DE112015005990T5

DE112015005990T5 - Elektrooptischer Nanoverbund-Material-Modulator

Info

Publication number: DE112015005990T5
Application number: DE112015005990.3T
Authority: DE
Inventors: George Williams
Original assignee: Vadient Optics LLC
Current assignee: Vadient Optics LLC
Priority date: 2015-01-19
Filing date: 2015-12-17
Publication date: 2017-10-26
Also published as: JP2018508836A; CN107430295A; WO2016118264A1

Abstract

Eine optische Nanoverbundmaterial-Modulator-Einrichtung umfasst eine optisch transparente elektrooptische Region. Die elektrooptische Region umfasst ein elektrooptisches Material, das nicht-lineare Effekte zweiter Ordnung aufweist. Der optische Nanoverbundmaterial-Modulator umfasst eine oder mehrere dielektrische Schichten, wobei zumindest eine der dielektrischen Schichten die elektrooptische Region berührt, eine oder mehrere Elektroden. Wobei zumindest eines der zuvor erwähnten Elemente eine ausgehärtete Nanoverbundtinte mit einem Nanopartikelanteil von etwa 0,25% bis etwa 70% bezogen auf das Volumen aufweist.

Description

Bezugnahme auf verwandte Patente
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der US-Patentanmeldung 14/599,917, die am 19. Januar 2015 eingereicht wurde, und die eine Teilweiseführung der US-Patentanmeldung mit der Anmeldenummer 14/293,574 ist, die am 2. Juni 2014 angemeldet wurde.
Technisches Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen elektrooptische Modulationseinrichtungen. Die Erfindung betrifft insbesondere elektrooptische Modulationseinrichtungen, die aus einem Nanoverbundmaterial hergestellt sind.
Diskussion des Standes der Technik
Elektrooptische Modulatoren sind Einrichtungen, die den elektrooptischen Effekt verwenden. Materialien, die elektrooptische Effekte zweiter Ordnung aufweisen, können mit einem elektrischen Signal moduliert werden. Klassische optische Modulatoren wurden herkömmlicherweise aus einem einzigen Kristall mit Elektroden hergestellt, an dem das elektrische Signal angelegt wird. Diese Anmeldung betrifft einen anderen Ansatz.
Kurzer Abriss der Erfindung
Die vorliegende Erfindung ist auf optische Nanoverbundmaterial-Modulatoren gerichtet. Gemäß einem Aspekt umfasst eine erfindungsgemäße Einrichtung einer optisch transparente, elektrooptische Region, die optisch nicht lineare Eigenschaften zweiter Ordnung aufweist. Eine oder mehrere dielektrische Schichten können vorgesehen sein, wobei zumindest eine der Schichten die elektrooptische Region berührt. Eine oder mehrere Elektroden befinden sich in der Nähe der elektrooptischen Region. Dort ist zumindest eines der zuvor erwähnten Elemente ein Nanoverbundmaterial mit einem Nanopartikelanteil von etwa 0,25% bis etwa 70% bezogen auf das Volumen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die begleitenden Zeichnungen, die einen Teil der Spezifikation bilden und in diese aufgenommen sind, stellen schematisch bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar und dienen zusammen mit der zuvor angegebenen allgemeinen Beschreibung und der detaillierten Beschreibung bevorzugter Verfahren und eine Ausführungsform, die nachstehend angegeben ist, zum Erläutern der Prinzipien der vorliegenden Erfindung.
1A ist eine Querschnittsansicht, die schematisch einen elektrooptischen Nanoverbundmaterial-Modulator(EO-Modulator) gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt, wobei der EO-Modulator eine optisch transparente elektrooptische Region aufweist, die nicht lineare Eigenschaften zweiter Ordnung aufweist, eine oder mehrere dielektrische Schichten umfasst, wobei zumindest eine der Schichten die elektrooptische Region berührt, wobei sich eine oder mehrere Elektroden in der Nähe der elektrooptischen Region finden, wobei zumindest eines der erwähnten Elemente ein Nanoverbundmaterial mit einem Volumenanteil von Nanopartikel von etwa 0,2% bis etwa 70% ist.
1B ist eine Querschnittsansicht, die schematisch den EO-Modulator, der in 1A gezeigt ist, darstellt, wobei die EO-Modulatorelemente horizontal sind.
1C ist eine Querschnittsansicht, die schematisch das darstellt, das in 1A gezeigt ist, außer dass hier die elektrooptische Region kontinuierlich ist.
2A ist eine perspektivische Ansicht, die schematisch einen Tintenstrahldrucker zum Drucken der Nanoverbundtinte darstellt.
2B ist eine perspektivische Ansicht von dem, was in 2A gezeigt ist, mit zwei zusätzlichen Druckköpfen.
2C ist eine Querschnittsansicht, die schematisch die Nanoverbundtinte darstellt, die auf ein Substrat abgeschieden ist.
2D ist eine Querschnittsansicht, die schematisch eine zusätzliche Abscheidung von Nanoverbundtinte darstellt.
2E ist eine Querschnittsansicht, die schematisch das resultierende Nanoverbundmaterial von der Diffusion oder Konvektionsmischen von Nanofüllstoffen von der ersten und der zweiten Nanoverbundtinte darstellt, wie in 2D gezeigt ist.
2F ist eine Querschnittsansicht, die schematisch einen resultierenden Brechungsgradienten zwischen der ersten Nanoverbundtinte und der zweiten Nanoverbundtinte von der Diffusion von Nanofüllstoffen der ersten und der zweiten Nanoverbundtinte darstellt, wobei die erste Nanoverbundtinte teilweise vor dem Abscheiden der zweiten Nanoverbundtinte ausgehärtet wurde.
2G ist eine Querschnittsansicht, die schematisch die Abscheidung der Nanoverbundtinte Seite bei Seite darstellt.
2H ist eine Querschnittsansicht, die schematisch das darstellt, das in 2G gezeigt ist, wobei das Mischen der Nanoverbundtinte in einem langsamen Übergang des Profils des Brechungsgradienten resultierte.
2I ist eine Querschnittsansicht, die schematisch das darstellt, das in 2G gezeigt ist, wobei die Nanoverbundtintenmischung in einem schnellen Übergang des Profils des Brechungsgradienten resultierte.
2J ist eine Querschnittsansicht, die schematisch das Mischen der Nanoverbundtinten in Luft darstellt.
3A ist eine Querschnittsansicht, die schematisch einen Phasen-EO-Modulator Aktor gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt.
3B ist eine Querschnittsansicht, die schematisch das darstellt, das in 3A gezeigt ist, wobei zwei Polarisierungseinrichtungen hinzugefügt sind.
3C ist eine Querschnittsansicht, die schematisch einen erfindungsgemäßen EO-Modulator mit einem Wellenleiter des Typs Mach-Zender (MZ) darstellt.
3D ist eine Querschnittsansicht, die schematisch das zeigt, was in 3C gezeigt ist, wobei ein anderer der EO-Modulatoren hinzugefügt ist, der den erfindungsgemäßen MZ-EO-Modulator des, Push-Pull-Typ beispielhaft darstellt.
3E ist eine Querschnittsansicht, die schematisch eine Mehrzahl der EO-Modulatoren in einer zweidimensionalen linearen Matrix gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt.
3F ist eine Querschnittsansicht, die schematisch einen stufenförmigen Phasenleiter Koppler darstellt.
3G ist eine Querschnittsansicht, die schematisch einen geraden Wellenleiter Koppler darstellt.
4A ist eine perspektivische Ansicht, die teilweise im Querschnitt eine dreidimensionale Phasenmatrix einer Mehrzahl der EO-Modulatoren gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt.
4B ist eine Querschnittsansicht, die schematisch das darstellt, das in 4A gezeigt ist und ferner eine mittels eines Tintenstrahls gedruckte Linsenmatrix aufweist, wobei die Linsenmatrix so ausgerichtet ist, dass Ihre Linse in der Linsenmatrix einen entsprechenden EO-Modulator in der dreidimensionalen EO-Modulator Matrix entspricht.
5A ist eine perspektivische Ansicht, die schematisch einen Zufallsphasen-EO-Modulator gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt.
5B ist eine Querschnittsansicht, die schematisch den Zufallsphasen-EO-Modulator darstellt, der in 5A gezeigt ist.
6A ist eine Draufsicht, die schematisch einen Strahl Steuerungs-EO-Modulator mit einem Potenzial über die Elektroden darstellt.
6B ist eine Draufsicht, die schematisch den Strahlsteuerungs-EO-Modulator, der in 6A gezeigt ist, mit keinem Potenzial über die Elektroden darstellt.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung.
Es wird jetzt auf die Zeichnungen Bezug genommen, in denen ähnliche Komponenten mit ähnlichen Bezugszeichen bezeichnet sind. Verfahren zum Herstellen und bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden hierin nachstehend beschrieben.
1A stellt schematisch einen optischen Modulator 10A dar. Der optische Modulator 10A umfasst einen elektrooptischen Bereich 116. Der elektrooptische Bereich 116 berührt einen die elektrische Schicht 118 und wird von dieser umgriffen. Die dielektrische Schicht 118 berührt oben eine dielektrische Schicht 114A gefolgt von einer Elektrode 112A. Die dielektrische Schicht 118 ist unten mit einer Pufferschicht 114B gefolgt von einer Elektrode 112B in Kontakt.
Die elektrooptische Region ist optisch transparent aus einem amorphen π-funktionalen Material, weist nicht-lineare optische Eigenschaften zweiter Ordnung auf und weist einen Widerstand von 10^–9 Ohm (Ω) oder weniger auf, so wie beispielsweise elektrooptische Polymere (EO-Polymere). Es werden jetzt routinemäßig chromophore Dipol-Moment-Molekular-Hyperpolarisierbarkeits-Produkt-Werte (mb) von mehr als 10^–44 Elektrostatischen Einheiten (ES) erreicht. Diese Verbesserung wurde ohne Opfer bei der thermischen oder chemischen Stabilität erreicht. Beispielsweise ist die Zersetzungstemperatur von Phenylvinylentiphenevinylenecopolymeren (FTC) etwa 325°C. Intermolekulare elektrostatische Wechselwirkungen führen zu einem Maximum in der Kurve der EO-Aktivität des reversen Chromophoranteils in einer Wirts-Polymermatrix. Die Position des Maximum verschiebt sich zu einem niedrigeren Anteil mit einem erhöhten chromophoren Dipolmoment und folglich einem Dipolmoment-Hyperpolarisierbarkeitsprodukt. Die Dämpfung der elektrooptischen Aktivität ist am stärksten für verlängerte ellipsoide Chromophore und weniger stark für sphärische Chromphore. Die Chromophorenform und Struktur kann verbessert werden, um die elektrooptische Aktivität zu optimieren. Ein elektrooptischer Koeffizient (r33) definiert die Stärke des elektrooptischen Effekt des Materials. Ein elektrooptischer Koeffizientenwert von 80 pm/V oder darüber ist wünschenswert.
Einige nichtbeschränkende Beispiele von EO-Polymeren und Materialien, die für die elektrooptische Region verwendet werden können, umfassen AJ 307, AJ 309, AJ 404, AJLZ 53, AJ-CKL1, AJCKL1, AJLS 102, AJPL 172 in Bisphenol A-Polykarbonat (BPAPC), AJLZ 53 in einem offenen Polykarbonat (APC) und SEO 100 (in verschiedenen Volumenprozenten). Die zuvor erwähnten EO-Polymere sind handelsüblich von Soluxra, LLC/Seattle, WA erhältlich. Die Nanopartikel können mittels dem EO aus-Polymeren gemischt werden, wie nachstehend weiter diskutiert wird, was ein hybrides EO-Polymere-Nanoverbundmaterial erzeugt.
Organische EO-Polymere haben grobe Polymere mit einem permanenten Dipolmoment, die zufällig verteilt sind. Damit das EO-Polymer eine Nichtlinearität zweiter Ordnung aufweist, die für den Betrieb des optischen Modulatoren erforderlich ist, müssen die Chromophore gepolt (ausgerichtet) sein. Polen ist ein Verfahren, das die Chromophore ausrichtet. Allgemeine Pol-Techniken umfassen das Berührungspolen und das Koronapolen. Das Berührungspolen erfordert das Erwärmen des EO-Polymers nahe an dem Glasübergang des EO-Polymers, das Anliegen eines elektrischen Feldes über die Elektroden, die das EO-Polymer berühren, was bewirkt, dass sich die Dipole ausrichten, und dann das EO-Polymer abkühlen. Das elektrische Feld wird durch Anlegen einer Polspannung von etwa 100 Volt (V) bis etwa 1000 V erzeugt. Koronarpolen ist ähnlich wie Kontaktpolen, aber das elektrische Feld wird durch eine Ladungsansammlung auf der Oberfläche des EO-Polymers durch eine Koronaentladung eines Leiters bei einer hohen Spannung erzeugt. Fachleute werden generell die beschriebenen Poltechniken erkennen, siehe Se Hunang et al, „Advanced processing method to introduce and preserve dipol orientation in organic electro-optic materials for next generation photonic devices” (Fortgeschrittene Verarbeitungsverfahren zum Einführen und Erhalten einer Dipolorientierung im organischen elektrooptischen Materialien für photonische Einrichtungen der nächsten Generation). Der Brechungsindex des EO-Polymers kann durch Einführung von Nanopartikel eingestellt werden. Nanopartikel können auf die organischen Matrix des EO-Polymers durch Ionenbonden oder kovalentes Bonden gebondet werden. Alternativ können die Nanopartikel ohne Bonden der organischen Matrix hinzugefügt werden. Nanopartikel ohne Bond führen zu einer schnelleren Diffusion und Mischung zwischen benachbarten Schichten.
Die dielektrische Schicht 118 ist vorzugsweise ein Nanoverbundmaterial mit Materialmischungen, die durch unterschiedliche Konzentrationen von Nanopartikel in einer Wirts-Matrix einstellbar sind. Eigenschaften, die einstellbar sind, umfassen optische, thermische, elektrische und mechanische Eigenschaften. Beispielsweise kann die dielektrische Schicht 118 als Hüllschicht für die optoelektronische Region wirken, indem der Brechungsindex der Nanoverbundtinte niedriger als der Brechungsindex der elektro optischen Region eingestellt wird, was einen Stufenindexwellenleiter erzeugt, der die Lichtstrahlung innerhalb der optoelektronischen Region begrenzt, wobei die elektrooptischer Region als ein Kern des Wellenleiters wirkt. Auf ähnliche Weise kann eine dielektrische Schicht 118 aus mehreren Lagen zusammengesetzt sein oder andersartig eine sich ändernde Nanopartikelkonzentration aufweisen, sodass der Brechungsindex, der niedriger als diejenige der elektrooptischen Region ist, radial von der elektrooptischen Region reduziert wird, was einen Gradientenindexwellenleiter erzeugt. Ein Verfahren zum Erzeugen mehrerer Lagen oder eines kontinuierlichen Brechungsindex ist das verwenden einer Tintenstrahldrucktechnologie, dass hierin nachstehend weiter beschrieben wird. Alternativ können die Nanopartikel und das organische Wirtsmaterial der dielektrischen Schicht 18 so ausgewählt werden, dass sie die resultierende dielektrische Stärke des Nanoverbundmaterials, die thermische Leitfähigkeit, die mechanische Stabilität, die ferroelektrischen Eigenschaften, die magnetischen Eigenschaften, die elektrische Leitfähigkeit und den Koeffizient der thermischen Ausdehnung modifizieren.
Die die elektrische Schichten 114A und 114B sind auch vorzugsweise Nanoverbundmaterialien mit einstellbaren Materialeigenschaften. Die dielektrischen Schichten 114A und 114B wirken vorzugsweise als dielektrische Pufferschicht, was die elektrooptische Region vor einer Ladungsinjektion schützt und eine Stromleckage während des Polen reduziert. Das organische Wirtsmaterial der dielektrischen Pufferschicht und die Nanopartikel sind vorzugsweise so ausgewählt, dass das Material eine hohe dielektrische Stärke aufweist. Ein geeignetes organisches Wirtsmaterial, das hierin nachstehend weiter diskutiert wird, weist im Allgemeinen eine hohe dielektrische Stärke auf. Das Hinzufügen von Nanopartikel mit einer hohen dielektrischen Stärke erhöht die die elektrische Stärke des resultierenden Nanoverbundmaterials. Einige der Nanopartikel, die eine hohe dielektrische Stärke aufweisen, sind Zirkoniumdioxid (ZrO₂) Aluminium- und Titanoxid. Die Polymere können zur Cyanoethylpululan (CYELP), Polyacrylat, Hexanedyoldiacrylat (HDODA), Polymethylacrylat (PMMA) und SU-8 umfassen. Die dielektrische Konstante der Nanoverbundmaterialien können durch Variieren der Konzentration der Nanopartikel können in den dielektrischen Schichten des Nanoverbundmaterials eingestellt werden. Alternativ hierzu können die Nanopartikel in dem organischen Wirt so gewählt werden, dass sie die dielektrische Stärke, die thermische Leitfähigkeit, die elektrische Leitfähigkeit, den thermischen Expansionskoeffizienten und die mechanische Stabilität der dielektrischen Schicht modifizieren.
Wenn ein Wechselstrom durch eine Schaltung fließt, wird das Verhältnis zwischen Strom und Spannung über ein Schaltungselement nicht nur durch das Verhältnis ihrer Werte sondern auch durch den Unterschied in ihren Phasen gekennzeichnet. Unter Bezugnahme auf die elektrische Leitfähigkeit in Dielektrika oder der optoelektronischen Region bedeutet für Zwecke dieser Anmeldung der Imaginäre Anteil der Leitfähigkeit mit einem komplexen Wert, wobei ein perfekter Leiter eine unendliche Leitfähigkeit und ein perfektes Dielektrikum eine realwertige Leitfähigkeit mit einem Imaginären Anteil von null aufweist. In einem verlustbehafteten Medium hängt die Größe des Verlagerungsstroms von der Frequenz des angelegten Feldes ab; es gibt keinen Verlagerungsstrom bei einem konstanten Feld. Bei niedrigen Frequenzen sind die Beiträge zur Energiedissipation und Energiespeicherung aus den Widerstandselementen und Brechungselementen entkoppelt. Im Gegensatz hierzu trägt die gespeicherte elektromagnetische Energie bei hohen Frequenzen teilweise zum Widerstand bei und die Leistungsdeszipation trägt teilweise zu Reaktanz bei. Zum Verbessern des elektrischen Polens, beispielsweise eines höheren r 33, kann eine erhöhte elektrische Leitfähigkeit in den dielektrischen Schichten wünschenswert sein, um die erforderliche Halbwellenspannung zum reduzieren der Chromophore in dem elektrooptischen Material zum Polarisieren. Chromphohre können zu dem Dielektrikum hinzugefügt werden, das die elektrische Leitfähigkeit des dielektrischen Wirtsmaterial erhöhen kann und den Poleffizienz der geschichteten Struktur des EO-Modulators verbessern kann.
Die Elektroden sind vorzugsweise eine leitfähige Tinte, die mit einem Tintenstrahl gedruckt werden kann. Zwei Typen geeigneter leitfähiger Tinten sind eine metallorganische Zersetzungstinte (MOD-Tinte) und allgemeiner leitfähige Nanoverbundmaterialtinten. MOD-Tinten sind lösungsmittelbasierte Tinten mit metallischen Salzen, beispielsweise Silbersalz. Jedoch bieten wasserbasierte Nanoverbundtinten eine Vielfalt von Vorteilen über herkömmlichen MOD-Tinten, die auf einem organischen Lösungsmittel beruhen, beim Drucken schmaler leitfähiger Muster ohne ihrer regulären Morphologien und ohne verbleibenden Verschmutzungen. Die leitfähigen Nanoverbundtinten sind Subventionen von metallischen Nanopartikel, beispielsweise Silber und Kupfer. Die leitfähigen Nanoverbundtinten sind handelsüblich bei einer Vielfalt von Herstellern verfügbar, beispielsweise sind silberbasierte Nanoverbundtinte ein bei NovaCentrix in Austin, Texas in den Vereinigten Staaten, Cabot Corporation in Boston, Massachusetts in den Vereinigten Staaten und Samsung ElectroMechanics im Suwon, Gyeonggi-do in Südkorea verfügbar.
Die leitfähige Tinte erfordert einen Sintervorgang, um eine kontinuierliche Konnektivität der leitfähigen Nanopartikel zu erzeugen. Der Sintervorgang kann eine Implementierung eines Ofens zum Erhöhen der Temperatur der leitfähigen Tinte umfassen. Die Temperatur des EO-Modulators muss unterhalb der Glasübergangstemperatur der Polymere gehalten werden. Vorzugsweise wird die Temperatur des EO-Modulators unter 100°C (C) gehalten. Eine Anzahl von Technikern kann implementiert werden, um hohe Temperaturen zu vermeiden, während eine kontinuierliche Konnektivität der leitfähigen Nanopartikel ermöglicht wird. Hydrochloride Lösungen können verwendet werden, um eine chemische Beschichtung auf den Nanopartikeln zu lösen. Ein direktes lokalisiertes Heizen der leitfähigen Tinten kann durch direktes widerstandsbasiertes Heizen erreicht werden. Pulsiertes Licht kann das Material über pulsierte ultraviolette Xenon-Bogen-Lampen, nahen infraroten oder anderen Strahlungsquellen sintern.
1B stellt schematisch einen optischen Modulator 10B dar. Der optischen Modular zur 10B ist ähnlich zu dem in 1A gezeigten optischen Modulator, und weist die gleichen Elemente auf, außer dass die den optischen Modulator umfassenden Elemente horizontal angeordnet sind. Zusätzlich zu diesen Elementen ist ein Heizelement 120 in Verbindung mit der Hüllschicht 118 in enger Nähe zur elektrooptischen Region 116 angeordnet. Das Heizelement 120 kann während des Polens des EO-Polymers in der elektrooptischen Region verwendet werden. Das Heizelement 120 kann auch während des Sintervorgangs der leitfähigen Tinten verwendet werden. Zusätzlich kann das Heizelement 120 verwendet werden, um die optischen Eigenschaften des optischen Modulators über den thermooptischen Effekt zu ändern. Beispielsweise kann der Brechungsindex mit zunehmender Temperatur versetzt werden oder alternativ kann eine Modulation des Heizelementes den Brechungsindex modulieren, um dadurch die Phase von Licht zu modulieren, wie in der Technik wohl bekannt ist. Das Heizelement 120 weist vorzugsweise einen hohen Widerstand in der Region nahe zu der optoelektronischen Region auf und wandelt einen elektrischen Strom in Wärme durch Joule-Wärmen in dieser Region um. Erwärmen durch Joule-Wärmen ist bei Materialien, beispielsweise NiChrome, bekannt, wobei NiChrome eine nicht magnetische Regierung aus Nickel, Chrom und häufig Eisen ist, die als ein Widerstandsdraht verwendet wird. Der Widerstandsdraht kann unter Verwendung von fotolytographischen Mustern oder vorzugsweise durch einen Tintenstrahldruck unter Verwendung von Nanoverbundtinte abgeschieden werden.
1C stellt schematisch einen optischen Modular zur 10C dar. Der optischen Modulator zur 10C ist ähnlich zu dem optischen Modulator zur 10A, außer dass die elektrooptischer Region in dem optischen Modular zur 10C horizontal kontinuierlich ist. Die elektrooptischer Region 116 ist oben mit der dielektrischen Hüllschicht 118A gefolgt von einer dielektrischen Pufferschicht 114A und dann der Elektrode 112A in Kontakt. Die elektrooptische Region 116 ist unten mit der dielektrischen Hüllschicht 118B, gefolgt von dielektrischen Pufferschicht 114B und dann der Elektrode 112B in Kontakt.
Eine Vielfalt von Techniken und kann zum Abscheiden der zuvor erwähnten Elemente auf dem EO-Modulator verwendet werden. Das Tintenstrahldrucken kann zum Abscheiden und zum Bilden der leitfähigen Tinte, der dielektrischen Schichten und der elektrooptischen Polymere verwendet werden. Alternativ hierzu können Spin-On-Techniken und ein UV-Drucken kann verwendet werden.
2A zeigt die Tintenstrahl-Druck-Vorrichtung 210A zum Abscheiden von Nanoverbundtinte gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Druckvorrichtung 210 ist zu Erläuterungszwecken vereinfacht. Fachleute werden im allgemeinen den Tintenstrahldruckansatz erkennen, siehe Richard Chartoff et al., ”Functionally Graded Polymere Matrix Nano-Composites by Solid Freedom Fabrication (SFF) (funktional graduierte Polymer-Matrix-Nanoverbund-Stoffe von Solid Freedom Fabrication (SFF)), vorgestellt bei 2003 Solid Freedom (SFF) Symposium und Richard Chartoff et al „Polymermatrix Nano composites by Ink-jet printing (Polymer-Matrix-Nanoverbund Stoffe durch Tintenstrahldrucken)vorgestellt am SFF Symposium in 2005.
Eine Druckvorrichtung 210A hat ein Reservoir 212A und 212B, die eine Nanoverbundtinte 222A bzw. 222B fassen. Die Reservoirs 222A und 222B stellen einem Druckkopf 216A und 216B Nanoverbundtinten 222A und 222B über eine Zuführleitung 214A bzw. 214B bereit. Die Druckköpfen 216A und 216B scheiden Nanoverbundtinte 222A und 222B auf einem Substrat 218 bei speziellen Voxel ab, um dadurch eine Nanoverbundstruktur, beispielsweise den erfindungsgemäßen EO-Modulator zu bilden. Voxel betreffen Positionen im dreidimensionalen Raum. Ein Schlitten 217 positioniert das Substrat 218 gegenüber den Druckköpfen zum Abscheiden der Nanoverbundtinte bei speziellen Voxel.
Das Substrat 218 kann aus einer Vielzahl von Materialien gemacht sein, die Plastik, Glas, Metall, Keramik, organische Wachse, elektrische Schaltungen und Waver umfassen, die die elektronischen Bauteile oder elektrooptische Bauteile berühren. Das Substrat 218 kann Teil der Nanoverbundstruktur sein oder alternativ kann die Nanoverbundstruktur der Oberfläche entfernt werden. Für Anwendungen, bei denen das Substrat Teil des optischen Elements wird, kann das Substrat mit speziellen Eigenschaften ausgewählt werden. Beispielsweise bei Anwendungen, bei denen der EO-Modulator geformt wirkt, kann das Substratmaterial ein leitfähiges Material sein, das als eine Masseebene wird. Das Substrat kann ein Siliziumwaver mit Mikroelektronik sein, wo die Elektroden die Elektronik berühren. Zusätzlich können Siliziumdioxidschichten auf dem Siliziumwaver als dielektrische Schichten für zumindest eine Seite des EO-Modulators verwendet werden. Alternativ kann das Substrat ein Formmaterial mit nicht anhaftenden Eigenschaften sein, die die Entfernung der Nanoverbund Struktur von der Form ermöglichen.
Nach dem Abscheiden der Nanoverbundtinte von einem der Druckköpfe kann das Substrat 218 bezüglich einer Strahlungsquelle 219 zum selektiven Aushärten der Nanoverbundtinte in Voxel positioniert werden. Selektives aus Härten bezeichnet eine lokalisierte Strahlung um Voxel, die die organische Wirt-Matrix aktiviert. Die Aktivierung der organischen Wirt-Matrix verfestigt die Nanoverbundtinte. Das selektive Aushärten bedeutet Null-Aushärten, teilweises Aushärtens oder vollständiges Aushärten, was dementsprechend kein Aushärten, ein teilweises Aushärtens oder ein vollständiges Aushärten der Nanoverbundtinte bedeutet. Andere Strahlungsquelle 219B führen ein Schwallaushärten des Substrates der Nanoverbundtinte auf dem Substrat durch Schwallaushärten ist wünschenswert, wenn die gesamte Nanoverbundtinte teilweise oder vollständig ausgehärtet sein muss.
2B stellt eine Druckvorrichtung 210B ähnlich zu der in 2A gezeigten Druckvorrichtung mit zusätzlichen Reservoirs 212C und 212D dar, die eine Nanoverbundtinte 222C und 222D fassen, eine Zuführleistung 214C und 214D bzw. einen Druckkopf 216C unser 216D dar. Die zusätzlichen Druckköpfe stellen eine zusätzliche Nanoverbundtinte bereit, die sich von der Nanoverbundtinte in den anderen Druckköpfen unterscheidet. Eine unterschiedliche Nanoverbundtinte kann die Nanoverbundtinte sein, die verwendet wird, um den EO-Modulator zu bilden. Beispielsweise kann eines der Reservoirs die leitfähige Nanopartikeltinte fassen und ein anderes kann die Nanoverbundtinte für die die elektrische Schicht fassen und noch ein anderer kann die Nanoverbundtinte für die dielektrischen Pufferschichten fassen. Der Druckkopf kann verschiedene Nanoverbundtinten für die elektrischen Pufferschichten fassen, und mit den hierin nachstehenden Techniken abgeschieden werden, die ermöglichen, dass komplizierte Brechungsgradienten gebildet werden. Ferner können Reservoirs die Nanopartikel und den organischen Wirt umfassen und können auf Aufforderung verschiedene Nanopartikelkonzentrationen für einen oder mehrere Druckköpfe mischen.
Jene EO-Polymere, die zum Tintenstrahldrucker ungeeignet sind, können von einem der Reservoirs gefasst werden. Alternativ hierzu kann ein EO-Polymer unter Verwendung von ultraviolettem Nanodrucken Nano-Stempeltechnologie angewendet werden, die Merkmale in einer Größenordnung von Nanometer ermöglichen. Für Merkmale, die ausreichend klein sind, ist die Nano Drucktechnologie ein bevorzugtes Verfahren. Bei der Nano Drucktechnologie wird eine ursprüngliche Silikonform mit geeignet bemessenen Merkmalen unter Verwendung von Lithographietechniken, die im Stand der Technik bekannt sind, erzeugt. Ein flexibles Formmaterial wird dann aus der ursprünglichen Silikonform hergestellt. Die flexible Form hat das gewünschte Muster zum Drucken mittels stempeln. Beispielsweise kann ein Ein-Modem-Wellenleiter auf die dielektrische Schicht gedruckt werden, der dann mit einem EO-Polymer gefüllt wird, um einen EO-Modulator gemäß der vorliegenden Erfindung zu erzeugen. Zuerst werden die Schichten bis zum EO-Polymer mittels Tintenstrahldrucken, Spin-on-Techniken und anderen wohl bekannten Verfahren abgeschieden. Die dielektrische Hüllschicht ist teilweise durch Belichtung mit ultraviolettem Licht geliert. Die flexible Form wird dann in die gelierte dielektrische Hüllschicht gedrückt. Die gelierte Hüllschicht wird ausreichend ausgehärtet, so dass sie die Gestalt der Form annimmt. Die Form wird dann gelöst, was einen Druck auf der Hüllschicht zurück lässt, die dann durch halten der Merkmalsgestalt der Form ausgehärtet wird. Das EO-Polymer kann dann abgeschieden werden, was die Druckmerkmale füllt. Solche Techniken ermöglichen Wellenleiterkanäle, beispielsweise jene, die in 1A, 1B und 1C gezeigt sind, die ausreichend klein sind, um als ein-Moden-Wellenleiter zu agieren. Alternativ hierzu kann ein Nanostempel verwendet werden, um Merkmale entweder in einem positiven Muster oder einem negativen Muster in Fotolack zu gestalten oder Metall kann optisch ausgehärtet werden. Dann kann ein feuchtes chemisches verarbeiten oder induktiv gekoppeltes Plasmaätzen verwendet werden, um die Merkmale zu definieren.
2C stellt schematisch ein weiteres Detail der Abscheidung der Nanoverbundtinte dar, die in 2A und 2B gezeigt ist. Die Nanoverbundtinte 222A, die auf dem Substrat 218 abgeschieden wird, wird mittels einer Nanoverbund-Luft-Schnittstelle 226A gebondet. Die Nanoverbundtinte besteht aus der organischen Matrix mit dispergierten Nanofüllstoffen 224A über die organische Matrix. Die organische Matrix ist ein durch einen Tintenstrahldrucker druckbares, optisch klares, foto-aushärtbares Wachs. In Abhängigkeit von dem Element des EO-Modulators können unterschiedliche Nanoverbundtinten verwendet werden. Wie zuvor erwähnt wurde, basieren die leitenden Nanoverbundtinten primär auf Silber. Vier nicht einschränkende Beispiele eines organischen Matrixmaterials für die elektrischen Schichten sind Polyacrylat, Hexanedioldiacrylat (HDODA), Polymethylmetacrylat (PMMA), diethylenglycoldiacrylart (DEGDA) und SU-8. Die Nanofüllstoffe sind keramische Nanopartikel, die ausreichend klein bezüglich der Lichtwellenlängen sind, die zur Benutzung als Wellenlängen beabsichtigt sind, um Licht nicht zu streuen. Die Nanoverbundtinte kann sich durch den Nanofüllstofftyp, den Typ der organischen Wirtsmatrix oder Konzentrationen der Nanofüllstoffen oder Kombinationen davon unterscheiden. Nicht beschränkende Beispiele von Nanofüllstoffen umfassen Berilliumoxid (BeO), Aluminiumnitrid (A Ein Lo), Siliziumcarbid (SiC) Zinkoxid (ZnO), Zinksulfid (ZnS), Zirkoniumoxid (Zro), Ytterbiumorthovanadate (YVO₄) Titanoxid (TiO₂), Kupfersulfid (CuS₂) Cadmiumselenid (CdSe), Bleisulfid (PbS), Molybdänsulfid. (MoS₂) und Siliziumdioxid (SiO₂) einschließlich derer mit einem Kern, Kern-Hülle und Kern-Hülle-Liegand-Architekturen. Der Brechungsindex der dielektrischen Hüllschicht kann durch die Verwendung von Nanoverbundtinte modifiziert werden. Die Nanoverbundtinte kann durch den Typ des organischen Füllmaterials, den Typ des Nanofüllstoffes und der Konzentration der Nanofüllstoffe in der organischen Matrix eingestellt werden. Der Brechungsindex einer Nanoverbundtinte wird durch die Summation von Volumenprozent der optischen Eigenschaften des organischen Wirt und der Nanofüllstoffe bestimmt. Die Volumenkonzentration der Nanopartikel zu dem organischen Wirt sollen etwa 0,25 Volumen Prozent bis etwa 70 Volumenprozent in Abhängigkeit der gewünschten Änderungen der Eigenschaften sein. Verschiedene Beispiele von Kombinationen von Nanopartikel und einem organischen Wirt und Chemikalien sind in der US-Patentanmeldung US 14/036660 von der gleichen Anmelderin der vorliegenden Erfindung beschrieben, wobei deren gesamte Offenbarung hierbei durch Bezugnahme aufgenommen wird.
2D stellt schematisch die Nanoverbund Struktur 21, die in 2C gezeigt ist, mit einer zusätzlichen Abscheidung von Nanoverbundtinte 222B bei einem Voxel über dem Voxel der Nanoverbundtinte 222A dar.
Hier ist die Nanoverbundtinte 222B nach der Abscheidung gezeigt, die durch dispergierte Nanofüllstoffe 226 eine Tinte-Tinte-Schnittstelle 228A (wo das Mischen zwischen den Nanopartikeltinten noch nicht aufgetreten ist) und einer Luft-Tinte-Schnittstelle 226B gekennzeichnet ist.
2E stellt schematisch die Nanoverbundstruktur 21 als diejenige, die in 2D gezeigt ist, da, wobei das selektive Aushärten der Nanoverbundtinte 222A vor der Abscheidung der Nanoverbundtinte 222B ein Null-Aushärten war. Eine Nanoverbundtinte 230 ist die resultierende Mischung des nicht ausgehärteten Nanoverbundmaterials 222A und 222B. Die Nanoverbundtinte 230 ist durch eine Luft-Tinte-Schnittstelle 32 und darin dispergierten Nanofüllstoffen 224A und 224B gekennzeichnet. Der Brechungsgradient zwischen der Oberseite und der Unterseite der Nanoverbundtinte 230 hängt von der konvektiven Mischung ab, die aus der relativen Größe, Geschwindigkeiten und Konzentrationen der Nanofüllstoffe zwischen den Nanoverbundtinten einem beliebigen Aushärten der Nanoverbundtinte-Tropfen 222A vor dem Abscheiden der Nanoverbundtinte 222B, der Temperatur des Substrates und der Zeit, die für die Diffusion der Nanofüllstoffe von den Nanoverbundtinten 222A und 222B vor dem zusätzlichen teilweisen Aushärten der Nanoverbundtinten zugelassen wird, resultiert.
2F stellt schematisch die Nanoverbundstruktur von dem dar, was in 2D gezeigt ist, wobei das Nanoverbundmaterial 222A teilweise ausgehärtet wurde. Hier resultiert das teilweise Aushärten des Nanoverbundmaterials 222A in einem Gradientenbereich 222 zwischen dem Nanoverbundmaterialien 222A und 222B. Das Ausmaß des Gradientenbereichs 222B hängt von dem selektierten Aushärten der Nanoverbundtinte 222A ab. Das Null-Aushärten erlaubt die Mischung der Nanoverbundtinten, wie exemplarisch in 2E dargestellt ist. Teilweises Aushärten ermöglicht eine Diffusion eines beschränkten Gradientenbereichs 228A, wie in 2F exemplarisch dargestellt ist. Ein vollständiges Aushärten ermöglicht eine kleine Diffusion und resultiert in einer wesentlichen Tinte-Tinte-Schnittstelle 228A, wie in 2D exemplarisch dargestellt ist. Zusätzlich zum Kontrollieren der Gradientenbereiche reduziert das teilweise Aushärten vor der nachfolgenden Abscheidung die Belastung und Spannung in dem resultierenden optischen Element.
2G stellt schematisch die Nanoverbundstruktur 21, wie in 2A und 2B gezeigt ist, dar, wo die Nanoverbundtinte Seite bei Seite abgeschieden ist. Hier wird die Nanoverbundtinte 222B mit Nanofüllstoffen 224B und einer Tinte-Luft-Schnittstelle 226B entlang der Seite einer Nanoverbundtinte 222C abgeschieden. Die Nanoverbundtinte 222C hat keine Nanofüllstoffe, die durch eine Luft-Schnittstelle 226 gebunden sind.
2H stellt schematisch die Nanoverbundstruktur 21, wie sie in 2G gezeigt ist, dar, wo sich die Nanoverbundtinte 222B mit dem Nanoverbundmaterial 222C verbunden hat, was in einem Gradienten-Nanoverbundmaterial 222D resultiert. Hier werden Nanoverbundmaterialien 222D durch eine Tinte-Luft-Schnittstelle 226D gebunden und weist Nanofüllmaterial 224D auf, die die gleichen Nanofüllstoffe wie bei der Nanoverbundtinte 222B sind, die entlang einem Brechungsgradientenprofil 229B verteilt sind. Der Gradient ist ein Resultat der Mischung der Nanoverbundmaterialien, wo die teilweise Aushärtung des Nanoverbundmaterials 222B minimal war und die zuvor erwähnte konvektive Mischung und Zeit vor dem weiteren teilweisen Aushärten zugelassen wurde. Das Brechungsgradientenprofil 229B wird durch einen hohen Brechungsindex n_B charakterisiert, wobei der höhere Brechungsindex aufgrund höherer Konzentrationen der Nanopartikel 224D auftritt, wobei der Brechungsindex des Brechungsgradienten langsam und glatt in der y-Richtung zu einem niedrigeren Brechungsindex n_C übergeht, wobei der niedrigere Brechungsindex aufgrund der niedrigeren Konzentration der Nanopartikel 224D auftritt.
2I stellt schematisch die Nanoverbundstruktur 21, wie in 2G gezeigt ist, dar, wobei die Nanoverbundtinte 222B teilweise vor der Abscheidung der Nanoverbundtinte 222C ausgehärtet wurde. Hier resultiert das teilweise Aushärten der Nanoverbundtinte 222B in einer beschränkten Mischung der Nanoverbundtinte 222C an einer Schnittstelle 224AB, was wiederum in einem Brechungsgradienten 229C resultiert. Das Brechungsgradientenprofil 229C wird durch einen hohen Brechungsindex n_B charakterisiert, wobei der hohe Brechungsindex aufgrund der höheren Konzentration der Nanopartikel 224D auftritt, wobei der Brechungsindex des Brechungsgradienten in der y-Richtung unverändert bleibt, bis er schnell zu einem niedrigen Brechungsindex n_B an der früheren Schnittstelle 224AB übergeht. Alternativ hierzu könnte das Brechungsgradientenprofil 229C ohne teilweiser Aushärtung der Nanoverbundtinte 222B vor dem Abscheiden des Nanoverbundmaterials 222C hergestellt werden, indem die zuvor erwähnten Mischfaktoren beschränkt werden, um so die Abscheidegeschwindigkeiten der Nanoverbundtinte zu steuern und durch Begrenzen der Diffusionstemperatursteuerung des Substrates und durch Aushärten der abgeschiedenen Nanoverbundtinten innerhalb einer gesteuerten Zeit.
2J stellt schematisch ein anderes Verfahren zum Mischen von Nanoverbundtinte dar. Die Nanoverbundtinte 226B und die Nanoverbundtinte 226C werden so abgeschieden, dass die entsprechenden Druckköpfe ausgerichtet sind, um zu bewirken, dass sich die Nanoverbundtinten in der Luft mischen, was eine Nanoverbundtinte 222E erzeugt. Die Nanoverbundtinte 222E scheidet sich dann gemischt auf dem Substrat 118 mit einem Nanofüllmaterial 224E ab, das durch eine Tinte-Luft-Schnittstelle 226B gebunden ist.
3A stellt schematisch einen Phasen-EO-Modulator 30 gemäß der vorliegenden Erfindung dar. Der EO-Modulator 30 ist ohne Detaillierung der dielektrischen Schichten gezeichnet. Die EO-Moderator-Struktur wie sie in 1A, 1B und 1C beschrieben wurde und das zuvor erwähnte Verfahren zum Herstellen können verwendet werden und ist anwendbar für die vorliegende Implementierung des EO-Modulators und anderem für das, das hierin nachstehend beschrieben wird. Der EO-Modulator 30 ist als einfacher Wellenleiter mit einer elektrooptischen Region 116 beschrieben. Die Wellenleitergeometrie wird vom Brechungsindex des verwendeten Materials und der Wellenlängen des Lichts abhängen, wie im Stand der Technik wohl bekannt ist. Licht passiert durch einen Wellenleiter 302, der mit der elektrooptischen Region verbunden ist und wird mit der elektrischen Modulation über die Elektrode 112A, die mit einem einzelnen Generator verbunden ist, und über die Elektrode 112B phasenmoduliert, die mit der elektrischen Masse verbunden ist. Die Modulation der elektrooptischen Region moduliert den Brechungsindex der elektrooptischen Region über nicht-lineare Effekte zweiter Ordnung. Die Änderung des Brechungsindex der elektrooptischen Region verursacht eine Änderung der optischen Pfadlänge über die elektrooptische Region, um dadurch eine Phasenänderung des dadurch verlaufenden Lichts zu induzieren. Ein Potenzial in der Größe von mehreren Volt ist typischerweise für die Phasenmodulation erforderlich.
3B zeigt schematisch einen Amplituden-EO-Modulator 31. Der EO-Modulator 31 ist der gleiche wie der EO-Modulator, der in 3A gezeigt ist, mit der Hinzufügung von zwei gekreuzten linearen Polarisierungseinrichtungen. Eine Polarisierungseinrichtung 304A ist auf einem Wellenleiter 302 positioniert, so dass das Licht durch die Polarisierungseinrichtung verläuft, bevor es in die elektrooptische Region eintritt. Eine Polarisierungseinrichtung 304B ist nach der elektrooptischen Region positioniert und 90° bezüglich der Polarisierung Einrichtung 304A orientiert, wobei die Polarisierungseinrichtungen Licht blockieren, dessen Phase sonst unverändert ist, was nicht zulässt, dass Licht durch den Amplituden-EO-Modulator passiert. Die Phasenmodulation des durch die elektrooptischen Region verlaufenden Lichtes ändert die Phase des Lichtes, so dass es nicht vollständig durch die Polarisierungseinrichtung 304B blockiert wird. Fachleute werden generell dieses Design erkennen.
3C stellt schematisch einen anderen EO-Modulator 32 dar. Der EO-Moderator 32 hat einen Wellenleiter 306, der einen einzigen Wellenleiter 304 aufweist, der sich in einem ersten Arm 304A und einen zweiten Arm 304B aufteilt, die in einen einzigen Wellenleiter 304 rekombiniert werden. Der erste Arm 304 umfasst die elektrooptische Region 116A, begleitende dielektrische Schichten (nicht gezeigt) und Elektroden 112A und 112B. Der zweite Arm 304B umfasst keine elektrooptischer Region. Die Phasenmodulation im ersten Arm erzeugt eine Phasenverschiebung zwischen Licht, das von dem ersten Arm und dem zweiten Arm rekombiniert, was in einer konstruktiven oder destruktiven Indifferenz resultiert, wodurch das Ausgangssignal von dem Wellenleiter 304 moduliert wird. Fachleute werden im Allgemeinen die Konstruktion als einen EO-Modulator vom Typ Mach-Zender (MZ) erkennen.
3D stellt schematisch einen Push-Pull-EO-Modulator 32 dar. Der Push-Pull-Modulator 32 ist ähnlich zu dem in 3C gezeigten Modulator mit der Hinzufügung eines EO-Modulators im zweiten Arm 304B. Der zweite Arm 304B umfasst eine elektrooptische Region 116B und Elektroden 112C und eine gemeinsam verwendete Masseelektrode 112B. Ein elektrisches Signal, das an die Elektrode 112C angelegt wird, wird verglichen mit der Elektrode 112A invertiert, was in einer Push-Pull-Typ-Modulation resultiert.
3E stellt schematisch eine lineare Anordnung von EO-Modulatoren 34 dar. EO-Modulatoren 30A, 30B, 30C, 30D und 30E sind im Wesentlichen gleich wie der Phasen-EO-Modulator 30, der in 3A gezeigt ist. Die EO-Modulatoren sind linear mit einem variablen Abstand zwischen jedem Modulator in der y-Richtung angeordnet. Der Abstand zwischen dem Ausgang der EO-Modulatoren kann durch Abknicken erreicht werden, wie für alle Wellenleiter in jedem EO-Modulator mit der Ausnahme des EO-Modulators 30C gezeigt ist. Die Distanz zwischen jedem der EO-Modulatoren, der Abschluss eines jeden EO-Modulators in der z-Richtung und die Phasenänderung, die durch die Modulation der elektrooptischen Regionen bewirkt wird, bewirkt eine Phasendifferenz zwischen jedem Ausgang. Das Ausgangssignal ist durch ein Profil 308A charakterisiert, dass eine Intensitätsverteilung zeigt, die durch konstruktive und destruktive Interferenz in der y-Achse basiert auf Phasendifferenzen verursacht wird, die durch die lineare Anordnung von EO Modulatoren bewirkt wird. Ein Profil 308B zeigt eine gestrichelte Linie, die ein anderes Intensitätsprofil zeigt, das durch eine flache obere Verteilung charakterisiert ist, die eine generische flache obere Verteilung in der y-Richtung zeigt, die durch die Phasenmodulation des EO-Modulators erreichbar ist.
3F zeigt schematisch einen geknickten Wellenleiterkoppler 35. Der geknickte Wellenleiterkoppler 35 ist in einer Querschnittsansicht entlang des Wellenleiters gezeigt. Der Wellenleiterkoppler 35 ist durch einen Wellenleiter 302 charakterisiert, der in einen Brechungsgradienten 310A übergeht, der Licht in die elektrooptischer Region bricht, um dadurch das Licht aus dem Wellenleiter in die elektrooptischer Region zu knicken. Die elektrooptische Region ist durch die dielektrischen Umhüllungsschichten 118A und 118B umgeben, wobei die dielektrischen Hüllschichten 118B der Wellenleiter 202 sind. Die dielektrischen Hüllschichten sind durch dielektrische Pufferschichten 114A und 114B umgeben, die die Elektroden 112A bzw. 112B berühren. Das Licht breitet sich durch die elektrooptische Region aus und kehrt zum Wellenleiter über einen Brechungsgradienten 310B zurück. Der geknickt der Wellenleiterkoppler ermöglicht, dass die elektrooptische Region unabhängig von dem Wellenleiter gebildet wird, was eine Konstruktion mit unterschiedlichen Geometrien ermöglicht und dadurch unterschiedliche Modal-Konstruktionen für die elektrooptischer Region ermöglicht.
3G stellt schematisch einen geraden Wellenleiterkoppler 36 dar. Der gerade Wellenleiterkoppler 36 ist ähnlich zu dem Wellenleiterkoppler 35, außer dass der gerade Wellenleiterkoppler 36 Licht von dem Wellenleiter 302 gerade in die elektrooptischer Region über einen geraden Brechungsgradienten 312 koppelt und die elektrooptische Region über einen geraden Brechungsgradienten 312B verlässt. Sowohl der geknickte Wellenleiterkoppler als auch der gerade Wellenleiterkoppler können verwendet werden, um Licht in die hierin beschriebenen elektrooptischen Regionen zu koppeln.
4A ist eine perspektivische Ansicht teilweise im Querschnitt, die schematisch einen zweidimensionalen Matrix-Phasen-EO-Modulator 40 darstellt. Der EO-Modulator 40 umfasst EO-Modulatoren, die durch eine indizierte X-Y-Bezeichnung dargestellt sind. Beispielsweise sind die EO-Modulatoren 30 ₁₁, 30 ₁₂, 30 ₁₃ und 30 ₁₄ alle in der gleichen y-Koordinate angeordnet. Ähnlicherweise sind die EO-Modulatoren 30 ₁₄, 30 ₂₄, 30 ₃₄ und 30 ₄₄ alle um die gleiche x-Koordinate angeordnet. Nicht alle EO-Modulatoren sind zu Darstellungszwecken bezeichnet, aber unter Verwendung der folgenden Richtlinien kann ein bestimmter EO-Modulator identifiziert werden. Der Bezug zu den EO-Modulatoren mit der Bezeichnung 30 _xy wird im Plural mit der Referenznummer-Bezeichnung 30 _xy hergestellt. Die EO-Modulatoren 30 _xy sind alle im Wesentlichen ähnlich zu dem EO-Modulator 30, wie in 3A gezeigt ist und wie durch den EO-Modulator 30 ₁₁ exemplarisch dargestellt ist. Die EO-Modulatoren 30 _xy können in einem Gitter radial und mit einem verschiedenen Abstand, der ähnlich zu dem in der linearen Anordnung in 3E gezeigt ist, angeordnet sein. Die Position und die Abstände zwischen jedem der EO-Modulatoren definiert eine Phasenmatrix, die Strahlungsmuster erzeugen kann und diese Strahlungsmuster ändern kann und, und zwar durch eine konstruktive und eine destruktive Interferenz, sowie durch Modulation der Phase über eine Modulation der einzelnen EO-Modulatoren.
4B ist eine Querschnittsansicht, die schematisch das darstellt, was in 4A gezeigt ist, wobei eine Linsenanordnung hinzugefügt ist, die mittels eines Tintenstrahls gedruckt ist. Ein optischer Modulator 41 umfasst EO-Modulatoren, wie diejenigen, die in den EO-Modulator 40 in 4A gezeigt sind, wobei der EO-Modulator 41 ferner eine Linsenanordnung 402 aufweist. Die Linsenanordnung 402 ist eine mittels eines Tintenstrahls gedruckte Gradientenbrechungsindex-Linsenanordnung (GRIN), die als Teil des EO-Modulators gedruckt ist. Die Linsenanordnung 402 umfasst einzelne GRIN-Linsen für einen individuellen EO-Modulator, wobei 404 ₁₄, 440 ₂₄, 404 ₃₄ und 404 ₄₄ gezeigt sind. Jede GRIN-Linse wird durch eine Grauskala charakterisiert, wobei die dunklen Bereiche einen höheren Brechungsindexes und folglich eine höhere Konzentration von Nanopartikel darstellen. Der EO-Modulator ist funktional ähnlich zu dem EO-Modulator 40 von 4A, außer dass die Lichtstrahlung, die durch Strahlen 440A, 440B, 440C und 440D exemplarisch dargestellt sind durch die GRIN-Linse eines jeden entsprechenden Strahls direktionalisiert ist.
5A und 5B stellen schematisch einen elektrooptischen Modulator 50 mit einer zufälligen Phase gemäß der vorliegenden Erfindung dar. 5A ist eine perspektivische Ansicht und 5B ist eine Querschnittsansicht. Der elektrooptische Modulator 50 mit einer zufälligen Phase umfasst eine elektrooptischer Region 502, wobei die elektrooptische Region kreisförmig mit einer offenen Öffnung ist, die einem Lichtstrahl erlaubt, einzutreten und auszutreten. Die elektrooptischer Region 502 hat mehrere zufällig verteilte Taschen eines elektrooptischen Materials 504 innerhalb der dielektrischen Schichten 118, so dass das Licht, das in den Zufallsphasen-EO-Modulator eintritt, durch zumindest einen Bereich des elektrooptischen Materials 504 geleitet wird. Die elektrooptische Region 502 ist durch eine dielektrische Pufferschrift um den gesamten Umfang der elektrooptischen Region 502 umgeben. Die Elektroden 112A, 112B, 112C und 112D sind um den Umfang der elektrooptischen Region mit Pufferschichten dazwischen gleichmäßig beabstandet. Die elektrischen Signale auf den Elektroden 112A, 112B oder 112D oder Kombinationen davon bewirken eine Modulation des zufällig positionierten elektrooptischen Materials 504. Die Elektrode 112C wird als Beispiel als Masse markiert. Eine Hochfrequenzmodulation, eine Erzeugung von gemischten Zufallssignale oder Kombinationen davon auf den Elektroden 112A, 112B oder 112D ermöglichen eine zufällige Phasenmodulation des Lichts, das in den Zufallsphasenmodulator eintritt oder aus diesem austritt. Große Potenziale sind für den größeren elektrooptischen Zufallsphasenmodulator verglichen mit anderen beschriebenen EO-Modulatoren erforderlich.
6A und 6B stellen schematisch einen Strahlsteuerungs-EO-Modulator 32 gemäß der vorliegenden Erfindung dar. Unter Bezugnahme auf 6A weist eine elektrooptische Region 116 ein Gradientenbrechungsprofil mit dem über die Elektroden 112A und 112B angelegten elektrischen Feld auf. Das Brechungsgradientenprofil entsteht aufgrund dem Variieren der EO-Polymer-Konzentration in der elektrooptischen Region. Ein Lichtstrahl 630A wird durch die elektrooptische Region gebrochen und tritt unter einem Winkel aus. Es wird auf 6B Bezug genommen, bei der kein elektrisches Feld angelegt wird, was darin resultiert, dass in der elektrooptischen Region kein Brechungsgradient vorhanden ist. Ein Lichtstrahl 630B verläuft durch die elektrooptische Region und tritt unter dem gleichen Winkel, mit denen das Licht eingetreten ist, aus.
Von der Beschreibung der vorliegenden Erfindung, die hierin bereitgestellt ist, kann der Fachmann den EO-Modulator konstruieren und ihn in den beschriebenen Anwendungen gemäß der vorliegenden Erfindung implementieren. Fachleute, an die die vorliegende Erfindung gerichtet ist, werden erkennen, dass während die zuvor beschriebenen Ausführungsformen des erfinderischen optischen Elementes und des Verfahrens zum Herstellen exemplarisch unter Verwendung bestimmter Konfigurationen oder Abscheidetechniken dargestellt wurden, andere verwendet werden können, ohne vom Geist und Bereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Zusammenfassend ist die vorliegende Erfindung zuvor auf spezielle Ausführungsformen gerichtet beschrieben. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die hierin beschriebenen und abgebildeten Ausführungsformen beschränkt. Vielmehr ist die Erfindung lediglich durch die hieran angefügten Patentansprüche begrenzt.

Claims

Optische Nanoverbundmaterial-Modulator-Einrichtung, aufweisend: eine optisch transparente elektrooptische Region zur optischen Übertragung auf Grundlage von Phasenverschiebungseffekten, wobei die elektrooptische Region ein elektrooptisches Material umfasst, das nicht-lineare Effekte zweiter Ordnung aufweist; einen oder mehrere dielektrische Schichten, wobei zumindest eine der dielektrischen Schichten die elektrooptische Region berührt; eine oder mehrere Elektroden, wobei sich die Elektroden in der Nähe der elektrooptischen Region befinden; und wobei zumindest eines der zuvor erwähnten Elemente eine ausgehärtete Nanoverbundtinte mit einem Nanopartikelanteil von etwa 0,25% bis etwa 70% bezogen auf das Volumen aufweist, wobei eines der zuvor erwähnten Elemente einen Nanopartikelanteil aufweist, um die optische Ausbreitung zu ändern.
Einrichtung nach Anspruch 1, wobei eine oder mehrere der Elektroden einen oder mehrere dielektrische Schichten berühren, wobei die dielektrische Schicht eine Pufferschicht mit einem Nanopartikelanteil ist, der die dielektrische Stärke der dielektrischen Pufferschicht erhöht.
Einrichtung nach Anspruch 1, wobei die elektrische Leitfähigkeit in einem oder mehreren der dielektrischen Schichten mit einem Chromophoranteil in dem organischen Wirt-Material der dielektrischen Schicht erhöht wird.
Einrichtung nach Anspruch 1, wobei die elektrooptische Region zufällig verteilt ist, da Taschen des elektrooptischen Materials innerhalb des transparenten organischen Materials keine elektrooptischen Eigenschaften aufweisen.
Einrichtung nach Anspruch 1, wobei die Modulation der elektrooptischen Region den Austrittwinkel eines Lichtstrahls moduliert.
Einrichtung nach Anspruch 1, ferner aufweisend ein Substrat, wobei das Substrat ein Waver, eine Platine oder eine andere Einrichtung mit Elektronik ist.
Einrichtung nach Anspruch 1, ferner aufweisend ein Heizelement, wobei sich das Heizelement in der Nähe der elektrooptischen Region befindet, wobei Hitze von dem Heizelement den Brechungsindex der elektrooptischen Region ändert.
Einrichtung nach Anspruch 1, wobei die dielektrische Schicht im Kontakt mit der elektrooptischen Region eine Hüllschicht ist, wobei die Hüllschicht und die elektrooptische Region einen elektrooptischen Ein-Modem-Wellenleiter bilden.
Einrichtung nach Anspruch 8, ferner aufweisend einen weiteren Wellenleiter, wobei der Wellenleiter die Lichtstrahlung in einem ersten Arm und einen zweiten Arm teilt, wobei der erste Arm den elektrooptischen Wellenleiter aufweist und der erste und der zweite Arm rekombinieren.
Einrichtung nach Anspruch 8, ferner aufweisend einen Wellenleiterkoppler, wobei der Wellenleiterkoppler Licht von einem Wellenleiter in die elektrooptischer Region richtet.
Einrichtung nach Anspruch 1, wobei der Wellenleiterkoppler eine Brechungsgradientenregion aufweist, wobei die Brechungsgradientenregion den Verlust zwischen dem Wellenleiter und der elektrooptischen Region reduziert.
Einrichtung nach Anspruch 10, wobei die Größe und der Brechungsindex der elektrooptischen Region Fehlanpassungsverluste der Wellenleiter-Mode zwischen dem Wellenleiter und der elektrooptischen Region reduzieren.
Optischer Nanoverbundmaterial-Modulator-Einrichtung, aufweisend eine Mehrzahl transparenter elektrooptischer Regionen für eine optische Übertragung auf Grundlage von Verschiebungseffekten, wobei die elektrooptische Region ein elektrooptisches es Material umfasst, das nicht-lineare Eigenschaften zweiter Ordnung aufweist; eine Mehrzahl von einem oder mehreren Hüllschichten, wobei zumindest eine der dielektrischen Schichten von jeder der entsprechenden Mehrzahl die elektrooptische Region der entsprechenden Mehrzahl berührt; eine Mehrzahl von einer oder mehreren Elektroden, einer jeder sprechenden Mehrzahl in der Nähe zu der elektrooptischen Region der entsprechenden Mehrzahl; wobei zumindest eines der zuvor erwähnten Elemente in jeder Mehrzahl eine ausgehärtete Nanoverbundtinte mit einem Nanopartikelanteil von etwa 0,25% bis etwa 70% bezogen auf das Volumen ist, wobei eines der zuvor erwähnten Elemente einen Nanopartikelanteil aufweist, um die optische Ausbreitung zu ändern und wobei eine Mehrzahl EO-Modulatoren gebildet ist.
Einrichtung nach Anspruch 13, ferner aufweisend einen Wellenlängenkoppler, wobei der Wellenlängenkoppler Licht von einem Wellenleiter in die elektrooptischer Region richtet.
Einrichtung nach Anspruch 13, wobei die elektrische Leitfähigkeit in einem oder mehreren Schichten der Mehrzahl dielektrische Schichten mit einem Chromophoranteil in dem organischen Wirt-Material der dielektrischen Schicht erhöht wird.
Einrichtung nach Anspruch 13, ferner aufweisend ein Substrat, wobei das Substrat ein Waver, eine Platine oder eine andere Einrichtung mit Elektronik ist.
Einrichtung nach Anspruch 13, wobei für jeden entsprechenden EO-Modulator ein oder mehrere der dielektrischen Schichten, die die optoelektronische Region berühren, Hüllschichten sind, wobei die Hüllschicht und die elektrooptische Region einen elektrooptischen Einzel-Modem-Wellenleiter bilden.
Einrichtung nach Anspruch 17, ferner aufweisend einen Wellenleitersplitter, wobei der Wellenleitersplitter die Lichtstrahlung in einen ersten Arm und einen zweiten Arm aufteilt, wobei der Arm in einen einzelnen Wellenleiter rekombiniert, wobei der erste Arm und der zweite Arm je zumindest eine elektrooptischer Region aufweisen.
Einrichtung nach Anspruch 17, wobei die Mehrzahl elektrooptischer Wellenleiter in einer zweidimensionalen Ebene orientiert sind.
Einrichtung nach Anspruch 17, wobei die Mehrzahl von Wellenleitern eine dreidimensionale Anordnung einer elektrooptischen Phasenanordnung bilden.
Einrichtung nach Anspruch 20, ferner aufweisend eine GRIN-Linsenanordnung, wobei die GRIN-Linsenanordnung eine Mehrzahl von GRIN-Linsen entsprechend der Mehrzahl von EO-Modulatoren aufweist, die Licht von dem EO-Modulator ausrichten.
Einrichtung nach Anspruch 17, ferner aufweisend einen Wellenleiterkoppler für jede der entsprechenden Mehrzahl von EO-Modulatoren, wobei der Wellenleiterkopller Licht in die elektrooptische Region in jedem der entsprechenden Mehrzahl von EO-Modulatoren richtet.
Einrichtung nach Anspruch 22, wobei der Wellenleiterkoppler ein geknickter Wellenleiterkoppler ist.
Einrichtung nach Anspruch 22, wobei die Größe der elektrooptischen Region und der Brechungsindex so konstruiert ist, dass er Fehlanpassungsverluste der Wellenleiter-Mode zwischen dem Wellenleiter und der elektrooptischen Region reduziert.
Einrichtung nach Anspruch 17, ferner aufweisend ein Heizelement für jeden der Mehrzahl von EO-Modulatoren, wobei die Wärme von dem Heizelement dem Brechungsindex der elektrooptischen Region in dem entsprechenden EO-Modulator ändert.