CN1474953A - 人工构成的介电材料 - Google Patents

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Abstract

一种具有光学特性的人工构成的介电材料，其光学特性依赖于入射在上述材料上的光强。材料(2)包括：一附着在基板(4)上的阵列，该阵列由介电材料构成的弹性可移动的机械元件(6)所组成。元件(6)被如此构造，即当选定强度和波长的光(8)照射其材料时，元件(6)向较大光强区域移动，进而改变材料(2)的光学特性。

Description

人工构成的介电材料
技术领域
本发明涉及一种具有光学特性的人工构成的介电材料。
背景技术
人工构成的介电材料是这样一种结构，该结构的光学特性是由结构而不是组成该构成材料的固有特性(即那些由电子特性引起的固有特性)所产生。那些人工构成的介电材料的实例展示了光子带隙(PBG)的特性，即材料构造抑制了光在一定波长范围内的传播。在介电常量中包含周期性的变化的人工构成的材料所引起的这种特性，是半导体中电子带隙的一种光学类比。这种特性已经引起广泛的关注，如一些人认为该材料是完全集成光学电路的关键所在。PBG结构的一个实例包含一基板，在其表面内蚀刻有规则排列的空穴阵列，其中空穴按四分之一光波长间隔引入正如在变化方向传播的光所经历的介电常量中的周期变化。
在光通讯中期望增加传输数据的速率，能使用例如光控开关或门在光域中处理网络内部的数据，而不需要转换回电信号。这些系统被成为光子网络。
光学处理数据需要展示非线性光学效应的元件，也就是他们的光学特性，即在任何瞬间时刻依赖照射光的光强或其他特性的折射指数。非线性光学处理器的一个实例是基于采用Sagnac结构的干涉仪的非线性光环形镜(NOLM)，其中非线性元件包括一光纤环。在NOLM中，入射耦合器将入射光脉冲分为两个沿光纤环反向传播的脉冲，随后在耦合器被重新结合形成输出光。一个高强度的光控脉冲被另外输入到光纤环，并沿光环的一个方向传播以破坏干涉仪的平衡。控制脉冲在光纤中具有降低折射指数变化的作用，同向传播的光脉冲和较小范围内反向传播的光脉冲所经历的变化使得在两个脉冲重新结合后存在一个网络位移。既然转换机构源自光纤材料的固有特性，而非线性效应的响应和反应时间估计有几个的毫微微(femto)秒，故在理论上超速转换成为可能。
这类设备的一个特殊局限就是非常小的光学非线性玻璃，其对于硅来说是3×10-2m2W-1级，并要求光控信号的光功率和波长1Wkm的积为。对于实用设备，这将要求几千米的光环来保持光控信号的平均功率在实用级(＜100mW)。
发明内容
本发明提供一种具有非线性光学特性的人工构成的材料，该材料能够用光学设备集成。
依据本发明的人工构成的介电材料，包括：一附着在基板上弹性的可移动机械元件的阵列，其中所述元件被如此构造，即当选定强度和波长的光照射其材料时，元件向较大光强的区域移动，进而改变材料的光学特性。
元件本身可以是弹性柔软的和/或弹性柔软地连接在基板上。
元件的阵列可以包括一个非规则或规则的阵列。无论怎样，优选的是阵列的平均周期要比所选光波长明显小，使得该光波和构成的材料相互作用好像是一个连续的介质。例如，阵列选定的平均周期典型的比所选四分之一光波长小。
当元件按规则阵列构造时，进一步优选的是阵列周期是所选光波长四分之一级以使该结构包括一个光子晶体。这样配置将导致根据元件的给定机械移动/变形改变光学特性，同时也能对这种变化特性进行更多的控制。例如，有效的指数变化能被设置为负。
方便地，元件和基板包括扩一个半导体材料，如硅，锗砷化物，铟磷化物或其他III-V半导体材料。元件优选集成形成为基板的一部分和如刷或叉的齿般方便地设置。
在一种设置中，阵列是非规则的，元件和基板有利地包括多孔硅。
根据本发明的另一方面，一包括如上所述的人工构成的材料的非线性光学部件，其折射指数能通过选定强度和波长光的照射而改变。
附图说明
为了能更好地理解本发明，根据本发明的一种人工构成的材料将通过参考以下附图予以说明：
图1(a)示意表示了根据本发明的一种人工构成的材料；
图1(b)是光照射时附图1(a)的构成的材料；
图2是根据本发明人工构成的材料的一个电子的微量图。
图3示意表示了横向传播光照射根据本发明的人工构成的材料；和
图4是对比根据本发明人工构成的材料的响应时间计算的非线性折射指数(n2)曲线图。
具体实施方式
参考图1(a)，示意了根据本发明的人工构成的介电材料2。材料2包括一个砷化镓基板4，选择性地蚀刻基板的上表面以形成柱或齿6的阵列。在此实施例中的所述柱6，下文称为元件，在交叉部分实质上是圆形并按六角形紧密装配。可理解其他几何结构的元件也能使用，并被设置在其他规则阵列甚至不规则(随机)阵列上。
材料的一个重要方面是元件6的几何构造，如此构型使得选定波长和强度的光照射材料时元件6是弹性可移动/变形的。参考图1(b)最好地示例了光点8照射材料时对元件6的影响。从附图中可以看出元件6具有尺寸，因此其可通过照射光8而弹性变形，弯曲。因柱列6由介电材料构成，在光域影响下向更高的光区域弯曲，进而改变此区域中元件6的平均密度。平均密度增加的结果是区域中平均折射指数的增加同时其他光学特性如表面反射率也都被改变。因此可以理解构成的材料的光学特性依赖于照射构成的材料的光强梯度。也应注意到在此方式中元件的变形不是光波施加光压(直接光压的影响非常小)的缘故，同时也出现在材料被如附图3中所说明的横向传播光照射时。更进一步，由于这种影响依赖于光强梯度而不是光强，进而最大程度接近光点的外围，通常具有高斯强度外形。这样将可以理解如果材料全部表面都被相同强度的光照射，这种影响将不存在。
参照附图2，其展示了依照本发明人工构成的材料的一个电子微量图，其材料期望用于波长λ＝1550nm光的操作。该材料包括一个二维镓砷化合物环柱阵列，其中相邻最近的间隔为350nm。将理解到，由于柱列按具有四分之一光波(λ/4＝387.5nm)级的规则阵列设置，图2构成的材料是一个光子晶体因此将另外说明光子带隙特性。
参照图4，展示了根据本发明的一系列人工构成的材料的元件响应时间一计算的非线性折射指数n2(折射指数的改变)的曲线图。该曲线图说明了由镓砷化合物10和硅12制成构造材料。为参考目的，曲线图还包括点14-24，对于已知材料其光学特性源自材料的固有特性。这些数据来于Boyd RW(1992)“非线性光学”ISBN0-12121680-2，并依下列各项：点14为掺杂玻璃的镉硒化合物，点16为联乙炔聚合物，18为用于液晶的热成分，20为液晶分子成分，22铟锑化合物和24为镓砷化合物/镓铝砷化合物量子井。
本发明构成的材料的一特殊优点是非线性特性由结构而不是材料固有特性产生，根据给定的通过几何和/或可移动/变形元件的尺寸适合选择定制在非线性光学效应n2的大小n2与材料的响应时间之间的平衡。将理解元件的响应时间又依赖于元件的机械弹性，而机械弹性本身还依赖于形成结构化材料。
本发明不限于所述的特定实施例，同时可理解为在发明的范围有有各种变形。例如，虽然已经说明柱列或元件可弹性变形，比但也可使用可弹性变形地粘结在基板上或相互粘合较硬的元件，。如上所述，元件的阵列不需是规则的，在一个实施例中预计使用多孔硅。在另一个实例中阵列的平均周期优选是比所选光波长要显著的小，其中光和构成的材料似乎是一个连续的介质。例如，选定阵列的平均周期比所选波长的四分之一典型地少。可理解到，在与波长相比较足够小的周期中存在一定的交替使用，以使材料表现得好像一个连续的介质，非线性效应的大小依赖用于给定斑点大小的辐射照明的强度梯度，并将随着平均周期的减少而降低。在本发明专利申请中，术语光学和光广义上解释为不仅包括光谱中可见光波长也包括红外和紫外辐射波长。
本发明构成的材料的一个应用实例是作为光功率限制器。其被设计为包括由两个平面部分反射镜组成的Fabry-Perot空腔功率限制器，其中反射镜之间设置有构成的材料。设定空腔的大小以谐振所需运作的波长。对于相关低光强(功率)，当空腔被调谐到一个谐振频率，限制器将无衰减地充分传输光波。随着光功率的增加，将引起构成的材料折射指数的增加，并显著地解调振荡器，进而限制耦合在空腔内的光功率并通过其传输。如此形成的光功率限制器根据其自身的特点而被认为是有创造性的。
应当理解本发明发存在许多应用，其中要求具有一含有非线性光学特性的易定制的材料。在很多应用中优选的是光传播沿基板平面发生，由于光必须通过更多的结构传播，因此将增强任何非线性效应。

Claims (10)

1.一种人工构成的介电材料，包括：
一个连接在基板上的弹性可移动的机械元件阵列，所述元件被如此构造，即当选定强度和波长的光照射其材料时，元件向较大光强的区域移动，进而改变材料的光学特性。
2.根据权利要求1的一种材料，其中元件是弹性柔软的。
3.根据权利要求1或2的一种材料，其中元件弹性柔软地连接在基板上。
4.根据前述权利要求的任一种材料，其中元件包括一规则阵列。
5.根据权利要求4的一种材料，其中阵列的周期为四分之一光波长级，使得结构包括一个光子晶体。
6.根据前述权利要求的任一种材料，其中元件和基板包括一个半导体材料，该半导体材料可选自于硅，锗砷化物，铟磷化物或其他III-V半导体材料。
7.根据前述权利要求的任一种材料，其中元件包括整体地形成作为基板一部分的齿。
8.根据前述权利要求1-6中任一种材料，其中元件和基板包括多孔硅。
9.一种非线性光学元件，其折射指数能根据照射在其上的光而改变，其中光的强度根据前述任一权利要求中所述的人工构成的材料选定。
10.一种具有光学特性的人工构成的介电材料，其光学特性充分地依赖在此之前所述作为参考或在参考附图中说明的材料的光入射。
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