[发明专利]基于表面等离子体激元的光调制器

说明书

相关申请的交叉参考

本申请要求2008年8月15日提交的题为“基于表面等离子体激元的光调制器”的美国临时专利申请第61/189,100号的优先权和权益，本文以该申请的内容为依据并将其全文结合于此。

发明领域

本发明一般涉及光调制器，具体涉及基于表面等离子体激元效应的光调制器。

背景技术

人们将光调制器用于各种光学系统，通常是以快速的方式改变光束的强度，从而将信息赋予到载体光学信号上。在基于波导的光学系统中，例如使用光纤的光通信系统中，将使用光调制器将信息编码到用波导引导的光上。光调制器的其它应用包括将其作为快速开关，用于进行逻辑操作，以及作为光门(light gate)，选择性地阻挡或传输光，而同时不一定需要将信息赋予到光束上。

现有技术的光调制器通常是基于电光(EO)的或者基于电吸收(EA)的。前者是基于线性电-光(Pockels)效应，而后者利用多量子阱异质结构中的Franz-Keldysh效应或者量子限制的Stark效应。基于EO的调制器通常使用由制造集成光学器件和系统的标准方法(例如Ti-内扩散，质子交换等)用EO材料(通常是铌酸锂)制造的Mach-Zehnder干涉仪(MZI)。不幸的是，因为MZI对外与光纤相连，MZI和波导之间的连接会导致不希望有的光信号衰减。另外，衰减过程包括将一道光束分成两道光束，将相对相位赋予光束，于是使光束发生干涉。这样产生了相当复杂的系统和方法。

反之，基于EA的调制器可以与激光器集成在单个芯片上。但是，它们通常具有约为10dB的较低的消光比(即对应于逻辑“1”和“0”的功率水平之比)。目前使用的EAM体积很大，无法直接将其与包含不同材料的系统和/或器件集成。

某些光纤光调制器力图依赖于使用表面等离子体激元。表面等离子体激元(SP)是一种电磁波，其在满足某些条件的情况下在金属层和介电层(可以是空气)之间的界面处传播。基于SP的光调制器使用能够将受引导的光载带的能量选择性地转化为SP的结构。通过选择性地改变转化为SP的功率的量，使得受引导的光波选择性地衰减，以实现所需的模拟调制或数字调制。

迄今为止，为了达到激发SP所需的条件，基于SP的光纤光调制器依赖于与特定金属-电介质结构连接的横向(即平行于光纤轴)光。例如，在一种情况下，通过波导的传播模式以及波导外部的金属-电介质界面支持的等离子体激元模式的渐逝连接实现光强度调制。其它的方法使用棱镜或光栅获得倾斜的入射角，以激发SP。

发明概述

本发明的第一个方面涉及一种光调制器，其包括中心轴，该调制器在操作波长下使用布洛赫表面等离子体激元(BSP)效应，以在受到施加的电压的时候调制输入光。所述光调制器包括调制介电常数的(P-M)光栅，该光栅包括表面，以及垂直于所述表面并且与光轴基本对准的中心轴。所述P-M光栅包括金属区段和/或金属和电介质区段的周期性设置，这些区段限定光栅表面并且限定调制的介电常数。所述光调制器还包括第一和第二EO基片，所述基片各自具有可以根据施加的电压而变化的折射率。所述第一和第二EO基片沿着光轴设置，从而将P-M光栅夹在中间，形成一种当通过可操作地设置在至少一个EO基片上的电极对至少一个EO基片施加电压时可以支持BSP的结构。

本发明的第二个方面涉及一种光调制器，其包括中心轴，该调制器在操作波长下使用BSP效应，从而在受到施加的电压的时候调制输入光。所述光调制器包括EO基片，该基片具有基本平行的第一表面和第二表面，所述基片的折射率可以根据施加的电压而变化。所述光调制器还包括第一和第二P-M光栅，所述光栅设置成将EO基片夹在中间，从而形成第一和第二基片-光栅界面，当通过可操作地设置在EO基片上的电极对EO基片施加电压的时候，所述界面可以支持相应的第一和第二BSP。所述光调制器还包括第一和第二介电基片，所述介电基片分别设置在与第一和第二P-M光栅紧邻并且与EO基片相反的位置。

本发明的第三个方面涉及一种利用BSP效应调制输入光，以形成调制过的输出光的方法。所述方法包括提供至少一个限定操作波长的P-M光栅。所述方法还包括使得所述至少一个P-M光栅与至少一个EO基片面接，从而形成至少一个能够支持至少一个BSP的光栅-基片界面，所述至少一个EO基片的折射率在施加电压的情况下会发生变化。所述方法还包括使得输入光通过所述至少一个光栅-基片界面，同时改变施加于所述至少一个EO基片的电压，以改变所述至少一个光栅-基片界面在操作波长下支持至少一个BSP的能力，从而使得输入光选择性地衰减，形成调制过的输出光。