ES2223052T3 - Modulador y detector optoelectronico y metodos para la modulacion y deteccion de ondas opticas. - Google Patents
Modulador y detector optoelectronico y metodos para la modulacion y deteccion de ondas opticas.Info
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Abstract
LA INVENCION ES UN DISPOSITIVO OPTOELECTRONICO PARA ACOPLAR ENTRE UNA ONDA OPTICA EXTERNA (10) Y UNA ONDA OPTICA LOCAL (16, 18, 20). LA ONDA LOCAL ESTA SOPORTADA POR UNA MULTIPLICIDAD DE ELECTRODOS (12), Y UNA ESTRUCTURA ASOCIADA CON LOS ELECTRODOS. LA MULTIPLICIDAD DE ELECTRODOS ESTA SEPARADA EN UNA FORMA SUBSTANCIALMENTE REGULAR Y ESTA ADAPTADA PARA DOS FUNCIONES. PRIMERO, LOS ELECTRODOS SE ACOPLAN DE FORMA RESONANTE ENTRE LA ONDA EXTERNA Y LA ONDA LOCAL. SEGUNDO, LOS ELECTRODOS PERMITEN UNA DIFERENCIA DE POTENCIAL ENTRE ELECTRODOS ADYACENTES. EN UNA REALIZACION, LOS ELECTRODOS SON ELECTRODOS SUBSTANCIALMENTE PLANOS, DE METAL, INTERCALADOS QUE INCLUYEN UNA PRIMERA UÑETA Y UNA SEGUNDA UÑETA (22, 24). LOS ELECTRODOS ESTAN ADEMAS ADAPTADOS PARA PERMITIR UNA DIFERENCIA DE POTENCIAL ENTRE LAS PRIMERA UÑETAS Y LAS SEGUNDAS UÑETAS. ADEMAS, LA ESTRUCTURA ASOCIADA CON LOS ELECTRODOS ES UN SUBSTRATO DE SILICIO SUBSTANCIALMENTE PLANO (14) QUE ESTA EN CONTACTO CON LOS ELECTRODOS. LA ONDA LOCAL ES UNPLASMON SUPERFICIAL (16) SOPORTADO POR LOS ELECTRODOS DE METAL Y EL SUBSTRATO DE SILICIO. EL INDICE DE REFRACCION DEL SILICIO PUEDE ALTERARSE VARIANDO LA DIFERENCIA DEL POTENCIAL A TRAVES DE LAS PRIMERAS Y DE LAS SEGUNDAS UÑETAS DE LOS ELECTRODOS. EL ACOPLADOR OPTOELECTRONICO PUEDE CONFIGURARSE PARA MODULAR O DETECTAR LUZ INCIDENTE.
Description
Modulador y detector optoelectrónico y métodos
para la modulación y detección de ondas ópticas.
Este invento se refiere a un acoplador
optoelectrónico. Dos aplicaciones del acoplador son como modulador
óptico o como detector óptico.
Los recientes avances en tecnología han producido
un interés en el campo de la fotónica -el campo relativo a la
generación, manipulación, modulación y detección de ondas luminosas
y ópticas, en las que se utilizan la luz y la óptica para referirse
a las regiones ultravioleta, visible, cercana a la infrarroja e
infrarroja media (hasta longitudes de onda de aproximadamente 15
\mum) del espectro electromagnético. También ha habido el
correspondiente interés en dispositivos fotónicos.
Específicamente, los moduladores ópticos que
modulan las propiedades de las ondas ópticas que inciden en ellos y
los detectores que son sensibles a la fuerza de las ondas
incidentes son dos bloques fundamentales de casi todos los sistemas
fotónicos. Por ejemplo, cada día que pasa es mayor la importancia de
las fibras ópticas y, en tal sistema, la información se comunica
codificando la información en un haz luminoso, transmitiendo el haz
al receptor y decodificando el haz recibido. La codificación se
realiza usando una fuente de luz constante modulada por un
modulador óptico, y se requiere un detector para decodificar el haz
recibido. Como otro ejemplo, a medida que los ordenadores son más
potentes, van estando más limitados por las comunicaciones que por
el procesador. Esto es, el cuello de botella de la velocidad del
ordenador tiende a depender cada vez más del tiempo requerido para
comunicar las diversas partes del ordenador que del tiempo
requerido para realizar los cálculos. Una posible solución es usar
interconexiones ópticas en vez de electrónicas, ya que la tecnología
fotónica ofrece una potencialmente mayor ventaja de velocidad. En
un enfoque de este tipo los moduladores y detectores ópticos pueden
usarse para codificar y decodificar bits de la misma forma que en
los sistemas de fibra. Como un ejemplo final, la llegada de los
dispositivos de gran almacenaje y de los canales de comunicación de
banda ancha permiten a nuestra sociedad ir hacia comunicaciones
basadas en figuras, ejemplos principales son el gran incremento del
número de aparatos de fax y la cantidad de programación de
televisión, y la visualización y captación de estas imágenes
requiere moduladores y detectores. En un aparato de fax, los
detectores pueden usarse para captar la imagen en el lado de
transmisión mientras que los moduladores pueden usarse para recrear
la imagen, en la impresora láser, en el lado de recepción.
Detectores y moduladores pueden representar papeles similares en la
transmisión de vídeo. Como un resultado directo de estos avances
tecnológicos, existe una siempre creciente demanda de estos
dispositivos así como de las mejoras de estos dispositivos.
Sin embargo, dispositivos tales como detectores y
moduladores que llenan el vacío entre electrones y fotones tienen
que depender de fenómenos físicos fundamentales. En el contexto de
este invento, los fenómenos de los que dependen son principalmente
el acoplamiento entre sí de ondas ópticas, la aplicación o
detección de efectos electrónicos mediante electrodos, y la
interacción de fotones y electrones en sistemas de materiales
especiales, tales como materiales semiconductores o electroópticos.
Por lo tanto, los avances en estos dispositivos dependen en gran
medida sobre qué diseños pueden aumentar los efectos físicos
básicos o en avances prácticos, tales como mejoras en coste del
dispositivo, fiabilidad, fabricación, facilidad de operación,
etc.
Como el invento descansa en la intersección de
varios campos, la técnica relacionada puede también estar dividida
en distintas áreas. Por comodidad se han recogido citas de
referencias completas en la última sección de la descripción de la
realización preferida.
Un área de la técnica relacionada se refiere al
diseño de rejillas de difracción para acoplarse entre ondas ópticas.
Por ejemplo, Maystre y otros, "On a General Theory of Anomalies
and Energy Absorption by Diffraction Gratings and Their Relation
with Surface Waves", Optica Acta, 25,
905-915 (1978); Magnusson, R, y Wang, S.S.,
"Optical Guided-mode Resonance Filter",
Patente de EEUU Nº 5.216.680 (1 Junio, 1993); Delort, T., y
Maystre, D., "Finite Element Method for Gratings", J. Opt.
Soc. Am A., 10, 2592 (1993); y Vincent, P, "Integral Equation
Computation of Bump Grating Efficiencies en TE Polarization",
J. Opt. Soc. Am. A, 10, 444 (1993), describe enfoques por
medios de los cuales se pueden calcular las propiedades ópticas
detalladas de las estructuras descritas aquí. Las descripciones son
tratamientos totalmente electrónicos e incluyen la excitación de
los plasmones superficiales, ondas guiadas de reflexión interna
total (TIR), y ondas superficiales inestables. Por comodidad el
término onda local será usado para referirse a estos tres tipos de
ondas. Campbell, P., "Enhancement of Light Absorption from
Randomizing and Geometric Textures", J. Opt. Soc. Am. B,
10, 2410 (1993) describe teóricamente el aumento de absorción
luminosa en superficies texturadas usando un enfoque geométrico.
Sambles, J.R. y otros, "Optical Excitation of Surface Plasmons: An
Introduction", Contemporary Physics, 32,
173-183 (1991) describe la teoría general de la
excitación óptica de los plasmones superficiales, incluyendo el uso
de estructuras periódicas, y Bryan-Brown, G.P. y
otros, "Coupled Surface Plasmons on Silver Coated Gratings",
Optics Communications, 82, 1 (1991) describe el acoplamiento
entre sí de plasmones superficiales. Mientras que las enseñanzas de
estas referencias pueden ser usadas para diseñar ciertos aspectos
del presente invento, las referencias en sí mismas están dirigidas
principalmente hacia el acoplamiento puramente óptico de ondas
mediante estructuras estáticas. El tema del funcionamiento dinámico
de los dispositivos no está tratado satisfactoriamente, como lo
están todos los aspectos eléctricos.
Hay dispositivos que dependen del acoplamiento de
ondas ópticas y de alguna forma de funcionalidad eléctrica. Un área
de aplicación es la de los moduladores de guía de ondas. Simon, H.
J. y Lee, C.H., "Electro-Optic Total Internal
Reflection Modulation", Optics Letters, 13, 440 (1988) y
Caldwell, M.E. y Yeatman, E.M., "Recent Advances in Surface
Plasmon Spatial Light Modulators", SPIE Proceedings: Optics
for Computers Architectures and Technologies, 1505, 50 (1991)
describe, respectivamente, el acoplamiento dinámico entre una onda
externa al dispositivo y una onda guiada TIR o un plasmón
superficial. Sin embargo, el acoplamiento se consigue por un
acoplamiento prismático o por acoplamiento por reflexión interna
total incompleta, que tiene varias desventajas prácticas en
comparación con el enfoque de acoplamiento por rejilla de
difracción utilizada en el actual invento. En el área de los
moduladores de rejilla de difracción , Evans, A.E., y Hall, D.G.,
"Propagations Loss Measurements in
Silicon-on-Insulator Optical
Waveguides Formed by Bond-and Etchback Process",
Applied Physics Letters, 59, 1667-1669 (1991)
y Collins, R.T., y otros, "Optical Modulator", Patente de EEUU
Nº 4.915.482 (10. Abril. 1990) ambas exponen el uso de una rejilla
de difracción para acoplamiento entre ondas ópticas y, además, la
eficiencia de acoplamiento se modula variando un voltaje imprimido
a través de parte de la estructura. Sin embargo, toda la rejilla de
difracción es mantenida en un potencial y la diferencia de voltaje
es imprimida entre la rejilla de difracción y otra parte de la
estructura, normalmente la masa de un sustrato. Esto es inaceptable
debido a que la formación de electrodos de esta forma y después
imprimir un voltaje a través de la masa del dispositivo produce una
baja velocidad de funcionamiento del dispositivo. Una situación
similar se produce con respecto a Magnusson, R., y Wang, S.S.,
"Optical Guided-mode Resonance Filter", Patente
de EEUU Nº 5.216.680 (1. Junio. 1993); Wang, S.S. y Magnusson, R.,
"Theory and Applications of Guided Mode Resonance Filters",
D., "Distributed Resonant Cavity Light Beam Modulator",
Patente de EEUU Nº 5.157.537 (20. Octubre. 1992). Estas patentes
explican el uso de rejillas de difracción como un dispositivo de
acoplamiento y sugieren métodos de variación de las propiedades
eléctricas de la rejilla de difracción. Sin embargo, los electrodos
no están adaptados a un funcionamiento rápido del dispositivo, como
se ha discutido anteriormente. Además, a menudo se requiere una
estructura adicional para conseguir la función eléctrica, dando
lugar a un dispositivo más complicado. En el área de los
detectores, Brueck, S.R.J., y otros, "Enhanced Quantum Efficiency
Internal Photoemission Detectors by Grating Coupling to Surface
Plasma Waves", Applied Physics Letters, 46, 915 (1985) ha
investigado el uso de rejillas de difracción para acoplar la luz
incidente con la región activa del detector, incrementando así el
rendimiento cuántico del detector. Sin embargo, como en los
dispositivos discutidos anteriormente, la estructura del electrodo
usada para detectar la corriente fotoeléctrica generada no está
adaptada para permitir el funcionamiento a alta velocidad del
dispositivo.
Otra área de la técnica relacionada es el campo
general de los moduladores ópticos. Como una muestra representativa
de la literatura general está Lentine, A.L., y otros, "Symmetric
Self-Electro-Optic Effect Device:
Optical Set-Reset Latch, Differential Logic Gate, y
Differential Modulator Detector", IEEE J. Quantum
Electronics, 25, 1928 (1989); Pezeshki, B., y otros,
"Optimization of Modulation Ratio and Insertion Loss in
Reflective Electroabsorption Modulators", Applied Physics
Letters, 57, 1491 (1990); Treyz, G.V., y otros, "GaAs
Multiple Quantum Well Waveguide Modulators on Silicon
Substrates", Applied Physics Letters, 57, 1078 (1990); y
Xiao, X, y otros "Fabry-Perot Optical Intensity
Modulator at 1.3 \mum in Silicon", IEEE Photonics Technology
Letters, 3, 230 (1991) todos explican tipos de moduladores
ópticos que no están directamente relacionados con el actual
invento. En particular, difieren de él en al menos uno de los
siguientes aspectos. Primero, algunos de los dispositivos son
insatisfactoriamente lentos debido a la estructura de electrodos
empleada. Segundo, algunos no están basados en el acoplamiento de
ondas ópticas. Tercero, ninguno de los dispositivos combina la
estructura de electrodo rápido y el dispositivo de acoplamiento
óptico en una única estructura. Finalmente, muchos de los
dispositivos no están basados en las técnicas de fabricación VLSI y
no pueden aprovecharse de la base de fabricación existente y
tampoco puede ser fácilmente integrado con otros circuitos VLSI.
Un área final de la técnica relacionada es el uso
de electrodos especialmente adaptados. En el área del modulador, se
han usado electrodos entremezclados para aplicar patrones de
voltaje a través de materiales electroópticos. Alferness, R.C.,
"Waveguide Electro-optic Modulators", IEEE
Transactions on Microwave Theory and Techniques,
MTT-30, 1121 (1982) y Hammer, J.M., y otros, "Fast
Electro-optic Waveguide Deflector Modulator",
Applied Physics Letters, 23, 176 (1973) explican el uso de
tales electrodos para modular las propiedades ópticas de una guía
de ondas, con las variaciones que resultan en la guía de onda que
controla el acoplamiento de un modo de guía de onda a otro. Sin
embargo, los electrodos en estos casos acoplan los dos modos sólo
indirectamente y la condición de que ambos modos sean internos a la
guía de ondas hace este enfoque inadecuado para las aplicaciones
del presente invento. También se han usado en detectores
estructuras de electrodo especializadas, particularmente detectores
metal-semiconductor-metal (MSM),
para aumentar la velocidad de estos dispositivos. Por ejemplo,
véase Alexandrou, S., y otros "A 75 GHz Silicon
Metal-Semiconductor-Metal Schottky
Photodiode", Applied Physics Letters, 62, 2507 (1993);
Bassous, E., y otros, "A High Speed Silicon
Metal-Semiconductor-Metal
Photodetector Fully Integrable with (Bi)SMOS Circuits",
International Electron Devices Meeting 1991, Technical
Digest, 187-190 (1991); Chou, S.Y. y Liu, M.Y.,
"Nanoscale Tera-Hertz Metal-
Semiconductor-Metal Photodetectors", IEEE J.
Quantum Electronics, 28, 2358 (1992); Klingenstein, M., y
otros, "Ultrafast
Metal-Semiconductor-Metal
Photodiodes Fabricated on Low-Temperature GaAs",
Applied Physics Letters, 60, 627 (1992); y Soole, J.B.D., y
Schumacher, H., "InGaAs
Metal-Semiconductor-Metal
Photodetectors for Long Wavelenght Optical Communications",
IEEE J. Quantum Electronics, 27, 737 (1991). Ghioni, M., y
otros, "A High-Speed
VLAI-Compatible Photodetector for Optical Data Link
Applications", Private Communication, (1994) también han usado
electrodos especializados en una estructura de nanodetección basada
en una serie lateral de diodos PIN. Sin embargo, en ninguno de
estos dispositivos están los electrodos adaptados para acoplar la
onda óptica incidente a una onda local en el área activa del
detector, lo que podría producir un significativo aumento de
eficiencia.
A partir de la patente de EEUU 3.804.489 se
conoce un modulador óptico con las características del preámbulo de
la reivindicación 1. Este documento también explica un método de
modulación con las características del preámbulo de la
reivindicación 21.
El invento se define en las reivindicaciones
independientes. Las realizaciones preferidas del invento están
definidas en las reivindicaciones dependientes.
En una realización, la multiplicidad de
electrodos son sustancialmente planos, metálicos, entremezclados,
incluyendo unos primeros salientes y segundos salientes. Los
electrodos están además adaptados a admitir una diferencia de
potencial entre los primeros salientes y los segundos salientes.
Además, la estructura asociada con los electrodos es un sustrato de
silicio plano que está en contacto con los electrodos. La onda
local es un plasmón superficial soportado por los electrodos
metálicos y el sustrato de silicio. El índice de refracción del
silicio puede ser alterado variando la diferencia de potencial a
través de los primeros y segundos salientes de los electrodos.
En otra realización, los electrodos son
electrodos metálicos como en el apartado anterior y la estructura
asociada con los electrodos incluye un sustrato de silicio como se
ha descrito anteriormente. Sin embargo, el sustrato no está en
contacto con los electrodos. En lugar de ello, regiones del
semiconductor dopadas-p forman el contacto entre
los primeros salientes y el sustrato, mientras que regiones del
semiconductor dopadas-n realizan la misma función en
los segundos salientes. La onda local es una onda guiada de
reflexión interna total y el índice de refracción del silicio puede
ser alterado como anteriormente.
En otras realizaciones el invento puede ser
configurado para modular o detectar luz incidente.
La Figura 1A es una sección lateral de una
realización del invento;
la Figura 1B es una vista desde arriba de la
realización de la Figura 1A;
la Figura 2A es una ilustración de una salida de
una fibra como la onda externa;
la Figura 2B es una ilustración de un modo de
guiado de una fibra como la onda externa;
la Figura 3 es una sección recta de una guía de
onda dieléctrica de tres capas;
la Figura 4 es una sección recta de una guía de
onda metal-dieléctrica;
las Figuras 5A-5B son gráficos de
señal reflejada en relación con el ángulo incidente que ilustran la
asintonía resonante;
las Figuras 6A-6B son diagramas
de energía de un dispositivo
metal-semiconductor-metal;
las Figuras 7A-7C son
ilustraciones de perfiles de modos de plasmón en un dispositivo
asimétrico;
las Figuras 7D-7E son
ilustraciones de perfiles de modos de plasmón en un dispositivo
simétrico;
la Figura 8 es una sección recta de otra
realización del invento;
las Figuras 9A-9B son
ilustraciones de otras realizaciones del invento;
la Figura 10 es una sección recta de otra
realización más del invento;
la Figura 11A es una ilustración del invento
usado como un modulador de reflexión;
la Figura 11B es una ilustración del invento
usado como un modulador de transmisión; y
la Figura 12 es una ilustración del invento usado
como detector.
Con la ayuda de las Figuras 1A-1B
se explica una realización preferida del invento. En la Figura 1A,
una onda luminosa externa (10) incide sobre una rejilla de
difracción metálica (12). La onda externa (10) puede ser producida
de varias formas. Por ejemplo, la onda externa (10) puede ser
producida por una fuente independiente y después propagarse a
través de un medio homogéneo al invento, como sería el caso si el
invento fuera usado para modular la fuente independiente.
Alternativamente, en el caso de interconexión óptica la onda puede
ser dirigida al invento por elementos ópticos tales como una lente o
un sistema de lentes, espejos, elementos ópticos difractivos, o un
holograma generado por ordenador. Como se ve en las Figuras
2A-2B, también se pueden usar fibras para generar
ondas externas. En la Figura 2A, la onda externa (10) es dirigida
contra la rejilla de difracción (12) por una fibra óptica (13). En
una realización interesante en la que el dispositivo se usa para
modular una onda reflejada (18), la misma fibra (13) puede usarse
para generar la onda externa (10) y para volver a captar la onda
reflejada (18). En la Figura 2B, la onda externa (10) es una onda
guiada de la fibra (13) y el revestimiento (13A) de la fibra (13)
puede estar parcialmente pelado para permitir que la rejilla de
difracción (12) se acople con la onda (10) desde el núcleo (13B). El
término onda externa supuestamente incluye, aunque no está
limitado, a ondas generadas por estos medios. El término excluye
específicamente ondas guiadas, tales como ondas guiadas TIR y
plasmones superficiales, que están guiados por la estructura del
invento, tal como se describe más adelante. Además, se considera que
la Figura 1A no limita el invento a unas relaciones espaciales
particulares entre la onda externa (10), la rejilla de difracción
(12) y el sustrato (14), que en esta realización representa el
resto del dispositivo. Por ejemplo, en la Figura 1A, la onda
externa (10) está representada como encontrando la rejilla de
difracción (12) y después el sustrato (14). Sin embargo, es
igualmente válido que la onda (10) se aproxime desde el lado del
sustrato, encontrando así el sustrato (14) y después la rejilla de
difracción (12). Para las personas expertas en la materia
resultarán evidentes otras combinaciones espaciales, particularmente
con respecto a las realizaciones más complicadas descritas más
adelante.
La rejilla de difracción (12) está fabricada
sobre la superficie de un sustrato de silicio (14) y el interfaz
entre la rejilla de difracción (12) y el sustrato (14) es capaz de
soportar un plasmón superficial (16) que se propaga a lo largo de
las dos estructuras. La onda externa (10) es acoplada por la rejilla
de difracción (12) en las ondas reflejadas (18) y las ondas
transmitidas (20), así como el plasmón superficial (16). Aunque
estas ondas están indicadas por flechas sencillas, se sobreentiende
que pueden ser un número de ondas que corresponde, por ejemplo, a
órdenes de difracción diferentes. En la realización preferida, cada
banda de la rejilla metálica de difracción (12) funciona también
como un electrodo. Los electrodos (12) están conectados
eléctricamente en forma entremezclada, formando primeros y segundos
salientes (22, 24), y la función eléctrica del dispositivo puede
conseguirse a través de estos salientes. Por ejemplo, se puede
aplicar un voltaje a través de electrodos contiguos (12) o la
corriente que fluye entre electrodos contiguos puede ser detectada.
Esta disposición de electrodos permite un funcionamiento más rápido
del dispositivo a la vez que se mantiene la función óptica de
acoplamiento.
Ésta y la mayoría de las realizaciones que siguen
pueden ser fabricadas mediante técnicas familiares a personas
expertas en la materia. Tales técnicas están descritas en fuentes
normalizadas tales como Mayer, J.W., y Lau, S.S., Electronics
Materials Science for Integrated Circuits in Silicon and Gallium
Arsenide, New York: McMillan (1990) y Sze, S.M., VLSI
Technology, New York:
Mc-Graw-Hill BookCo., (1988). De los
pasos requeridos para fabricar las diferentes realizaciones del
invento, el paso de fotolitografía será a menudo el más difícil. En
algunas aplicaciones se puede usar la litografía óptica
convencional. Sin embargo, en algunos casos las dimensiones críticas
del dispositivo (por ejemplo, la anchura de los electrodos (12))
será lo suficientemente pequeña y requiere otros tipos de
litografía, tales como una litografía de haz de electrones o una
litografía de rayos X. En el resto de esta explicación, se omitirán
los métodos de fabricación de realizaciones del invento con el fin
de ser breves, excepto en casos en los que una persona experta en la
materia no estuviera familiarizada con la fabricación
requerida.
En la realización preferida del dispositivo
funcionando como un modulador, la onda reflejada (18) puede ser
tomada como la onda de salida. La onda reflejada (18) está elegida
con fines ilustrativos. La onda transmitida (20) o la onda local
(16) puede también ser elegida como la onda de salida. La fuerza de
la onda de salida puede ser modulada variando la eficiencia con la
que la onda incidente (10) se acopla en los diversos modos (16, 18,
20). Una diferencia de voltaje (26) es imprimida a través de las
dos series de salientes (22, 24), generando así un campo eléctrico
en el sustrato (14). Variando la diferencia de voltaje (26), el
campo eléctrico y, por tanto, se pueden cambiar el índice de
refracción del sustrato (14), cambiando así la eficiencia de
acoplamiento entre la onda de entrada (10) y la onda de salida
(18). El mecanismo específico que realiza el cambio en el índice de
refracción funciona de la siguiente forma. La luz es absorbida en
el sustrato de silicio (14) y produce pares
electrón-agujero que cambian el índice de
refracción mediante el efecto plasma de portadoras libres. El
voltaje aplicado (26) puede ser usado para barrer pares
electrón-agujero fuera del sustrato (14), variando
así tanto el número de pares electrón-agujero que
quedan y cambia el índice resultante. Para una discusión más
detallada de métodos por los que un campo aplicado puede conseguir
un cambio de índice de refracción en el silicio, véase Soref, R.A.
y Bennett, B.R., "Electro-optical Effects in
Silicon", IEEE J. Quantum Electronics,
QE-23, 123 (1987).
El invento puede también usarse para detectar
luz. En una realización preferida, el voltaje (26) se usa para
establecer un campo eléctrico dentro del sustrato (14). La luz
incidente (10) genera entonces pares
electrón-agujero, y se aumenta este efecto debido
al acoplamiento al plasmón superficial (16). Como una consecuencia
del campo eléctrico, los pares electrón-agujero
generados son barridos del sustrato (14) a la rejilla de difracción
/ electrodo (12), y la fuerza de la luz incidente puede
determinarse midiendo la corriente que fluye entre los salientes
(22, 24).
Mientras que la anterior discusión explica una
realización específica, se debe sobreentender que el invento no está
limitado a esta realización.
Las siguientes secciones discuten el invento más
detalladamente. En particular, la sección siguiente discute diversos
aspectos referentes a ondas locales, de las que el plasmón
superficial (16) es un tipo. Se consideran los diferentes tipos de
ondas locales, las condiciones requeridas para soportar ondas
locales, los requerimientos de acoplamiento entre una onda externa
y una onda local, y los efectos no lineales. La sección siguiente
discute diversos métodos referentes al uso del invento como
modulador. Primeramente se describen los fenómenos físicos básicos,
seguidos por realizaciones específicas con base en estructuras
metal-semiconductor-metal (MSM) y en
estructuras p-i-n laterales (LPIN).
También se consideran otros efectos potencialmente significativos,
tales como longitudes de onda de calentamiento y de longitudes de
onda de funcionamiento posibles. Sigue después la sección sobre el
uso del invento como detector. Las dos últimas secciones son
ilustraciones generales de algunas aplicaciones del invento y una
lista de referencias.
En esta sección se discuten primeramente los
diferentes tipos de ondas locales y las estructuras requeridas para
soportarlas, seguido por los requerimientos de los acopladores de
rejillas de difracción usados para acoplarse entre una onda externa
y una onda local. Finalmente, se consideran los efectos no lineales
de la onda local.
En una guía de onda óptica, la luz puede
propagarse en grandes distancias dentro de una región confinada
debido a la reflexión interna total (TIR) o generación de modo de
plasmón superficial como está descrito en Tamir, T., editor,
Integrated Optics, Berlin: Springer Verlag (1993).
En la Figura 3 se muestra un dieléctrico de tres
capas que soporta un modo TIR. La onda local se propaga primeramente
en la película (28) como indica la flecha y el índice de refracción
de la película (28) tiene que ser mayor que el de ambos
recubrimientos (30A, 30B) con el fin de que la onda local esté
confinada en la película. El nombre TIR se refiere al modelo de
seguimiento de rayo de las ondas locales que se propagan en la
película. En este modelo, los rayos que corresponden a modos guiados
inciden bien en la película (28) - recubrimiento (30, 30B) hacen
interfaz a un ángulo mayor que el crítico y son totalmente e
internamente reflejados hacia atrás en la película (28). La curva
(34) ilustra un campo eléctrico típico de un modo TIR de orden bajo.
El modo TIR es el modo asociado con guías de ondas tales como fibras
ópticas, en las que el núcleo de la fibra se corresponde con la
película (28) de la Figura 3 y el revestimiento se corresponde con
los recubrimientos (30A, 30B).
Otro tipo de onda local usa un modo de plasmón
superficial (u onda superficial TM) para propagar energía óptica,
como se muestra en la Figura 4. En este modo, el campo se propaga a
lo largo de un único interfaz entre un metal (36) y un dieléctrico
(38), tal como indica la flecha. La curva (40) ilustra un perfil de
campo magnético típico de un plasmón superficial. Las propiedades de
los plasmones superficiales incluyen alta localización de campo y
grandes pérdidas de propagación principalmente debidas a procesos de
absorción en la región metálica. Los metales preferidos son
aluminio, oro y plata. Con el fin de que exista un modo de plasmón
superficial, el metal y el dieléctrico deben satisfacer la
condición
(1)Re
\{[\in_{M} \ \in_{S /} \ \in_{M} + \in_{S})]^{^{1}/_{2}} \}, Re
\{\in_{S}{}^{^{1}/_{2}}
\}
donde \in_{M} es la constante
dieléctrica compleja del metal y \in_{S} es la del dieléctrico.
Las oscilaciones del plasmón superficial soportado por un electrodo
del tipo mostrado en la Figura 1A tendrán algunas condiciones de
excitación diferentes, ya que el electrodo no es una lámina
continua como lo es el metal (36) de la Figura 4. No obstante, la
condición de existencia es similar en ambos
casos.
La luz también puede ser acoplada a modos
inestables superficiales, y los modos TIR, plasmón superficial,
modos inestables superficiales, o cualquier combinación de estos
tipos, es adecuada para uso en el actual invento. Sin embargo, en
las realizaciones preferidas explicadas más adelante, la onda local
será un modo TIR o un modo plasmón superficial.
Como es conveniente integrar los circuitos
electrónicos en el mismo sustrato que el del invento, los
materiales candidatos son los sistemas del grupo IV, sistemas
III-V, y sistemas II-VI en general y
compuestos de silicio, carburo de silicio, AlGaAs, y InGaAsP, en
particular. La mayoría de realizaciones se discutirán en el
contexto del silicio. Sin embargo, el invento no está limitado a
estos materiales y realizaciones con base en materiales tales como
materiales electroópticos, polímeros electroópticos y materiales
orgánicos o fotorrefractivos relacionados, están dentro del ámbito
de este invento.
En el invento, la onda externa es acoplada a una
onda local. Con el fin de conseguir esto, el vector de onda de la
luz incidente k, debe estar en coincidencia de fase con \beta, la
parte real del vector de propagación de onda de la onda local. Esto
se consigue mediante la rejilla de difracción, y la condición de
coincidencia de fase es
(2)\beta =
ksen\Theta+2\pimT
donde \Theta es el ángulo de
resonancia de acoplamiento de entrada, T es el período de la
rejilla de difracción, y m es un número entero que representa el
orden de difracción acoplado a la onda local. Por ejemplo, la
difracción de primer orden de la rejilla de difracción se acoplará
con la guía de onda si lml=1 y la de segundo orden cuando lml=2. En
algunas aplicaciones, se puede preferir que la luz incida
normalmente con los electrones con \Theta=0. En el presente
invento, la rejilla de difracción requerida está formada por la
colocación de los electrodos. Como el periodo de la rejilla de
difracción será típicamente del orden de una longitud de onda, la
anchura de los electrodos también será típicamente del orden de una
longitud de onda. Por ejemplo, en la región del infrarrojo cercano
la anchura del electrodo será típicamente del orden de varias
décimas de
micra.
Mientras que la ecuación (2) está calculada en
términos de una rejilla de difracción de periodo constante, en
realidad, el dispositivo de acoplamiento puede ser aperiódico. Por
ejemplo, si la onda externa es irregular en su perfil de intensidad
o de fase, los electrodos están sobre un sustrato no plano, o la
eficiencia de acoplamiento requerida varía con la posición, entonces
los electrodos pueden ser colocados en un patrón regular que no es
estrictamente periódico.
Existe una relación simétrica entre el
acoplamiento dentro y fuera de unaguía de onda. Para ser más
específico, una rejilla de difracción acopla energía fuera de una
guía de onda así como dentro de ella, y este acoplamiento no tiene
una eficiencia del 100%. Esto es, típicamente se requieren muchas
interacciones entre una onda y una rejilla de difracción antes de
que una cantidad significativa de la luz sea acoplada bien dentro o
fuera de una guía de onda. La eficiencia de acoplamiento de la
rejilla de difracción también depende de otros varios factores: de
la geometría de la rejilla de difracción y de la guía de onda, del
perfil del haz incidente, y del índice de refracción de los
materiales que intervienen, para mencionar unos pocos. Variando
algunos de estos factores se puede variar la eficiencia del
acoplamiento.
Relacionados con el tema del acoplamiento de la
rejilla de difracción hay efectos impuestos sobre el comportamiento
del sistema debidos a procesos no lineales. En el contexto de este
invento, los procesos no lineales primarios implican cambios del
índice de refracción debidos a la densidad de portadoras libres y/o
a los cambios de temperatura dentro de una estructura de un material
con base en un semiconductor. Estos efectos están descritos en
Prelewitz, D.F. y Brown, T.G., "Optical Limiting and
Free-Carrier Dynamics in a Periodic Semiconductor
Waveguide", J. Opt. Soc. Am. B., 11(2),
304-312 (1994). El índice de refracción no lineal
puede ser representado como
(3)n(N_{c},T) =
nO+\Deltan_{NL}(N_{c},T)
donde nO es el índice de refracción
no lineal, N_{c} es la densidad de portadoras libres, T es la
temperatura, y \Delta es la contribución no lineal al índice de
refracción. Los cambios de N_{c} y T son originados
principalmente por absorción óptica o por inyección de
portadoras.
El índice de propagación \beta en las
estructuras de onda de guía de tres capas y de dos capas de las
Figuras 3 y 4 dependen fuertemente del índice de refracción de la
película (28) o del dieléctrico (38), respectivamente. Dada la
naturaleza no lineal de la estructura de acoplamiento, una
representación más exacta de la condición de coincidencia de fase
de la ecuación (2) sería:
(4)\Theta(\Deltan_{NL})
= sen^{-1} [\beta(\Deltan_{NL})-
2\pim/T]
Por lo tanto, los cambios de \Theta debidos a
cambios no lineales en el índice de refracción afectan directamente
a la condición de coincidencia de fase. Las Figuras
5A-5B ilustran esto haciendo un gráfico de la fuerza
de una onda reflejada frente al ángulo de incidencia \Theta. La
Figura 5A ilustra un dispositivo diseñado para la reflectividad
máxima en resonancia, mientras que la Figura 5B es un dispositivo
diseñado para una reflectividad mínima. En el ángulo de resonancia
\Theta_{res} la energía se acopla desde la onda externa en la
onda local, produciendo una redistribución de energía entre las
diferentes ondas y un cambio en la fuerza de la onda reflejada. El
desplazamiento no lineal de \Theta es aproximadamente
proporcional al cambio del índice \Deltan.
En adición a los efectos de asintonía no lineales
impuestos en la resonancia, un índice de refracción puede también
dar lugar a efectos de interferencia en la región de acoplamiento de
la guía de onda. Típicamente, el campo externo no se acopla en la
onda local en solamente un punto. En cambio, el acoplamiento se
produce en una región relativamente ancha (en comparación con el
período de la rejilla de difracción) en la dirección de propagación
de la onda local. Por lo tanto, dada la naturaleza espacial del
proceso de acoplamiento, existe también una dependencia espacial al
considerar los efectos no lineales. Suponiendo esto, el vector de
onda de propagación no lineal puede ser escrito como
\beta(z) = \beta[\Delta_{NL}(z)], donde
z se toma en la dirección de propagación de la onda local. Por
tanto, en cada punto en la dirección z a lo largo de la rejilla de
difracción la luz acoplada tiene una relación de fase diferente que
depende del término no lineal del índice de refracción. Además del
término de fase acoplada inicial, cada componente espacial de la
onda local tiene un término de fase de propagación relativo al
campo incidente acoplado. Como consecuencia, para cada punto dado a
lo largo del camino de propagación, los efectos de interferencia
entre la onda local de propagación y el campo incidente acoplado
pueden producirse si la diferencia de fase es suficientemente
grande. Cualquier luz acoplada fuera de la guía de onda puede
experimentar una interferencia constructiva o destructiva en la
región de acoplamiento, que corresponde bien a una reflectividad
alta o bien a una baja medida a lo largo del camino de
propagación.
Ambos efectos no lineales de acoplamiento
descritos anteriormente (asintonía resonante e interacciones de
interferencia de la onda progresiva) pueden ser usados en el
invento. Por ejemplo, un ejemplo que no está reivindicado puede usar
materiales electroópticos para llenar los espacios entre los
electrodos. A medida que se varía el voltaje entre los electrodos,
así lo hará el índice de refracción del material electroóptico y la
eficiencia del acoplamiento de la rejilla formada por los
electrodos y el material. Además, los electrodos en sí pueden ser
transparentes (por ejemplo, óxido de indio y de estaño) y así el
acoplador de la rejilla de difracción puede ser una rejilla de
difracción de fase antes que una rejilla de difracción metálica.
Las realizaciones preferidas descritas aquí dependerán de la
asintonía resonante.
Esta sección considera el funcionamiento del
invento como un modulador óptico. El funcionamiento básico se
discute posteriormente y después se explican dos realizaciones
específicas, una con base en estructuras
metal-semiconductor-metal y la otra
con base en diodos pin laterales. Aunque la discusión está en el
contexto de los moduladores, las personas expertas en la materia
reconocerán que las enseñanzas no están limitadas a los
moduladores. Por ejemplo, también pueden ser aplicadas al invento
usado como detector.
En realizaciones preferidas del invento que se
usan como moduladores, la modulación de la onda de salida se efectúa
variando un voltaje establecido a través de electrodos contiguos
que, a su vez, produce un cambio del índice de refracción de la
estructura que guía la onda. Esto da lugar entonces a un cambio en
el acoplamiento entre la onda externa y la onda local mediante el
proceso descrito en 2.3 y una posterior modulación de la onda de
salida.
En general, el mecanismo físico subyacente de la
modulación no tiene que depender de un cambio del índice de
refracción. El coeficiente de absorción o birrefringencia del
dispositivo son dos parámetros ópticos alternativos comunes que
pueden ser usados. Además, en la realización preferida, el voltaje
aplicado cambia el índice de refracción primeramente por medio del
efecto plasma de portadoras libres. El invento no está limitado a
este efecto y se puede usar un campo eléctrico para cambiar las
propiedades ópticas de un material por alguno de los siguientes
mecanismos, para mencionar unos pocos: el efecto Pockels, el efecto
Kerr, el efecto Franz-Keldysh, el efecto Stark de
confinación cuántica, y el llenado de banda.
En la realización preferida, con un sustrato de
silicio, se usa el efecto plasma de portadoras libres. Éste es un
proceso de electrorrefracción por el cual se modifica el índice de
refracción por la introducción de portadoras libres. Las portadoras
son normalmente introducidas bien por inyección de corriente
continua mediante los electrodos o por fotogeneración de portadoras
en un material semiconductor. Entonces se induce el cambio del
índice debido a las interacciones del plasma entre las portadoras y
el campo óptico. Este mecanismo es adecuado tanto para materiales
de salto de banda directo e indirecto, que incluyen el silicio.
Una realización preferida del invento se basa en
estructuras
metal-semiconductor-metal (MSM). Con
referencia a la Figura 1, si los electrodos (12) son metálicos y el
sustrato (14) es un semiconductor, entonces la Figura 1 representa
tal dispositivo. En la realización preferida, el sustrato (14) es
silicio. Si la onda transmitida (20) es la onda de salida deseada,
entonces el sustrato (14) puede ser sustituido por una membrana de
silicio con el fin de reducir la atenuación de la onda transmitida
(20). Como se ha descrito en la sección 2, los electrodos (12)
están separados de forma que acoplen la onda externa (10) con la
onda local (16), que es un plasmón superficial en esta
configuración específica, y la eficiencia de acoplamiento se varía
mediante la variación del índice de refracción de acuerdo con los
efectos no lineales descritos en la sección 2.3.
Más específicamente, como se muestra en la
ecuación 3, el cambio del índice de refracción no lineal de un
semiconductor es una función tanto de la densidad como de la
temperatura de la portadora. Cada una de estas contribuciones puede
ser independizada, de forma que
(4)\Deltan_{NL}(N_{c},T)
=
\Deltan_{c}+\Deltan_{T}
donde \Deltan_{c} es el cambio
de índice de refracción debido a la concentración de portadora y
\Deltan_{T} es el cambio debido a la temperatura. Usando la
teoría de Drude para modelar la dinámica de la portadora, la
contribución electrónica al índice de refracción puede ser modelada
mediante el modelo de Drude tal como se describe en Blakemore,
J.S., Solid State Physics, 2nd ed., Cambridge: Cambridge
University Press, 157-169 (1985). El índice de
refracción adopta entonces la
forma
(5)\Deltan_{c} = N_{c}(-8,9
x 10^{-22}
cm^{3})
Experimentalmente, se ha mostrado que la
contribución térmica puede ser aproximadamente de
(6)\Deltan_{T} =
(T-300K)(2x10^{-4}K^{-1})
Véase Sauer, H., y otros, "Optimization of a
Silicon-on-Sapphire Waveguide Device
for Optical Bistable Operation", J. Opt. Soc. Am. B.,
5(2), 443-451 (1988). Sin embargo, en las
realizaciones preferidas es conveniente minimizar los efectos
térmicos por varios motivos. Primero, los procesos térmicos son
típicamente más lentos en sus tiempos de respuesta que los efectos
electrónicos. Segundo, las ecuaciones (5) y (6) tienen signos
contrarios y tienden a anularse entre sí cuando ambos están
presentes. Por lo tanto, para diseñar un sistema de conmutación
óptico eficiente, se deberían minimizar los efectos debidos a la
temperatura.
Concentrándose en los efectos electrónicos
predichos por la teoría de Drude, hay dos formas en las que la
densidad de portadoras puede modificarse en la estructura MSM. Ambos
incluyen bien inyección de portadoras o generación de portadoras
mediante absorción óptica.
Si se supone que el interior de la región del
semiconductor es óhmica, entonces el resultado de la inyección de
portadoras (o corriente inyectada) puede ser modelado por la ley de
Ohm, que establece
(7)J =
\sigmaE
donde J es la densidad de corriente
interna, E es el campo eléctrico interno, y \sigma es la
conductividad, que es proporcional a la concentración de
portadoras, N_{c}. En cualquier momento dado en el tiempo, las
portadoras son inyectadas en la región del semiconductor entre los
electrodos produciendo un cambio del índice de refracción, tal como
ha predicho la teoría de
Drude.
El otro método usa las propiedades de absorción
para generar portadoras. Si la energía óptica incidente es igual o
mayor que el salto de banda del semiconductor, entonces la
electrónica en la banda de valencia puede absorber suficiente
energía para ser transportada a la banda de conducción. La
concentración de portadoras libres puede cambiarse bien cambiando la
fuerza de la luz incidente o, como es el caso en la realización
preferida, cambiando un voltaje aplicado a través de los electrodos
para barrer portadoras fuera de la región semiconductora. Un fotón
absorbido crea un par electrón-agujero libre. El
proceso de absorción en semiconductores de salto de banda directo
tales como el GaAs es un proceso de un paso, mientras que el proceso
en semiconductores de saltos de banda indirectos tales como el Si
requiere dos pasos. En materiales de salto de banda indirecto, los
fotones absorbidos no proporcionan un cambio del momento, y se
requiere un segundo proceso para transferir electrones excitados a
la banda de conducción. Esto usualmente implica la emisión de un
fonón de retícula. Debido al segundo paso de absorción, la absorción
resonante en semiconductores de salto de banda indirecto es
típicamente mucho menor que los semiconductores con saltos de banda
directos.
Una ventaja del enfoque de fotoabsorción sobre el
enfoque de inyección de corriente continua es que los dispositivos
fotoabsorbentes potencialmente requerirán menos potencia ya que la
energía para crear las portadoras libres procede de la luz incidente
y no de la corriente generada por el dispositivo en sí mismo.
El método preferido de variación de la
concentración de portadoras puede ser entendido considerando las
propiedades electrónicas del interfaz
semiconductor-metal. La Figura 6A es un modelo
unidimensional simplificado del estado electrónico del dispositivo
MSM de la Figura 1. Los salientes (22, 24) y el semiconductor (14)
forman dos interfaces (42A, 42B). En cada interfaz (42A, 42B), se
forma una zona vacía, conocida como barrera de Schottky. La Figura
6A ilustra esto en el diagrama de energía (44) de la estructura MSM
con polarización cero. Aquí E_{c} es el nivel de energía de banda
de conducción del semiconductor, E_{v} es el nivel de energía de
la banda de valencia del semiconductor, y E_{f} es el nivel de
energía de Fermi tanto del metal (22, 24) y del semiconductor (14)
con polarización cero. En semiconductores
dopados-n, el exceso de portadoras se desplaza a la
región metálica debido a los bajos estados energéticos del metal. A
medida que se van las portadoras, el desequilibrio de carga entre
las regiones genera un campo electrónico que eventualmente suprime
todo el flujo de corriente. Esto forma la base de la barrera de
Schottky. Si la barrera es suficientemente grande, y si no hay luz
incidente, se suprime el flujo de corriente incluso cuando existe un
voltaje de polarización. Por lo tanto, una barrera de Schottky se
comporta eléctricamente como un diodo.
Esta propiedad es la que permite que sea usado
como un modulador o detector óptico.
Como se ha discutido anteriormente, los fotones
energéticos absorbidos en semiconductores generarán portadoras
libres. En una estructura MSM con polarización cero, los electrones
libres (46) generados tienden a acumularse en la región
semiconductora entre los electrodos metálicos (22, 24). Esto se debe
a la flexión simétrica de la banda de conducción en el interfaz
semiconductor-metal. Por otra parte, los agujeros
(48) generados tienden a desplazarse hacia el interfaz (42A, 42B)
debido a la flexión de la banda de valencia. En la realización
preferida, las portadoras libres agrupadas son barridas de la
región semiconductora cambiando así la densidad de portadoras y
llevando a un cambio correspondiente del índice de refracción. El
barrido se consigue aplicando una polarización (26) a través de los
electrodos metálicos (22, 24) de la estructura MSM, tal como se
muestra en la Figura 6B. Aquí E_{fs} y E_{fm} son,
respectivamente, los niveles de energía de Fermi del semiconductor y
de las regiones metálicas. Como se ha mostrado, un interfaz de la
estructura está polarizado en sentido inverso mientras que el otro
está polarizado en sentido directo. El voltaje de polarización
desplaza los niveles de energía de Fermi respectivos en cada
interfaz. Esto da lugar a una basculación de la banda de energía de
conducción que permite que los electrones (46) fluyan a través de la
región polarizada en sentido directo, cambiando así la
concentración de portadoras.
El proceso descrito anteriormente es para modular
luz usando absorción óptica para inducir cambios del índice de
refracción. No cubre inyección de portadoras. Sin embargo, la
modulación de la inyección de portadoras es conceptualmente un
proceso más sencillo de describir. Para modular con portadoras
inyectadas, la polarización (26) se hace lo suficientemente grande
para superar el potencial de la barrera de Schottky. Esto produce un
mayor flujo de corriente a través de la región semiconductora (14),
que correspondientemente cambia la densidad de portadoras
instantánea y las propiedades de acoplamiento. Sin embargo, este
método de modulación estaría típicamente reservado a estructuras MSM
que tienen potenciales de contacto pequeños de la barrera de
Schottky. Esto es, los interfaces
metal-semiconductor (42A, 42B) deberían ser
contactos óhmicos.
Como observación final, se debería advertir que
los electrodos metálicos (12) sirven para dos fines. Primero, tienen
una función óptica en la que acoplan la onda externa (10) a la onda
local (16) y forman también una estructura que soporta la onda local
(16). Segundo, tienen una función eléctrica en la formación de la
barrera de Schottky (42A, 42B) y la aplicación de una polarización
a la barrera. Un único metal puede no ser adecuado para ambas
funciones y así los electrodos (12) pueden tener una estructura
compuesta. Por ejemplo, el oro es un metal preferido para el
soporte de los plasmones superficiales. Sin embargo, no forma una
buena barrera de Schottky, mientras que el tungsteno sí lo hace.
Por lo tanto, los electrodos (12) pueden consistir en una capa de
tungsteno en contacto con el silicio (14) con el fin de formar la
barrera seguida por una capa de oro en contacto con el tungsteno con
el fin de soportar el plasmón superficial (16). En general, los
electrodos y la estructura subyacente pueden incluso ser más
complejos, incluyendo el uso de regiones semiconductoras dopadas,
estructuras de cavidades cuánticas, estructuras de superretículas,
y conductores transparentes tales como el óxido de indio y de
estaño. Por ejemplo, las cavidades cuánticas y los cables cuánticos
pueden ser usados en la región semiconductora (14) con el fin de
aumentar la densidad efectiva de portadoras y mejorar el cambio
inducido por el campo en el índice de refracción.
La estructura MSM de la Figura 1 es altamente
asimétrica. En esencia, existe un alto gradiente del índice de
refracción entre el aire, que generalmente es considerado como una
capa de recubrimiento, y el metal (12) y las capas semiconductoras
(14). Como consecuencia, la eficiencia de acoplamiento del
revestimiento en la estructura puede ser mala, tal como se ha
ilustrado en las Figuras 7A-7C, que muestran los
perfiles de tres posibles modos de plasmones superficiales (49A,
49B, 49C). En la estructura MSM hay dos interfaces en los que se
generan los plasmones. Una está en el interfaz semiconductor (14) -
metal (12) y la otra es el interfaz aire-metal (12).
En la estructura asimétrica hay muy poco solapamiento entre los
modos de plasmón de los dos interfaces. Esto produce un bajo
intercambio de energía entre los modos, y mal
acoplamiento-recubrimiento en los plasmones del
semiconductor (14) - metal (12). Como los procesos de conmutación
utilizados en la realización preferida se producen dentro de la
región semiconductora (14), una mejora en el solape entre los modos
de plasmón dará lugar a un mejor funcionamiento del dispositivo. En
la realización preferida esto se consigue haciendo simétrica la
estructura depositando una capa (50) como recubrimiento. El
recubrimiento (50) se elige por tener un índice de refracción
aproximadamente igual al de la capa semiconductora (14). Entre los
materiales preferidos están el silicio amorfo y policristalino
aunque los materiales no están limitados a estas elecciones. También
se pueden utilizar otros dieléctricos, películas delgadas e incluso
materiales orgánicos. Esto crea una estructura de acoplamiento de
electrodo enterrada, como se muestra en las Figuras
7D-7E. La capa adicional mejora el solape del modo
de plasmón, tal como está ilustrado por los perfiles de modo (51A,
51B), que producen un mejor
acoplamiento-recubrimiento en los plasmones
generados en el interfaz semiconductor (14) - metal (12). Aunque el
uso de un material de recubrimiento está ilustrado en el contexto de
la realización MSM, se debería sobreentender que este principio
general puede ser aplicado también a otras realizaciones.
Aunque el invento ha sido discutido en el
contexto de un electrodo metálico en un sustrato de masa
semiconductora, no está limitado a esta configuración. Una
realización alternativa implica el uso de una estructura de guía de
onda dieléctrica de tres capas tal como se ha ilustrado en la Figura
8. La estructura es similar a la representada en la Figura 3, y
muchos sistemas de materiales pueden usarse para fabricar la
estructura. Sin embargo, las estructuras silicio sobre aislante
(SOI) son las preferidas debido a su facilidad de fabricación y al
confinamiento estanco de la onda local que resulta de su uso. La
estructura SOI tiene diversas variantes diferentes, que incluyen
silicio sobre zafiro, separación por oxígeno implantado, unido y
grabado de retracción SOI (BEB-SOI), y
policristalino SOI. Se ha mostrado que el BEB-SOI
posee unas buenas propiedades de guiado de ondas. Evans, A.E. y
Hall D.G., "Measurement of the Electrically Induced Refractive
Index Change in Silicon for Wavelenght \lambda=1,3\mum using a
Schottky Diode", Applied Physics Letters, 56, 212 (1990).
En una realización preferida de la Figura 8, la onda TIR es
soportada por un revestimiento de silicio amorfo (30A), una película
de silicio cristalino 28 y una capa aislante de dióxido de silicio
(30B). Los electrodos metálicos 12 se usan para funciones de
acoplamiento y eléctricas. Toda la estructura está sobre un
sustrato de silicio (52).
La estructura de tres capas de la Figura 8 tiene
varias ventajas sobre una estructura de masa tal como la de la
Figura 1. Proporciona una conmutación más rápida ya que las
portadoras generadas o inyectadas están restringidas a una región
más estrecha del semiconductor (28). En el caso de la masa, las
portadoras pueden extenderse lejos de sus puntos de origen,
produciendo un retraso de la respuesta de acoplamiento de cola.
Segundo, en la estructura pueden existir los modos de guía de onda
de plasmones y TIR. La excitación simultánea de ambos modos puede
dar lugar a una modulación más eficiente. En comparación con los
plasmones superficiales, los modos TIR se producen más profundamente
dentro de la capa semiconductora. Como consecuencia, más portadoras
libres son liberadas para afectar al índice de refracción. Además,
cuando la estructura es llevada a resonancia durante su estado de
baja reflectividad (estado de desconexión), se puede acoplar más
energía en la estructura debido al efecto añadido de ambos modos.
También la estructura de guía de onda de tres capas MSM tiene
algunas desventajas. La estructura es naturalmente más compleja,
tanto de diseño como de fabricación. Una corriente de fuga adicional
debido a un aislante (30B) no perfecto podría dar lugar a un
calentamiento adicional de la estructura.
En las estructuras multicapa alternativas de las
Figuras 9A-9B, las energías de las cavidades
cuánticas pueden ser usadas para aumentar la densidad de portadoras
efectiva y mejorar el cambio inducido en el campo del índice de
refracción. En la Figura 9A, la capa aislante (30B) de la Figura 8
es reemplazada por una estructura de cavidad cuántica (53A). En la
Figura 9B, en cambio, se usan los cables cuánticos (53B). La
electroabsorción normal requiere que el campo aplicado sea dirigido
a través de la cavidad cuántica, lo que es irrealizable en las
realizaciones de las Figuras 9A-9B. Sin embargo, es
posible hacer uso de la conducción a lo largo de la cavidad
cuántica con el fin de aumentar la densidad de corriente efectiva
asociada con la inyección de portadoras. Esto produciría corrientes
de inyección más bajas. Los sistemas III-V, tales
como el AlGaAs, y los sistemas del grupo IV, tales como el SiGe o
el SIC, son sistemas de materiales preferidos para tales
realizaciones.
Muchas otras variaciones de estructuras multicapa
resultarán evidentes a las personas expertas en la materia.
En la Figura 10 se muestra una realización
alternativa preferida. La película de silicio cristalino (28) y la
capa de óxido enterrada (30B) en el sustrato de silicio (52) son
similares a la estructura SOI de la Figura 8. Sin embargo, el resto
de la estructura es más complejo. Los electrodos metálicos (12)
están separados por una capa superior de óxido (30A) y
alternativamente hacen contacto con regiones dopadas p+ y n+ (54,
56), formando así una serie periódica lateral de diodos PIN
(también conocida como una estructura LPIN) en una estructura
silicio-sobre-aislante (SOI). Las
regiones dopadas pueden estar formadas por deposición, difusión o
una combinación de las dos. Con un bajo voltaje de polarización en
sentido inverso, la región de vaciado se extiende totalmente entre
las regiones de difusión p+ y n+ (54, 56). Una característica del
diseño es la región de óxido enterrada (30B). Esta propiedad evita
la generación de portadoras profundas durante el proceso de
absorción, que de otra forma podría limitar la anchura de banda del
dispositivo.
Una ventaja de este diseño sobre el MSM consiste
en las uniones de alta calidad que existen en los interfaces de
difusión n+ - n y p+ - n. Como el material de base es todo silicio,
hay menos defectos y dislocaciones en los límites. Esto produce
menos fugas y mayores tiempos de vida de la portadora libre. En la
realización preferida, los diodos PIN son operados en polarización
en sentido directo y la modulación del índice de refracción se
consigue mediante inyección de corriente.
Como el dispositivo MSM, los electrodos (12) del
LPIN pueden actuar como un acoplador de guía de onda. Sin embargo,
es difícil para la estructura LPIN utilizar interacciones
ópticas-plasmón debido a la falta de superficies
metálicas dentro de la región de vaciado. Sin embargo, como la
estructura tiene la forma de un dieléctrico de tres capas (SOI), en
cambio podrían usarse los modos de onda de guía TIR. Para mejorar
la eficiencia del acoplamiento
revestimiento-acoplamiento, se puede añadir una capa
de alto índice de revestimiento, como se ha discutido
anteriormente.
Además del acoplamiento óptico y del
funcionamiento electrónico del dispositivo, son dignas de mención
otras consideraciones.
Como se muestra en la ecuación (4), el cambio
total del índice es la suma de los procesos electrónicos y térmicos.
Una consideración principal al diseñar cualquier tipo de estructura
optoelectrónica es el efecto de calentamiento del dispositivo. Como
se ha indicado anteriormente, los efectos térmicos tienen un tiempo
de respuesta mucho más lento en comparación con los procesos
electrónicos. Como consecuencia, si el efecto físico dominante es
térmico, la velocidad de conmutación de la modulación puede ser
seriamente degradada. Existe otro problema debido a los signos
contrarios de los efectos térmico y electrónico. Como el cambio de
índice total es la suma de estas dos cantidades, los cambios de
índice térmicos tienden a eliminar los cambios de índice
electrónicos. Típicamente, los cambios térmicos deberían ser
minimizados. Los métodos normalizados incluyen el uso de disipadores
térmicos o de refrigeradores activos con circuitos de realimentación
para mantener la estabilidad térmica de un dispositivo.
Una fuente de calentamiento es la recombinación
no radiactiva de los pares electrón-agujero
generados en la región semiconductora. Cuando la energía óptica es
absorbida, creando pares de electrones y agujeros, las partículas
individuales se desplazan en direcciones de acuerdo con la
distribución de campo local. Las partículas generadas pueden usarse
para modificar el índice de refracción para la modulación o
generación de una corriente de fotones para detección. Sin embargo,
si los pares electrón-agujero se recombinan no
radiativamente antes de que sus propiedades puedan ser usadas, la
energía almacenada es entregada a la retícula semiconductora en
forma de calor. Se debería advertir que a los semiconductores de
salto de banda indirecto no se les permiten transiciones radiativas,
lo que significa que todas las portadoras libres deben
desintegrarse no radiativamente. Sin embargo, las portadoras pueden
ser barridas desde la región de interacción con un campo eléctrico
aplicado antes de que se produzca la recombinación, reduciendo así
el efecto de calentamiento.
Una segunda fuente de calor es el calentamiento
Joule que es producido por una resistencia del semiconductor al
flujo de la corriente. Cuando la corriente pasa a través de un
material, se producen colisiones inelásticas entre los electrones
que fluyen y la retícula. Esto genera calor en todo el material. El
calentamiento Joule es producido en casos de inyección de corriente
y de generación de fotones. Sin embargo, aceptando efectos
electrónicos equivalentes, el calentamiento Joule debido a la
inyección de corriente es el más importante de los dos. Cuando
portadoras libres son generadas por fotones, quedan atrapadas
dentro de una cavidad de potencial sin flujo de corriente neto y,
por lo tanto, sin calentamiento Joule. La corriente fluye solamente
cuando se aplica un campo a través de la región de generación. Por
lo tanto, las portadoras generadas por fotones experimentan un
camino de menor resistencia durante el proceso de barrido, lo que
produce una menor generación de calor.
Un método que puede emplearse para combatir los
efectos de la temperatura, consiste en equilibrar los procesos de
generación de calor durante los estados conectado y desconectado (o
estados de alta y baja reflectividad) del modulador. En esencia,
debería ser posible conseguir un estado pseudo permanente,
eliminando así los efectos de la temperatura que dependen del
tiempo.
Este proceso de equilibrio de la temperatura
durante los estados conectado/desconectado es aplicable al concepto
de modulador MSM utilizando portadoras generadas por fotones. Al
contrario que el modulador de corriente inyectada, existe una gran
densidad de portadoras generadas por fotones dentro de la estructura
durante el estado de conectado. Como hemos señalado anteriormente,
las portadoras libres generadas se recombinan no radiativamente
debido a la fuga de corriente, calentando así la retícula. Durante
el estado desconectado del modulador, la corriente fluye a través de
la estructura dando lugar a calentamiento Joule. Por lo tanto, si es
igual la cantidad de calor generado por la recombinación y el flujo
de corriente, entonces se minimizan los efectos térmicos
dependientes del tiempo.
La gama de longitudes de onda en la que el
modulador funcionará es otra importante consideración. En la
realización preferida basada en silicio, la absorción óptica es
aproximadamente 11cm^{-1} en una longitud de onda de 1,06\mum.
En esta longitud de onda, a temperatura ambiente, la energía
fotónica es aproximadamente igual a la energía de salto de banda del
silicio (1,12 eV). Si la longitud de onda se hace más larga que
ésta, entonces la absorción decrece rápidamente. A longitudes de
onda más cortas, la absorción aumentaba rápidamente. Las curvas de
absorción son diferentes en el silicio cristalino, policristalino y
amorfo. Se mencionan los silicios amorfo y policristalino ya que
pueden ser usados como materiales de cobertura para hacer simétrica
la estructura. Como la absorción aumenta con longitudes de onda más
cortas, también aumenta la tasa de generación de portadoras. Por lo
tanto, en realizaciones que dependen de la generación de fotones de
las portadoras, el funcionamiento del dispositivo en longitudes de
onda más cortas puede mejorar la fuerza de modulación del
dispositivo.
Las realizaciones que se usan como detectores
dependen en gran medida de fenómenos similares a los que se usan
como moduladores. Por ejemplo, se puede pensar que un modulador es
un dispositivo que controla el acoplamiento entre la onda externa y
la onda local variando el voltaje a través de los electrodos. Esto
se consigue debido a que la variación de voltaje afecta al número de
portadoras libres producido en la guía de onda del semiconductor, y
el número de portadoras afecta al acoplamiento cambiando el índice
de refracción de la guía de onda por medio de uno de los procesos
electrorrefractivos. Resumiendo, el estado eléctrico de los
electrodos afecta al número de portadoras que afecta al acoplamiento
de luz. Un sentido inverso de esta cadena - la luz afecta al número
de portadoras que afecta al estado de los electrodos - describe
aproximadamente el proceso de detección. El dispositivo está
configurado para maximizar el acoplamiento de la onda externa con la
onda local. La onda local de fuerza máxima produce entonces
portadoras en el material semiconductor, que son detectadas a través
de los electrodos. Por lo tanto, muchas de las enseñanzas de los
moduladores son directamente aplicables también a detectores y las
realizaciones, que incluyen las preferidas basadas en las
estructuras MSM y LPIN, pueden ser usadas como detectores. Las
siguientes secciones resaltan solamente las diferencias entre
realizaciones destinadas a ser usadas como detectores y aquéllas
destinadas a ser usadas como moduladores.
En el modulador, la absorción característica del
dispositivo determina el número de portadoras libres generadas por
fotoabsorción. Sin embargo, en los casos de absorción débil, las
portadoras libres pueden ser generadas por el proceso alternativo de
inyección directa. En el caso de detección, esto no es así. El
dispositivo está limitado a longitudes de onda para las que el
dispositivo absorbe la radiación incidente y la absorción más
fuerte se traslada directamente a un detector más sensible. Se
debería advertir que el proceso de absorción no está limitado a
transiciones desde la banda de equilibrio a la banda de conducción
del semiconductor. Por ejemplo, la absorción puede producirse
mediante una transición desde el nivel Fermi metálico a la banda de
conducción del semiconductor.
El invento del presente dispositivo se basa en el
uso dual de la estructura del electrodo. Los electrodos ópticamente
acoplan luz de la onda externa con la onda local y la fuerza de esta
onda local es detectada entonces eléctricamente mediante los
electrodos. El acoplamiento óptico produce un campo que está
mejorado con respecto a los detectores convencionales, sin acoplar,
y la consiguiente detección de este campo puede conseguirse por
cualquiera de los normalmente usados métodos de fotodetección,
incluidos los enfoques basados en fotodiodos, dispositivos
fotoconductivos y dispositivos fotovoltaicos.
Como se ha explicado previamente, en el enfoque
MSM, la doble barrera de Schottky forma un agrupamiento de
portadoras y la aplicación de un voltaje de polarización actúa sobre
este agrupamiento produciendo un flujo de corriente. En la
aplicación del detector, se puede aplicar la polarización por
voltaje y el flujo de corriente resultante, que es indicativo de la
fuerza de la onda externa, puede ser detectado, y así detecta la
fuerza del campo óptico. Alternativamente, si la barrera de
Schottky es baja (es decir, los contactos
metal-semiconductor son esencialmente óhmicos),
entonces la resistencia del semiconductor será determinada por la
fuerza del campo óptico y el dispositivo puede ser hecho funcionar
como un fotoconductor.
En el caso de la estructura LPIN, el dispositivo
puede ser hecho funcionar como un fotodiodo convencional, bien en
modo fotoconductivo o en modo fotovoltaico. En el modo
fotoconductivo, la unión por clavijas puede estar polarizada en
sentido inverso y la fuerza del campo externo determinada por la
detección de la corriente que fluye a través de electrodos
contiguos. En el modo fotovoltaico, no se aplica voltaje a través de
los electrodos. En lugar de eso, se detecta el voltaje resultante
de las portadoras generadas por la onda externa, indicando así la
fuerza de la onda externa.
En las Figuras 11A-11B se muestra
una ilustración general del invento usado como modulador; mientras
que la Figura 12 representa el invento usado como un detector. En la
Figura 11A, el invento se usa en modo de reflexión. La onda externa
(10) incide sobre la rejilla / los electrodos (12) y la fuerza de la
onda reflejada (18) puede ser variada como se ha discutido
previamente. En muchas de las realizaciones discutidas, los
electrodos (12) están sobre un sustrato de silicio (14), de manera
que los circuitos convencionales (58) también pueden ser integrados
en el mismo sustrato (14). Estos circuitos (58) pueden ser usados
para estimular los electrodos (12), variando así la fuerza de la
onda reflejada (18). Debido al uso de técnicas normalizadas en la
fabricación del modulador y de los circuitos, muchos moduladores o
sistemas de moduladores pueden ser fabricados en un único sustrato.
La Figura 11B muestra un dispositivo usado en transmisión. En este
caso, la onda transmitida (20) es la onda que interesa modular. Si
la luz está en una parte del espectro para la que el silicio es
altamente absorbente, puede ser necesario reducir el espesor del
silicio (14) o usar una membrana de silicio para el dispositivo y
los circuitos (58). El soporte estructural puede conseguirse usando
un vidrio u otro sustrato transparente (60).
En la Figura 12 el dispositivo se usa para
detectar la fuerza de la onda externa (10). En este caso, no se
están modulando activamente ondas. Más bien, el campo óptico de la
onda (10) produce un efecto eléctrico que es detectado por los
circuitos (58) mediante los electrodos (12). Los circuitos también
pueden incorporar funciones más sofisticadas tales como el
promediado local, detección de borde y correcciones de fondo.
Claims (23)
1. Modulador óptico para modular una onda óptica
de salida (16, 18, 20) resultante de una onda óptica externa (10),
que comprende una multiplicidad de electrodos entremezclados que
comprenden salientes primero y segundo (22, 24), dispuestos de forma
que formen una rejilla de difracción (12), y adaptados para permitir
la aplicación de una diferencia de potencial entre los salientes
primero y segundo (22, 24), y una estructura (14) asociada a los
electrodos, en la que los electrodos (22, 24) y la estructura (14)
están adaptados para soportar una onda local (16), teniendo la
estructura una propiedad alterable que afecta a la eficiencia de
acoplamiento entre la onda externa (10) y la onda local (16), por
la que la propiedad es variada por la diferencia de potencial,
comprendiendo además el modulador óptico una fuente de voltaje (26)
adaptada a aplicar la diferencia de potencial entre los salientes
primero y segundo (22, 24), caracterizado porque los
electrodos (22, 24) y la estructura (14) están adaptados para
acoplar por resonancia la onda externa (10) con la onda local (16),
y para sintonizar el acoplamiento resonante entre la onda externa
(10) y la onda local (16) por una diferencia de potencial aplicada
entre los salientes primero y segundo (22, 24), y porque la fuente
de voltaje (26) está adaptada para sintonizar la resonancia entre
la onda externa (10) y la onda local (16) aplicando la diferencia
de potencial entre los salientes primero y segundo (22, 24).
2. El modulador óptico de la reivindicación 1, en
el que los electrodos (22, 24) son metálicos.
3. El modulador óptico de la reivindicación 1, en
el que la onda externa comprende una onda que se propaga en un medio
homogéneo, y
bien la multiplicidad de electrodos es
sustancialmente plana o bien la onda externa incide normalmente
sobre los electrodos, o
la multiplicidad de electrodos es sustancialmente
plana y la onda externa es descrita por un vector de onda k y un
ángulo de incidencia \theta, la onda local es descrita por una
constante de propagación con parte real \beta, y una separación
de electrodos es descrita por un período T de acuerdo con
\beta=ksen\theta+2\pim/T, donde m es un número entero, por
ejemplo donde lml=1 o lml=2, y
\beta es sintonizable por la diferencia de
potencial entre los electrodos.
4. El modulador óptico de la reivindicación 1, en
el que la onda local (16) comprende una onda de plasmón superficial,
una onda guiada de reflexión interna total, o una onda inestable
superficial.
5. El modulador óptico de la reivindicación 1, en
el que la onda externa (16) y la onda local están en la parte
visible del espectro electromagnético, en la parte del infrarrojo
próximo del espectro electromagnético, o en la parte ultravioleta
del espectro electromagnético.
6. El modulador óptico de la reivindicación 1, en
el que la multiplicidad de electrodos es sustancialmente plana.
7. El modulador óptico de la reivindicación 1, en
el que la propiedad alterable comprende un índice de refracción, un
coeficiente de birrefringencia de la estructura, un coeficiente de
absorción de la estructura, o una capacidad de la estructura para
absorber energía óptica y la capacidad óptica es alterada basándose
en la mejora resonante.
8. El modulador óptico de la reivindicación 7, en
el que la propiedad alterable es alterada (i) basándose en el
efecto de plasma de portadoras libres, (ii) basándose en el llenado
de banda, (iii) basándose en el efecto Stark de confinamiento
cuántico, (iv) basándose en el efecto Franz-Keldysh,
(v) basándose en el efecto Kerr, o (vi) basándose en el efecto
Pockels.
9. El modulador óptico de la reivindicación 1, en
el que la multiplicidad de electrodos entremezclados (22, 24) es
sustancialmente plano y la estructura (14) comprende un sustrato
sustancialmente plano muy próximo y paralelo a los electrodos.
10. El modulador óptico de la reivindicación 9,
en el que el sustrato comprende un semiconductor, por ejemplo
seleccionado entre (i) silicio, (ii) un sistema
III-V, (iii) un sistema II-VI, (iv)
un compuesto AlGaAs, (v) un compuesto InGaAsP, y (vi) carburo de
silicio, y opcionalmente, los electrodos y el semiconductor
formando un contacto óhmico o una barrera de Schottky.
11. El modulador óptico de la reivindicación 9,
en el que el sustrato (14) comprende una estructura de silicio en el
aislante, o comprende un sistema del grupo IV.
12. El modulador óptico de la reivindicación 9,
en el que la estructura (14) comprende además un recubrimiento
sustancialmente plano muy próximo a y sustancialmente paralelo a los
electrodos, estando los electrodos situados entre el recubrimiento
y el sustrato y teniendo el sustrato y el recubrimiento índices de
refracción sustancialmente iguales.
13. El modulador óptico de la reivindicación 1,
en el que la multiplicidad de electrodos entremezclados (22, 24) es
sustancialmente plana y la estructura comprende una membrana de
silicio sustancialmente plana muy próxima a y sustancialmente
paralela a los electrodos.
14. El modulador óptico de la reivindicación 1,
en el que la estructura (14) comprende un polímero electroóptico,
una cavidad cuántica o una estructura de superretícula.
15. El modulador óptico de la reivindicación 1,
en el que la onda local (16) comprende un plasmón superficial, la
estructura (14) comprende un sustrato semiconductor sustancialmente
plano, siendo el índice de refracción la propiedad alterable, y
haciendo el sustrato contacto eléctrico con los electrodos (22,
24).
16. El modulador óptico de la reivindicación 2,
en el que la onda local comprende una onda guiada de reflexión
interna total, la estructura comprende:
- a)
- regiones semiconductoras (54) dopadas-p que hacen contacto eléctrico con los salientes primero (22),
- b)
- regiones semiconductoras (56) dopadas-n que hacen contacto eléctrico con los salientes segundos (24),
- c)
- sustrato semiconductor sustancialmente plano (14) que tiene un índice de refracción alterable, haciendo el sustrato contacto eléctrico con las regiones semiconductoras dopadas-n y dopadas-p,
y siendo el índice de refracción
del sustrato (14) la propiedad
alterable.
17. El modulador óptico de las reivindicaciones
15 o 16, en el que la estructura comprende además una capa aislante
sustancialmente plana muy próxima a y sustancialmente paralela al
sustrato semiconductor.
18. El modulador óptico de la reivindicación 1,
en el que la onda de salida comprende una onda (18, 20) reflejada
desde o transmitida por los electrodos (22, 24).
19. Detector óptico para detectar la fuerza de
una onda óptica externa (10), que comprende una multiplicidad de
electrodos entremezclados que comprenden salientes primero y segundo
(22, 24), dispuestos de modo que forman una rejilla de difracción
(12), y adaptados para permitir la aplicación de una diferencia de
potencial entre los salientes primero y segundo (22, 24), y una
estructura (14) asociada a los electrodos, en la que los electrodos
(22, 24) y la estructura (14) están adaptados para soportar una
onda local (16) para acoplar por resonancia la onda externa (10)
con la onda local (16), y para sintonizar el acoplamiento resonante
entre la onda externa (10) y la onda local (16) por una diferencia
de potencial aplicada entre los salientes primero y segundo (22,
24), estando los electrodos adaptados además a detectar
eléctricamente la fuerza de la onda local soportada por los
electrodos (22, 24) y la estructura, generando por ello una
cantidad de electricidad relacionada con la fuerza de la onda
local, comprendiendo además el detector óptico una fuente de voltaje
(26) adaptada para aplicar la diferencia de potencial entre los
salientes primero y segundo (22, 24), y para por ello sintonizar la
resonancia entre la onda externa (16), y un sensor conectado a los
electrodos adaptado para detectar dicha cantidad de
electricidad.
20. El detector óptico de la reivindicación 19,
en el que el sensor está adaptado para detectar el flujo de
corriente entre los electrodos, las diferencias de potencial entre
los electrodos, o la resistencia eléctrica entre los
electrodos.
21. Método para la modulación de una onda óptica
de salida (16, 18, 20) resultante de una onda óptica externa (10),
que comprende:
- a)
- la provisión de una multiplicidad de electrodos entremezclados que comprenden salientes primero y segundo (22, 24), dispuestos de modo que forman una rejilla de difracción (12), y adaptados para permitir la aplicación de una diferencia de potencial entre los salientes primero y segundo (22, 24),
- b)
- la provisión de una estructura (14) asociada a los electrodos, en la que los electrodos (22, 24) y la estructura (14) están adaptados para soportar una onda local (16), y teniendo la estructura una propiedad alterable que afecta a la eficiencia de acoplamiento entre la onda externa (10) y la onda local (16), por la que la propiedad alterable es variada por la diferencia de potencial,
- c)
- la impresión de una diferencia de potencial entre los salientes primero y segundo (22, 24),
caracterizado porque los
electrodos (22, 24) y la estructura (14) están adaptados para
acoplar por resonancia la onda externa (10) con la onda local (16),
y para sintonizar el acoplamiento resonante entre la onda externa
(10) y la onda local (16) por una diferencia de potencial aplicada
entre los salientes primero y segundo (22, 24), y porque el paso de
impresión de una diferencia de potencial entre los salientes
primero y segundo (22, 24) sintoniza la resonancia entre la onda
externa (10) y la onda local
(16).
22. Método para detectar la fuerza de una onda
óptica externa (10), que comprende:
- a)
- la provisión de una multiplicidad de electrodos entremezclados que comprenden salientes primero y segundo (22, 24), dispuestos de modo que forman una rejilla de difracción (12), y adaptados para permitir la aplicación de una diferencia de potencial entre los salientes primero y segundo (22, 24);
- b)
- la provisión de una estructura (14) asociada a los electrodos, en la que los electrodos (22, 24) y la estructura (14) están adaptados para soportar una onda local (16) para acoplar por resonancia la onda externa (10) con la onda local (16), y para sintonizar el acoplamiento resonante entre la onda externa (10) y la onda local (16) por una diferencia de potencial aplicada entre los salientes primero y segundo (22, 24), estando los electrodos adaptados además a detectar eléctricamente la fuerza de la onda local (16) soportada por los electrodos (22, 24) y la estructura, generando por ello una cantidad de electricidad relacionada con la fuerza de la onda local;
- c)
- la impresión de una diferencia de potencial entre los salientes primero y segundo (22, 24), sintonizando por ello la resonancia entre la onda externa (10) y la onda local (16), y
- d)
- el uso de los electrodos para detectar la cantidad de electricidad.
23. El método de la reivindicación 22, en el que
la cantidad eléctrica es la corriente que fluye entre los
electrodos.
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