基于光子光栅的电磁辐射放大系统的制作方法

专利名称：基于光子光栅的电磁辐射放大系统的制作方法
技术领域：
本发明的各种实施例涉及放大器，并且更具体地说，涉及采用光子
光4册(photonic grating)的电》兹辐射方文大器。
背景技术：
穿过任何传输介质的电磁辐射都会遭受衰减。实际上，电磁辐射穿 过传输介质越远，辐射损耗强度就越大。处理和传输电磁辐射中编码的 信息的计算和通信系统可通过放大或增大沿传输路径各点处的电磁辐 射的强度来避免这个问题。电磁辐射放大器是可放在沿传输路径的各点 处以增大入射电磁辐射的幅度的装置。图1图解说明了电磁辐射放大器 IOO的操作。理想地，放大器IOO接收由第一平面波102所表示的电磁 辐射的入射相干束，并发射更高强度的电磁辐射相干束，其由第二平面 波104表示，第二平面波104的幅度比电磁辐射102的入射相干束要大。 所放大的电/f兹辐射相干束以与电磁辐射102入射相干束基本上相同的方
向并具有基本上相同的波长X和相位地传播。
作为放大过程的一部分，电磁辐射放大器包含被泵送(pump)或激 发到较高电子能态的增益介质。通常使用从外部激光源发射的电磁辐射 或电信号来实现泵送增益介质。在泵送增益介质之后，入射相干电磁辐 射激励增益介质内电磁辐射的发射。这个所激励的电磁辐射与入射电磁 辐射具有基本上相同的方向、波长以及固定相位关系，并与入射电磁辐 射相长干涉，从而产生电磁辐射的放大相干束。
掺杂的光纤放大器是通常所用的放大器。典型的掺杂光纤放大器的 增益介质由已经掺杂了原子并由包覆层包裹的光纤芯构成。来自外部激 光器的泵浦电磁辐射将原子激发到较高电子能态。要放大的电磁辐射的 入射束通过纤芯传输，并激励从所激发的原子发射具有基本上相同的相 位、波长和方向的电磁辐射，这又经由相长干涉产生电磁辐射的放大相 干束。纤芯引导泵浦电磁辐射和电磁辐射的放大相干束。半导体放大器 是另一种类型的通常所用的电磁辐射放大器。半导体放大器的增益介质 通常包含位于正掺杂的半导体区域与负掺杂的半导体区域之间的PN结入射相干束被引导到PN结层中，并且当入射 电磁辐射激励通过重新组合PN结层内的电子空穴对而产生的电磁辐射 的发射时被放大。这个电磁辐射也与入射电磁辐射具有基本相同的相 位、波长和方向，并且也经由相长干涉产生电磁辐射的放大相干束。
号，然而这些放大器通常不能被设计成选择性地放大窄频率范围中的电 磁辐射，而不产生其它频率处的干扰。此外，掺杂的光纤放大器通常太 大而不能与微尺度和纳米尺度的光学装置耦合。虽然可以在微尺度上制 造半导体放大器，但是半导体放大器与光纤之间的结构差异使其难以将 光纤与半导体放大器的PN结层耦合。物理学家和工程师已经认识到需 要能够放大所选窄频率范围中的电磁辐射的相干束并且小得足以实现 在各种微尺度和纳米尺度的光学装置中的电磁辐射放大器。

发明内容
本发明的各种实施例涉及采用光子光栅的电磁波放大系统。在本发 明的一个实施例中，电磁辐射放大系统包括光子光栅和泵浦源。光子光 栅配置有板(slab)中的平面周期孔点阵(planar periodic lattice of holes),所述光子光栅与电磁辐射的入射相干束耦合。泵浦源输出电 子激励，所迷电子激励在光子光栅中激发电子能态，使得电磁辐射的入 射相干束激励相干电磁辐射的发射，所述相干电磁辐射放大电磁辐射的 入射相干束。


图1图解说明了电磁辐射放大器的操作。
图2A图解说明了表示本发明实施例的第一二维光子光栅的立体图。
图2B图解说明了图2A中所示的光子光栅的单位单元。
图2C图解说明了沿线2C-2C所取的图2A中所示的光子光栅的截面
图3A图解说明了表示本发明实施例的第二二维光子光栅的立体图。
图3B图解说明了图3A中所示的光子光栅的单位单元。
图3C图解说明了沿线3C-3C所取的图3A中所示的光子光栅的截面图4A图解说明了表示本发明实施例的第三二维光子光栅的立体图。
图4B图解说明了图4A中所示的光子光栅的单位单元。
图5A图解说明了表示本发明实施例的第四二维光子光栅的立体图。
图5B图解说明了图5A中所示的光子光栅的单位单元。
图6图解说明了图2A中所示的光子光栅和入射电磁波的电场分量。
图7示出稳态振动能量分布与振动频率的关系曲线。
图8示出对于两个^f叚设(hypothetical)光子光>^册的两个稳态振动
能量分布与振动频率的关系曲线。
图9图解说明了表示本发明实施例的电磁辐射放大器的示意表示。 图10示出三级(three-level)掺杂物的能级粒子数(energy level
populat ion )分布。
图11示出在施加电子激励之后三级掺杂物的能级粒子数分布和对
应的能级图。
图12示出在施加电子激励之后四级掺杂物的能级粒子数分布和对 应的能级图。
图13图解说明了表示本发明实施例的第一电磁辐射放大器。
图14A-14C图解说明了示例光子光栅的模拟结果。
图15示出与光子光栅的厚度减小关联的变窄的放大和衰减。
图16A图解说明了表示本发明实施例的第二电磁辐射放大器。
图16B图解说明了沿线16B-16B所取的表示本发明实施例的图16A
中所示的放大器的截面图。
图17图解说明了表示本发明实施例的包含单个量子阱的第一光子
光栅的截面图。
图18图解说明了表示本发明实施例的包含两个量子阱的第二光子 光栅的截面图。
具体实施例方式
本发明的各种实施例涉及采用合并了某种增益材料的介电光子光栅 的电磁辐射放大系统。光子光栅中的谐振可用于放大窄频率范围中的电 磁辐射的相干束。电磁辐射增益可通过调整光子光栅的介电常数和特征 部件(feature)的大小来控制。此外，光子光栅对于具有在该窄频率 范围以外的频率的电磁辐射基本上是透明的。
6描述本发明各种实施例所用的术语"光子(photonic)"指的是可 用于传输具有跨越电磁波谱的波长的经典电磁波或量子化电磁波的器 件。换句话说，描述本发明实施例所用的术语"光子"不限于用于传输 称为"光量子(photon)，，的电磁辐射量子的器件。为了帮助读者理解
本发明各种实施例的描述，在第一小节提供了光子光栅的概述。在第二 小节描述本发明的各种系统和方法实施例。 光子光栅(photonic grating)
图2A图解说明了表示本发明实施例的二维光子光栅200的立体图。 光子光栅200由板202构成，板202包含位于光子光栅200的xy平面 中的孔点阵。点阵中的每个孔跨越板200的厚度或高度t。例如，孔204 跨越板202的高度。如图2A中所示，这些孔排列成基本方形的点阵配 置。图2B图解说明了表示本发明实施例的光子光栅200的单位单元 (unit cell) 206。单位单元206包括宽度均为w的四个基本上方形形 状的孔208-211，它们排列成点阵常数为a的基本上方形的配置。图2C 图解说明了表示本发明实施例的光子光栅200的截面图。
在本发明的其它实施例中，孔点阵可具有不同的形状。图3A图解说 明了表示本发明实施例的第二二维光子光栅300的立体图。光子光栅 300包括板302,板302具有位于板302的xy平面中的圆孔点阵。点阵 中的每个孔跨越光子光栅300的厚度或高度t,诸如孔304。图3B图解 说明了表示本发明实施例的光子光栅300的单位单元306。单位单元306 由每个具有基本上相同的半径r并且排列成点阵常数为a的基本上方形 配置的四个基本上圆形的孔308-31 1组成。图3C图解说明了表示本发 明实施例的光子光栅300的截面图。
在本发明的其它实施例中，孔点阵可具有不同的单位单元配置。图 4A图解说明了表示本发明实施例的第三二维光子光栅400的立体图。光
子光栅400包括板402，该板具有排列成基本上三角形的单位单元配置 的基本上方形的孔。图4B图解说明了表示本发明实施例的光子光栅400 的单位单元404,单位单元404包括排列成基本上三角形配置的三个基 本上方形的孔406-408。图5A图解说明了表示本发明实施例的第四二维 光子光栅500的立体图。图5B图解说明了光子光栅500的单位单元502， 光子光栅500基本上与光子光栅400等同，除了基本上圆形的孔构成孔 点阵。在本发明的各种实施例中，光子光栅板可由单个电介质、半导体或 半导体化合物构成。为光子光栅板所选择的材料类型可取决于所需的光 子光栅的尺寸和配置、与电磁辐射入射束关联的模式参数(诸如传播方 向^和极化)、或电磁辐射入射束的频率或波长范围。例如，光子光栅
板可由Si02、 SiN或诸如Si或Ge的半导体构成。光子光栅板也可由二 元、三元或四元II-VI或III-V半导体化合物构成。例如，光子光栅板 可由ZnTe或CdSe (均为II-VI半导体化合物)或者GaAs或InP (均为 III-V半导体化合物)构成。光子光栅板可由两层或更多层构成，其中 每层可由不同的材料构成。例如，光子光栅板可由夹在两层AlGaAs之 间的单层GaAs构成。可使用分子束外延或化学气相沉积形成光子光栅 板。光子光栅也可由掺杂有磷光染料的有机材料构成。例如，该有机材 料可以是掺杂有八乙基卟吩铂(II)的三(8-羟基喹啉)铝。
可使用众多已知的光刻和蚀刻技术在光子光栅中形成孔点阵。例如， 可使用反应离子蚀刻、聚焦离子束蚀刻、化学辅助的离子束蚀刻、电子 束光刻(electron beam lithography)、光刻(photolithography) 和纳米压印光刻在板中形成孔点阵，所有这些技术在本领域都是公知 的，并且可基于所需的孔大小和板材料来选择。该孔可以是气孔，或者 由具有不同于光子光栅板的介电常数的半导体化合物材料、半导体或电 介质构成。可使用物理气相沉积或化学气相沉积技术用材料填充这些 孔。
注意电磁波和电磁辐射相干束在后面的附图中由电场分量单独表
示。这是因为，虽然单个电磁波包括电场分量A和正交的磁场分量&,
但是磁场分量的幅度小于电场分量的幅度，是其l/c倍，其中c表示自
由空间中的光速(c-3. Ox 10sm/sec)，并且电场分量计及(account for)
大部分电》兹波与物质的交互作用。
图6图解说明了光子光栅200和入射电磁波602的电场分量。在图 6中，轴604-606分别表示笛卡尔坐标轴^，少和乏。电磁波具有关联的 波矢量
=A: (sin 0cos^J+sin Ssin妙+ cos泥)其中k是入射电磁波602的波数，而参数e和(j)是电磁波的入射角。入 射电磁波通常透射穿过光子光栅200。然而，对于具有特定极化和波长 、的每个入射电磁波，存在使得电磁波不能透射穿过光子光栅200的一
对关联的入射角e和(j)。相反，这些电磁波与光子光栅点阵结构耦合，
并且在光子光栅的xy平面内具有频率-谐振模式。例如，考虑具有特定 极化和波长人。的电磁波602入射在光子光栅200上。对于大量入射角e 和cj),光子光栅200对于入射电磁波602是透明的。然而，存在使得入 射电磁波在光子光栅200的xy平面内具有谐振频率f。的一对入射角e。 和4>。。换句话说，光子光栅200用作电磁波的布拉格反射器，并且光子
光栅200对于这个具有波矢量角e。和(j)。的电磁波是不透明的。这个谐
振现象是入射电磁波602与光子光栅能够支持的电磁辐射模式之间的耦 合的结果。
谐振频率或谐振f。是电磁波以最大幅度A,或振动能量E^ 振动的频率。谐振频率f。由介电常数e、点阵常数a、孔宽w和厚度t 确定。品质因数(Q)是定量评估光子光栅的谐振锐度的一种方式。下面 是对Q因数以及Q因数如何能够用于定性地表征振动系统的能量损耗的 简要而概括的描述。Q因数比较系统振荡的频率与系统损耗能量的速率。 比较大的Q因数表示能量耗散的速率相对于系统的谐振频率较低。 一般 而言，Q因数可表示为
厶/
其中Af是物理系统的振动能量是频率f。处的最大振动能量E阳的至少 一半的频率范围。
图7示出稳态振动能量分布与振动频率的关系曲线。水平线702是 频率轴，垂直线704是振动能量轴，并且曲线706是正态分布，其将系 统的振动能量表示为振动频率的函数，并以谐振频率fa为中心。曲线706 的最大值708是最大振动能量E^或幅度Am"。曲线706的斜率的幅值增 大，系统的振动频率越远离谐振频率f。。换句话说，系统振动频率越远 离谐振频率f。，系统可得到的振动能量就越低。
现在返回与光子光栅关联的Q因数。当板厚度减小时，当孔大小减小时，或者当板的介电常数s,与孔的介电常数Sh之间的指数对比(index contrast) U，-Sh)减小时，与在光子光栅的xy平面中谐振的电磁波的 谐振关联的光子光栅Q因数增大。在具有大Q因数的光子光栅中谐振的 电磁波比具有关联的小Q因数的电磁波以更大的幅度或更多的振动能量 谐振。此外，小Q因数表示在光子光栅中谐振的电磁波的谐振是短暂的， 而大Q因数表示电磁波的谐振保持俘获在光子光栅中达更长的时段。 图8示出与两个假设光子光栅关联的两个稳态振动能量与振动频率
的关系曲线。第一光子光栅和第二光子光栅具有等同的介电常数Ss和Sh、
点阵常数a和孔宽w。然而，第一光子光栅的厚度小于第二光子光栅的 厚度。根据上面的光子光栅Q因数表达式，与笫一光子光栅关联的Q因 数大于与第二光子光栅关联的Q因数。在图8中，曲线802对应于第一 光子光栅的振动能量分布，而曲线804对应于第二光子光栅的振动能量 分布。曲线802比曲线804窄，这指示具有谐振频率f。的电磁波比具有 谐振频率f。的在第二光子光栅中谐振的电磁波以更大的振动能量谐振， 并保持俘获在第 一光子光栅中达更长的时段。
本发明的实施例
图9图解说明了表示本发明实施例的电磁辐射放大器900的示意表 示。放大器900包括泵浦源902和光子光栅904。光子光栅902耦合到 泵浦源902,并接收来自泵浦源902的电子激励，以及由电场波分量906 表示的电磁辐射的入射相干束。入射相干电磁辐射906的强度可表示为
/i+。c|￡(/)|2
其中s。表示自由空间的介电常量； c表示自由空间中的光速； E(f)表示入射电磁辐射的电场幅度；以及 f表示电磁辐射的频率。
放大器900是频率选择的相干放大器，因为光子光栅904的点阵常 数a、板材料的介电常数s、孔宽w和厚度t都可预选成使得电磁辐射的 入射相干束906与光子光栅904所支持的电磁辐射模式耦合。电子激励 与光子光栅904中的电磁辐射发射器耦合，以便产生由电场分量908表 示的电磁辐射的放大相干束。在本发明的其它实施例中，电磁辐射发射 器可以是掺杂物、量子阱、量子点或另一种适当的电磁辐射发射材料。
10电磁辐射的放大相干束908可表示为 oc|g(/)|2|￡(/)|2
其中g(f)是表示从光子光栅发射的相干电磁辐射的增大幅度的频率相 关复值透射因数(transmission factor );并且g(,)l是透射，其在谐 振处最大，并且对于进一步远离光子光栅的谐振模式的频率迅速变得可 忽略不计。从光子光栅904发射的电磁辐射的放大相干束908具有更大 的幅度，并且具有与电磁辐射的入射相干束906基本上相同的相位、极 化、频率f。和方向。
在本发明的某些实施例中，光子光栅904可包含一种或多种不同类 型的掺杂物原子和/或分子，它们用作电磁辐射发射器。例如，铒、镱、 铥、钕和铬只是可以作为光子光栅904的合适掺杂物的几种原子。.基于 电磁辐射入射相干束的频率为光子光栅904选择掺杂物。例如，当要放 大的电磁辐射入射相干束的频率近似为1550 nm时，可选择铒原子作为 光子光栅掺杂物，因为当向铒原子施加适当电子激励时，这些原子发射 频率范围从大约1530nm到大约1625nm的相干电磁辐射。
可以通过将相当大百分比的掺杂物激发到激发电子能态，使掺杂物 的最低电子能态基本上为空来实现放大。这个过程称为"粒子数反转"， 并且现在参考图10-12针对三级和四级掺杂物进行描迷。图IO示出在 施加电子激励之前掺杂有三级掺杂物的光子光栅的能级粒子数分布。垂 直轴1002表示电子能量，而水平轴1004表示掺杂物的粒子数。水平条 1006表示处于最低电子能态或基态E。的掺杂物数量N。，水平条1007表 示处于第一激发电子能态E,的掺杂物数量N,，并且水平条1008表示处 于第二激发电子能态E2的掺杂物数量N2。如图IO所示，在从泵浦源902 施加电子激励之前，任何两个电子能级Ei和Ej的相对电子能级粒子数都 服从下式给出的玻尔兹曼原理

其中k8是玻尔兹曼常数(8力nxio-5^/A:), T是温度。换句话说，在施 加电子激励之前，处于电子基态的掺杂物的数量比处于激发电子能态的
掺杂物的数量大得多 M + AT2《W0
图11示出施加电子激励之后参考图10描迷的单个光子光栅掺杂物的能级粒子数分布1102和对应的能级图1104。如在能级图1104中所示 的，三级掺杂物吸收电子激励，这使掺杂物进行从电子能量基态1107 到第二电子能态1108的电子能量跃迁1106。掺杂物保持在第二电子能 态1108非常短的时段(若干纳秒)，之后自发衰减1109到存在较长时间 (若干毫秒)的第一电子能态1110。掺杂物通常经由非辐射弛豫过程(诸 如发射声波)从第二电子能态1108衰减到第一电子能态1110。存在较 长时间的第一电子能态U10称为"亚稳态"。能级粒子数分布1102显 示，只要施加电子激励，并且因为掺杂物可保持在长时间存在的亚稳态 1U0中，处于亚稳态1110的掺杂物数量N,比处于基态1106的掺杂物数 量N。大得多(N。〈〈 N》，这称为"粒子数反转"。
若干掺杂物经由非辐射弛豫过程从亚稳态1110跃迁1112到基态 1107，但是更大量的掺杂物经由辐射发射过程跃迁1112。自发发射和受
激励发射是其中两种辐射发射过程。自发发射发生在掺杂物自发从亚稳 态1110跃迁到基态1107时。由于包括电磁辐射入射相干束的光子激励 各个掺杂物以从亚稳态1U0跃迁到基态1107,同时发射作为与入射束 中的那些几乎等同的副本的光子，所以发生受激励发射。在这两种辐射 发射过程中，从亚稳态1110跃迁到基态1107的单个掺杂物发射的电磁 辐射的能量为
其冲f,。是所发射的电磁辐射的频率。在受激励发射中，掺杂物被选择 成使得所发射的电磁辐射的频率f,。基本上匹配电磁辐射入射相干束的
频率。只要向光子光栅904施加电子激励，在光子光栅内发射的频率为 t。的电磁辐射就继续激励更多的具有基本上相同频率G。的电磁辐射的 发射。
图12示出施加电子激励之后单个四级掺杂物的能级粒子数分布 1202和对应的能级图1204。如在能级图1204中所示的，电子激励使掺 杂物进行从基态1207到第三电子能态1208的电子能量跃迁1206。就像 三级掺杂物，四级掺杂物保持在第三电子能态1208非常短的时段，之 后经由非辐射弛豫过程自发衰减1209到亚稳态1210。在四级摻杂物的 情况下，第一激发态1212必须通过非辐射性或辐射性方式1213迅速衰 减到基态1207，以防止粒子数瓶颈发生。于是能级粒子数分布1202显 示，只要施加了电子激励，并且因为掺杂物可保持在长时间存在的亚稳态1210中，所以处于亚稳态1210的掺杂物数量民比处于第一激发态 1212的掺杂物数量N,大得多。 一定数量的掺杂物经由自发发射从亚稳 态1210跃迁到笫一激发态1212,但是更大数量的掺杂物经由电磁辐射 入射相干束引起的激励进行相同的跃迁。由掺杂物发射的电磁辐射的能 量是
五2 -五l = 6,21
其中fn是所发射的电磁辐射的频率。掺杂物被选择成频率fn匹配入射 电^f兹辐射的频率。掺杂物然后经由另一个非辐射弛豫过程迅速衰减1213
到基态1207。只要向光子光栅904施加电子激励，以频率f"发射的电 磁辐射就可继续激励更多的具有相同频率L的电磁辐射的发射。
在本发明的一个实施例中，泵浦源902可以是光学泵浦源，诸如激 光器、LED或闪光灯。图13图解说明了表示本发明实施例的电磁辐射放 大器1 300。放大器1 300包括激光泵浦源1 302和光子光v栅1304。要放 大的电磁辐射的入射相干束1 306以所选极化和波矢量《入射在光子光 栅1304上。光子光栅1304的点阵常数a、板材料的介电常数e、孔宽w 和厚度t预选成使得电磁辐射的入射相干束1306与光子光栅1304所支 持的谐振模式耦合，如参考图6-8所描述的。光子光栅1 304的板也掺 杂有掺杂物，该掺杂物通过以与相干电磁辐射1306基本上相同的频率 发射电磁辐射在光子光栅中生成增益。该掺杂物可以是上面参考图 10-12所描述的三级或四级掺杂物。激光泵浦源1302以所选频率并且以 足以电子地激励光子光栅1 304的掺杂物的能量发射电磁辐射，使得掺 杂物的受激励发射能够由在光子光栅1304内谐振的相干电磁辐射1306 发起。诸如定向箭头1308的定向箭头表示在光子光栅1 304内聚集的相 干电磁辐射的循环。在相干电磁辐射建立在光子光栅中之后，从光子光 栅1 304的相对表面发射电磁辐射的相干束1310。所发射的电磁辐射的 相干束1310具有更大的幅度，并且具有与电磁辐射的入射相干束1306 基本上相同的相位、极化、频率和方向。
图14A-HC图解说明了示例光子光栅的模拟结果。光子光栅具有 1. 2-0. OOli的介电常数、10nm的厚度t、 0. 5nm的方形孔宽w和1000nm 的方形点阵常数a。介电常数的负虛部计及光子光栅中的增益。 一频率 范围中的电磁波以等于O的入射角9和(J)以及相同的极化入射在光子光 栅上。图14A-14C中的水平轴对应于以k。a-2兀为单位的振动频率。图
1314A示出入射电磁波的透射、反射和吸收强度与频率的关系曲线。曲线 1402表示透射k(/)1，点线1404表示反射，而虛曲线1406表示光子光 栅的吸收或增益。反射线1404在该频率范围上等于0，这表示， 一般而 言，光子光栅没有反射入射相千电磁辐射。透射曲线1402的区域等于 "1",而吸收曲线1406的区域等于"0",表示光子光栅对于频率在 频率范围1408所标识的频率范围以外的电磁辐射是透明的。然而，吸 收曲线1406的衰减部分1410表示由于电磁辐射与光子光栅所支持的谐
振模式的耦合而引起的透射通过光子光栅的电磁辐射强度的减小。随着 增益在光子光栅内增大，循环的电磁辐射聚集，并且通过发射相同频率 范围1408中的但具有由透射曲线1402的非零放大部分1412所表示的 放大透射强度的电磁辐射而从光子光栅释放。注意，接近谐振(大约-2) 的电磁辐射实现了透射强度的最大增益。图14B示出了在光子光栅表面 处的平均电场分布与频率的关系曲线。图14C示出了在光子光栅表面处 的电场强度分布与频率的关系曲线。曲线1414和1416指示电场分量的 频率具有范围1408中的对应频率。
可通过减小厚度t、孔宽W或介电常数差(Ss-Sh)来增大与光子光栅
关联的Q因数。如上面参考图8所描述的，减小光子光栅的厚度t是使 如图14A所示的放大部分1412和衰减部分1410变窄的一种方式。图15 示出了与光子光栅减小的厚度t关联的较窄放大部分1502和较窄衰减 部分1504。对于减小的孔宽w和(Ss-Sh)也可预期到类似结果。
在本发明的另一个实施例中，通过泵浦源提供的电子激励可以是施 加到光子光栅的电压。图16A图解说明了表示本发明实施例的电磁辐射 放大器1600。放大器1600包括电压源1602和夹在两个电接触1606与 1608之间的光子光栅1604。如图16中所示的，电压源1602与电接触 1606和1608电通信。电接触1606和1608可由透明导电介电 (conducting dielectric)材料(诸如氧化铟锡)构成，或者电接触 1606和1608可由含孔的导电金属构成，使得入射电磁辐射可以透射到 光子光栅1604中，并且可以从光子光栅1604发射放大的电磁辐射。此 外，可以增加抗反射涂层，以最小化来自电极的寄生反射。
图16B图解说明了表示本发明实施例的图16中所示的放大器1600 的截面图。要放大的电磁辐射的第一相干束1610以所选极化和波矢量 入射在光子光栅上。光子光栅1604的点阵常数a、板材料的介电常数e、孔宽w和厚度t预选成使得入射相干电磁辐射1610与光子光栅1604所 支持的谐振模式耦合，如参考图6-8所描述的。光子光栅1604的板也 可以掺杂有以与入射相干电磁辐射1610基本上相同的频率发射电磁辐 射的三级或四级掺杂物。电压源1602在光子光栅上施加电压，所述电 压电子地激励光子光栅1604的掺杂物，使得可以发生由在具有掺杂物 的光子光栅1604内谐振的相干电磁辐射1610所发起的受激励发射。诸 如定向箭头1612的定向箭头表示在光子光栅1604内聚集(build up) 的相干电磁辐射的循环。建立在光子光栅中的相干电磁辐射具有与入射 电磁辐射基本上相同的相位、极化和频率。在相干电磁辐射建立在光子 光栅内之后，从光子光栅1604的相对表面发射电磁辐射的第二相千束 1614。所发射的电磁辐射的相干束1614具有更大的幅度以及与电磁辐 射的入射相干束1610基本上相同的相位、极化、频率和方向。
虽然已经根据特定实施例描述了本发明，但并不试图将本发明局限 于这些实施例。在本发明精神内的修改对本领域技术人员将是显而易见 的。在本发明的其它实施例中，不是使用掺杂的电介质或半导体板，而 是光子光栅可由一个或多个量子阱或乃至一层或几层量子点形成。量子 阱限制自由电子和空穴以占据平面区域，并且可形成在半导体层之间， 而量子点将栽流子限制在小半导体簇中。例如，图17图解说明了表示 本发明实施例的包括单个量子阱的第一光子光栅1702的截面图。光子 光栅1702包括夹在第二半导体层1706与第三半导体层1708之间的第 一半导体层1704。通过选择电子带隙小于第二和第三半导体层1706和 1708的电子带隙的第一半导体层1704来产生该单个量子阱。图18图解 说明了表示本发明实施例的包括两个量子阱的第二光子光栅的截面图。 光子光栅1802包括由三个半导体层1808-1810分开的第一半导体层 1804和第二半导体层1806。通过选择电子带隙小于这三个半导体层 1808-1810的电子带隙的第一和第二半导体层1804和1806来产生这两 个量子阱。
前面的描迷为了说明起见使用了特定命名法来提供本发明的全面理 解。然而，对本领域技术人员显而易见的是，为了实施本发明并不需要 这些具体细节。为了图解说明和描述，给出了本发明具体实施例的上述 描述。这些描述并不打算是穷尽的，或将本发明局限于所公开的精确形 式。根据以上教导，许多修改和改变都是可能的。示出和描述这些实施
15例以便最好地说明本发明的原理及其实际应用，由此使本领域其它技术 人员能够最好地利用本发明以及适合于所考虑的特定应用的具有各种 修改的各种实施例。本发明的范围打算由以下权利要求书及其等效物来 限定。
权利要求
1.一种电磁辐射放大系统(900，1300，1600)，包括光子光栅(200-500)，配置有板(202-402)中的平面周期孔点阵，所述光子光栅与电磁辐射的入射相干束耦合；以及泵浦源(902，1302，1602)，配置成输出电子激励，所述电子激励在所述光子光栅中激发电子能态，使得所述电磁辐射的入射相干束能够激励相干电磁辐射的发射，所述相干电磁辐射放大所述电磁辐射的入射相干束。
2. 如权利要求1所述的系统，其中所述光子光栅还包括如下其中之 嵌入在所述板中的 一种或多种掺杂物；由具有不同介电常数的交替半导体层形成的一个或多个量子阱 (1700, 1800);以及 量子点。
3. 如权利要求1所述的系统，其中所述板还包括如下其中之一电介质；半导体；半导体化合物；二氧化硅；氮化硅；以及有机材料。
4. 如权利要求1所述的系统，其中所述平面周期孔点阵还包括如下其中之一方形单位单元(206， 306);以及 三角形单位单元(404,502)。
5. 如权利要求1所述的系统，其中所述光子光栅还包括附连到所述 光子光栅的表面的第一导体(1606)和附连到所述光子光栅(1604)的相 对表面的第二导体(1608)，使得第一导体和第二导体与电压源(1602)电 通信，并且第一导体和第二导体是基本上透明的电介质导体(dielectric conductor)或以孔图案化的金属电极，以允许从所述光 子光栅发射第二相干信号。
6. 如权利要求1所述的系统，其中所述泵浦源还包括光源(1302),所述光源配置成输出具有将所述光子光栅激发到激发电子能态的频率 的电磁辐射束。
7. —种用于放大光的方法，包括形成具有板中的平面周期孔点阵的光子光栅(200-500); 泵送所述光子光栅以将所述板材料置于较高电子能态；以及 在所述平面周期孔点阵的平面之外的方向将电磁辐射的相干束输入到所述光子光栅上，使得所述电磁辐射的相干束与所述光子光栅耦合以产生所述电磁辐射的相干束的放大。
8. 如权利要求7所述的方法，其中泵送所述光子光栅还包括如下其 中之一在所述光子光栅上施加电压，使得所述电压将所述介电材料置于较 高电子能态；以及施加将所述板材料置于较高电子能态的电磁辐射入射束。
9. 如权利要求7所述的方法，其中所述光子光栅还包括附连到所述 光子光栅的表面的第一导体(1606)和附连到所述光子光栅(16(H)的相 对表面的第二导体(1608)，使得第一导体和第二导体与电压源(160"电 通信，并且第一导体和第二导体是电介质导体。
10. 如权利要求7所述的方法，其中电磁辐射的放大相干束与电磁 辐射的入射相干束具有基本上相同的波长、相位和方向。
全文摘要
本发明的各种实施例涉及采用光子光栅的电磁波放大系统。在本发明的一个实施例中，电磁辐射放大系统(900，1300，1600)包括光子光栅(200-500)和泵浦源(902，1302，1602)。该光子光栅配置有板(202-402)中的平面周期孔点阵。泵浦源耦合到光子光栅，并输出电子激励，电子激励在光子光栅中激发电子能态，使得入射在光子光栅上的电磁辐射相干束激励相干电磁辐射的发射，所述相干电磁辐射放大电磁辐射相干束。
文档编号H01S3/06GK101636885SQ200880009047
公开日2010年1月27日 申请日期2008年3月21日 优先权日2007年3月21日
发明者C·桑托里, D·法塔尔, M·西加拉斯, R·博索莱尔 申请人:惠普开发有限公司