CN112639557B - 光子波导 - Google Patents
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Abstract
本文描述的实施例提供了一种用于传输电磁辐射的波导。该波导包括：线芯区域；围绕该线芯区域延伸的包层区域；以及材料的第一层，所述第一层的厚度小于该材料的针对第一波长的电磁辐射的趋肤深度；其中，该第一层被配置为具有周期性折射率并且位于波导内，使得当第一波长的电磁辐射传输通过线芯区域时，在线芯区域和包层区域之间的界面处激发第一表面极化波。还提供了一种波导的制造方法。
Description
技术领域
本文描述的实施例涉及一种光子波导及其制造方法。具体地，描述了一种光子波导，其中，在波导的线芯区域和包层区域之间的界面处激发表面极化波，以避免对光子波导的包层材料的损耗。
背景技术
通常，除非明确给出和/或从上下文中暗示不同的含义，否则本文中使用的所有术语将根据其在相关技术领域中的普通含义来解释。除非另有明确说明，否则对“一/一个/元件、设备、组件、装置、步骤等”的所有引用应被开放地解释为指代元件、设备、组件、装置、步骤等中的至少一个实例。除非必须明确地将一个步骤描述为在另一个步骤之后或之前和/或隐含地一个步骤必须在另一个步骤之后或之前，否则本文所公开的任何方法的步骤不必以所公开的确切顺序执行。在适当的情况下，本文公开的任何实施例的任何特征可以应用于任何其他实施例。同样地，任何实施例的任何优点可以适用于任何其他实施例，反之亦然。通过下文的描述，所附实施例的其他目的、特征和优点将显而易见。
在光电子学中，可能需要开发能够确保电磁波信号在光子波导中的清晰传输，并减少任何可预测或不可预测的损耗以及光模式散射的技术。光子电路越小且越复杂，就越难确保将光限制在光子波导内并控制损耗和不想要的光散射。
还可能需要执行可靠的光约束，同时限制约束机构对光子波导中的信号传输的操作性能的影响。该方面对于波导中的光传播、与位于光缆的光纤末端处的光子连接器耦合的光，以及对于当前光子光收发器、开关或任何其他光子器件中限定的光子集成电路是有效的。
因此，通过使用不同的材料(例如，透明金属或半金属材料)，将新的光子电路设计为具有更高的光传播性能，以确保与用于产生光纤的工业过程或基于互补金属氧化物半导体(CMOS)的光子电路制造兼容。一些解决方案基于使用备选波导或光纤设计。
然而，这些解决方案中的大多数旨在简化光子器件或技术的结构，以降低成本和功率泄漏，同时确保传输可靠性。在光学中，电磁波的传播和与允许的传播模式的耦合是通过适当的光子设计实现的，以实现约束光同时避免泄漏的专用光路。
特别地，由于在不影响系统结构和/或降低系统性能的情况下物理尺寸的兼容性或缺乏适当的折射率阶跃变化，光学电路的一些配置可能不允许有效的光约束。不幸的是，当前的方法引入了不想要的光学损耗(例如，由于光束从波导或光纤中散射出来)，从而产生了对光学功率供应链的需求，以允许仍在系统中传播的电磁波从不想要的泄漏中恢复。利用现有技术，功率恢复器件(例如，光学放大器或光学透镜)的数量越多，所设计的光学电路的复杂性越高，则整个系统的可靠性和性能就越低。
上述观察结果表明，对放大器进行优化，以沿光路从所有插入损耗中产生最佳放大的光增益。一种备选方法是通过增强光学模式耦合和约束来减少所有光学功率泄漏源，并沿光路引入固有增益。这里使用术语“固有”来定义通过所用材料的性质和光路本身的设计类型而获得的增益解决方案，其中，固有增益主要是在环境中感兴趣的波长范围内实现的。
这种固有增益解决方案的一些示例是基于谐振结构的解决方案，其中使用了增益介质和特定的谐振腔。这些示例中的问题可能是放大的自发发射的产生，这可能会限制级联若干个放大阶段所引起的光学信噪比(OSNR)的下降。可能需要限制这种下降或避免任何放大的自发发射的源，以便改善通信系统的系统裕度，以使它们受取决于OSNR下降的依赖影响较小。
然而，光学波导也可以被优化以与高功率电磁波一起工作，并引入最低可能的损耗或泄漏，同时仍占据系统内的小区域。真正起作用的波导将被设计为具有非常小的占位面积，而无需供应链、偏置电路或阻抗适应。鉴于此，对集成系统的影响和扰动将可能降至最低。
发明内容
根据一些实施例，提供了一种用于传输电磁辐射的波导。该波导包括：线芯区域；围绕该线芯区域延伸的包层区域；以及材料的第一层，其厚度小于所述材料的针对第一波长的电磁辐射的趋肤深度；其中，该第一层被配置为具有周期性折射率并且位于波导内，使得当第一波长的电磁辐射传输通过线芯区域时，在线芯区域和包层区域之间的界面处激发第一表面极化波。
根据一些实施例，提供了一种波导的制造方法。该方法包括：提供材料的第一层，其厚度小于该材料的针对波导中的第一波长的电磁辐射的趋肤深度，其中，该第一层位于波导内并被配置为具有周期性折射率，使得当第一波长的电磁辐射传输通过线芯区域时，在波导的线芯区域和波导的包层区域之间的界面处激发第一表面极化波。
附图说明
为了更好地理解本发明，并且为了示出可以如何实现本发明，现在将仅通过示例的方式来参考附图，在附图中：
图1示出了根据一些实施例的波导的示例；
图2示出了被接触界面分开的具有各自的折射率ε1和ε2的两个区域；
图3示出了通过对石墨烯层进行静电掺杂而实现的pn结；
图4示出了根据一些实施例的波导的示例；
图5示出了图1所示的波导的俯视截面图；
图6示出了耗尽区域中石墨烯的电导率的实部；
图7示出了孤立石墨烯的动态电导率及其对费米能量(Fermi Energy)和电磁辐射频率两者的依赖性；
图8a和图8b示出了在周期amod上由如图3所示配置的石墨烯第一层提供的放大率；
图9示出了根据一些实施例的示例波导；
图10示出了根据一些实施例的波导的制造方法。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述本文中设想的一些实施例。然而，其他实施例包含在本文所公开的主题的范围内，所公开的主题不应被解释为仅限于本文所阐述的实施例；相反，这些实施例是通过示例方式提供的，以向本领域技术人员传达该主题的范围。
图1示出了根据一些实施例的波导100的示例。波导100包括线芯区域102和包层区域104。当电磁辐射沿波导100的线芯区域102向下传输时，线芯区域102和包层区域104各自的折射率将电磁辐射约束在线芯区域102内。在一些方面，电磁辐射是光，并且波导是光学波导。波导100还包括材料的第一层106，第一层106的厚度小于所述材料的针对第一波长的电磁辐射的趋肤深度。在该示例中，第一层106位于线芯区域102和包层区域104之间的界面处。例如，第一层106可以包括石墨烯层或其他超颖材料。通过保持第一层106的厚度低于材料的趋肤深度，在波导中传播的场的穿透长度基本保持不变，并且线芯/包层界面处的边界条件可以分别由线芯区域102和包层区域104材料的块体性质(折射率)给出。
二维材料(如石墨烯)的厚度明显低于块体材料的所谓“趋肤深度”，即金属中电场的典型穿透深度，该深度可以比单个原子的尺寸高几个数量级。在一些方面，二维材料可以被认为是其尺寸之一与其其他两个尺寸相比非常小的材料，这种材料与其较大的尺寸相比在小的尺寸上具有不同的物理性质。第一层106(例如，石墨烯)可以作为包括趋肤深度的定义的替代或附加而被定义为二维材料。
然后，第一层106可以位于波导内并且被配置为具有周期性折射率，使得当第一波长的电磁辐射传输通过线芯区域102时，在线芯区域102和包层区域104之间的界面处激发第一表面极化波。应当理解的是，第一表面极化波可以在一定小的程度上穿透线芯区域和包层区域。
因此，第一层的定位可以使得第一层足够靠近线芯区域102和包层区域104之间的界面，从而可以高效地激发表面极化波。例如，第一层可以位于波导的包层中或线芯中。在一些示例中，第一层可以被认为与线芯和包层的界面相邻(或位于线芯和包层的界面处)。例如，材料的第一层可以位于表面极化波的趋肤深度内，该表面极化波由来自线芯区域的电磁辐射从线芯区域和包层区域之间的界面产生。
因此，代替通过将电磁辐射散射到波导的包层区域104中而发生的损耗，可以在线芯区域102和包层区域104之间的界面处激发表面极化波。然后可以保留而不是损耗该表面极化波的能量。
然而，为了当第一波长的电磁辐射传输通过线芯区域102时激发第一表面极化波，第一表面极化波的动量ks，1′与通过线芯区域102传播的电磁辐射的动量相匹配。
例如，如图2所示，具有各自的折射率ε1和ε2的两个区域202和204由接触界面206分开，并且磁场平行于接触界面206。应当注意的是，在该示例中，相对于表面波传播的界面来定义极化。这不同于波导中极化的一般定义，其中，极化总是相对于与衬底的最大表面(水平)平行的表面(例如，绝缘体衬底上的硅)来定义。这意味着，在设计用于跨电(TE)模式的波导中，表面极化波可以传播的界面是侧壁，而在设计用于跨磁(TM)的波导中，表面极化波可以传播的界面是顶表面和底表面。
垂直于接触界面206的方向上的电场可以由以下等式给出：
其中，H(x)是赫维赛德(Heaviside)阶跃函数，kz＝2π/λ是平行于界面的电磁辐射的波矢，ω是波的角频率，t是时间，q(i＝1；2)分别是两个区域202和204中的消逝长度(在该符号中，k和q均为实数值)。
应用麦克斯韦(Maxwell)方程，我们得到
用于x和z方向上两种材料中的电场。在接触界面附近或接触界面处没有第一层的情况下，通过沿表面施加电场的连续性，可以找到匹配关系E1z＝E2z。
然而，当第一层206(例如，石墨烯)存在于两个区域202和204之间的界面附近或界面处时，谐振条件被修改为包括通过其动态电导率表示的表面电流石墨烯的影响。
其中，∈1和∈2是介质的相对介电常数，并且σ是石墨烯的动态电导率。
例如，对于硅光子波导，其中，线芯区域包括折射率为n1＝3.5的硅，并且包层区域包括折射率为n2＝1.2的二氧化硅，其中，介电常数由
给出。
因此，等式(B)可以给出接触界面206处石墨烯中表面极化波的谐振条件。例如，对于σ＝0，n1＝3.5并且n2＝1.2，谐振条件会在
的石墨烯层中产生表面极化波的预测波矢，其中，ks是以上等式(B1)的解的值k。
然而，如上所述，为了有效地激发表面极化波，线芯区域中的电磁波的动量必须与要被激发的表面极化波的动量相匹配。还可能需要表面极化波的频率ω以与电磁波的频率相匹配。
换句话说，可能需要所激发的表面波的动量等于线芯区域中电磁波的动量，其中，线芯区域中电磁波的动量可以通过以下等式计算：
因此，对于以上示例，其中，n1＝3.5，
在其当前配置中，在没有周期性折射率的情况下，线芯区域102和包层区域104之间的界面处的表面波将不与线芯区域102中的电磁辐射的动量相匹配，并且因此将不被激发。因此，可以将附加动量添加到表面极化波中。
在一些示例中，可以通过沿第一层添加周期性折射率变化来提供该附加动量。
周期性折射率可以提供与布拉格(Bragg)光栅相似的效果，并且可以将表面极化波的动量增加到
其中，amod是折射率的调制周期，m是整数值，ω是通过线芯区域传播的辐射的频率，并且λ是在线芯区域传播的辐射的波长。由于可以基于形成波导的材料的性质，如上关于等式(B1)和等式(B2)所描述那样计算kc和ks，1的值，可以根据等式(C)计算折射率的调制周期的适当值amod，其中，ω是在波导线芯中传播的辐射的频率(在电信中，这些是由ITU网格给出的，例如，191.15至196.10THz的C频段)，并且λ是在波导线芯中传播的辐射的波长。因此，可以使用以上特征和原理来计算周期性折射率的周期amod。
可以以多种不同方式(例如，化学或静电局部掺杂)获得周期性折射率，以在第一层中产生局部pn结。
在图1示出的示例中，使用周期性载流子密度变化来引入第一层106中的周期性折射率。具体地，在该示例中，波导包括第一电触点集108，其被定位为对第一层106进行局部静电掺杂，以在第一层106中产生周期性不规则折射率。可以将电压施加到第一电触点集108以对第一层106进行静电掺杂，例如，该电压可以低于1.5伏。第一电触点集108可以包括标准金属触点(例如，钨、钛、钯、金或甚至铜)。
因此，在该示例中，第一电触点集108可以被定位为使得amod，1＝d1+2l1，其中，d1是第一电触点集中的两个相邻触点之间的距离，并且l1是第一电触点集中的触点的宽度。
以此方式，通过在两个相邻电触点之间施加电压，电触点可以引入周期性载流子密度变化，如图3所示。图3示出了通过对石墨烯层进行静电掺杂而实现的pn结。
应当理解的是，两个相邻电触点(例如，电触点301和电触点302)被相反地偏置。由第一电触点集108产生的电触点光栅的每个部分与位于传播光的能量接近零的波导中的那些部分中的直接物理触点相关。
可以看出，在带负电的触点301的位置处，产生pn结的n区域。等效地，在带正电的触点302的位置处，产生pn结的p区域。
负和正相邻触点沿第一层106的这种重复布置可以提供如等式(C)中所描述的周期性折射率调制。
当折射率沿第一层106的周期性被破坏时，由于第一表面极化的动量将不再与第一层106的谐振动量相匹配，表面极化波将不再传播。在这些情况下，由于线芯区域102和包层区域104的边界条件，表面极化波中包含的能量在线芯区域102中被传递回具有相同动量的电磁波中。
以此方式，原本可能由于散射效应而损失到包层区域104中的能量可以被转换成表面极化波，然后作为具有相同动量的电磁波返回到线芯区域102。
线芯区域102中的电磁波与在线芯区域102和包层区域104之间的界面处激发的表面极化波之间的耦合可以是矢量的。换句话说，动量的匹配可以涉及电磁波动量在表面极化波的传播方向上的分量。在图3的配置中，表面波沿z轴传播，并且线芯区域102中的电磁波也沿z轴传播。因此，提供了由周期amod确定的匹配条件，以匹配线芯区域kc中的电磁波的动量和表面极化波ks’的动量。一旦移除了周期性折射率变化，就将相同的匹配条件应用于回在线芯区域102中传播的电磁辐射中的表面极化波的能量转换，因此光被绑定在线芯区域中沿z轴以kc＝n1ω/c传播。
矢量耦合可以不允许表面极化波向负z反射(如图2所示)。例如，对于线芯区域102和包层区域104的传播辐射的给定波长和折射率，可以选择折射率周期amod，使得对于给定的整数m，实现了线芯区域102中的电磁波与表面极化波的耦合。因此，该解决方案允许在耦合条件的限制内选择满足现有制造或总体设计的几何约束条件的amod值。
在一些示例中，线芯区域102中的电磁辐射具有相对于第一层106成角度α的入射角。在该示例中，表面极化波的动量可以与电磁波在表面极化波的方向上的动量相匹配，例如，ks，1’＝kc cosα。因此，通过设置调制周期使得ks，1’＝kc，表面极化波的激发将在α＝0处达到峰值。对于法向入射，ks＝0并且产生两个具有相同动量(绝对值)的反向传播的表面极化波：
在图1中，第一层106与波导线芯区域并排放置。这适用于单模式操作中的TE传播模式。然而，应当理解的是，如图4所示，在TM模式传播的情况下，第一层可以放置在矩形波导的线芯的顶部。
还应当理解的是，波导线芯区域102可以是任何合适的形状，并且第一层106可以在任何合适的位置处放置在线芯区域102和包层区域104之间的界面处或足够接近该界面的位置处。
在图1所示的示例中，波导包括材料的第二层112，其厚度小于该材料的针对第一波长或第二波长的电磁辐射的趋肤深度，该第二层位于线芯区102的与配置用于波导100的TE传播模式的第一层相反的一侧上。
在该示例中，第一层106和第二层112二者都被配置为激发具有相同动量的第一表面极化波。为了实现这一点，示出了两个电触点集108和110。在该示例中，两个电触点集108和110被配置为对第一层106和第二层112进行局部静电掺杂，如图3所示。
在图4的示例中，更改了第一层106和第二层112的位置，使得第一层106和第二层112位于波导的顶面和底面上。如前所述，第一层和第二层的这种定位发起了通过线芯区域的跨磁传播模式。
图5示出了图1所示的波导100的俯视截面图。备选地，该图可以被视为图4所示的波导100的侧视图。具体地，示出了两个第一层108和106中的周期性载流子密度变化。可以通过电触点的定位确定距离d1和l1，如图3所示。
图1和图4二者都示出了双栅配置。然而，有利地，也可以实现单栅配置。
由电磁辐射与周期性折射率相对应地拦截第一层的部分所产生的电流与两个电触点处的施加电压相关。通过在两个带相反电荷的电触点处设置合适的电压，可以将能量传递到表面极化波。当第一层106的折射率周期被中断时，由表面极化波从线芯区域102中的行波以及从施加到第一层106的电压捕获的能量然后可以被传递到波导的线芯区域102中。换句话说，在第一层106处不存在周期性静电掺杂的材料的情况下，所提出的设置的边界条件不适合传播所激发的极化波。因此，表面极化波的能量从表面极化波释放到波导的线芯区域102中，其中，边界条件允许传播从周期性结构发出的电磁辐射。如果将合适的电压施加到电触点，则总体效果是将传播波长或甚至系统中获得的增益所经受的损耗降低到零，如下所述。
图6示出了耗尽区域中石墨烯的电导率的实部。从该图可以看出，石墨烯的电导率的实部在约2.4x1014Hz处变为负值。
反转石墨烯(耗尽区域)的动态电导率σi可以由两项给出。第一项是与带内跃迁贡献σintra相关的电导率，其余项对应于带间跃迁贡献σintra，其与粒子数反转相关。
例如，反转石墨烯的动态电导率σi可以由以下等式给出：
其中，
在等式(1)中，ω是入射辐射的角频率，ε是能量状态积分变量，εF是费米(Fermi)能量，τ是石墨烯的带内载流子弛豫时间，其在室温下估计为10-12s。T是局部温度，
是降低的普朗克(Planck)常数，并且kB是玻尔兹曼(Boltzmann)常数。
换句话说，当将适当的电压施加到石墨烯层时，石墨烯处于粒子数反转中，其中，电子在导带中，而空穴在价带中。这些条件由于入射的电磁辐射而允许另外的表面极化波的受激发射。通过施加电压使石墨烯处于耗尽状态，石墨烯保持在粒子数反转中，并且可以继续发生受激发射。
因此，带间贡献的实部可以是负值，并且可以大于带内贡献的实部，从而给出整体负电导率。电导率的负实部对应于入射辐射的放大率，而正实部对应于入射辐射的吸收率。
可以通过施加到电触点的电压偏置值来控制耗尽区域中石墨烯的动态电导率(如图3所示)，该电压偏置值决定了载流子的费米能级的变化。应当理解的是，这里给出石墨烯作为第一层106的示例材料，并且第一层106可以包括表现出允许类似结果的性质的任何其他材料。例如，第一层106可以包括具有负动态电导率的材料。例如，第一层106可以包括单个原子层或仅少量的原子层。
偏置电压V与所获得的石墨烯的费米能量Ef之间的关系约为Ef＝eV/2，其中，e是电子电荷1.6*10-19C。
如图7所示，孤立石墨烯的动态电导率取决于费米能量和电磁辐射的频率二者。因此，应当理解的是，通过控制施加到第一层106的偏置电压来调谐费米能量，可以针对特定频率最大化动态电导率的量值。
具体地，图7示出了电信感兴趣的波长/频率范围(例如，191-196THz(C频段))的解决方案的可行性。具体地，可以看出，对于C频段，约1V的偏置电压足以达到石墨烯的负电导率的大量值。
图8a和图8b示出了在周期amod上由如图3所示配置的石墨烯第一层提供的放大率。
在该示例中，参照图3，电触点的宽度为l1＝0.25um，并且触点之间的耗尽区域宽度为d1＝1um。在该示例中，线芯区域材料是二氧化硅，并且包层区域材料是硅。
耗尽区域d1的面积可以比掺杂区域的总面积更大(即，石墨烯带的高度恒定时，具有更大的宽度，d＞2l)。这可以确保在非放大的n区域和p区域上耗尽区域中的放大率占优势。
在图8a和图8b中，放大被表示为负吸收。如前所述，放大率取决于费米能量和入射辐射的频率。因此，如图8a和图8b所示，在感兴趣的C频段内，峰值801出现在193THz的频率附近。
具体地，图8b示出了谐振峰801的细节。
朝向较低费米能量值的峰值802和803(图8a所示)可以由材料中的其他效应(例如，由线芯区域和包层区域材料以及第一层引起的效应)引起。
图8a和图8b中的这些模拟示出了当电触点的周期满足在线芯中传播的光(即，193THz电磁辐射)和表面极化波之间的动量匹配条件时，在波导的放大率(被表示为负吸收)中存在峰值。谐振频率放大率的最大值可能取决于费米能量，该费米能量已经通过改变施加到电触点的电压来设置。
如图所示，在图8a和图8b的示例中，放大率的量值可以很高，例如，放大率可以大于10dB。因此，在一些示例中，将电压施加到第一电触点集108，使得第一层106的动态负电导率相对于第一波长处于最大量值。
从数值模型和分析模型很难估计相位噪声。具体地，在这种场景下的重组具有特征时间t＝10^(-12)s。然而，例如，在所考虑的波长范围内，石墨烯中的自发发射不满足动量匹配条件。因此，这种自发发射不应沿界面传播，并且因此不会被放大。
由于本文描述的实施例基于谐振机制，并且效率在谐振频率处达到峰值，因此本文描述的实施例可以以类似于布拉格光栅的方式用于波长选择。因此，可以设想使用与布拉格光栅相似的解决方案来通过温度控制(热电效应)进行调谐。换句话说，可以利用表面极化波和施加到电触点的适当电压沿第一层106传播和放大感兴趣的波长。
应当理解的是，热噪声可以产生放大率峰801的展宽，例如，对称展宽。由于制造公差导致的第一电触头集108的大小波动可以产生类似的效果。
在一些实施例中，可以为两个或更多个感兴趣的波长提供放大或损耗减少。例如，对于电信，波长1310nm和1550nm(O和C频段)可能是令人感兴趣的。
例如，如图9所示，波导100可以设置有两个材料层，第一层901和第二层902。第一层901和第二层902二者都可以包括例如石墨烯的材料，其厚度小于该材料的针对第一波长或第二波长的电磁辐射的趋肤深度，其中，第二层902位于线芯区域和包层区域之间的界面处或其附近并与第一层901分开。
在该示例中，电触点被施加到第一层901和第二层902。具体地，第一电触点集903可以被定位为对第一层901进行局部静电掺杂，以在第一层901中产生第一周期性折射率，使得当第一波长(例如，1310nm)的电磁辐射传输通过线芯区域102时，在线芯区域和包层区域之间的界面处激发第一表面极化波。
另一电触点集904可以被定位为对第二层902进行局部掺杂，以在第二层中产生第二周期性不规则折射率，从而使得：当第一波长的电磁辐射传输通过线芯区域102时，激发第一表面极化波，或者当第三波长的电磁辐射传输通过线芯区域时，激发第三表面极化波。换句话说，第二层902可以被配置为具有电触点，使得如第一层901那样相同波长的辐射激发表面极化，或者，施加到第二层902的电触点可以具有不同的间隔，使得不同波长的电磁辐射激发表面极化波。
例如，可以选择第一电触点集903以与O频段相匹配，第二电触点集904可以具有被选择为与C频段辐射相匹配的周期。
在一些示例中，应当理解的是，两个电触点集903和904二者都可以设置在第一层901上。在该示例中，第一电触点集被定位为对第一层901进行局部静电掺杂，以在第一层901中产生周期性不规则折射率，使得当第一波长(例如，1310nm)的电磁辐射传输通过线芯区域时，激发第一表面极化波。第二电触点集904可以被定位为对第一层901进行局部静电掺杂，以在第一层901中产生第二周期性不规则折射率，使得当第二波长(例如，1550nm)的电磁辐射传输通过线芯区域时，激发第二表面极化波。
在这些示例中，第一电触点集可以被定位为使得amod，1＝d1+2l1，其中，d1是第一电触点集中的两个相邻触点之间的距离，并且l1是第一电触点集中的触点的宽度。第二电触点集被定位为使得第二触点距离amod，2等于第二波长，其中，amod，2＝d2+2l2，其中，d2是第二电触点集的两个相邻触点之间的距离，并且l2是第二电触点集中的触点的宽度。
在该示例中，第一电触点集903和第二电触点集904可以被配置为选择性地充电以便激发第一表面极化或第二表面极化。
在一些示例中，选择施加到第一和/或第二电触点集的电压以仅在针对期望频段设计的阵列上获得放大率。可以通过由局部加热器引起的折射率变化来获得对增益峰值的精细调谐，增益峰值是入射电磁辐射的波长的函数。温度的变化可能引起折射率的局部变化。
在一些示例中，可以通过施加到电触点的电压V来调节用于将线芯区域102中的电磁辐射转换成表面极化波的相位匹配。可以使用相同的方法来调整任何与线芯区域中的电磁辐射中的可能不与石墨烯表面耦合的部分的相位失配或干扰。原则上，在线芯区域中的行波可以具有变化的波矢(波长)，该波矢可以由于波导中的折射率缺陷或例如波导的形状变化(例如，弯曲波导)而变化。这可能需要精细调谐，该精细调谐可以通过电压控制来提供，以改变费米能量，从而改变动态电导率。该方法可以优化负电导率值以在给定的波矢(波长)处具有更大的放大率。
在一些示例中，沿电触点的周期性结构变化的栅极电压可以用于对放大率进行成形并提供幅度调制。
图10示出了波导(例如，图1所示的波导)的制造方法。
在步骤1001中，该方法包括：提供材料的第一层，其厚度小于该材料的针对波导中的第一波长的电磁辐射的趋肤深度，其中，该第一层位于波导内并被配置为具有周期性折射率，使得当第一波长的电磁辐射传输通过线芯区域时，在波导的线芯区域和波导的包层区域之间的界面处激发第一表面极化波。
在一些示例中，该方法还包括步骤1002，其包括：施加第一电触点集以对第一层进行局部掺杂，以在第一层中产生周期性不规则折射率，从而激发第一表面极化波。
因此，提供了一种波导，其用于减少由于电磁辐射散射到波导的包层区域中而造成的损耗，并且在一些实施例中，用于放大特定波长的电磁辐射。还提供了一种波导的制造方法。
Claims (19)
1.一种用于传输电磁辐射的波导，所述波导包括：
线芯区域，
围绕所述线芯区域延伸的包层区域；以及
材料的第一层，所述第一层的厚度小于所述材料的针对第一波长的电磁辐射的趋肤深度；
其中，所述第一层被配置为具有周期性折射率并且位于所述波导内，使得当所述第一波长的电磁辐射传输通过所述线芯区域时，在所述线芯区域和所述包层区域之间的界面处激发第一表面极化波。
2.根据权利要求1所述的波导，其中，材料的所述第一层位于表面极化波的趋肤深度之内，所述表面极化波由来自所述线芯区域的电磁辐射从所述线芯区域和所述包层区域之间的界面产生。
3.根据权利要求1或2所述的波导，其中，所述波导的长度延伸一个或多个周期性折射率。
4.根据权利要求1或2所述的波导，其中，所述第一层被配置为具有周期性载流子密度变化以产生所述周期性折射率。
5.根据权利要求4所述的波导，其中，所述周期性载流子密度变化包括pn结。
6.根据权利要求1所述的波导，还包括第一电触点集，所述第一电触点集被定位为对所述第一层进行局部静电掺杂以在所述第一层中产生所述周期性折射率。
7.根据权利要求6所述的波导，其中，所述第一电触点集被定位为使得第一触点距离amod,1等于所述第一波长，其中amod,1＝d1+2l1，其中，d1包括所述第一电触点集中的两个相邻触点之间的距离，并且l1是所述第一电触点集中的触点的宽度。
8.根据权利要求1或2所述的波导，其中，所述第一表面极化波的动量ks,1′为：
其中，ks,1是在所述线芯区域和所述包层区域之间的界面处的所预测的表面极化波的动量，并且m是整数值，ω是所述第一波长的电磁辐射的频率，λ是所述第一波长，并且amod,1是所述周期性折射率的周期。
9.根据权利要求7所述的波导，还包括第二电触点集，所述第二电触点集被定位为对所述第一层进行局部静电掺杂以在所述第一层中产生第二周期性不规则折射率，使得当第二波长的电磁辐射传输通过所述线芯区域时激发第二表面极化波。
10.根据权利要求9所述的波导，其中，所述第二电触点集被定位为使得第二触点距离amod,2等于所述第二波长，其中
amod,2＝d2+2l2，其中，d2包括所述第二电触点集中的两个相邻触点之间的距离，并且l2是所述第二电触点集中的触点的宽度。
11.根据权利要求10所述的波导，其中，所述第二表面极化波的动量ks,2′为：
其中，ks,2是在所述线芯区域和所述包层区域之间的界面处的所预测的表面极化波的动量，并且n是整数值，ω2是所述第二波长的电磁辐射的频率，并且λ2是所述第二波长。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的波导，其中，所述第一电触点集和所述第二电触点集被配置为选择性地充电以便激发第一表面极化或第二表面极化。
13.根据权利要求9至11中任一项所述的波导，还包括：
材料的第二层，其厚度小于所述材料的趋肤深度，其中，所述第二层位于所述线芯区域和所述包层区域之间并且与所述第一层分开。
14.根据权利要求13所述的波导，还包括：
第三电触点集，所述第三电触点集被定位为对所述第二层进行局部掺杂，以在所述第二层中产生周期性不规则折射率，从而使得：当所述第一波长的电磁辐射传输通过所述线芯区域时，激发所述第一表面极化波，或者当第三波长的电磁辐射传输通过所述线芯区域时，激发第三表面极化波。
15.根据权利要求9至11中任一项所述的波导，其中，所述材料包括石墨烯。
16.根据权利要求9至11中任一项所述的波导，其中，所述材料具有负动态电导率。
17.根据从属于权利要求6的权利要求16所述的波导，其中，将电压施加到所述第一电触点集，使得所述第一层的动态负电导率针对于所述第一波长处于最大量值。
18.一种波导的制造方法，包括：
在波导中提供材料的第一层，所述第一层的厚度小于所述材料的针对第一波长的电磁辐射的趋肤深度，其中
所述第一层位于所述波导内并被配置为具有周期性折射率，使得当第一波长的电磁辐射传输通过线芯区域时，在所述波导的线芯区域和所述波导的包层区域之间的界面处激发第一表面极化波。
19.根据权利要求18所述的方法，还包括：
施加第一电触点集以对所述第一层进行局部掺杂，以在所述第一层中产生所述周期性折射率，从而激发所述第一表面极化波。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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