[发明专利]制造光调制器的方法

说明书

本申请是于2015年4月15日提交的待审查的美国专利申请No.14/687,726的部分继续申请。该申请No.14/687,726的内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明一般涉及在光信号经光波导传输期间采用开关和调制器的系统和方法。更具体地，本发明涉及采用交叉耦合材料的光开关和调制器，所述交叉耦合材料夹在两个波导之间，其中两个波导彼此平行对准。并且电场E被用于改变交叉耦合材料的折射率n_c，以从一个波导向另一个波导传输光信号。本发明特别地但不排它地用作光电耦合开关，其中交叉耦合材料被构造成薄的扁平层，并且电场E强且均匀，其通量线的取向基本垂直于交叉耦合材料整个层，并且被限制在两个波导之间。

背景技术

众所周知，光波导是一种物理结构，引导电磁波(如光)经过该结构。波导对光的引导或限制是波导中内反射的结果。作为物理现象，当波导材料的折射率n_wg和周围环境的折射率n_e之间的差异具有特定值时，这些内反射发生。否则，波导中的光可能不存在限制或者限制低效。

还众所周知，施加的电场通过线性或者非线性的光电效应——如普尔克斯效应(线性)或克尔效应(非线性)——能够改变材料的折射率。具体地，普尔克斯光电效应是施加在材料上的电压影响将改变材料的折射率n达Δn的量的情况，其可以数学表示为：

Δn＝-rn³E/2

其中r是普尔克斯常数，并且E是电场强度。

在平面的波导耦合器开关的情况下，电场E被施加在两个交叉耦合光波导之间，所述光波导被具有折射率n_eo的光电材料分开。当被施加时，电场E改变交叉耦合材料的折射率n_eo，以改变两个光波导之间的交叉耦合性质。因此，沿着一个波导行进的光移动到另一个波导。

考虑上述内容，如本发明所设想的垂直的波导光开关的设计涉及几个特别重要的相互影响的因素。这些因素包括：波导之间的间距d(即交叉耦合材料的厚度)；交叉耦合材料的折射率n_c(有时也指本文的n_eo)；以及电场E的设计(即配置)。

具体地，只要电场的设计被考虑，设备(即光电开关)相对于交叉耦合材料配置以及限制电场E的能力是最重要的。具体地，这里考虑的电场E的设计分三部分。第一：穿过交叉耦合材料的电场E应该均匀(即电场的通量线彼此平行)。第二：电场E的通量线应该被限制于交叉耦合材料。以及第三：电场E的通量线应该与交叉耦合材料的偏振方向对准(即垂直于波导中的光束通路)。协调这些因素的目的是为了优化设备的光电调制效率。

在本发明的另一方面中，光电耦合开关(调制器)的结构出于可操作地调节光信号的目的加以考虑。这里的目的是优化针对穿过在波导之间的光信号的交叉耦合材料的光信号的电场的取向(orientation)。这要求由交叉耦合材料的光电系数建立的取向与光信号的电场取向基本平行(即在同一方向)或者几乎是这样。

众所周知，激光光束(即光信号)的电场和磁场取向在相互垂直的平面中，这样，波导将强加条件于光信号，使其表现横切模式。具体地，这些模式是TM(横切磁场)模式，其中电场是垂直的并且磁场是水平的；或者是TE(横切电场)模式，其中电场是水平的并且磁场是垂直的。同样众所周知，布置在两个波导之间的光电交叉耦合材料会表现出独特的偏振面，所述偏振面主要响应于穿过交叉耦合材料的光信号的电场。

因此，在考虑交叉耦合材料中的响应平面与外部施加电场E的通量线的对准时，该响应平面的取向是重要的。为了说明，应当注意，波导材料的光电系数是交叉耦合材料中的响应平面取向的指示。

在聚合物用作交叉耦合材料的情况中，众所周知，聚合物中的由其光电系数建立的响应平面的取向能够被称为“极化”的过程影响(即取向能够被改变，至少在一定程度上)。然而对其他材料而言，光电系数和其响应平面导致的取向是材料的固定属性。在任何情况中，无论波导是否由聚合物、氮氧化硅(SiON)/二氧化硅材料或者其他本领域熟知的材料做成，光电系数都是重要的考虑。

考虑到上述内容，交叉耦合材料中的光电耦合系数取向，与光信号穿过波导(例如TM模式)之间的交叉耦合材料时的电场之间的相互作用，需要以某种方式加以考虑。为了这个目的，为了优化开关设备(调制器)的光电调制效率，有必要使交叉耦合材料的响应平面对准，使得与交叉耦合材料中的外部施加的电场E尽可能平行。为此，交叉耦合材料中的光电系数取向应被对准，尽可能平行于外部施加的电场的通量线。