[发明专利]一种超快电光调制装置与方法

说明书

本发明涉及信息技术领域，公开了一种超快电光调制装置及其方法。装置包括导电体一、导电体二和导电体三，导电体一与导电体二组成天线结构；天线结构接收外部调制电信号。导电体三位于天线结构内；导电体三为微纳结构，微纳结构上存在曲率半径小于10纳米的部分；调制方法为待调制光经过天线结构增强后在导电体三处激发产生局域化的空间光场；调制电信号在导电体一、导电体二之间造成的电势差，影响微纳结构中的载流子密度分布；载流子密度分布变化改变空间光场的性质，实现对待输入光的调制。本发明适用于可见光和红外波段光的调制，具有超快调制速度，超低功耗的优点，并且结构简单，利于二次设计优化与集成制造。

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种具有超快调制速度和超低功耗的电光调制装置，以及基于此装置的电光调制方法。

背景技术

光学调制器是对光的某种自由度进行调控，包括诸如光强调制器、相位调制器、偏振调制器和空间方向调制器等。十几年来，各种基于不同原理的调制器层出不穷，具有代表性的有：2008年北京大学团队提出一种含有强非线性的导体或半导体(C153掺杂聚苯乙烯)的光子晶体体系，可以通过非线性效应实现较低功耗和皮秒级响应速度的光调制(NaturePhotonics,vol.2,pp.185-189(2008))。2009美国洛斯阿拉莫斯国家实验室团队提出利用电压控制GaAs和导体或半导体界面耗尽层载流子浓度，从而实现调制超颖材料对光的吸收(Nature Photonics,vol.3,pp.148-151(2009))。2016年美国西北大学团队在光力系统中通过泵浦光使力学结构发生形变，进而调控光学信号。这些调制器由于其原理所涉及的电、光、力学物理过程响应较慢，最高达到千兆赫兹(GHz)水平(Nano Letters,vol.16,pp.7690-7695(2016))。为了获得更快的调制速度，考虑到石墨烯所特有的狄拉克锥能带结构允许通过电压灵敏调控其载流子浓度，可以间接实现对光吸收的调制。美国加州大学伯克利分校和康奈尔大学都报道了基于此机制的石墨烯光学调制器，其调制速度可达到10GHz水平(Nature,vol.474,pp.64-67(2011))。进一步，2018年美国哈佛大学团队基于铌酸锂的泡克耳斯(Pockels)效应报道了210GHz调制速度的光学调制(Nature,vol.562,pp.101-104(2018))。但是该调制器超过百微米级的尺寸大小不便于芯片上高密度集成，并且调制速度仍然没有达到太赫兹(THz)水平。

由于金属结构的等离激元具有响应速度快的固有特质，近几年基于金属纳米间隙结构中非弹性电子隧穿效应的有源光调制受到相当重视。此类装置的调制速度主要与三个因素有关：1.电子隧穿时间，2.辐射衰减时间，3.电阻-电容(RC)电路的RC弛豫时间τ＝RC，R和C分别表示电路的等效电阻和等效电容。电子隧穿和辐射都是飞秒量级甚至更快的过程，此类调制器的调制速度主要受限于RC弛豫时间。此类装置中，由于需要产生足够强度的隧穿电流和非弹性隧穿电流致光辐射，金属之间的间隙往往很小(例如1纳米以下)，且有效面积较大，导致金属结构本身具有可观的电容。另一方面，由于产生较强隧穿电流，整个电路系统等效电阻R也较大。因此，RC弛豫时间会极大地限制调制速度。综合考虑之下，这类装置调制速度一般只能勉强达到太赫兹水平，例如瑞士苏黎世联邦理工大学团队提出的基于纳米间隙中非弹性电子隧穿的光调制方案(Nature Nanotechnology,vol.10,pp.1058-1063(2015))等。此外，由于隧穿电流的存在，此类器件工作时会有较大的功耗。

如上所述，迄今为止，尽管调制器的调制速度在理论上可以达到太赫兹水平，但是实际中诸如RC时间常数较大等因素限制了调制器的响应速度，具备太赫兹调制速度的调制器件鲜有报道，并且调制过程一般都伴随较大的功耗。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提出基于导电物质中载流子密度分布控制的电光调制方法及其配套的装置，旨在实现超快响应和超低功耗的电光调制。