一种超快电光调制装置与方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及信息技术领域，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。本发明专利技术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。利于二次设计优化与集成制造。利于二次设计优化与集成制造。

【技术实现步骤摘要】
一种超快电光调制装置与方法


[0001]本专利技术涉及通信
，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。

技术介绍

[0002]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(Nature Photonics,vol.2,pp.185
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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
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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
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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
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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
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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。
[0003]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
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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
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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。
[0004]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。

技术实现思路

[0005]本专利技术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。
[0006]本专利技术首先提出了一种超快电光调制装置。该装置包括导电体一、导电体二和导电体三，所述导电体一与导电体二组成天线结构，用于增强光的散射和吸收；导电体一与导电体二之间的间隙小于100纳米，间隙的最小距离应保证二者之间不产生电流导通；所述导电体三位于所述间隙内，与导电体一、导电体二中的一个导通，与另一个不导通；所述导电体三为微纳结构，所述微纳结构上存在曲率半径小于10纳米的部分；所述天线结构接收外部调制电信号。
[0007]进一步的，导电体一和导电体二的部分或全部外部环境是真空或者其它绝缘物质。
[0008]可优选的，导电体一和导电体二之间的间隙为真空或者其它绝缘物质。
[0009]进一步优选的，导电体一、导电体二、导电体三为同一种导电物质，或者是不同的导电物质。
[0010]所述调制电信号的发生源为施加于导电体一和导电体二之间的偏置电压，或者是施加于整个电光调制装置的背景电场。
[0011]本专利技术同时提出了一种基于所述超快电光调制装置的电光调制方法，包括以下步骤：
[0012]步骤i、将待调制光照射到所述导电体一和导电体组成的天线结构；
[0013]步骤ii、输入的待调制光经过天线结构增强后在所述导电体三处激发产生局域化的空间光场；
[0014]步骤iii、在所述调制电信号的发生源的作用下，所述导电体一和导电体二之间产生局部电场，所述局部电场改变导电体三中的载流子密度分布；
[0015]步骤iv、所述载流子密度变化导致所述空间光场被调制；
[0016]步骤v、被调制后的空间光场在天线结构的增强作用下辐射到远场，形成可以被外部探测装置检测到的输出光信号。
[0017]可优选的，所述待调制光是可见光或者红外波段光。
[0018]本专利技术基本原理：具有微纳结构的导电体三包含曲率半径小于10纳米的部分，使得其中的载流子密度分布对外部环境具有灵敏的响应，同时也使得导电体三在入射待调制光激发下能产生局域化的空间光场分布，并且其性质较大依赖于前述的载流子密度分布。导电体一和导电体二之间的局部电场改变导电体三中的载流子密度分布；载流子密度分布的变化改变空间光场分布，实现对空间光场的调制，最终使得待调制光的某种性质，诸如光强或相位等，随着外加调制信号发生变化。
[0019]本专利技术与现有技术相比，主要具有以下优点：
[0020]其一，本专利技术的装置具有很小的等效电容和等效电阻，从而给出超过太赫兹甚至几十太赫兹的响应速度。
[0021]其二，本专利技术通过实现载流子密度分布的变化来调制空间光场，而现有技术依赖传导或隧穿电流，因此相比于现有的需要有传导或隧穿电流的调制器，本专利技术的功耗更低。
[0022]其三，本专利技术的调制装置构成简单，容易进行二次设计，添加或改变部分结构以达
到更好的调制效果。
[0023]其四，本专利技术所述调制装置有效部分只有百纳米量级，适合工艺上高密度集成。
[0024]其五，本专利技术对于待调制光波长无特殊要求，能对从可见光到红外波段的待调制光进行调制。
附图说明
[0025]下面结合附图和具体实施方式对本专利技术的技术方案作进一步具体说明。
[0026]图1为本专利技术装置的原理图；
[0027]图2为本专利技术装置的第一种实例的俯视图。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超快电光调制装置，其特征在于，包括导电体一、导电体二和导电体三，所述导电体一与导电体二组成天线结构，导电体一与导电体二之间的间隙小于100纳米；所述导电体三位于所述间隙内，与导电体一、导电体二中的一个导通，与另一个不导通；所述导电体三为微纳结构，所述微纳结构上存在曲率半径小于10纳米的部分；所述天线结构接收外部调制电信号。2.根据权利要求1所述的超快电光调制装置，其特征在于，导电体一和导电体二的部分或全部外部环境是真空或者其它绝缘物质。3.根据权利要求1所述的超快电光调制装置，其特征在于，导电体一和导电体二之间的间隙为真空或者其它绝缘物质。4.根据权利要求1所述的超快电光调制装置，其特征在于，导电体一、导电体二、导电体三为同一种导电物质，或者是不同的导电物质。5.根据权利要求1所述的电光调制装置，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈学文，李莞聪，张朴，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：