專(zhuān)利名稱(chēng)：基于光子光柵的電磁輻射放大系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的各種實(shí)施例涉及放大器，并且更具體地說(shuō)，涉及采用光子
光4冊(cè)(photonic grating)的電》茲輻射方文大器。
背景技術(shù)：
穿過(guò)任何傳輸介質(zhì)的電磁輻射都會(huì)遭受衰減。實(shí)際上，電磁輻射穿 過(guò)傳輸介質(zhì)越遠(yuǎn)，輻射損耗強(qiáng)度就越大。處理和傳輸電磁輻射中編碼的 信息的計(jì)算和通信系統(tǒng)可通過(guò)放大或增大沿傳輸路徑各點(diǎn)處的電磁輻 射的強(qiáng)度來(lái)避免這個(gè)問(wèn)題。電磁輻射放大器是可放在沿傳輸路徑的各點(diǎn) 處以增大入射電磁輻射的幅度的裝置。圖1圖解說(shuō)明了電磁輻射放大器 IOO的操作。理想地，放大器IOO接收由第一平面波102所表示的電磁 輻射的入射相干束，并發(fā)射更高強(qiáng)度的電磁輻射相干束，其由第二平面 波104表示，第二平面波104的幅度比電磁輻射102的入射相干束要大。 所放大的電/f茲輻射相干束以與電磁輻射102入射相干束基本上相同的方
向并具有基本上相同的波長(zhǎng)X和相位地傳播。
作為放大過(guò)程的一部分，電磁輻射放大器包含被泵送(pump)或激 發(fā)到較高電子能態(tài)的增益介質(zhì)。通常使用從外部激光源發(fā)射的電磁輻射 或電信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)泵送增益介質(zhì)。在泵送增益介質(zhì)之后，入射相干電磁輻 射激勵(lì)增益介質(zhì)內(nèi)電磁輻射的發(fā)射。這個(gè)所激勵(lì)的電磁輻射與入射電磁 輻射具有基本上相同的方向、波長(zhǎng)以及固定相位關(guān)系，并與入射電磁輻 射相長(zhǎng)干涉，從而產(chǎn)生電磁輻射的放大相干束。
摻雜的光纖放大器是通常所用的放大器。典型的摻雜光纖放大器的 增益介質(zhì)由已經(jīng)摻雜了原子并由包覆層包裹的光纖芯構(gòu)成。來(lái)自外部激 光器的泵浦電磁輻射將原子激發(fā)到較高電子能態(tài)。要放大的電磁輻射的 入射束通過(guò)纖芯傳輸，并激勵(lì)從所激發(fā)的原子發(fā)射具有基本上相同的相 位、波長(zhǎng)和方向的電磁輻射，這又經(jīng)由相長(zhǎng)干涉產(chǎn)生電磁輻射的放大相 干束。纖芯引導(dǎo)泵浦電磁輻射和電磁輻射的放大相干束。半導(dǎo)體放大器 是另一種類(lèi)型的通常所用的電磁輻射放大器。半導(dǎo)體放大器的增益介質(zhì) 通常包含位于正摻雜的半導(dǎo)體區(qū)域與負(fù)摻雜的半導(dǎo)體區(qū)域之間的PN結(jié)入射相干束被引導(dǎo)到PN結(jié)層中，并且當(dāng)入射 電磁輻射激勵(lì)通過(guò)重新組合PN結(jié)層內(nèi)的電子空穴對(duì)而產(chǎn)生的電磁輻射 的發(fā)射時(shí)被放大。這個(gè)電磁輻射也與入射電磁輻射具有基本相同的相 位、波長(zhǎng)和方向，并且也經(jīng)由相長(zhǎng)干涉產(chǎn)生電磁輻射的放大相干束。
號(hào)，然而這些放大器通常不能被設(shè)計(jì)成選擇性地放大窄頻率范圍中的電 磁輻射，而不產(chǎn)生其它頻率處的干擾。此外，摻雜的光纖放大器通常太 大而不能與微尺度和納米尺度的光學(xué)裝置耦合。雖然可以在微尺度上制 造半導(dǎo)體放大器，但是半導(dǎo)體放大器與光纖之間的結(jié)構(gòu)差異使其難以將 光纖與半導(dǎo)體放大器的PN結(jié)層耦合。物理學(xué)家和工程師已經(jīng)認(rèn)識(shí)到需 要能夠放大所選窄頻率范圍中的電磁輻射的相干束并且小得足以實(shí)現(xiàn) 在各種微尺度和納米尺度的光學(xué)裝置中的電磁輻射放大器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的各種實(shí)施例涉及采用光子光柵的電磁波放大系統(tǒng)。在本發(fā) 明的一個(gè)實(shí)施例中，電磁輻射放大系統(tǒng)包括光子光柵和泵浦源。光子光 柵配置有板(slab)中的平面周期孔點(diǎn)陣(planar periodic lattice of holes),所述光子光柵與電磁輻射的入射相干束耦合。泵浦源輸出電 子激勵(lì)，所迷電子激勵(lì)在光子光柵中激發(fā)電子能態(tài)，使得電磁輻射的入 射相干束激勵(lì)相干電磁輻射的發(fā)射，所述相干電磁輻射放大電磁輻射的 入射相干束。


圖1圖解說(shuō)明了電磁輻射放大器的操作。
圖2A圖解說(shuō)明了表示本發(fā)明實(shí)施例的第一二維光子光柵的立體圖。
圖2B圖解說(shuō)明了圖2A中所示的光子光柵的單位單元。
圖2C圖解說(shuō)明了沿線2C-2C所取的圖2A中所示的光子光柵的截面
圖3A圖解說(shuō)明了表示本發(fā)明實(shí)施例的第二二維光子光柵的立體圖。
圖3B圖解說(shuō)明了圖3A中所示的光子光柵的單位單元。
圖3C圖解說(shuō)明了沿線3C-3C所取的圖3A中所示的光子光柵的截面圖4A圖解說(shuō)明了表示本發(fā)明實(shí)施例的第三二維光子光柵的立體圖。
圖4B圖解說(shuō)明了圖4A中所示的光子光柵的單位單元。
圖5A圖解說(shuō)明了表示本發(fā)明實(shí)施例的第四二維光子光柵的立體圖。
圖5B圖解說(shuō)明了圖5A中所示的光子光柵的單位單元。
圖6圖解說(shuō)明了圖2A中所示的光子光柵和入射電磁波的電場(chǎng)分量。
圖7示出穩(wěn)態(tài)振動(dòng)能量分布與振動(dòng)頻率的關(guān)系曲線。
圖8示出對(duì)于兩個(gè)^f叚設(shè)(hypothetical)光子光>^冊(cè)的兩個(gè)穩(wěn)態(tài)振動(dòng)
能量分布與振動(dòng)頻率的關(guān)系曲線。
圖9圖解說(shuō)明了表示本發(fā)明實(shí)施例的電磁輻射放大器的示意表示。 圖10示出三級(jí)(three-level)摻雜物的能級(jí)粒子數(shù)(energy level
populat ion )分布。
圖11示出在施加電子激勵(lì)之后三級(jí)摻雜物的能級(jí)粒子數(shù)分布和對(duì)
應(yīng)的能級(jí)圖。
圖12示出在施加電子激勵(lì)之后四級(jí)摻雜物的能級(jí)粒子數(shù)分布和對(duì) 應(yīng)的能級(jí)圖。
圖13圖解說(shuō)明了表示本發(fā)明實(shí)施例的第一電磁輻射放大器。
圖14A-14C圖解說(shuō)明了示例光子光柵的模擬結(jié)果。
圖15示出與光子光柵的厚度減小關(guān)聯(lián)的變窄的放大和衰減。
圖16A圖解說(shuō)明了表示本發(fā)明實(shí)施例的第二電磁輻射放大器。
圖16B圖解說(shuō)明了沿線16B-16B所取的表示本發(fā)明實(shí)施例的圖16A
中所示的放大器的截面圖。
圖17圖解說(shuō)明了表示本發(fā)明實(shí)施例的包含單個(gè)量子阱的第一光子
光柵的截面圖。
圖18圖解說(shuō)明了表示本發(fā)明實(shí)施例的包含兩個(gè)量子阱的第二光子 光柵的截面圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的各種實(shí)施例涉及采用合并了某種增益材料的介電光子光柵 的電磁輻射放大系統(tǒng)。光子光柵中的諧振可用于放大窄頻率范圍中的電 磁輻射的相干束。電磁輻射增益可通過(guò)調(diào)整光子光柵的介電常數(shù)和特征 部件(feature)的大小來(lái)控制。此外，光子光柵對(duì)于具有在該窄頻率 范圍以外的頻率的電磁輻射基本上是透明的。
6描述本發(fā)明各種實(shí)施例所用的術(shù)語(yǔ)"光子(photonic)"指的是可 用于傳輸具有跨越電磁波譜的波長(zhǎng)的經(jīng)典電磁波或量子化電磁波的器 件。換句話說(shuō)，描述本發(fā)明實(shí)施例所用的術(shù)語(yǔ)"光子"不限于用于傳輸 稱(chēng)為"光量子(photon)，，的電磁輻射量子的器件。為了幫助讀者理解
本發(fā)明各種實(shí)施例的描述，在第一小節(jié)提供了光子光柵的概述。在第二 小節(jié)描述本發(fā)明的各種系統(tǒng)和方法實(shí)施例。 光子光柵(photonic grating)
圖2A圖解說(shuō)明了表示本發(fā)明實(shí)施例的二維光子光柵200的立體圖。 光子光柵200由板202構(gòu)成，板202包含位于光子光柵200的xy平面 中的孔點(diǎn)陣。點(diǎn)陣中的每個(gè)孔跨越板200的厚度或高度t。例如，孔204 跨越板202的高度。如圖2A中所示，這些孔排列成基本方形的點(diǎn)陣配 置。圖2B圖解說(shuō)明了表示本發(fā)明實(shí)施例的光子光柵200的單位單元 (unit cell) 206。單位單元206包括寬度均為w的四個(gè)基本上方形形 狀的孔208-211，它們排列成點(diǎn)陣常數(shù)為a的基本上方形的配置。圖2C 圖解說(shuō)明了表示本發(fā)明實(shí)施例的光子光柵200的截面圖。
在本發(fā)明的其它實(shí)施例中，孔點(diǎn)陣可具有不同的形狀。圖3A圖解說(shuō) 明了表示本發(fā)明實(shí)施例的第二二維光子光柵300的立體圖。光子光柵 300包括板302,板302具有位于板302的xy平面中的圓孔點(diǎn)陣。點(diǎn)陣 中的每個(gè)孔跨越光子光柵300的厚度或高度t,諸如孔304。圖3B圖解 說(shuō)明了表示本發(fā)明實(shí)施例的光子光柵300的單位單元306。單位單元306 由每個(gè)具有基本上相同的半徑r并且排列成點(diǎn)陣常數(shù)為a的基本上方形 配置的四個(gè)基本上圓形的孔308-31 1組成。圖3C圖解說(shuō)明了表示本發(fā) 明實(shí)施例的光子光柵300的截面圖。
在本發(fā)明的其它實(shí)施例中，孔點(diǎn)陣可具有不同的單位單元配置。圖 4A圖解說(shuō)明了表示本發(fā)明實(shí)施例的第三二維光子光柵400的立體圖。光
子光柵400包括板402，該板具有排列成基本上三角形的單位單元配置 的基本上方形的孔。圖4B圖解說(shuō)明了表示本發(fā)明實(shí)施例的光子光柵400 的單位單元404,單位單元404包括排列成基本上三角形配置的三個(gè)基 本上方形的孔406-408。圖5A圖解說(shuō)明了表示本發(fā)明實(shí)施例的第四二維 光子光柵500的立體圖。圖5B圖解說(shuō)明了光子光柵500的單位單元502， 光子光柵500基本上與光子光柵400等同，除了基本上圓形的孔構(gòu)成孔 點(diǎn)陣。在本發(fā)明的各種實(shí)施例中，光子光柵板可由單個(gè)電介質(zhì)、半導(dǎo)體或 半導(dǎo)體化合物構(gòu)成。為光子光柵板所選擇的材料類(lèi)型可取決于所需的光 子光柵的尺寸和配置、與電磁輻射入射束關(guān)聯(lián)的模式參數(shù)(諸如傳播方 向^和極化)、或電磁輻射入射束的頻率或波長(zhǎng)范圍。例如，光子光柵
板可由Si02、 SiN或諸如Si或Ge的半導(dǎo)體構(gòu)成。光子光柵板也可由二 元、三元或四元II-VI或III-V半導(dǎo)體化合物構(gòu)成。例如，光子光柵板 可由ZnTe或CdSe (均為II-VI半導(dǎo)體化合物)或者GaAs或InP (均為 III-V半導(dǎo)體化合物)構(gòu)成。光子光柵板可由兩層或更多層構(gòu)成，其中 每層可由不同的材料構(gòu)成。例如，光子光柵板可由夾在兩層AlGaAs之 間的單層GaAs構(gòu)成?？墒褂梅肿邮庋踊蚧瘜W(xué)氣相沉積形成光子光柵 板。光子光柵也可由摻雜有磷光染料的有機(jī)材料構(gòu)成。例如，該有機(jī)材 料可以是摻雜有八乙基卟吩鉑(II)的三(8-羥基喹啉)鋁。
可使用眾多已知的光刻和蝕刻技術(shù)在光子光柵中形成孔點(diǎn)陣。例如， 可使用反應(yīng)離子蝕刻、聚焦離子束蝕刻、化學(xué)輔助的離子束蝕刻、電子 束光刻(electron beam lithography)、光刻(photolithography) 和納米壓印光刻在板中形成孔點(diǎn)陣，所有這些技術(shù)在本領(lǐng)域都是公知 的，并且可基于所需的孔大小和板材料來(lái)選擇。該孔可以是氣孔，或者 由具有不同于光子光柵板的介電常數(shù)的半導(dǎo)體化合物材料、半導(dǎo)體或電 介質(zhì)構(gòu)成?？墒褂梦锢須庀喑练e或化學(xué)氣相沉積技術(shù)用材料填充這些 孔。
注意電磁波和電磁輻射相干束在后面的附圖中由電場(chǎng)分量單獨(dú)表
示。這是因?yàn)椋m然單個(gè)電磁波包括電場(chǎng)分量A和正交的磁場(chǎng)分量&,
但是磁場(chǎng)分量的幅度小于電場(chǎng)分量的幅度，是其l/c倍，其中c表示自
由空間中的光速(c-3. Ox 10sm/sec)，并且電場(chǎng)分量計(jì)及(account for)
大部分電》茲波與物質(zhì)的交互作用。
圖6圖解說(shuō)明了光子光柵200和入射電磁波602的電場(chǎng)分量。在圖 6中，軸604-606分別表示笛卡爾坐標(biāo)軸^，少和乏。電磁波具有關(guān)聯(lián)的 波矢量
=A: (sin 0cos^J+sin Ssin妙+ cos泥)其中k是入射電磁波602的波數(shù)，而參數(shù)e和(j)是電磁波的入射角。入 射電磁波通常透射穿過(guò)光子光柵200。然而，對(duì)于具有特定極化和波長(zhǎng) 、的每個(gè)入射電磁波，存在使得電磁波不能透射穿過(guò)光子光柵200的一
對(duì)關(guān)聯(lián)的入射角e和(j)。相反，這些電磁波與光子光柵點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)耦合，
并且在光子光柵的xy平面內(nèi)具有頻率-諧振模式。例如，考慮具有特定 極化和波長(zhǎng)人。的電磁波602入射在光子光柵200上。對(duì)于大量入射角e 和cj),光子光柵200對(duì)于入射電磁波602是透明的。然而，存在使得入 射電磁波在光子光柵200的xy平面內(nèi)具有諧振頻率f。的一對(duì)入射角e。 和4>。。換句話說(shuō)，光子光柵200用作電磁波的布拉格反射器，并且光子
光柵200對(duì)于這個(gè)具有波矢量角e。和(j)。的電磁波是不透明的。這個(gè)諧
振現(xiàn)象是入射電磁波602與光子光柵能夠支持的電磁輻射模式之間的耦 合的結(jié)果。
諧振頻率或諧振f。是電磁波以最大幅度A,或振動(dòng)能量E^ 振動(dòng)的頻率。諧振頻率f。由介電常數(shù)e、點(diǎn)陣常數(shù)a、孔寬w和厚度t 確定。品質(zhì)因數(shù)(Q)是定量評(píng)估光子光柵的諧振銳度的一種方式。下面 是對(duì)Q因數(shù)以及Q因數(shù)如何能夠用于定性地表征振動(dòng)系統(tǒng)的能量損耗的 簡(jiǎn)要而概括的描述。Q因數(shù)比較系統(tǒng)振蕩的頻率與系統(tǒng)損耗能量的速率。 比較大的Q因數(shù)表示能量耗散的速率相對(duì)于系統(tǒng)的諧振頻率較低。 一般 而言，Q因數(shù)可表示為
厶/
其中Af是物理系統(tǒng)的振動(dòng)能量是頻率f。處的最大振動(dòng)能量E陽(yáng)的至少 一半的頻率范圍。
圖7示出穩(wěn)態(tài)振動(dòng)能量分布與振動(dòng)頻率的關(guān)系曲線。水平線702是 頻率軸，垂直線704是振動(dòng)能量軸，并且曲線706是正態(tài)分布，其將系 統(tǒng)的振動(dòng)能量表示為振動(dòng)頻率的函數(shù)，并以諧振頻率fa為中心。曲線706 的最大值708是最大振動(dòng)能量E^或幅度Am"。曲線706的斜率的幅值增 大，系統(tǒng)的振動(dòng)頻率越遠(yuǎn)離諧振頻率f。。換句話說(shuō)，系統(tǒng)振動(dòng)頻率越遠(yuǎn) 離諧振頻率f。，系統(tǒng)可得到的振動(dòng)能量就越低。
現(xiàn)在返回與光子光柵關(guān)聯(lián)的Q因數(shù)。當(dāng)板厚度減小時(shí)，當(dāng)孔大小減小時(shí)，或者當(dāng)板的介電常數(shù)s,與孔的介電常數(shù)Sh之間的指數(shù)對(duì)比(index contrast) U，-Sh)減小時(shí)，與在光子光柵的xy平面中諧振的電磁波的 諧振關(guān)聯(lián)的光子光柵Q因數(shù)增大。在具有大Q因數(shù)的光子光柵中諧振的 電磁波比具有關(guān)聯(lián)的小Q因數(shù)的電磁波以更大的幅度或更多的振動(dòng)能量 諧振。此外，小Q因數(shù)表示在光子光柵中諧振的電磁波的諧振是短暫的， 而大Q因數(shù)表示電磁波的諧振保持俘獲在光子光柵中達(dá)更長(zhǎng)的時(shí)段。 圖8示出與兩個(gè)假設(shè)光子光柵關(guān)聯(lián)的兩個(gè)穩(wěn)態(tài)振動(dòng)能量與振動(dòng)頻率
的關(guān)系曲線。第一光子光柵和第二光子光柵具有等同的介電常數(shù)Ss和Sh、
點(diǎn)陣常數(shù)a和孔寬w。然而，第一光子光柵的厚度小于第二光子光柵的 厚度。根據(jù)上面的光子光柵Q因數(shù)表達(dá)式，與笫一光子光柵關(guān)聯(lián)的Q因 數(shù)大于與第二光子光柵關(guān)聯(lián)的Q因數(shù)。在圖8中，曲線802對(duì)應(yīng)于第一 光子光柵的振動(dòng)能量分布，而曲線804對(duì)應(yīng)于第二光子光柵的振動(dòng)能量 分布。曲線802比曲線804窄，這指示具有諧振頻率f。的電磁波比具有 諧振頻率f。的在第二光子光柵中諧振的電磁波以更大的振動(dòng)能量諧振， 并保持俘獲在第 一光子光柵中達(dá)更長(zhǎng)的時(shí)段。
本發(fā)明的實(shí)施例
圖9圖解說(shuō)明了表示本發(fā)明實(shí)施例的電磁輻射放大器900的示意表 示。放大器900包括泵浦源902和光子光柵904。光子光柵902耦合到 泵浦源902,并接收來(lái)自泵浦源902的電子激勵(lì)，以及由電場(chǎng)波分量906 表示的電磁輻射的入射相干束。入射相干電磁輻射906的強(qiáng)度可表示為
/i+。c|￡(/)|2
其中s。表示自由空間的介電常量； c表示自由空間中的光速； E(f)表示入射電磁輻射的電場(chǎng)幅度；以及 f表示電磁輻射的頻率。
放大器900是頻率選擇的相干放大器，因?yàn)楣庾庸鈻?04的點(diǎn)陣常 數(shù)a、板材料的介電常數(shù)s、孔寬w和厚度t都可預(yù)選成使得電磁輻射的 入射相干束906與光子光柵904所支持的電磁輻射模式耦合。電子激勵(lì) 與光子光柵904中的電磁輻射發(fā)射器耦合，以便產(chǎn)生由電場(chǎng)分量908表 示的電磁輻射的放大相干束。在本發(fā)明的其它實(shí)施例中，電磁輻射發(fā)射 器可以是摻雜物、量子阱、量子點(diǎn)或另一種適當(dāng)?shù)碾姶泡椛浒l(fā)射材料。
10電磁輻射的放大相干束908可表示為 oc|g(/)|2|￡(/)|2
其中g(shù)(f)是表示從光子光柵發(fā)射的相干電磁輻射的增大幅度的頻率相 關(guān)復(fù)值透射因數(shù)(transmission factor );并且g(,)l是透射，其在諧 振處最大，并且對(duì)于進(jìn)一步遠(yuǎn)離光子光柵的諧振模式的頻率迅速變得可 忽略不計(jì)。從光子光柵904發(fā)射的電磁輻射的放大相干束908具有更大 的幅度，并且具有與電磁輻射的入射相干束906基本上相同的相位、極 化、頻率f。和方向。
在本發(fā)明的某些實(shí)施例中，光子光柵904可包含一種或多種不同類(lèi) 型的摻雜物原子和/或分子，它們用作電磁輻射發(fā)射器。例如，鉺、鐿、 銩、釹和鉻只是可以作為光子光柵904的合適摻雜物的幾種原子。.基于 電磁輻射入射相干束的頻率為光子光柵904選擇摻雜物。例如，當(dāng)要放 大的電磁輻射入射相干束的頻率近似為1550 nm時(shí)，可選擇鉺原子作為 光子光柵摻雜物，因?yàn)楫?dāng)向鉺原子施加適當(dāng)電子激勵(lì)時(shí)，這些原子發(fā)射 頻率范圍從大約1530nm到大約1625nm的相干電磁輻射。
可以通過(guò)將相當(dāng)大百分比的摻雜物激發(fā)到激發(fā)電子能態(tài)，使摻雜物 的最低電子能態(tài)基本上為空來(lái)實(shí)現(xiàn)放大。這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為"粒子數(shù)反轉(zhuǎn)"， 并且現(xiàn)在參考圖10-12針對(duì)三級(jí)和四級(jí)摻雜物進(jìn)行描迷。圖IO示出在 施加電子激勵(lì)之前摻雜有三級(jí)摻雜物的光子光柵的能級(jí)粒子數(shù)分布。垂 直軸1002表示電子能量，而水平軸1004表示摻雜物的粒子數(shù)。水平條 1006表示處于最低電子能態(tài)或基態(tài)E。的摻雜物數(shù)量N。，水平條1007表 示處于第一激發(fā)電子能態(tài)E,的摻雜物數(shù)量N,，并且水平條1008表示處 于第二激發(fā)電子能態(tài)E2的摻雜物數(shù)量N2。如圖IO所示，在從泵浦源902 施加電子激勵(lì)之前，任何兩個(gè)電子能級(jí)Ei和Ej的相對(duì)電子能級(jí)粒子數(shù)都 服從下式給出的玻爾茲曼原理

其中k8是玻爾茲曼常數(shù)(8力nxio-5^/A:), T是溫度。換句話說(shuō)，在施 加電子激勵(lì)之前，處于電子基態(tài)的摻雜物的數(shù)量比處于激發(fā)電子能態(tài)的
摻雜物的數(shù)量大得多 M + AT2《W0
圖11示出施加電子激勵(lì)之后參考圖10描迷的單個(gè)光子光柵摻雜物的能級(jí)粒子數(shù)分布1102和對(duì)應(yīng)的能級(jí)圖1104。如在能級(jí)圖1104中所示 的，三級(jí)摻雜物吸收電子激勵(lì)，這使摻雜物進(jìn)行從電子能量基態(tài)1107 到第二電子能態(tài)1108的電子能量躍遷1106。摻雜物保持在第二電子能 態(tài)1108非常短的時(shí)段(若干納秒)，之后自發(fā)衰減1109到存在較長(zhǎng)時(shí)間 (若干毫秒)的第一電子能態(tài)1110。摻雜物通常經(jīng)由非輻射弛豫過(guò)程(諸 如發(fā)射聲波)從第二電子能態(tài)1108衰減到第一電子能態(tài)1110。存在較 長(zhǎng)時(shí)間的第一電子能態(tài)U10稱(chēng)為"亞穩(wěn)態(tài)"。能級(jí)粒子數(shù)分布1102顯 示，只要施加電子激勵(lì)，并且因?yàn)閾诫s物可保持在長(zhǎng)時(shí)間存在的亞穩(wěn)態(tài) 1U0中，處于亞穩(wěn)態(tài)1110的摻雜物數(shù)量N,比處于基態(tài)1106的摻雜物數(shù) 量N。大得多(N?！础?N》，這稱(chēng)為"粒子數(shù)反轉(zhuǎn)"。
若干摻雜物經(jīng)由非輻射弛豫過(guò)程從亞穩(wěn)態(tài)1110躍遷1112到基態(tài) 1107，但是更大量的摻雜物經(jīng)由輻射發(fā)射過(guò)程躍遷1112。自發(fā)發(fā)射和受
激勵(lì)發(fā)射是其中兩種輻射發(fā)射過(guò)程。自發(fā)發(fā)射發(fā)生在摻雜物自發(fā)從亞穩(wěn) 態(tài)1110躍遷到基態(tài)1107時(shí)。由于包括電磁輻射入射相干束的光子激勵(lì) 各個(gè)摻雜物以從亞穩(wěn)態(tài)1U0躍遷到基態(tài)1107,同時(shí)發(fā)射作為與入射束 中的那些幾乎等同的副本的光子，所以發(fā)生受激勵(lì)發(fā)射。在這兩種輻射 發(fā)射過(guò)程中，從亞穩(wěn)態(tài)1110躍遷到基態(tài)1107的單個(gè)摻雜物發(fā)射的電磁 輻射的能量為
其沖f,。是所發(fā)射的電磁輻射的頻率。在受激勵(lì)發(fā)射中，摻雜物被選擇 成使得所發(fā)射的電磁輻射的頻率f,?；旧掀ヅ潆姶泡椛淙肷湎喔墒?br> 頻率。只要向光子光柵904施加電子激勵(lì)，在光子光柵內(nèi)發(fā)射的頻率為 t。的電磁輻射就繼續(xù)激勵(lì)更多的具有基本上相同頻率G。的電磁輻射的 發(fā)射。
圖12示出施加電子激勵(lì)之后單個(gè)四級(jí)摻雜物的能級(jí)粒子數(shù)分布 1202和對(duì)應(yīng)的能級(jí)圖1204。如在能級(jí)圖1204中所示的，電子激勵(lì)使摻 雜物進(jìn)行從基態(tài)1207到第三電子能態(tài)1208的電子能量躍遷1206。就像 三級(jí)摻雜物，四級(jí)摻雜物保持在第三電子能態(tài)1208非常短的時(shí)段，之 后經(jīng)由非輻射弛豫過(guò)程自發(fā)衰減1209到亞穩(wěn)態(tài)1210。在四級(jí)摻雜物的 情況下，第一激發(fā)態(tài)1212必須通過(guò)非輻射性或輻射性方式1213迅速衰 減到基態(tài)1207，以防止粒子數(shù)瓶頸發(fā)生。于是能級(jí)粒子數(shù)分布1202顯 示，只要施加了電子激勵(lì)，并且因?yàn)閾诫s物可保持在長(zhǎng)時(shí)間存在的亞穩(wěn)態(tài)1210中，所以處于亞穩(wěn)態(tài)1210的摻雜物數(shù)量民比處于第一激發(fā)態(tài) 1212的摻雜物數(shù)量N,大得多。 一定數(shù)量的摻雜物經(jīng)由自發(fā)發(fā)射從亞穩(wěn) 態(tài)1210躍遷到笫一激發(fā)態(tài)1212,但是更大數(shù)量的摻雜物經(jīng)由電磁輻射 入射相干束引起的激勵(lì)進(jìn)行相同的躍遷。由摻雜物發(fā)射的電磁輻射的能 量是
五2 -五l = 6,21
其中fn是所發(fā)射的電磁輻射的頻率。摻雜物被選擇成頻率fn匹配入射 電^f茲輻射的頻率。摻雜物然后經(jīng)由另一個(gè)非輻射弛豫過(guò)程迅速衰減1213
到基態(tài)1207。只要向光子光柵904施加電子激勵(lì)，以頻率f"發(fā)射的電 磁輻射就可繼續(xù)激勵(lì)更多的具有相同頻率L的電磁輻射的發(fā)射。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，泵浦源902可以是光學(xué)泵浦源，諸如激 光器、LED或閃光燈。圖13圖解說(shuō)明了表示本發(fā)明實(shí)施例的電磁輻射放 大器1 300。放大器1 300包括激光泵浦源1 302和光子光v柵1304。要放 大的電磁輻射的入射相干束1 306以所選極化和波矢量《入射在光子光 柵1304上。光子光柵1304的點(diǎn)陣常數(shù)a、板材料的介電常數(shù)e、孔寬w 和厚度t預(yù)選成使得電磁輻射的入射相干束1306與光子光柵1304所支 持的諧振模式耦合，如參考圖6-8所描述的。光子光柵1 304的板也摻 雜有摻雜物，該摻雜物通過(guò)以與相干電磁輻射1306基本上相同的頻率 發(fā)射電磁輻射在光子光柵中生成增益。該摻雜物可以是上面參考圖 10-12所描述的三級(jí)或四級(jí)摻雜物。激光泵浦源1302以所選頻率并且以 足以電子地激勵(lì)光子光柵1 304的摻雜物的能量發(fā)射電磁輻射，使得摻 雜物的受激勵(lì)發(fā)射能夠由在光子光柵1304內(nèi)諧振的相干電磁輻射1306 發(fā)起。諸如定向箭頭1308的定向箭頭表示在光子光柵1 304內(nèi)聚集的相 干電磁輻射的循環(huán)。在相干電磁輻射建立在光子光柵中之后，從光子光 柵1 304的相對(duì)表面發(fā)射電磁輻射的相干束1310。所發(fā)射的電磁輻射的 相干束1310具有更大的幅度，并且具有與電磁輻射的入射相干束1306 基本上相同的相位、極化、頻率和方向。
圖14A-HC圖解說(shuō)明了示例光子光柵的模擬結(jié)果。光子光柵具有 1. 2-0. OOli的介電常數(shù)、10nm的厚度t、 0. 5nm的方形孔寬w和1000nm 的方形點(diǎn)陣常數(shù)a。介電常數(shù)的負(fù)虛部計(jì)及光子光柵中的增益。 一頻率 范圍中的電磁波以等于O的入射角9和(J)以及相同的極化入射在光子光 柵上。圖14A-14C中的水平軸對(duì)應(yīng)于以k。a-2兀為單位的振動(dòng)頻率。圖
1314A示出入射電磁波的透射、反射和吸收強(qiáng)度與頻率的關(guān)系曲線。曲線 1402表示透射k(/)1，點(diǎn)線1404表示反射，而虛曲線1406表示光子光 柵的吸收或增益。反射線1404在該頻率范圍上等于0，這表示， 一般而 言，光子光柵沒(méi)有反射入射相千電磁輻射。透射曲線1402的區(qū)域等于 "1",而吸收曲線1406的區(qū)域等于"0",表示光子光柵對(duì)于頻率在 頻率范圍1408所標(biāo)識(shí)的頻率范圍以外的電磁輻射是透明的。然而，吸 收曲線1406的衰減部分1410表示由于電磁輻射與光子光柵所支持的諧
振模式的耦合而引起的透射通過(guò)光子光柵的電磁輻射強(qiáng)度的減小。隨著 增益在光子光柵內(nèi)增大，循環(huán)的電磁輻射聚集，并且通過(guò)發(fā)射相同頻率 范圍1408中的但具有由透射曲線1402的非零放大部分1412所表示的 放大透射強(qiáng)度的電磁輻射而從光子光柵釋放。注意，接近諧振(大約-2) 的電磁輻射實(shí)現(xiàn)了透射強(qiáng)度的最大增益。圖14B示出了在光子光柵表面 處的平均電場(chǎng)分布與頻率的關(guān)系曲線。圖14C示出了在光子光柵表面處 的電場(chǎng)強(qiáng)度分布與頻率的關(guān)系曲線。曲線1414和1416指示電場(chǎng)分量的 頻率具有范圍1408中的對(duì)應(yīng)頻率。
可通過(guò)減小厚度t、孔寬W或介電常數(shù)差(Ss-Sh)來(lái)增大與光子光柵
關(guān)聯(lián)的Q因數(shù)。如上面參考圖8所描述的，減小光子光柵的厚度t是使 如圖14A所示的放大部分1412和衰減部分1410變窄的一種方式。圖15 示出了與光子光柵減小的厚度t關(guān)聯(lián)的較窄放大部分1502和較窄衰減 部分1504。對(duì)于減小的孔寬w和(Ss-Sh)也可預(yù)期到類(lèi)似結(jié)果。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，通過(guò)泵浦源提供的電子激勵(lì)可以是施 加到光子光柵的電壓。圖16A圖解說(shuō)明了表示本發(fā)明實(shí)施例的電磁輻射 放大器1600。放大器1600包括電壓源1602和夾在兩個(gè)電接觸1606與 1608之間的光子光柵1604。如圖16中所示的，電壓源1602與電接觸 1606和1608電通信。電接觸1606和1608可由透明導(dǎo)電介電 (conducting dielectric)材料(諸如氧化銦錫)構(gòu)成，或者電接觸 1606和1608可由含孔的導(dǎo)電金屬構(gòu)成，使得入射電磁輻射可以透射到 光子光柵1604中，并且可以從光子光柵1604發(fā)射放大的電磁輻射。此 外，可以增加抗反射涂層，以最小化來(lái)自電極的寄生反射。
圖16B圖解說(shuō)明了表示本發(fā)明實(shí)施例的圖16中所示的放大器1600 的截面圖。要放大的電磁輻射的第一相干束1610以所選極化和波矢量 入射在光子光柵上。光子光柵1604的點(diǎn)陣常數(shù)a、板材料的介電常數(shù)e、孔寬w和厚度t預(yù)選成使得入射相干電磁輻射1610與光子光柵1604所 支持的諧振模式耦合，如參考圖6-8所描述的。光子光柵1604的板也 可以摻雜有以與入射相干電磁輻射1610基本上相同的頻率發(fā)射電磁輻 射的三級(jí)或四級(jí)摻雜物。電壓源1602在光子光柵上施加電壓，所述電 壓電子地激勵(lì)光子光柵1604的摻雜物，使得可以發(fā)生由在具有摻雜物 的光子光柵1604內(nèi)諧振的相干電磁輻射1610所發(fā)起的受激勵(lì)發(fā)射。諸 如定向箭頭1612的定向箭頭表示在光子光柵1604內(nèi)聚集(build up) 的相干電磁輻射的循環(huán)。建立在光子光柵中的相干電磁輻射具有與入射 電磁輻射基本上相同的相位、極化和頻率。在相干電磁輻射建立在光子 光柵內(nèi)之后，從光子光柵1604的相對(duì)表面發(fā)射電磁輻射的第二相千束 1614。所發(fā)射的電磁輻射的相干束1614具有更大的幅度以及與電磁輻 射的入射相干束1610基本上相同的相位、極化、頻率和方向。
雖然已經(jīng)根據(jù)特定實(shí)施例描述了本發(fā)明，但并不試圖將本發(fā)明局限 于這些實(shí)施例。在本發(fā)明精神內(nèi)的修改對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員將是顯而易見(jiàn) 的。在本發(fā)明的其它實(shí)施例中，不是使用摻雜的電介質(zhì)或半導(dǎo)體板，而 是光子光柵可由一個(gè)或多個(gè)量子阱或乃至一層或幾層量子點(diǎn)形成。量子 阱限制自由電子和空穴以占據(jù)平面區(qū)域，并且可形成在半導(dǎo)體層之間， 而量子點(diǎn)將栽流子限制在小半導(dǎo)體簇中。例如，圖17圖解說(shuō)明了表示 本發(fā)明實(shí)施例的包括單個(gè)量子阱的第一光子光柵1702的截面圖。光子 光柵1702包括夾在第二半導(dǎo)體層1706與第三半導(dǎo)體層1708之間的第 一半導(dǎo)體層1704。通過(guò)選擇電子帶隙小于第二和第三半導(dǎo)體層1706和 1708的電子帶隙的第一半導(dǎo)體層1704來(lái)產(chǎn)生該單個(gè)量子阱。圖18圖解 說(shuō)明了表示本發(fā)明實(shí)施例的包括兩個(gè)量子阱的第二光子光柵的截面圖。 光子光柵1802包括由三個(gè)半導(dǎo)體層1808-1810分開(kāi)的第一半導(dǎo)體層 1804和第二半導(dǎo)體層1806。通過(guò)選擇電子帶隙小于這三個(gè)半導(dǎo)體層 1808-1810的電子帶隙的第一和第二半導(dǎo)體層1804和1806來(lái)產(chǎn)生這兩 個(gè)量子阱。
前面的描迷為了說(shuō)明起見(jiàn)使用了特定命名法來(lái)提供本發(fā)明的全面理 解。然而，對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見(jiàn)的是，為了實(shí)施本發(fā)明并不需要 這些具體細(xì)節(jié)。為了圖解說(shuō)明和描述，給出了本發(fā)明具體實(shí)施例的上述 描述。這些描述并不打算是窮盡的，或?qū)⒈景l(fā)明局限于所公開(kāi)的精確形 式。根據(jù)以上教導(dǎo)，許多修改和改變都是可能的。示出和描述這些實(shí)施
15例以便最好地說(shuō)明本發(fā)明的原理及其實(shí)際應(yīng)用，由此使本領(lǐng)域其它技術(shù) 人員能夠最好地利用本發(fā)明以及適合于所考慮的特定應(yīng)用的具有各種 修改的各種實(shí)施例。本發(fā)明的范圍打算由以下權(quán)利要求書(shū)及其等效物來(lái) 限定。
權(quán)利要求
1.一種電磁輻射放大系統(tǒng)(900，1300，1600)，包括光子光柵(200-500)，配置有板(202-402)中的平面周期孔點(diǎn)陣，所述光子光柵與電磁輻射的入射相干束耦合；以及泵浦源(902，1302，1602)，配置成輸出電子激勵(lì)，所述電子激勵(lì)在所述光子光柵中激發(fā)電子能態(tài)，使得所述電磁輻射的入射相干束能夠激勵(lì)相干電磁輻射的發(fā)射，所述相干電磁輻射放大所述電磁輻射的入射相干束。
2. 如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述光子光柵還包括如下其中之 嵌入在所述板中的 一種或多種摻雜物；由具有不同介電常數(shù)的交替半導(dǎo)體層形成的一個(gè)或多個(gè)量子阱 (1700, 1800);以及 量子點(diǎn)。
3. 如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述板還包括如下其中之一電介質(zhì)；半導(dǎo)體；半導(dǎo)體化合物；二氧化硅；氮化硅；以及有機(jī)材料。
4. 如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述平面周期孔點(diǎn)陣還包括如下其中之一方形單位單元(206， 306);以及 三角形單位單元(404,502)。
5. 如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述光子光柵還包括附連到所述 光子光柵的表面的第一導(dǎo)體(1606)和附連到所述光子光柵(1604)的相 對(duì)表面的第二導(dǎo)體(1608)，使得第一導(dǎo)體和第二導(dǎo)體與電壓源(1602)電 通信，并且第一導(dǎo)體和第二導(dǎo)體是基本上透明的電介質(zhì)導(dǎo)體(dielectric conductor)或以孔圖案化的金屬電極，以允許從所述光 子光柵發(fā)射第二相干信號(hào)。
6. 如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述泵浦源還包括光源(1302),所述光源配置成輸出具有將所述光子光柵激發(fā)到激發(fā)電子能態(tài)的頻率 的電磁輻射束。
7. —種用于放大光的方法，包括形成具有板中的平面周期孔點(diǎn)陣的光子光柵(200-500); 泵送所述光子光柵以將所述板材料置于較高電子能態(tài)；以及 在所述平面周期孔點(diǎn)陣的平面之外的方向?qū)㈦姶泡椛涞南喔墒斎氲剿龉庾庸鈻派?，使得所述電磁輻射的相干束與所述光子光柵耦合以產(chǎn)生所述電磁輻射的相干束的放大。
8. 如權(quán)利要求7所述的方法，其中泵送所述光子光柵還包括如下其 中之一在所述光子光柵上施加電壓，使得所述電壓將所述介電材料置于較 高電子能態(tài)；以及施加將所述板材料置于較高電子能態(tài)的電磁輻射入射束。
9. 如權(quán)利要求7所述的方法，其中所述光子光柵還包括附連到所述 光子光柵的表面的第一導(dǎo)體(1606)和附連到所述光子光柵(16(H)的相 對(duì)表面的第二導(dǎo)體(1608)，使得第一導(dǎo)體和第二導(dǎo)體與電壓源(160"電 通信，并且第一導(dǎo)體和第二導(dǎo)體是電介質(zhì)導(dǎo)體。
10. 如權(quán)利要求7所述的方法，其中電磁輻射的放大相干束與電磁 輻射的入射相干束具有基本上相同的波長(zhǎng)、相位和方向。
全文摘要
本發(fā)明的各種實(shí)施例涉及采用光子光柵的電磁波放大系統(tǒng)。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，電磁輻射放大系統(tǒng)(900，1300，1600)包括光子光柵(200-500)和泵浦源(902，1302，1602)。該光子光柵配置有板(202-402)中的平面周期孔點(diǎn)陣。泵浦源耦合到光子光柵，并輸出電子激勵(lì)，電子激勵(lì)在光子光柵中激發(fā)電子能態(tài)，使得入射在光子光柵上的電磁輻射相干束激勵(lì)相干電磁輻射的發(fā)射，所述相干電磁輻射放大電磁輻射相干束。
文檔編號(hào)H01S3/06GK101636885SQ200880009047
公開(kāi)日2010年1月27日 申請(qǐng)日期2008年3月21日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月21日
發(fā)明者C·桑托里, D·法塔爾, M·西加拉斯, R·博索萊爾 申請(qǐng)人:惠普開(kāi)發(fā)有限公司