中所建议的一些解决方案。

第2,876,824号欧洲专利公开案描述一种用于使用太赫区中的至少一个载波传输数据的传输布置。传输布置包括发射器装置、接收部件及用于传输光束的光学传输系统。发射装置及接收部件适合通过在发射器的太赫范围内调制的载波无线地传送数据。载波是使用由一个或两个光源产生的两个光束的差频混合生成。

第8,111,722号美国专利中所描述的技术及装置基于由非线性光学材料及非线性波混频制成的光学谐振器来生成RF或微波振荡及光学梳状信号。

第8,159,736号美国专利描述在由电光材料形成的回音廊模式谐振器中基于可调谐单边带(SSB)调制以实现不同极化的回音廊模式之间的耦合的光子装置及技术。

第8,655,189号美国专利中所描述的光学调制系统包含经配置以接收及处理至少一个可操作波长的输入光学信号的超材料结构，其中超材料结构响应于施加到超材料结构的外部刺激而相对于所述(若干)可操作波长的(若干)光学信号而在透射状态与非透射状态之间变化。外部刺激源与超材料结构耦合且经配置以通过将选定刺激脉冲施加到超材料结构而使超材料结构在其透射状态与非透射状态之间变化。光学调制系统处理输入光学信号以输出与施加到超材料结构的选定脉冲对应地进行调制的经调制光学信号。

以上描述介绍可与本发明的各个方面相关且旨在促进对本发明的各个方面的更好理解的领域的各个方面。应注意，对本申请案中所提及的任何现有技术的引用不承认或建议这种现有技术形成任何管辖权利的公知常识的部分或预期所属领域的技术人员可合理地将这种现有技术理解为、视为与其它现有技术相关及/或组合。

发明内容

本文中所揭示的标的物旨在提供用于光学地调制光谱的太赫区附近及/或其中的长波长以实现非常高位速率(100Gb/s、400Gb/s及更高，及在太赫位速率区中)的技术及实施方案。本文中所揭示的实施例适于经配置以在室温下操作的固态/芯片装置中的光学调制器的实施方案。这些实施例可提供可伸缩的自适应网络所需的灵活性及数据通信速率，且因此对在例如现今利用扁平(东-西)拓扑构建的新数据中心中使用有吸引力。

自适应数据中心可由采用可无缝地重新配置的虚拟块的块状网络基础架构单元构建。转向使用可一样容易地伸缩的块的物理网络意味着所述网络可为灵活的而无须重新配置整个背板。自适应收发器、灵活网格及智能客户端节点的组合实现新“自适应”网络范例，从而允许SP满足不断增长的网络需要而无需频繁检修网络。

近年来，基于100Gb/s的传输系统已商业化，且由于其与已部署的50GHz ITU网格/信道间距兼容，因此无需替换网格。电信行业及数据通信行业两者现考虑超过100Gb/s的标准传输数据速率，且400Gb/s受到很多关注。不幸的是，在标准调制格式下由400Gb/s占用的频谱宽度太宽而无法适应50GHz ITU网格，且通过采用更高频谱效率调制格式来强制其适应将仅允许短传输距离。固定网格在标准调制格式下不支持400Gb/s及1Tb/s的位速率，因为其与至少一个50GHz网格边界重叠。因此应理解，本文中所揭示的实施例对经设计以满足带宽需求的持续增长的数据中心实施案是有益的。

本文中所揭示的实施例利用耦合到波导体的活性超材料来构建经配置以在太赫数据传输速率下操作的高质量光学开关、调制器及/或滤波器。在一些实施例中，超材料用于实施可允许太赫通信及信号处理应用的高效薄膜太赫开关。迫切需要此装置来滤波、切换及调制太赫信号。迄今为止，由于太赫频率电磁波的波长大于300微米范围，因此使用薄膜装置进行太赫辐射的切换受到阻碍，且因此与远小于这个波长的结构没有明显的相互作用。超材料的使用可避免这个问题。

术语波导体、光学波导体或波线在本文中用于指代可用于传输电磁辐射的媒体及/或元件，例如但不限于如光学数据通信中所使用的光学波导、光纤、空气。超材料是通过组装不同(通常纳米级)对象来取代将在常规材料中所见的原子及分子而制造的人工结构化材料，其经设计以展现其基材无法天然展现的性质。本文所揭示的实施例中使用的超材料具有通常与天然存在的或化学合成的物质中发现的电磁性质非常不同的电磁性质。一些实施例中使用的超材料经设计以可控地展现负折射。

本文所揭示的一些实施例中使用的超材料经设计为具有光学微结构，所述光学微结构经配置以与穿过其的电磁辐射(光)相互作用。例如但不限于，可使用基于金属氧化物的材料，例如VO2、V2O3、WO3、Ti2O3、NiS2-ySey、LaCoO3、PrNiO3、Cd2Os2O7、NdNiO3、Tl2Ru2O7、NiS、BaCo1-yNiyS2(其中y≤1)、Ca1-ySryVO3(其中y≤1)、PrRu4P12、BaVS3、EuB6、Fe3O4、La1-yCayMnO3(其中y≤1)、La2-2Sr1+2Mn2O7(其中y≤1)、Ti4O7、La2NiO4、锰矿型RExAE1-xMnO3的混合氧化物(其中RE是稀土金属(例如镧或镨)，AE是碱土金属(例如钙)，且x≤1))、金属间化合物(例如NiAl)、聚合物(例如含偶氮苯聚二乙炔、聚偏二氟乙烯、聚乙酸乙烯酯、聚乙烯亚苯基、聚苯乙烯磺酸盐、聚苯胺(例如，掺入合成蛋白石纳米结构的聚苯胺)及纳米结构聚合物(例如二嵌段(例如，聚[苯乙烯-b-异戊二烯]或PS-b-PI)及三嵌段(例如，刚柔共聚物聚[聚(N-异丙基丙烯酰胺)-b-聚芴-b-聚(N-异丙基丙烯酰胺)])共聚物)。

此类超材料可用于构建由氧化钒(VO2)制成的超小及超快光学开关装置。此类装置在太赫频率范围下切换的能力远快于经配置以在吉赫频率下操作的类似开关装置。使用VO2超材料来构建光学开关装置似乎特别有吸引力，因为其可通过感应电荷/电场而以太赫速率在透射(绝缘体)状态与非透射(导体)状态之间切换，这可用于构建晶体管类装置。

一些实施例中使用的超材料由VO2纳米颗粒制成，所述VO2纳米颗粒经沉积在光学透明衬底(玻璃)上且由微小金纳米颗粒的“纳米网”涂覆。当由来自超快THz源(例如，任何类型的THz信号生成器，例如但不限于激光源、任何类型的基于THz发射晶体的装置或倍频器)的电磁脉冲辐照这个分层结构时，从金纳米网释放到VO2纳米颗粒层中的热电子在皮秒(PS，10^-12秒)时域内的时间段中使其相从光学不透明(金属)相变成光学透明(半导电)相。本文中所揭示的实施例利用此类超材料的这个性质来可控地在PS时间帧内在光学不透明状态与光学透明状态之间变化，以实施用于通信应用的光学开关装置。

本文中所揭示的标的物的一个发明方面涉及一种可用于太赫数据通信速率的光学开关装置。在一些实施例中，所述装置包括：光学透射衬底，其经配置以使电磁辐射传播通过；及超材料布置，其光学地耦合到所述衬底。所述超材料布置包括光学地耦合到所述光学透射衬底的至少某个部分的至少一个超材料颗粒层及由放置在所述至少一个超材料层的至少某个部分上方的至少一种导电材料制成的至少一个纳米网层。所述至少一个纳米网层经配置以响应于施加到所述超材料布置的电磁或电信号而将电子释放到所述至少一个超材料层中，且所述至少一个超材料层经配置以在接收所述经释放电子之后从光学不透明状态变成光学透明状态，以由此至少部分地改变穿过所述衬底的电磁辐射。

任选地，所述光学透射衬底在光纤的至少某个部分中。替代地，所述光学透射衬底是光学WMG谐振器(例如，PANDA谐振器)的至少某个部分。在又一替代方案中，所述光学透射衬底是薄膜。

在一些实施例中，所述衬底具有约0.1到1纳米的厚度。

任选地，但是优选地在一些实施例中，所述至少一个超材料层包括氧化钒。所述至少一个超材料层可经配置以在接收所述经释放电子之后展现负折射。

在一些可能实施例中，所述装置包括金属光栅，所述金属光栅经形成在所述超材料布置上。

所述至少一个超材料颗粒层的厚度通常可为约0.1到1纳米。在一些实施例中，所述至少一个超材料颗粒层的颗粒大小是约1到100纳米。

任选地，但是优选地在一些实施例中，所述至少一个纳米网层包括金。所述至少一个纳米网层的厚度通常可为约0.1到1纳米。在一些实施例中，所述至少一个纳米网层的颗粒大小是约20到100纳米。在一些实施例中，所述至少一个纳米网层的孔尺寸/直径是约0.1到1纳米。

所述光学开关装置可具有约100到500纳米的几何尺寸。在一些实施例中，施加到所述超材料布置的电磁或电信号在RF、微波或太赫频带中(例如，在100MHz到40THz的范围内)。

在另一发明方面，本文中所揭示的标的物涉及一种可用于太赫数据通信速率的光学调制器。所述调制器可包括：上文中或下文中所描述的光学开关装置；输入波线，其经配置以将输入电磁辐射引入到所述光学开关装置中；及输出波线，其经配置以传送至少部分地由所述光学开关装置改变的输出电磁辐射。

可用于太赫数据通信速率的另一光学调制器组合件可使用以下者来实施：输入波线，其经配置以将输入电磁辐射引入到所述光学调制器组合件中；光学分裂器，其经配置以从所述输入波线接收所述输入电磁辐射；第一输入线及第二输入线，其光学地耦合到所述光学分裂器以从所述输入波线接收由所述光学分裂器分裂的所述电磁辐射的部分；如上文中或下文中所描述的至少一个光学开关装置，其光学地耦合到所述第一波线及所述第二波线中的至少一者的相应芯；及光学组合器，其光学地耦合到所述第一波线及所述第二波线以组合在所述第一波线及所述第二波线中从所述光学分裂器接收且至少部分地由所述至少一个光学开关装置改变的电磁辐射。所述光学调制器可包括输出波线，所述输出波线经配置以接收由所述光学组合器组合的所述电磁辐射。

所述光学调制器可包括第一光学开关装置及第二光学开关装置，所述第一光学开关装置及所述第二光学开关装置分别耦合到所述第一波线及所述第二波线的芯。任选地，但在一些实施例中是优选地，所述至少一个超材料层包括氧化钒。任选地，所述至少一个超材料层经配置以在接收所述经释放电子之后展现负折射。

在一些实施例中，所述调制器包括金属光栅，所述金属光栅经形成在所述超材料布置上。

本申请案的标的物的又一发明方面涉及一种用于组合两个或两个以上电磁数据载波的光学组合器装置。所述组合器装置包括：至少一个调制WGM谐振器，其在其内壁区段上方具有超材料组合件涂层；至少两个输入波线，其光学地耦合到所述至少一个调制WGM谐振器以将相应至少两个电磁数据载波引入到所述至少一个调制WGM谐振器中；及至少一个输出波线，其光学地耦合到所述至少一个WGM谐振器以输出捕获在所述至少一个调制WGM谐振器内的电磁辐射且至少部分地合并所述至少两个电磁数据载波。

在一些实施例中，所述超材料组合件包括氧化钒，例如如本文中所描述的纳米颗粒层。所述超材料组合件可包括金，例如施加在所述氧化钒层上方的金纳米网层，如本文中所描述。

在一些实施例中，所述光学组合器包括至少一个辅助WGM谐振器，所述至少一个辅助WGM谐振器在内壁上方具有所述超材料组合件涂层且光学地耦合到所述至少一个WGM谐振器。所述至少一个辅助WGM谐振器可经配置以使捕获在所述至少一个WGM谐振器内的电磁辐射按预定方式成形。

所述光学组合器可包括光栅，所述光栅经形成在所述至少一个WGM谐振器的所述超材料组合件上。任选地，所述WGM谐振器中的至少一者是椭圆形谐振器。

附图说明

为了理解本发明且明白如何在实践中实行，现将仅以非限制性实例的方式参考附图来描述实施例。除非另有暗示地指示，否则附图中所展示的特征意在说明本发明的仅一些实施例。在附图中，类似参考数字用于指示对应部件，且其中：

图1A到1C示意性地说明根据一些可能实施例的光学开关的操作，其中图1A展示通过在薄膜上沉积超材料而制备的光学开关，图1B展示光学开关的可能实施方案且图1B展示输入及输出波形与光学开关的相互作用的时间曲线图；

图2示意性地说明根据一些可能实施例的光学开关；

图3示意性地说明根据一些可能实施例的光学调制器的可能实施方案；

图4A及4B示意性地说明利用回音廊模式(WGM)谐振器的光学波调制器，其中图4A展示利用环形谐振器的光学波调制器的可能实施方案，且图4B展示利用多个光学耦合WGM谐振器的光学波调制器的可能实施方案且演示促进WGM调制的串扰/信号组合所需的接近度；及

图5A到5C例示利用基于WGM谐振器的光学波调制器来组合不同频率的数据载波的数据通信系统。

具体实施方式

以下将参考在所有方面应被视为仅是说明性的且绝非以任何方式进行限制的附图描述本发明的一或多个特定实施例。为了提供这些实施例的简要描述，说明书中未描述实际实施方案的所有特征。附图中所说明的元件不一定按比例绘制或呈正确比例关系，但是这并不重要。代替地，将重点放在清楚地说明本发明的原理上使得所属领域的技术人员一旦理解其结构及操作原理，便能够制作及使用本文中所揭示的光学开关/调制器。在不脱离本文中所描述的本质特性的情况下，可以其它特定形式及实施例提供本发明。

这个文件描述经配置以在高频范围内、在太赫频率范围附近及内操作的光学开关及调制器装置。本文中所揭示的光学开关及调制器装置利用(若干)超材料，所述超材料经配置以可控地改变其光学性质且由此改变穿过光学地耦合到其的波传导媒体(例如，光纤芯)的电磁辐射的通过。在一些实施例中，这是通过在波传导媒体(例如光纤)的部分上沉积超材料以便光学地耦合在超材料与波传导媒体(芯)之间且允许超材料与穿过其的电磁辐射相互作用来实施。例如但不限于，在用于光纤中时，超材料可经施加在某个预定长度内，所述预定长度与沿光纤的少数波长(λ)(例如，至少4λ)一致，从而覆盖涵盖其整个圆周(360°)的其经定义角/弧截面。

在一些实施例中，光学开关及/或调制器装置在回音廊模式(WGM)光谐振器组件中组合，以通过施加到超材料的电/光学信号调制引入到光谐振器中的光。这可通过在WGM谐振器的部分上沉积超材料以便光学地耦合在超材料与谐振器的波传导媒体/芯之间且允许超材料与捕获在谐振器内的电磁辐射相互作用来实现。例如但不限于，如果WGM谐振器是一种类型的圆形/椭圆形或环形/圆环形谐振器，那么超材料可沿WGM谐振器施加在至少4个波长的某个预定义长度内，从而覆盖涵盖其整个圆周(360°)的其经定义角/弧截面。然而，应注意，在本申请案的实施例中可类似地使用不同形状的WGM谐振器，例如具有多边形横截面形状的3D球形、3D椭圆形或3D圆环形结构(如通过绕圆环形对称轴旋转多边形而以图形方式获得)。

任选地，但在一些实施例中是优选地，超材料由基于钒的材料的纳米颗粒制成，例如但不限于氧化钒(VO2)纳米颗粒。然而，应注意，在不脱离本申请案的范围及精神的情况下，其它可能超材料可类似地用于实施本文中所揭示的光学波开关及/或调制器装置。

本文中所揭示的光学波开关/调制器可经配置以介接在纳米网络与宏观网络(THz←→GHz)之间，且用于生化测定、生物医学测定、化学及分子生物学测定的检测。

为了概述本发明的若干实例特征、过程阶段及原理，附图中示意性地且以图表方式说明的光调制结构的实例由旨在与相干光(例如由半导体激光装置产生)一起使用的基于钒的材料制成。基于超材料的结构被展示为演示用于实施光学开关/调制器的数个特征、过程及原理的一个实例实施方案，但是其对于其它应用也是有用的且可以不同变型制成。因此，本描述将参考所展示实例进行，但是应理解，一旦从本文中所提供的描述、解释及附图理解原理，下文权利要求书中所列出的发明便也可以多种其它方式来实施。对于所属领域的一般技术人员来说显而易见的且在数据通信应用中有用的所有此类变型以及任何其它修改可适当地被采用，且旨在将落入本发明的范围内。

通过施加THz源进行的对由金纳米颗粒涂覆的基于钒的超材料纳米颗粒(例如VO2)的光学相变的研究尚不清楚是否可通过例如使用可控变化电场施加电子来获得这种光学相变。在太赫通信域中，装置应对电子及光子敏感且以尽可能低的能量及时间消耗来激活及恢复。发明人已发现，VO2的光学相变以电子很好地起作用(即，可通过施加电场来操作)，且从金纳米颗粒注入热电子还触发使用直接在裸露VO2纳米颗粒上施加激光所需的能量输入的五分之一到十分之一的变换(使用金纳米颗粒比在VO2纳米颗粒上施加直接激光效率高90％)。因此得出的结论是，可通过施加在RF、微波及太赫数据发射速率下操作的光及/或电子/电场源两者来接通及关断本文中所揭示的光学开关装置。

图1A示意性地说明在一些实施例中由薄膜实施的衬底3f形成的光学开关装置3。在这个非限制性实例中，开关装置3由以下者制成：纳米颗粒层3m，其具有约0.1到1纳米的厚度，光学地耦合到衬底3f的至少某个部分(例如，通过蒸镀)；及由金及/或类似(导电)纳米颗粒组成的纳米网3u，其具有约0.1到1纳米的厚度、(例如，通过蒸镀)施加在超材料层3m的至少某个部分上方。

超材料纳米颗粒3m的颗粒大小通常可在约1到20纳米、任选地约1到100纳米的范围内。金纳米网3u的颗粒大小通常可为约20到100纳米，且其孔3p的尺寸(大小)通常可为约0.1到1纳米。衬底3f可由光学透明材料制成，且在一些实施例中其由通过烧结(例如，陶瓷)提供透明性的(若干)材料制成且具有约0.1到1纳米的厚度的薄膜来实施。

在一些实施例中，超材料层3m由VO2纳米颗粒制成，所述VO2纳米颗粒可具有不同的各种形状。在一些可能实施例中，光学开关3的几何尺寸的直径为约几百纳米，任选地约100到500纳米，其显著地小于迄今可用的光学开关的几何尺寸。通过提供可改变数据存储、数据通信及电信技术的解决方案，用于太赫速率切换速度的这个较小大小的光学开关(例如基于氧化钒材料)可克服用于太赫高速切换的一些技术障碍。

图1B示意性地说明根据一些可能实施例的光学开关10的结构及操作。在这个非限制性实例中，超材料3m的薄层经沉积在薄衬底(未展示)上，且至少部分地被金纳米网(未展示)覆盖，所述金纳米网经配置以由信号源8生成的信号辐照。在一些实施例中，光学开关10包括由施加在超材料3m的至少某个部分或整个表面上方的平行金属线形成的光栅11，以增强表面非线性过程(例如，用于频率转换)。光栅11可通过机械或化学腐蚀制成。

金属光栅11之间的距离d可经配置以用于不同波长的相位匹配输入辐射10a以提供响应性相位匹配且相干的输出辐射10b。这个距离d通常被设置为远远小于输入辐射10a(例如，RF、微波或太赫)的波长，例如在一些实施例中d是约10微米，以由此保证输入辐射10a的所有输入波长穿过光学开关10以产生相干且相位匹配的输出辐射10b。

从信号源8施加到光学开关10的超材料3m的信号8r(电磁光/RF/微波辐射或电子/电场)引起热电子从纳米网的金颗粒释放到超材料层3m中，从而引起超材料3m在小于皮秒的时间间隔内从不透明相变成透明相。超材料层3m的相变可用于调制引导到装置10的一侧上的输入电磁辐射10a，以在装置10的另一侧上产生电磁辐射的相移输出10b。

信号源8可例如使用光电混频器或倍频器物理地连接到光学开关10，或可由使用接近端口来施加输入电磁辐射10a的信号源来实施，例如光电混频器或倍频器(即，在不物理地接触开关装置10的情况下)，其能够生成太赫频率范围(例如，≥400Gb/s且高达40THz附近及/或中)的脉冲信号。图1C以图形方式说明在输入电磁辐射10a与从光学开关10输出的电磁辐射10b之间获得的相移，其紧密拟合由虚线曲线图10c所展示的计算。

图2示意性地说明根据一些可能实施例的光学开关7。光学开关7包括：波传导衬底7t，其经配置以使由EMR源9(例如，激光生成器)生成的电磁辐射(EMR)9d沿其传递；超材料纳米颗粒层7u，其光学地耦合到透射衬底7t的至少某个部分；及纳米网层7v，其经施加在超材料层7u的至少某个部分上方。波传导衬底7t可经配置以例如使用合适光学透射材料及/或包层(未展示)使EMR 9d通过全内反射(TIR)沿其长度通过。

由信号源8生成且施加到纳米网层7v的调制(EMR光、RF、微波、太赫或电)信号8r用于使超材料层7u在其光学不透明相与透明相之间切换，且对应地影响波传导衬底7t在光反射状态与非反射(或部分反射)状态之间的内部反射性质，由此根据经施加调制信号8r调制输入EMR 9d。

在一些实施例中，电磁辐射源及/或调制信号源8利用第WO 2007/132459号国际公开案及/或相同申请人的第9,964,442号美国专利申请案中所描述及说明的技术及/或实现方案，所述申请案的揭示内容以引用方式并入本文中。可通过最先进检测器(例如但不限于无源或有源检测器)检测由本文中所揭示的装置产生的经调制EMR。

在一些实施例中，经配置以可控地引起负折射的超材料用于调制电磁辐射。例如，在可能实施例中，超材料光学地耦合到光纤或光学谐振器的透射芯的某个部分，借此穿过其的光的相位通过将调制信号(8r)施加到施加在超材料的至少某个部分上方的金纳米网而偏移。此类光学开关/调制器的目标包含高调制效率、低功率调制信号(8r)(例如电压)、低插入损耗、高开/关速率、具有“弹性”波长的大型调制、可忽略或可控频率啁啾及长寿命。

图3示意性地说明根据一些可能实施例的光学调制装置17。调制装置17包括：输入波线22a，其经配置以将输入EMR 9d(输入A)引入到调制器17中；光学分裂器22p，其经配置以将输入EMR 9d分别分裂成第一波线22f及第二波线22s；光学调制器30，其光学地耦合到第二波线22s；及光学组合器22c，其经配置以将沿第一波线22f及第二波线22s行进的EMR组合成输出波线22b(输出C)。光学调制器30经配置以响应于从信号源8接收的调制信号(输入b)而可控地改变穿过第二波线22s的EMR，且响应性地将相移引入到EMR。以这种方式，响应于来自信号源8的调制信号，来自第一波线及第二波线的EMR通过光学组合器22c相长地或相消地组合，由此光学地调制输入EMR 9d。可利用上文中及下文中所描述的任何光学开关/调制器实施光学调制器30。

图4A示意性地说明利用环形WGM谐振器28的光学调制器20。环形谐振器28光学地耦合到：输入波线22a，其经配置以将输入EMR引入到谐振器28中；及输出波线22b，其经配置以从谐振器28接收由谐振器28调制的输出EMR。环形谐振器28包括光学地耦合到其光学透射芯的至少某个区段的超材料组合件23。超材料组合件23可经耦合到绕谐振器28c的中心/对称轴定义(由角度α定义)及/或绕其圆轴28r定义(由角度β定义)的经定义角/弧区段。任选地，超材料组合件23光学地耦合到环形谐振器28的整个横向圆周(α＝360°)。任选地，超材料组合件23光学地耦合到环形谐振器28的整个截面圆周(β＝360°)。

超材料组合件23包括：超材料(例如，VO2)纳米颗粒层23v，其经施加在环形谐振器28的芯材料的壁区段的至少某个部分上(或整个上方)；及金纳米网23u，其经施加在超材料纳米颗粒层23v的至少某个部分上方。纳米网23u经配置以从信号源8接收调制(电磁及/或电)信号，且响应性地使超材料纳米颗粒层23v在其光学透射状态与光学非透射状态之间改变以调制由输入波线22a引入到其中的EMR。

图4B示意性地说明利用多个光学耦合WGM谐振器41、42、43及44的光学调制器装置40，其经配置以桥接不同频率(例如，光及/或太赫信号)的两个输入EMR数据载波F1与F2之间的波长间隙。调制器40包括相应输入波线45及46，输入波线45及46经配置以例如通过接近(即，光学耦合)而不物理地接触WGM谐振器41来分别将EMR载波F1及F2引入到主/调制WGM谐振器41中。在一些实施例中，WGM谐振器41由电介质材料制成，所述电介质材料的内壁被超材料组合件23覆盖，即，包括被导电纳米网(例如，由金制成)覆盖的超材料纳米颗粒(例如，VO2)层。

主WGM谐振器41经配置以捕获沿输入线45及46传播的经调制EMR载波F1及F2，随着经调制EMR载波F1及F2沿被超材料组合件23覆盖的WGM谐振器41的内壁谐振使其频率彼此耦合，且通过光学地耦合到主WGM谐振器41的输出线47输出EMR辐射。因此，沿输出波线47传播的输出EMR组合经调制EMR载波以提供输出EMR F1+F2。在一些实施例中，这是通过经配置以促进非线性过程的光栅来实现，所述非线性过程通过随机表面电荷及表面上的可能平衡局部状态产生EMR合并效应。以这种方式，促进基本上不同波长的EMR之间的串扰/组合(例如，RF及太赫)。可将光栅(例如，金属光栅—未展示)施加在超材料组合件上方，如图1B中所演示。

辅助WGM谐振器42、43及44可由电介质材料制成，所述电介质材料的内壁被超材料组合件23覆盖。辅助WGM谐振器42、43及44光学地耦合到主WGM谐振器(通过接近)，但是其几何尺寸经配置以使捕获在主/调制WGM谐振器41内的经组合EMR按预定义方式成形，以引入待用于在接收器处(未展示)例如通过将(无信息)图案添加到载波的频谱变动及其用来防止通信中的错误的经调制信息来解调经组合信号的辐射图案，所述接收器接收沿输出波线47传播的输出EMR。

以这种方式，可将具有不同频率(例如，RF、微波及/或太赫)的多个EMR载波光学地组合成单个EMR载波且朝向接收器发射。尽管这个非限制性实例中所展示的WGM谐振器41、42、43及44是椭圆，但是可类似地使用其它配置及形状。主椭圆WGM谐振器41的尺寸通常可为约10到150微米，且辅助椭圆WGM谐振器42、43及44的尺寸通常可小于主/调制椭圆41以防止调制。

图5A示意性地说明利用光学调制器17'的光学数据通信系统33，光学调制器17'经配置以接收两个调制信号且将其组合到EMR载波(在这个特定且非限制性的实例中是太赫载波THz1、THz2、…)上。光学调制器17'可通过图3A中所展示的光学调制器装置(17)的布置或通过图4A及/或4B的基于WGM谐振器的调制器的实施方案来实施，其经修改以光学地调制具有不同波长的多个EMR波THz1、THz2、…。

在这个实例中，经修改的光学调制器装置17'在波线22f及22s中的每一者中包括光学调制单元30，以通过两个相应调制信号光学地调制引入到每一光学调制器装置17'中的EMR，以执行分支调制，使得每一分支通过其相应光学调制单元30实施单独数据信道。系统33包括第一组39光学调制器装置17'，每一光学调制器装置17'经配置以接收EMR载波THz1、THz2并使用来自应答器26的两个调制信号通过使相应EMR载波THz1、THz2、…相移来调制EMR载波THz1、THz2。应答器26经配置以为第一组光学调制器装置39中的每一光学调制器装置17'生成两个调制信号。

第二组光学调制器装置38经配置以调制从光源(例如，激光源)穿过波线36x的EMR。第二组光学调制器装置38中的每一光学调制器装置17'经配置以接收由第一组光学调制器装置39的光学调制器装置17'产生的两个相应调制光学信号，以调制波线36x中的EMR。由第二组光学调制器装置38生成的经调制EMR(也被称为复信号)可由天线发射器单元36发出，天线发射器单元36经配置以通过空中接口发出复信号。调谐单元37任选地用于有效香农相关性以使经调制信号适应EMR载波的带宽。

图5B示意性地说明光学数据通信系统35，其包括经配置以混合不同频率的两个THz信号的多个光学调制器芯片单元50，每一光学调制器芯片单元50经配置以接收由聚焦棱镜引导且由偏移棱镜分裂以产生多个信道的输入EMR 51(例如，来自光/激光源)的相应特定频带，及来自组合器单元39的输入EMR 52(例如，来自光源/激光源)以进行信号积分，且将其调制到相应太赫波THz1、THz2、…上。光学调制器芯片单元50可由图4B中所展示的WGM谐振器40来实施，WGM谐振器40经配置以耦合来自两个EMR数据载波的EMR且生成组合两个数据载波的相应太赫输出EMR，如上文所解释。

图5C示意性地说明又一光学数据通信系统34，其中相应光学调制器装置17'光学地耦合到图5B所展示的系统35的每一光学调制器芯片单元50。在这个非限制性实例中，利用光学调制器装置17'来将RF信号组合到输入EMR 51上，接着通过相应光学调制器芯片单元50组合输入EMR 51与来自组合器39的EMR输入载波52，以生成相应THz信道。

如上文中及下文中所演示，本申请案的光学调制/开关装置引入可根据其信号的物理性质操作的调制技术，且可采用光学调制器/开关的实施例来促进如此广泛地分离(即，在RF及太赫频带中)的波长之间的串扰/组合。

光学RF及/或THz仅是一种包含各种新颖装置的类别。在一些实施例中，利用回音廊模式(WGM)光学及THz谐振器来调制输入EMR。理解这些装置的制造及使用方式对于明白其性能及限制很重要。因此，说明书的这个部分将介绍此类别的谐振器传感器(发射器及接收器)且描述这些装置通常可如何用于THz数据通信，且尤其是用于数据中心中作为快速通信的可行解决方案。

WGM光学谐振器展现可调谐性及窄谐振线宽，且获得最初导致其在电信的一些实施例中用作调制器设备的非凡光学性质强度。此后其已发展成用于探测非线性光学现象及量子电动力学原理的有价值工具。在一些可能实施例中，利用WGM光谐振器来实施光学通信调制器，如下文将描述。这些实施例可用于但不限于通信生化测定、生物医学测定、化学及分子生物学测定，因为可利用其在这些领域中的极端敏感性来开发分析及诊断仪器。

WGM谐振器的名称源自谐振光在腔体内循环时所经过的路径。这个路径与声波沿瑞利勋爵(Lord Rayleigh)研究的圆形房间的弯曲壁所经过的路径类似。在这些回音廊中，在房间的相对侧面对墙壁站立的两个人即使在窃窃私语的情况下也能听到彼此的声音。如果这些人向后退到房间中央，那么这些人将不能够听到彼此的声音。这个效应是由光滑、弯曲壁以高效率围绕房间的外围引导声波所引起。沿任何其它路径传播到收听者的声波沿路线消散或散射。

WGM光谐振器是能够将光捕获在与在回音廊中从一个人传播到另一人的声波所经过的路径类似的围绕外围的路径中的电介质结构。尽管迈尔(Mie)及德拜(Debye)在瑞利勋爵的工作之前已描述了电介质球的谐振本征频率，但是直到很晚所述名称才应用于这种类型的光学谐振器。

可在数据中心中利用本文中所揭示的光学开关/调制器的实施例来提供现代数据网络(例如，云端中管理的应用及数据存储库)所需的可伸缩性且自适应的联网。确定数据中心的能量效率的常用指标是功率使用效率或PUE。这个简单比率是进入数据中心的总功率除以由IT设备使用的功率。

总设施功率由IT设备使用的功率加上不被视为计算或数据通信装置的任何事物(即，冷却、照明等)消耗的任何开销功率组成。对于零开销功率的假设情况，理想PUE值是1.0。美国的平均数据中心具有2.0的PUE，这意味着设施针对输送到IT设备的每瓦特使用两瓦特的总功率(开销+IT设备)。最先进数据中心能量效率被估计为大约1.2。一些大型数据中心运营商(如微软(Microsoft)及雅虎(Yahoo！))已发布针对开发中的设施的PUE规划；谷歌(Google)从操作中的数据中心发布季度实际效率性能。

能量效率是本文中所揭示的一些实施例的关键特征。美国环境保护署具有针对独立或大型数据中心的能量之星评级。为了获得生态标签的资格，数据中心必须位于所有报告设施的能量效率的前四分之一内。欧盟也具有类似举措，被称为“欧盟数据中心行为准则”。

通常，遏制数据中心中的能量使用的第一步是了解数据中心如何使用能量。存在多种类型的分析以测量数据中心的能量使用。经测量方面不仅包含由IT设备本身使用的能量，而且包含由数据中心设施设备(例如冷却器及风扇)使用的能量。

功率是数据中心用户的最大续生成本。功率及冷却分析(也被称为热评估)测量特定区域中的相对温度以及冷却系统处置特定环境温度的能力。功率及冷却分析可帮助识别热点、可处置更大功率使用密度的过冷区域、设备加载的断点、高架地板策略的有效性及最优设备定位(例如AC单元)以平衡跨数据中心的温度。功率冷却密度是中心在最大容量下可冷却多少平方英尺的测度。

能量效率分析测量数据中心IT及设施设备的能量使用。典型能量效率分析根据行业标准测量例如数据中心的功率使用效率(PUE)等的因素，识别低效的机械源头及电源头，且识别空气管理指标。

为了探索本文中所揭示的光学开关/调制器用于THz数据速率数据通信的可能性，可利用多跳通信设计如本文中所揭示的数据通信系统，其中网络内的节点能够借助于两个或两个以上其它节点进行通信，所述节点充当使用无源中继及有源中继的源节点与目的地节点THz通信之间的中继节点。在THz频带频率下在发射器与接收器之间使用中间中继器有若干益处。如在任何无线通信系统中，通过在发射器与接收器之间具有多个中间跳跃，可降低发射功率及因此能量消耗。另外，由于可用带宽的独特距离相关行为，传输距离的减小导致更宽频带的可用性，且因此导致在高得多位速率下传输。这些可再次有助于大量能量节省。

如上文中所指示，本文中所揭示的实施例可用于开发经配置以基于电荷耦合对规则电导率操作的新型快速光学导体。

新兴的可穿戴纳米传感器网络在生物医学及环境领域中实现一系列有价值的应用。同时，通信技术的当前状态显著地限制未来纳米机的处理能力。因此，这暗示需要对宏观装置执行经收集数据的所有分析。因此，为了有效地实现期待已久的纳米网络的应用，需要将其无缝集成到现有网络基础架构中，从而引出纳米物联网的概念。在本申请案的实施例中，已预先初步地研究已部署的宏观网络与新兴的纳米网络之间的互操作性。

然而，由于现存宏观无线网络主要使用基于载波的电磁通信，而纳米机必须依赖于基于超低功率脉冲的EM辐射或固有地移动物体作为信息载体，因此这个问题的解决方案并不简单。因此，宏观网络与纳米网络之间的直接相互作用目前尚不可行，从而迫使使用特殊网关节点。此外，必须迅速地改善用于纳米通信的现代解决方案以实现在现存链路级技术的基础上构建大规模网络。为实现这个目标，需要解决众多理论问题，从恰当调制及编码技术的设计到噪声及干扰效应的减轻。本文中所揭示的实施例还提供用于所属领域的网关。

应注意，组合基于超材料的开关/调制器(例如，使用VO2颗粒来在PS时间范围内在超材料的不透明状态与透明状态之间转换)与WGM谐振器(例如，PANDA谐振环)，可提供快速光学数据通信实施方案，且为生物、化学、材料科学、纳米网络等领域中的应用频谱定制天线。

如上文中所描述且在相关联附图中所展示，本申请案提供用于太赫数据通信速率的光学开关及调制器以及其制造方法。虽然已描述本发明的特定实施例，但是将理解，本发明不限于此，因为所属领域的技术人员可特定地鉴于前述教示进行修改。如所属领域的技术人员将明白，可以都不超出权利要求书的范围的各种方式(采用来自上文所描述的技术的一种以上技术)实行本发明。

Claims

1.一种可用于太赫数据通信速率的光学开关装置，所述装置包括：光学透射衬底，其经配置以使电磁辐射传播通过；及超材料布置，其光学地耦合到所述衬底，所述超材料布置包括光学地耦合到所述光学透射衬底的至少某个部分的至少一个超材料颗粒层及由放置在所述至少一个超材料层的至少某个部分上方的至少一种导电材料制成的至少一个纳米网层，所述至少一个纳米网层经配置以响应于施加到所述超材料布置的电磁或电信号而将电子释放到所述至少一个超材料层中，且所述至少一个超材料层经配置以在接收所述经释放电子之后从光学不透明状态变成光学透明状态，以由此至少部分地改变穿过所述衬底的电磁辐射。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述光学透射衬底是光纤的至少某个部分。

3.根据权利要求1所述的装置，其中所述光学透射衬底是光学WMG谐振器的至少某个部分。

4.根据权利要求3所述的装置，其中所述WMG谐振器是一种类型的PANDA谐振器。

5.根据权利要求1所述的装置，其中所述光学透射衬底是薄膜。

6.根据权利要求5所述的装置，其中所述衬底具有约0.1到1纳米的厚度。

7.根据前述权利要求中任一权利要求所述的装置，其中所述至少一个超材料层包括氧化钒。

8.根据前述权利要求中任一权利要求所述的装置，其中所述至少一个超材料层经配置以在接收所述经释放电子之后展现负折射。

9.根据前述权利要求中任一权利要求所述的装置，其包括金属光栅，所述金属光栅经形成在所述超材料布置上。

10.根据前述权利要求中任一权利要求所述的装置，其中所述至少一个超材料颗粒层的厚度是约0.1到1纳米。

11.根据前述权利要求中任一权利要求所述的装置，其中所述至少一个超材料颗粒层的颗粒大小是约1到100纳米。

12.根据前述权利要求中任一权利要求所述的装置，其中所述至少一个纳米网层包括金。

13.根据前述权利要求中任一权利要求所述的装置，其中所述至少一个纳米网层的厚度是约0.1到1纳米。

14.根据前述权利要求中任一权利要求所述的装置，其中所述至少一个纳米网层的颗粒大小是约20到100纳米。

15.根据前述权利要求中任一权利要求所述的装置，其中所述至少一个纳米网层的孔尺寸是约0.1到1纳米。

16.根据前述权利要求中任一权利要求所述的装置，其具有约100到500纳米的几何尺寸。

17.根据前述权利要求中任一权利要求所述的装置，其中施加到所述超材料布置的所述电磁或电信号在RF、微波或太赫频带中。

18.根据权利要求17所述的装置，其中施加到所述超材料布置的所述电磁或电信号在100MHz到40THz的范围内。

19.一种可用于太赫数据通信速率的光学调制器，所述调制器包括：根据权利要求1到18中任一权利要求所述的光学开关装置；输入波线，其经配置以将输入电磁辐射引入到所述光学开关装置中；及输出波线，其经配置以传送至少部分地由所述光学开关装置改变的输出电磁辐射。

20.一种可用于太赫数据通信速率的光学调制器组合件，所述调制器包括：输入波线，其经配置以将输入电磁辐射引入到所述光学调制器组合件中；光学分裂器，其经配置以从所述输入波线接收所述输入电磁辐射；第一波线及第二波线，其光学地耦合到所述光学分裂器以从所述输入波线接收由所述光学分裂器分裂的所述电磁辐射中的部分；根据权利要求2所述的至少一个光学开关装置，其光学地耦合到所述第一波线及所述第二波线中的至少一者的相应芯；及光学组合器，其光学地耦合到所述第一波线及所述第二波线以组合在所述第一波线及所述第二波线中从所述光学分裂器接收且至少部分地由所述至少一个光学开关装置改变的电磁辐射。

21.根据权利要求20所述的光学调制器，其包括输出波线，所述输出波线经配置以接收由所述光学组合器组合的所述电磁辐射。

22.根据权利要求20及21中任一权利要求所述的光学调制器，其包括第一光学开关装置及第二光学开关装置，所述第一光学开关装置及所述第二光学开关装置分别耦合到所述第一波线及所述第二波线的芯。

23.根据权利要求20到22中任一权利要求所述的调制器，其中所述至少一个超材料层包括氧化钒。

24.根据权利要求20到23中任一权利要求所述的调制器，其中所述至少一个超材料层经配置以在接收所述经释放电子之后展现负折射。

25.根据权利要求20到24中任一权利要求所述的调制器，其包括金属光栅，所述金属光栅经形成在所述超材料布置上。

26.根据权利要求20到25所述的调制器，其中所述至少一个超材料颗粒层的厚度是约0.1到1纳米。

27.根据权利要求20到26中任一权利要求所述的调制器，其中所述至少一个超材料颗粒层的颗粒大小是约1到100纳米。

28.根据权利要求20到27中任一权利要求所述的调制器，其中所述至少金属网包括金。

29.根据权利要求20到28中任一权利要求所述的调制器，其中所述至少一个纳米网层的厚度是约0.1到1纳米。

30.根据权利要求20到29中任一权利要求所述的调制器，其中所述至少一个纳米网层的颗粒大小是约20到100纳米。

31.根据权利要求20到30中任一权利要求所述的调制器，其中所述至少一个纳米网层的孔尺寸是约0.1到1纳米。

32.根据权利要求20到31中任一权利要求所述的调制器，其具有约100到500纳米的几何尺寸。

33.根据前述权利要求中任一权利要求所述的调制器，其中施加到所述超材料布置的电磁或电信号在RF、微波或太赫频带中。

34.根据权利要求17所述的调制器，其中施加到所述超材料布置的电磁或电信号在100MHz到40THz的范围内。

35.一种用于组合两个或两个以上电磁数据载波的光学组合器装置，所述组合器装置包括：至少一个WGM谐振器，其在其内壁区段上方具有超材料组合件涂层；至少两个输入波线，其光学地耦合到所述至少一个WGM谐振器以将相应至少两个电磁数据载波引入到所述至少一个WGM谐振器中；及至少一个输出波线，其光学地耦合到所述至少一个WGM谐振器以输出捕获在所述至少一个WGM谐振器内的电磁辐射且至少部分地合并所述至少两个电磁波数据载波。

36.根据权利要求35所述的光学组合器，其中所述超材料组合件包括氧化钒。

37.根据权利要求35及36中任一权利要求所述的光学组合器，其中所述超材料组合件包括金。

38.根据权利要求35到37中任一权利要求所述的光学组合器，其包括至少一个辅助WGM谐振器，所述至少一个辅助WGM谐振器在内壁上方具有所述超材料组合件涂层且光学地耦合到所述至少一个WGM谐振器，所述至少一个辅助WGM谐振器经配置以使捕获在所述至少一个WGM谐振器内的所述电磁辐射以预定方式成形。

39.根据权利要求35到38中任一权利要求所述的光学组合器，其包括光栅，所述光栅经形成在所述至少一个WGM谐振器的所述超材料组合件上。

40.根据权利要求38及39中任一权利要求所述的光学组合器，其中所述WGM谐振器中的至少一者是椭圆形谐振器。