用于产生和辐射微波频率信号的光电子组件的制作方法

本发明涉及光电子组件，并且更具体地，涉及集成组件，其具有基于波长在400nm和10μm之间的光波，产生和辐射频率在30ghz和10thz之间的、在下文中被称为微波频率的电磁信号的功能。

背景技术：

毫米波类型(频率在30ghz和300ghz之间的射频无线电波)和太赫兹类型(频率在100ghz和10thz之间)的微波频率信号的产生在检测、光谱和高比特率无线数据传输等领域具有诸多应用。在高比特率无线数据传输领域中，支持频率越高，可以传输的比特率越高。例如，对于1ghz载波，可以获得1gbit/s的最大比特率，而对于1thz的载波，可能获得10至20gbit/s的比特率，因而有兴趣开发出能够在上述频率范围内以足够的功率发射的组件。

根据现有技术的第一解决方案为组件100，其能够发射微波频率f的信号s，如图1所示(图1a为截面图以及图1b为俯视图)。该单一光电二极管100包括：平面引导件10，两个光波在其中传播；波长为λ1的波o1，和波长为λ2的波o2；以及相关联的小尺寸光混合器11。λ1和λ2呈现出差拍，即，在微波频率领域中，相关联的光频率f1和f2的差f1–f2的模等于频率f:

f1＝c/λ1

f2＝c/λ2

f＝|f1–f2|大约为太赫兹。

光波通过消散波耦合以光混合器11在频率f上产生波的方式，耦合到光混合器11上。

光电二极管100还包括呈现出蝴蝶结形状的金属天线12，其耦合到光混合器11上，并且将频率f的电磁信号s辐射到空间中。

因为需要限制上述装置可能呈现出的、并且可能将在频率f处检测到的信号强烈衰减的寄生电容，所以光混合器的长度l10通常为10至20μm。此外，延长部分不会增加吸收能力，光的主要部分被组件的最初10微米所吸收。

宽度l10的尺寸设定为光的波长的数量级，通常大2到3倍，但不会更多。

实际上，为了使组件在30ghz以上能够正常运行，l10必须保持足够小。当l10变得过大时，在半导体(光混合器11)/金属(天线12)接口处的信号的传输因为寄生电容(电容效应和通过时间效应)的存在而减弱，其结果是使得频率f的光生信号s衰减。

l10的尺寸限制具有限制可辐射功率的缺点。

此外，组件100的小尺寸迫使使用天线12，以适应信号s的射频(rf)模式的大小。

根据现有技术的第二种解决方案是系统200，其能够基于排列成2d矩阵的平面光电二极管的集成，或大尺寸光电二极管形式的大表面区域发射极的集成，来发射微波频率f的信号s，如图2所示。光波o1和o2直接入射到组件pm的一侧，该组件pm在另一侧将频率f的信号辐射。

因为光混合器pm由较小厚度的层组成，从而限制了光和光混合器之间的相互作用，所以该解决方案呈现出低耦合效率。此外，为了使矩阵的每个光混合器极化，必须产生不透明电极，其减少了光和光混合器之间的相互作用的区域。

为了形成信号o1和o2，该方案实施为离散的光学元素，使得系统200体积庞大。此外，该系统不能将与光相互作用的其他功能(例如放大、振幅调制或相位调制)集成在相同的晶片上。而且，2d矩阵不能以有效的方式在需要光检测的区域中将光照定位，从而限制了所产生的高频功率/入射光功率效率。

当试图在毫米范围内引入无线电波的扫描时，当前的解决方案存在诸多缺陷。基于离散光学组件的解决方案体积庞大，并且所发射的信号呈现出强发散性。基于机械元素的替代方案也体积庞大，并且其包括与所有系统不兼容的移动元素。

本发明的目的是减少上述的缺陷，并且更具体地，是产生能够生成和辐射微波频率信号(也称为高频信号)，而不具有任何天线的集成光电子组件。

技术实现要素：

本发明的主题是用于产生和辐射电磁信号的光电子组件，该电磁信号呈现出在30ghz和10thz之间的频率(被称为微波频率)，所述光电子组件包括：

-平面引导件，其设置为限制并且在平面xy中自由地传播第一和第二光波，所述光波呈现出被称为差拍的光频率差，该光频率差等于所述微波频率，

-系统，其用于将所述光波注入到所述平面引导件中，

-光混合器，其耦合到所述平面引导件上，以便基于第一光波和第二光波产生呈现出所述微波频率的信号。

所述光混合器具有伸长的形状，其沿y轴呈现出大于或等于信号的波长的一半的大尺寸，

-所述注入系统设置为：使得所述光波在所述平面引导件中重叠，并且与光混合器沿着y轴在至少等于所述信号的波长的一半长度上耦合，因此光混合器可以将所述信号(s)辐射。

有利地，所述平面引导件包括在两个限制层之间的传输层。

有利地，光混合器设置在限制层上，并且通过消散波进行耦合。

根据一个实施方案，平面引导件设置为限制光波，每个光波呈现出接近1.5μm的波长。

根据变体，平面引导件包括能够将所述第一和第二光波放大的放大部分。

根据变体，注入系统设置为：使得注入的光波呈现出强发散性。

有利地，所述注入系统包括至少一个所谓的单维引导件，其设置为以所述波沿着波各自的传播方向传播的方式，来限制光波。

优选地，单维引导件由包括条形限制层的平面引导件的延长部分组成。

根据一个实施方案，注入系统包括至少一个光纤。

根据一个实施方案，注入系统包括单注入装置。优选地，所述单注入装置设置为：以所述波沿着基本等于垂直于y轴的方向x的传播方向来传播的方式，将第一和第二光波注入。

根据另一个实施方案，所述注入系统包括：第一注入装置，其设置为以所述第一波沿着在平面xy中的第一传播方向来传播的方式，注入第一光波；和第二注入装置，其设置为以所述第二波沿着在平面xy中的、并且不同于第一传播方向的第二传播方向来传播的方式，注入第二光波。

有利地，所述第一和第二注入装置的单独一个呈现出垂直于所述y轴的传播方向。

根据一个实施方案，平面引导件还包括至少一个偏转器，其位于光波的其中一个的光路上，并且其设置为：使所述光波以诸如通过选择光偏离角度将光波偏离的方式来偏转，使得由所述光混合器辐射的信号能够根据偏离角度而偏离，该偏离角度取决于所述光偏离角度。

优选地，偏转器是光电调制器，其设置为改变传播层的一部分的折射率，所述部分在平面xy上呈现出棱镜形状。

根据一个实施方案，所述偏转器是相位调制器，其包括多个独立控制的离散相移器。

优选地，每个离散相移器是光电调制器，其设置为改变传播层(cp)的一部分的折射率。

附图说明

通过阅读以下并且参照附图的具体描述，本发明的其它特点、目的和优点将变得显然，所述附图通过非限制性示例给出，并且其中：

图1显示了引用的根据现有技术的用于产生微波频率信号的单一组件，图1a显示了立体图，图1b显示了俯视图，

图2显示了引用的根据现有技术的用于产生微波频率信号的2d系统，

图3显示了根据本发明的光电子组件，图3a显示了俯视图，图3b显示了截面图，

图4描述了示例性的平面引导件，

图5描述了根据本发明集成了放大功能的组件的第一种变体，

图6显示了根据本发明具有集成放大器的组件的示例性的平面引导件，

图7显示了根据本发明包括单注入装置的组件的注入系统的第一种实施方案，图7a显示了俯视图，图7b显示了截面图，

图8显示了通过在截面中观察到的平面引导件的延长部分而获得的单注入装置，

图9显示了根据本发明包括双注入装置(每个光波一个)的组件的注入系统的第二种实施方案，图9a为俯视图，图9b为截面图，

图10显示了根据本发明的组件的优选模式，其中用于注入光波的装置使得光波垂直于y轴传播，

图11显示了平面引导件中光波的偏离原理，

图12显示了根据本发明、根据优选模式，并能够将微波频率波偏转的组件，

图13a显示了示例性的连续相移器的俯视图，并且图13b显示了该相移器的截面图，

图14显示了包括多个离散相移器的相位调制器，

图15显示了示例性的离散光电相移器，

图16显示了根据本发明、根据优选模式，借助于相位调制器能够将微波频率波偏转的组件。

具体实施方式

图3显示了根据本发明的光电子组件30，其中图3a为俯视图，图3b为截面图。

该组件能够产生和辐射电磁信号s，该电磁信号s呈现出在30ghz和10thz之间的、被称为微波频率的频率f。优选地，所发射的微波频率在100ghz和2thz之间。

该频率范围覆盖了毫米级的rf频率和thz频率。

组件30包括平面引导件gp，其设置为限制并且在平面xy中自由地传播波长为λ1并且光频率f1＝c/λ1的第一光波o1以及波长为λ2并且光频率f2＝c/λ2的第二光波o2，所述两个波呈现出被称为差拍的光频率差f1-f2，该光频率差等于微波频率f。

|f1–f2|＝f

光波通常呈现出在400nm和10μm之间，并且优选地在1.2μm和7μm之间的波长。

波长λ1和λ2非常接近。例如，对于f＝1thz并且λ1＝1.50μm，我们得到λ2＝1.508μm。

组件30还包括注入系统si，其用于将光波o1、o2注入到平面引导件gp中。将进一步地描述与本发明相兼容的各种注入设置。

最后，组件30还包括耦合到平面引导件gp上的光混合器pm，以便基于第一光波o1和第二光波o2来产生呈现出微波频率f的信号s。

根据本发明的光混合器pm具有伸长的形状，其沿y轴呈现出大于或等于λf/2的大尺寸l，其中λf是频率f的信号s的波长：

l≥λf/2其中λf＝c/f

此外，注入系统si设置为：使得光波o1和o2在平面引导件gp中重叠，并且与光混合器pm沿着y轴在至少等于信号s的波长λf的一半的长度上耦合。

如果辐射元件的尺寸为λf/2，假设光束为高斯型，则光束发散发生的总角度将为150°。如果辐射元件的尺寸还要更小，则发射极的方向性将非常弱，并且难以有效地使用所发射的光束。因此，在频率f处具有可接受的发散度的辐射需要尺寸至少等于λf/2的辐射元件。

波在光混合器pm水平处至少λf/2距离上重叠，以及光混合器pm沿着y伸长的形状，因此使得光混合器pm能够以基本垂直于y的传播方向x在空间中将信号s辐射，而不需要附加的天线。伸长的光混合器pm在一侧接收在平面引导件gp中传播的光，并且在另一侧重新发射由光混合而产生的信号s。

光混合器pm的大尺寸l使得辐射在平面xy上难以发散。此外，相对于单一光电二极管的光混合器(如图1所示)的尺寸，pm的尺寸的增加也使得可以在整个尺寸l上分配功率，从而增加了可以耦合的光功率，而不受破坏，导致辐射更强的信号s。

例如，小尺寸l为与图1的单一光电二极管的尺寸l10相同的数量级。

通过光混合所辐射的信号呈现出在频率范围[30ghz，10thz]内，优选地在[100ghz，2thz]内的频率f。例如，在砷化镓(gaas)或砷磷化镓铟(gainasp)光混合器材料中，后一频带的相应波长λf在40μm和900μm之间。

通过平面引导件gp实现了光波与伸长的光混合器pm的耦合，使得组件30具有高效率的集成结构，该结构使得组件30相当紧凑，并且允许平面引导件gp补充将进一步描述的附加功能，该附加功能允许对组件中传播的光进行处理。

优选地，平面引导件gp包括在两个限制层cf1、cf2之间的传播层cp，如图4所示。

作为说明性示例，平面引导件gp设置为限制光波，每个光波都呈现出接近1.5μm波长，其借助于公知的基于在磷化铟(inp)上的gainasp的dfb或dbr源而获得。

传播层cp包括gainasp层，并且每个限制层cf1、cf2包括inp层。

优选地，光混合器pm设置在限制层上，并且通过消散波进行耦合。

根据另一个变体，耦合是“端对端”型，光混合器pm直接面对传播层放置。对于先前的说明性示例，光混合器通常包含gainasp。

根据第一种变体，组件30结构的集成特征允许在平面引导件中增加放大功能，如图5所示(图5a表示俯视图，图5b表示截面图)。例如，平面引导件gp包括在传播层cp中产生的放大部分ca，并能够将光波o1和o2放大。因此，通过放大部分ca来增加可得到的光功率，从而使得组件30能够生成并辐射呈现出同样增加的微波频率功率的信号s。

对于先前的说明性示例，放大层ca优选地包括包含gainasp量子阱qw的gainasp层，如图6所示。

可能有单个或者多个量子阱，其由用gainasp制成的势垒和也用gainasp制成的阱组成。势垒和阱的构成不同，使得当施加电流时产生允许生成光的势阱。

我们现在给出注入系统si设置的非限制性示例。

为了在光混合器pm水平处产生呈现出足够尺寸的光波o1和o2，一个变体是，注入系统si设置为，使得注入的光波呈现出强发散性。

例如，形成非常小尺寸的两个伪源(几乎为点源)的集中波束在gp中耦合。

根据如图7所示的第一实施方案，注入系统si包括两个波o1和o2共同的单注入装置di0。图7a显示了俯视图，并且图7b显示了截面图。然后，波o1和o2共线，由此保证最佳重叠并最终得到简化的组件。

优选地，单注入装置di0设置为以光波o1、o2在平面引导件中在基本等于垂直于y轴的方向x的传播方向上传播的方式，注入光波o1、o2。因为该设置需要实现单一光耦合来注入o1和o2，所以其相对简单。

同样如图7所示，用于在gp中获得具有强发散性的波o1和o2的第一种变体是注入装置di0，其包括设置为限制光波o1、o2的所谓的单维引导件guni0，以这种方式，使得所述波沿着在平面xy中的共同传播方向x0传播。由于传播区域的扩大，当将限制在单维引导件中的每个波渗透到平面引导件中时，所述波会看到其发散度强烈地增加。因此，每个波在平面xy中“自由地”向着等于单维引导件方向的方向x0传播。

最佳的设置是垂直于y并沿着穿过pm中央的轴线x0的引导件guni。

优选地，单维引导件guni0包括在光到达的一侧上的平面引导件gp的延长部分并且包括条形限制层。然后，在传播层cp中传播的光波沿着条形限制层的方向被限制，如图8所示。

可以通过局部去除用于形成cf1的材料来获得引导件guni0，以便沿着x轴形成条形限制层。已知用于cp的材料的折射率大于用于cf1和cf2的材料的折射率，所以光波o1和o2沿着y轴被限制以形成单模波导。

用于在gp中获得具有强发散性的波o1和o2的第二种变体是注入装置di0，其包括以耦合到平面引导件gp的尖端终结的单个光纤。

根据图9所示的第二个实施方案，注入系统si包括：第一注入装置di1，其设置为以第一光波o1沿着在平面xy中的第一传播方向x1传播的方式，注入第一光波o1；和第二注入装置di2，其设置为以第二光波o2沿着在平面xy中的、并且不同于第一传播方向x1的第二传播方向x2传播的方式，注入第二光波o2。图9a显示了俯视图，并且图9b显示了截面图。

方向x1相对于x轴呈theta1角。方向x2相对于x轴呈theta2角。

然后根据角θs来产生信号s，该角θs与信号s的传播方向xs和平面xy中的x轴之间的角度相对应。

在该设置中，由以下关系推导出θs：

θs＝sin^-1{λf*[(sin(theta1)/λ1)+(sin(theta2)/λ2)]}

该设置允许单独处理在这种情况下不再共线的两个波o1和o2。传播轴x1和x2，以及光波的发散度设置为：使得波o1和o2在光混合器pm水平处、在大于或等于λf/2的尺寸上重叠。

根据如图10所示的优选模式，装置中的单个装置，例如第一装置di1以波o1沿着基本垂直于y轴(theta1～0°)的传播方向x1的方式被设置，并且第二注入装置di2以波o2沿着方向x2的方式被设置。

在该设置中，由以下关系推导出θs：

θs＝sin^-1{[λf/λ2]*sin(theta2)}

例如，对于波长λf＝c/f＝300μm的1thz信号s，以及波长λ2为1.5μm的光信号o2，并且角度theta1＝0°，theta2＝0.2°，角度θs等于44°。

应注意的是，非常小的差theta1-theta2可引起微波频率信号的明显偏离。

对于具有单维引导件的变体，每个注入装置di1和di2分别包括沿x1、x2方向定向的引导件guni1、guni2。波o1经由guni1注入，并且波o2经由guni2注入。

对于具有光纤的变体，第一注入装置di1包括第一光纤，并且第二注入装置di2包括第二光纤。波o1经由第一光纤注入，并且波o2经由第二光纤注入。

根据第二变体，组件30结构的集成特性允许通过空间相移来增加至少一个光波的偏离功能。

在图11中显示了通过相移在平面引导件中传播的具有强发散性的波o的偏离原理。偏转器mph设置为在空间上，连续地或离散地改变光学相移，以便根据已知原理，通过选择波o的传播方向的角度α来实现偏离。

例如，偏转器借助于电控c来控制。

该功能应用于在图10所示的优选设置中的根据图12所示的发明的组件30。

在该实施方案中，根据本发明的组件30的平面引导件gp还包括偏转器mph，其位于例如光波o2的光路上，该光波o2呈现出根据非零角度theta2的传播方向，并且其设置为以诸如通过选择光偏离角度α2，相对于初始传播方向theta2将第二光波o2偏离的方式，将第二光波o2偏转。

在光混合器pm水平处，传播方向的变量α2在微波频率信号s的辐射水平上被回波，其中产生角度θs的辐射方向xs(即，最大辐射能量的相应指向的方向)也通过取决于光偏离角度α2的偏离角度θ-θs来偏离。在该设置中，从以下关系中推导出微波频率波与x轴所形成的角度θ：

θ＝sin^-1{λf*[(sin(theta2+α2)/λ2)}

因此，微波频率波s在发出时呈现出角度θs，其被改变为角度θ。

例如，对于波长λf＝c/f＝300μm的1thz信号s，以及所获得的波长λ2为1.5μm的光信号o2，并且角度theta1＝0°、theta2＝0.2°，角度θs将等于44°。

对于用偏转器mph实现的信号o2的0.05的偏转，角度θ为61°。则信号s偏转了17°。

由于光混合器伸长的几何形状，偏离的信号s在平面xy中保持弱发散性。

利用可控的偏转器，使得可以改变α2的值，从而可以实现信号s的角度扫描。

示例性的光电偏转器mph如图13a(俯视图)和图13b(截面图)所示用于平面引导件，该平面引导件包括由gainasp制成的传播层cp和由inp制成的两个限制层cf1、cf2。

设置在层cf1上的金属层m1限制mph。在金属层m下方的层cf1的区域是p掺杂的，而传播层cp另一侧的层cf2的区域是n掺杂的。另一个金属层m2与层cf2接触放置。层cf2的电连续性使得可以在m1和m2之间注入电流。

因此，可以将电流i注入到位于金属层下方的区域内的传播层中，其作用是将折射率局部地改变为i值的函数。如果不施加电流，则通过光信号o看到的折射率在围绕mph的区域和mph内的区域是相同的。于是，mph不会将光束o偏离。如果施加电流i，则通过光信号o看到的折射率在围绕mph的区域和mph内的区域是不同的。

因此，偏转器mph是光电调制器，其设置为改变传播层cp的一部分的折射率。当该部分在平面xy中呈现出棱镜形状时，并且对于在传播层中的高于外部的mph内的折射率，基于菲涅尔定律，光波o以与存在棱镜的情况下相同的方式被偏离。

根据第二个示例，偏转器是包括多(i)个独立控制的离散相移器dph(1),...dph(n)的相位调制器mph。该离散相移器的原理如图14所示用于光波o。

在平面引导件的第一个“自由”传播区域中传播的光波分布在n个通道上。每个通道的光学相移器dph(i)将独立于其他通道的通道i的光学相移改变。然后，由通道产生的波在平面引导gp中的第二个“自由”传播区域中传播。在该第二区域中，波前形成，其方向取决于通过相移器应用的相移。因此，通过相移器来控制光波的相前。对于确定的相位定律，获得了相对于入射波前的波前的全局偏离。

相移器例如以光电方式运行，即，电控制信号改变通道中的折射率，该通道包括例如传播层的一部分。

光电相移器dph(i)如图15所示用于平面引导件，该平面引导件包括由gainasp制成的传播层cp和由inp制成的两个限制层cf1、cf2。该光电相移器dph(i)以与图13b的相移器相同的方式运行。金属层m1设置在层cf1上。在金属层m下方的层cf1的区域是p掺杂的，而在传播层cp另一侧的层cf2的区域是n掺杂的。另一个金属层m2与层cf2接触放置。层cf2的电连续性使得可以在m1和m2之间注入电流。将电流i注入到传播层中的效果是局部地将折射率改变为i值的函数。

当然，除了偏转器之外，还可以集成电驱动的光放大器，以便改变光功率。

光放大器例如位于每个通道中，从而使得光功率在各个通道之间变得一致。

图16显示了根据本发明的组件，其平面引导件gp包括如上所述的光电相位调制器mph，该光电相位调制器mph位于呈现出非零角度theta1的波(这里为o1)的光路上。

由光混合器pm辐射的信号s能够根据取决于theta1、theta2和α2的偏离角度θ而偏离(即最大辐射能的相应指向的方向)。相对于初始角度θs的偏离为(θ-θs)。

因此，根据本发明的组件30的集成特性使得可以利用光混合器pm的延长部分，从而便于实现放大和扫描功能，形成实现高频f信号s的角度扫描的光集成电路。