基于光子光栅的电磁辐射放大系统技术方案

本发明专利技术的各种实施例涉及采用光子光栅的电磁波放大系统。在本发明专利技术的一个实施例中，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。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。附图说明图1图解说明了电磁辐射放大器的操作。图2A图解说明了表示本专利技术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图解说明了表示本专利技术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图解说明了表示本专利技术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图解说明了表示本专利技术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图解说明了表示本专利技术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 levelpopulat 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图解说明了表示本专利技术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图解说明了表示本专利技术实施例的第二电磁辐射放大器。图16B图解说明了沿线16B-16B所取的表示本专利技术实施例的图16A中所示的放大器的截面图。图17图解说明了表示本专利技术实施例的包含单个量子阱的第一光子光栅的截面图。图18图解说明了表示本专利技术实施例的包含两个量子阱的第二光子 光栅的截面图。具体实施例方式本专利技术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描述本专利技术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，描述本专利技术实施例所用的术语"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专利技术各种实施例的描述，在第一小节提供了光子光栅的概述。在第二 小节描述本专利技术的各种系统和方法实施例。 光子光栅(photonic grating)图2A图解说明了表示本专利技术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图解说明了表示本专利技术实施例的光子光栅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 图解说明了表示本专利技术实施例的光子光栅200的截面图。在本专利技术的其它实施例中，孔点阵可具有不同的形状。图3A图解说 明了表示本专利技术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 说明了表示本专利技术实施例的光子光栅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的基本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：D法塔尔，M西加拉斯，R博索莱尔，C桑托里，
申请(专利权)人：惠普开发有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]