DE112008003958B4

DE112008003958B4 - Optische Nanodrahtblockgeräte zum Verstärken, Modulieren und Erfassen optischer Signale

Info

Publication number: DE112008003958B4
Application number: DE112008003958.5T
Authority: DE
Inventors: Sagi Varghese Mathai; Shih-Yuan Wang
Original assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Current assignee: Hewlett Packard Enterprise Development LP
Priority date: 2008-07-31
Filing date: 2008-07-31
Publication date: 2015-04-02
Anticipated expiration: 2028-08-01
Also published as: JP5474065B2; KR20110039450A; WO2010014099A1; KR101510356B1; CN102112901B; CN102112901A; US8873893B2; JP2011529637A; DE112008003958T5; US20110123146A1

Abstract

Ein optisches Nanodrahtblockgerät (200, 300, 500, 700) zum Verstärken, Modulieren und/oder Erfassen eines optischen Signals (108) in einem einen großen Kern aufweisenden metallisierten Hohlwellenleiter (100), mit Folgendem:
einem als Rahmen ausgebildeten Substrat (202);
einer Mehrzahl von Nanodrähten (206), die mit dem Rahmen verbunden sind, um den optischen Nanodrahtblock zu bilden, wobei die Nanodrähte (206) eine p-dotierte Region, eine eigenleitende Region und eine n-dotierte Region aufweisen; und
wobei der optische Nanodrahtblock dahin gehend wirksam ist, in den einen großen Kern aufweisenden metallisierten Hohlwellenleiter (100) eingefügt zu werden, um zumindest entweder ein Verstärken und/oder Modulieren und/oder Erfassen des optischen Signals (108) bereitzustellen.

Description

HINTERGRUND
Während sich Geschwindigkeiten von Computerchips auf Schaltungsplatinen zu immer höhere Geschwindigkeiten steigern, wird ein Kommunikationsangpass bei einer Kommunikation zwischen Chips zu einem größeren Problem. Eine wahrscheinliche Lösung besteht darin, Optiken zu verwenden, um Hochgeschwindigkeits-Computerchips miteinander zu verbinden. Jedoch beinhalten die meisten Schaltungsplatinen viele Schichten und erfordern bei ihrer Herstellung oft Toleranzen von weniger als einem Mikrometer. Ein physisches Platzieren von Glasfasern und ein Verbinden der Fasern mit den Chips kann zu ungenau und zeitaufwendig sein, um bei Herstellungsprozessen von Schaltungsplatinen weithin angenommen zu werden.
Außerdem kann ein Zugreifen auf optische Signale in einem optischen Vollkernwellenleiter an mehreren Örtlichkeiten eine Herausforderung darstellen. Jedes Mal, wenn auf ein optisches Signal zugegriffen wird, kann es das ursprüngliche Signal stören und beeinträchtigen. Vermarktungsfähige optische Verbindungen zwischen Chips haben sich somit trotz des Erfordernisses einer breitbandigen Datenübertragung als illusorisch erwiesen.
Die US 2002/0172820 A1 bezieht sich auf Verfahren zum Herstellen von Nanostrukturen und Nanodrähten und ferner auf daraus hergestellte Vorrichtungen.
Die US 2003/0035613 A1 bezieht sich auf ein optisches Umschaltsystem basierend auf optischen Hohlleitern, wobei eine auf einem Hohlleiter basierende Schalterarchitektur für eine optische Datenübertragung einen ersten und zweiten, aktivierbaren, flexiblen Hebel aufweist, um die zumindest zwei Umschaltpositionen zu erhalten.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung ersichtlich, die in Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen zu sehen ist, die zusammen beispielhaft Merkmale der Erfindung veranschaulichen und bei denen:
1 eine Veranschaulichung eines einen großen Kern aufweisenden metallisierten Hohlwellenleiters gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist;
2a eine Veranschaulichung eines optischen Nanodrahtblockgeräts mit Nanodrähten ist, die in einer vertikalen Richtung orientiert sind, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2b eine Veranschaulichung eines Nanodrahtes ist, der aus einer p-dotierten Region, einer eigenleitenden Region und einer n-dotierten Region zusammengesetzt ist;
2c eine Veranschaulichung eines optischen Nanodrahtblockgeräts ist, bei der die Nanodrähte bezüglich des Substrats eine außeraxiale Orientierung aufweisen, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2d eine Veranschaulichung eines optischen Nanodrahtblockgeräts mit Nanodrähten ist, die im Wesentlichen in einer horizontalen Richtung orientiert sind, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2e eine Veranschaulichung eines optischen Nanodrahtblockgeräts mit Nanodrähten ist, die im Wesentlichen in einer vertikalen und einer horizontalen Richtung orientiert sind, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2f eine Veranschaulichung eines optischen Nanodrahtblockgeräts ist, bei dem Nanodrähte in einem Winkel festgelegt sind, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2g eine Veranschaulichung eines optischen Nanodrahtblockgeräts mit im Wesentlichen zufällig ausgerichteten Nanodrähten gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist;
2h eine Veranschaulichung eines optischen Nanodrahtblockgeräts mit Nanodrähten ist, bei dem Nanodrähte im Wesentlichen orthogonal zu einem Substrat gebildet sind, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
3a eine Veranschaulichung eines optischen Nanodrahtblockgeräts mit einem Nanodrahtgitterarray mit vertikalen Nanodrähten gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist;
3b eine Veranschaulichung eines optischen Nanodrahtblockgeräts mit einem Nanodrahtgitterarray mit horizontalen Nanodrähten gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist;
3c eine Veranschaulichung eines optischen Nanodrahtblockgeräts mit einem Nanodrahtgitteranrray mit vertikalen und horizontalen Nanodrähten gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist;
3d eine Veranschaulichung eines optischen Nanodrahtblockgeräts mit einem Nanodrahtgitterarray mit Nanodrähten ist, die in einem Winkel festgelegt sind, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
3e eine Veranschaulichung eines optischen Nanodrahtblockgeräts mit einem Nanodrahtgitterarray mit im Wesentlichen zufällig ausgerichteten Nanodrähten gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist;
3f eine Veranschaulichung eines optischen Nanodrahtblockgeräts mit einem Nanodrahtgitterarray mit Nanodrähten, die im Wesentlichen orthogonal zu einem Substrat gebildet sind, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
4 eine Veranschaulichung eines einen großen Kern aufweisenden metallisierten Hohlwellenleiters mit optischen Nanodrahtblöcken, die in Schlitze in dem Wellenleiter eingefügt sind, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
5 eine Veranschaulichung eines optischen Nanodrahtblockdetektors ist, der ein Nanodrahtgitterarray mit im Wesentlichen offenen Bereichen aufweist, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
6 eine Veranschaulichung eines einen großen Kern aufweisenden metallisierten Hohlwellenleiters mit optischen Nanodrahtblöcken, die zur Verstärkung und Erfassung eines optischen Signals konfiguriert sind, das in Schlitze in dem Wellenleiter eingefügt ist, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
7a eine Veranschaulichung eines optischen Nanodrahtblockdetektors ist, der ein Nanodrahtgitterarray mit einer relativ geringen Dichte von Nanodrähten in jedem Bereich des Nanodrahtgitterarrays aufweist, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
7b eine Veranschaulichung eines optischen Nanodrahtblockdetektors ist, der ein Nanodrahtgitterarray mit einer relativ hohen Dichte von Nanodrähten in jedem Bereich des Nanodrahtgitterarrays aufweist, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
8 ein Flussdiagramm ist, das ein Verfahren zum Verstärken, Modulieren und Erfassen eines optischen Signals bei einem einen großen Kern aufweisenden metallisierten Hohlwellenleiter ist.
Nun wird auf die veranschaulichten exemplarischen Ausführungsbeispiele Bezug genommen, und hierin wird eine spezifische Sprache verwendet, um dieselben zu beschreiben. Trotzdem versteht es sich, dass dadurch keine Einschränkung des Schutzumfangs der Erfindung beabsichtigt ist.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG EXEMPLARISCHER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Ein Verfahren zum Bilden optischer Verbindungen zwischen Computerchips auf einer Schaltungsplatine besteht darin, auf der Schaltungsplatine gebildete optische Wellenleiter zu verwenden. Aufgrund der Fähigkeit, die Wellenleiter unter Verwendung lithographischer oder ähnlicher Prozesse auf der Schaltungsplatine zu bilden, können optische Wellenleiter Glasfaser-Kommunikationen zum Miteinanderverbinden von Elektroniksystemen überlegen sein. Die Wellenleiter werden üblicherweise mit im Wesentlichen optisch transparentem Material wie z. B. Polymeren und/oder Dielektrika auf den Schaltungsplatinen gebildet. Optische Wellenleiter, die unter Verwendung lithographischer oder ähnlicher Prozesse hergestellt werden, können auch auf anderen Arten von Substraten gebildet werden, die nicht auf einer Schaltungsplatine angebracht sind. Beispielsweise kann ein bzw. können optische(r) Wellenleiter auf einem flexiblen Substrat gebildet werden, um ein Bandkabel zu erzeugen, das einen oder mehrere optische Wellenleiter aufweist. Die in der vorliegenden Anmeldung offenbarten optischen Wellenleiter werden unter Verwendung lithographischer oder ähnlicher Prozesse auf Substraten gebildet.
Ein derartiges Bilden optischer Wellenleiter kann Verbindungen liefern, die mit den notwendigen physischen Toleranzen hergestellt werden, um auf modernen Mehrschicht Schaltungsplatinen verwendet zu werden. Jedoch sind die Polymere, Dielektrika und sonstigen Materialien, die bei der Chip- und Schaltungsplatinenherstellung dazu verwendet werden können, die auf der Platine befindlichen Wellenleiter zu bilden, üblicherweise sehr viel stärker verlustbehaftet als Glasfasern. In der Tat ist bisher das Ausmaß an Verlust bei auf der Platine befindlichen Wellenleitern einer der Faktoren, die die Akzeptanz von Optischer-Wellenleiter-Verbindungen einschränken. Polymere, die zum Herstellen der Wellenleiter verwendet werden, können einen Verlust von 0,1 dB pro Zentimeter aufweisen. Im Gegensatz dazu liegt der Verlust bei einer Glasfaser bei etwa 0,1 dB pro Kilometer. Somit können Polymerwellenleiter Verluste aufweisen, die ganze Größenordnungen höher sind als der Verlust bei Glasfasern.
Außerdem werden typische Wellenleiter üblicherweise dahin gehend hergestellt, Abmessungen aufzuweisen, die zu der Wellenlänge von Licht, das sie führen sollen, ungefähr proportional sind. Beispielsweise kann die größte Abmessung eines Einmoden-Wellenleiters, der zum Führen von Licht von 1.000 nm konfiguriert ist, bei 1.000 nm bis 5.000 nm (1 μm bis 5 μm) liegen. Ein Verbinden von Wellenleitern dieser Größe kann kostspielig und schwierig sein. Die Kosten eines Herstellen und Verbindens von Wellenleitern verringerten bisher deren Nutzung bei den häufigsten Anwendungen. Mehrmoden-Wellenleiter können für die Kernregion größere Abmessungen in der Größenordnung von 20–60 μm aufweisen. Sowohl Einmoden- als auch Mehrmoden-Wellenleiter weisen eine relativ große numerische Apertur (NA) von etwa 0,2 bis 0,3 für einen Kern-und-Mantel-Brechungsindexkontrast von 0,01 bis 0,02 auf. Die numerische Apertur bestimmt die Divergenz von Strahlenbündel aus der emittierenden Faser. Somit führt eine größere NA in Abhängigkeit von einer Faser-zu-Faser-Trennung zu einer schlechteren Kopplung. Ein Teilen und Abgreifen der geführten optischen Strahlenbündel sind unter Verwendung dieser Wellenleiter ebenfalls schwierig zu bewerkstelligen.
Eine beträchtliche Verbesserung gegenüber traditionellen optischen Wellenleitern, die unter Verwendung von Polymeren oder dielektrischen Materialien gebildet werden, ist die Verwendung eines einen großen Kern aufweisenden Hohlwellenleiters 100, der zum Führen von kohärentem Licht 108 konfiguriert ist, wie in 1 gezeigt ist. Der einen großen Kern aufweisende Hohlwellenleiter kann einen Durchmesser (oder eine Breite und/oder Höhe) in der Größenordnung des 50- bis 150-fachen oder eines noch höheren Vielfachen einer Wellenlänge des kohärenten Lichts, zu dessen Führung der Wellenleiter konfiguriert ist, aufweisen. Der einen großen Kern aufweisende Hohlwellenleiter kann eine Querschnittsgestalt aufweisen, die quadratisch, rechteckig, rund, elliptisch ist oder eine sonstige andere Gestalt aufweist, die zum Führen eines optischen Signals konfiguriert ist. Da der Wellenleiter hohl ist, wandert das Licht außerdem im Wesentlichen mit Lichtgeschwindigkeit in Luft oder einem Vakuum.
1 veranschaulicht eine Lichtquelle, üblicherweise eine Laser oder Licht emittierende Diode 102, die ein Mehrmoden-Strahlenbündel 106 in einen Wellenleiter 105 emittiert. Das Mehrmoden-Strahlenbündel kann zwischen den Wanden des Wellenleiters abprallen. Bei jeder Reflexion kann ein beträchtlicher Verlust des Strahlenbündels auftreten. Um den Verlust innerhalb des Wellenleiters zu verringern, kann eine reflektierende Beschichtung 113 hinzugefügt werden, um ein Inneres des Hohlwellenleiters 100 zu bedecken. Die reflektierende Beschichtung kann unter Verwendung eines Plattierungs-, Sputterungs- oder ähnlichen Prozesses gebildet werden, wie einleuchten kann. Falls der Hohlwellenleiter ein Polymer oder sonstiges Material mit einem niedrigen Schmelzpunkt umfasst, kann die reflektierende Beschichtung unter Verwendung eines Niedrigtemperaturprozesses wie beispielsweise Sputtern, Galvanisieren oder Wärmeverdampfung aufgebracht werden.
Die reflektierende Beschichtung 113 kann aus einer oder mehreren Schichten aus Metall, Dielektrika oder sonstigen Materialien zusammengesetzt sein, die bei der Wellenlänge des kohärenten Lichts im Wesentlichen reflektierend sind. Die Metalle können auf der Basis ihres Reflexionsvermögens ausgewählt werden. Eine stark reflektierende Schicht, die den Kanal bedeckt, ist erwünscht. Beispielsweise kann die reflektierende Schicht unter Verwendung von Silber, Gold, Aluminium oder eines sonstigen Metalls oder einer sonstigen Legierung, das bzw. die die stark reflektierende Schicht bilden kann, gebildet werden.
Alternativ dazu kann die reflektierende Beschichtung 113 ein dielektrischer Stapel sein, der aus einer oder mehreren Schichten eines dielektrischen Materials gebildet sein kann, das bei einer ausgewählten Wellenlänge im Wesentlichen reflektierend ist. Bevor die reflektierende Beschichtung aufgebracht wird, kann der unbeschichtete hohle Kanal einem Wärmerückfluss unterzogen werden, um eine etwaige Oberflächenrauigkeit auszugleichen. Die reflektierende Beschichtung kann auch einen Wärmerückfluss oder ähnlichen Prozess durchlaufen, um Oberflächenrauigkeit in der reflektierenden Schicht, die während des Aufbringungsvorgangs auftreten kann, auszugleichen. Elektropolieren kann ebenfalls dazu verwendet werden, die reflektierende Metalloberfläche auszugleichen. Der einen großen Kern aufweisende Hohlwellenleiter mit der reflektierenden Beschichtung wird als ein einen großen Kern aufweisender metallisierter Hohlwellenleiter bezeichnet.
Falls die photonische Führungsvorrichtung nicht hermetischen abgedichtet ist, kann die reflektierende Beschichtung 113 mit der Zeit oxidieren. Eine Oxidation der reflektierenden Beschichtung kann ihr Reflexionsvermögen beträchtlich verringern. Um eine Beeinträchtigung des Reflexionsvermögens der Metallbeschichtung zu verringern oder zu eliminieren, kann über der reflektierenden Beschichtung eine Schutzschicht 111 gebildet sein. Die Schutzschicht kann ein Material umfassen, das bei der Wellenlänge des kohärenten Lichts im Wesentlichen transparent ist. Beispielsweise kann die Schutzschicht aus Siliziumdioxid oder einem anderen Material gebildet sein, das über die reflektierende Beschichtung eine im Wesentlichen luftdichte Bindung bilden kann. Diese Schutzschicht verringert auch den Ausbreitungsverlust, indem sie das sich ausbreitende Licht von der verlustbehafteten reflektierenden Schicht weiter trennt.
Hohle Wellenleiter, die reflektierende Oberflächen aufweisen, arbeiten anders als Vollwellenleiter. Hohle Wellenleiter arbeiten unter Verwendung des Prinzips einer abgeschwächten inneren Totalreflexion, die Licht durch eine Reflexion von der bzw. den reflektierenden Schicht(en) und nicht durch innere Totalreflexion zwischen einer Kernregion mit höherem Index und einer Mantelregion mit geringerem Index führt, wie dies üblicherweise bei Vollwellenleitern wie beispielsweise einer optischen Faser auftritt. Das Licht in dem Hohlwellenleiter kann mit größeren Einfallswinkeln reflektiert werden, als für eine innere Totalreflexion notwendig ist, wie einleuchten kann.
Für einen kreisförmigen Hohlwellenleiter weist der TE₀₁-Mode eine Abschwächung pro Längeneinheit auf, die gemäß Gleichung 1 bestimmt werden kann:
wobei α der Wellenleiterradius ist, ω die Frequenz des Lichts in Radianen ist, ω_c die TE₀-Grenzfrequenz ist und η die Impedanz freien Raums ist. Die Abschwächung bei dem Hohlwellenleiter ist auf die endliche Leitfähigkeit der Metallwände zurückzuführen. R_s ist der spezifische Oberflächenwiderstand des Metalls und durch Folgendes gegeben:
wobei σ die Leitfähigkeit ist, f Lichtfrequenz ist, δ die Eindringtiefe des Lichts in das Metall ist und μ die Durchlässigkeit des Metalls ist. Man kann sehen, dass R_s als die Quadratwurzel von f zunimmt.
Aus der obigen Gleichung (1) ist ersichtlich, dass die Abschwächung für den TE₀₁-Mode mit zunehmender Frequenz sinkt. Die Abnahme der Abschwächung bei zunehmenden Frequenzen tritt auf, da der Mode bei hohen Frequenzen nicht mit den Führungswänden gekoppelt ist.
Es gibt auch Moden einer höheren Größenordnung, die bei dem Metallhohlwellenleiter 100 vorliegen. Jedoch sind diese Moden sehr verlustbehaftet, da sie stärker mit den Metallwänden gekoppelt sind (d. h. aufgrund ihrer höheren numerischen Apertur erfahren sie eine stärkere Reflexion). Bei Wellenleiterbiegungen und -diskontinuitäten wird der TE01-Mode aufgrund einer Modenumwandlung in die Moden einer höheren Größenordnung abgeschwächt. Der Mode mit dem geringsten Verlust kann anhand einer Menge von Strahlen beschrieben werden, die die reflektierende Wand in einem steilen Winkel ausgehend von der Normalen nur streifen, was zu einer geringeren Anzahl von Abprallungen führt, während er sich an dem Wellenleiter entlang nach unten ausbreitet. Aus diesem Grund weist der verlustarme Mode im Vergleich zu herkömmlichen Vollkernwellenleitern eine sehr kleine numerische Apertur auf.
Im Idealfall wird üblicherweise ein Einmoden-Laser verwendet, um kohärentes Licht in einen Hohlwellenleiter zu lenken. Jedoch können Einmoden-Laser relativ teuer sein. Man hat entdeckt, dass ein kostengünstigerer Mehrmoden-Laser wie beispielsweise ein Vertikalresonatoroberflächenemissionslaser (VCSEL – vertical-cavity surface-emitting laser) beim Kommunizieren von Signalen einer hohen Datenrate über relativ kurze Strecken unter Verwendung von Hohlwellenleitern, die reflektierende Innenoberflächen aufweisen, nützlich sein kann. Beispielsweise können Mehrmoden-Laser dazu verwendet werden, Signale mit hoher Datenrate durch einen großen Kern aufweisende reflektierende Hohlwellenleiter zu lenken, die als Verbindungen zwischen Chips und zwischen Schaltungsplatinen verwendet werden. Die Verwendung von Mehrmoden-Lasern kann die Kosten optischer Verbindungen beträchtlich verringern und damit ihre Verwendung zum Verbinden einer viel größeren Bandbreite elektronischer Geräte ermöglichen. Jedoch kann eine Ausgabe aus einem Mehrmoden-Laser im Fall einer direkten Kopplung mit einem Metallhohlwellenleiter beträchtlich größere Verluste aufweisen.
Um die Abschwächung der aus einem Mehrmoden-Laser 102 emittierten höheren Moden zu überwinden, kann ein Kollimator 104 in einen Pfad der aus dem Laser emittierten Mehrmoden-Lichtstrahlen 106 platziert werden. Der Kollimator kann eine Kollimatorlinse oder eine Serie von Linsen sein. Bei einem Ausführungsbeispiel kann der Kollimator als Kugellinse konfiguriert sein. Die Kugellinse kann eine reflexmindernde Beschichtung aufweisen.
Der Kollimator 104 ist dahin gehend konfiguriert, das Mehrmoden-Strahlenbündel zu kollimieren, um zu bewirken, dass eine Mehrzahl der mehreren Moden oder aus dem Laser 102 emittierten Strahlen 106 ein kollimiertes Strahlenbündel 108 bilden, bei dem in dem einen großen Kern aufweisenden Hohlwellenleiter 200 die mehreren Moden im Wesentlichen parallel wandern. Eine Kollimation des Mehrmoden-Strahlenbündels kann dazu verwendet werden, den Mehrmoden-Laser effizient mit dem verlustarmen Mode des Metallhohlwellenleiters zu koppeln, indem Strahlen eingekoppelt werden, die nahezu parallel zu dem Wellenleiter sind, wodurch die Anzahl von Reflexionen, die in dem Wellenleiter auftreten, beträchtlich verringert wird. Reflexionen des kollimierten Strahlenbündels, die in dem Wellenleiter auftreten, liegen üblicherweise in einem relativ flachen Winkel bezüglich der Wellenleiterwände vor, wodurch die Anzahl von Reflexionen in dem Wellenleiter minimiert und folglich die Abschwächung des Lichts in dem Hohlwellenleiter verringert wird.
Außerdem kann ein Durchmesser des Strahlenbündels seitens des Kollimators kondensiert werden, um den Wellenleiter zu unterfüllen. Mit anderen Worten kann das kollimierte Strahlenbündel einen Durchmesser aufweisen, der geringer ist als ein Durchmesser, eine Breite oder eine Höhe des Wellenleiters. Ein Kondensieren des kollimierten Strahlenbündels, um den Wellenleiter zu unterfüllen, kann die Wechselwirkung der äußeren Moden oder Strahlen mit der reflektierenden Beschichtung an einem Inneren des einen großen Kern aufweisenden Hohlwellenleiters verringern und auch eine größere Fehlausrichtungstoleranz ermöglichen.
Sogar wenn das kohärente Strahlenbündel 108 kollimiert und kondensiert wird, um den einen großen Kern aufweisenden Hohlwellenleiter 100 zu unterfüllen, kann eine Breite oder ein Durchmesser des Strahlenbündels einen beträchtlichen Teil des Wellenleiters füllen. Beispielsweise kann das kollimierte Strahlenbündel einen Durchmesser aufweisen, der größer ist als die Hälfte der Breite des Wellenleiters. Die Breite des kollimierten Mehrmoden-Strahlenbündels relativ zu einem Einmoden-Strahlenbündel kann die Fehlausrichtungstoleranzen des Mehrmoden-Strahlenbündels in dem Wellenleiter verringern.
Beispielsweise kann ein kohärentes Mehrmoden-Strahlenbündel von Licht von 850 nm durch einen Wellenleiter, der einen 150 μm großen Kern und eine reflektierende Beschichtung aufweist, mit einem Verlust in der Größenordnung 0,07 dB/cm transmittiert werden. Die numerische Apertur des aus dem Wellenleiter austretenden Lichts wurde mit weniger als 0,05 bestimmt. Die Verluste des Wellenleiters können sich im Maße seiner Größe verändern. Wellenleiter einer geringeren Größe weisen aufgrund der größeren Zahl von inneren Reflexionen (Abprallungen) in dem Wellenleiter höhere Verluste auf. Somit können größere Wellenleiter zum Verringern von Verlust verwendet werden.
Beträchtliche Verluste können in einem Wellenleiter 100 auftreten, falls der optische Weg durch den Wellenleiter hindurch nicht im Wesentlichen gerade ist. Biegungen oder Windungen, die in dem Wellenleiter auftreten, können bewirken, dass das Licht eine unerwünschte Anzahl von Abprallungen erfahrt, was ein beträchtliches Maß an Abschwächung bewirkt. Um zu ermöglichen, dass optische Signale in eine andere Richtung geleitet werden, können Spiegel, Verteiler und Linsen verwendet werden. Jedoch kann jede dieser Komponenten auch Verluste und eine Beeinträchtigung des optischen Signals 108 bewirken. Diese Verluste können über eine relativ beträchtliche Länge des Wellenleiters hinweg bedeutend werden. Die Verluste können auch bedeutend werden, falls eine große Anzahl optischer Geräte wie z. B. Verteiler dazu verwendet werden, optische Signale an mehreren Stellen in dem Wellenleiter zu beseitigen oder umzulenken.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wurde erkannt, dass ein kostengünstiges photonisches Bauelement benötigt wird, das in einen Metallhohlwellenleiter 100 eingefügt werden kann, der das optische Signal 108 verstärken kann, um zu ermöglichen, dass das Signal eine größere Strecke zurücklegt, und/oder um zu ermöglichen, dass zusätzliche optische Komponenten wie beispielsweise Verteiler, Linsen und Spiegel verwendet werden, während ermöglicht wird, dass das optische Signal einen gewünschten Leistungspegel in dem Metallhohlwellenleiter aufrechterhält.
Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann ein optisches Nanodrahtblockgerät 200 zum Verstärken, Modulieren und Erfassen eines optischen Signals dahin gehend konfiguriert sein, in einen einen großen Kern aufweisenden Metallhohlwellenleiter eingefügt zu werden, wie bei den in den 2a, 2b und 2d–2h veranschaulichten exemplarischen Ausführungsbeispielen gezeigt ist. Jeder optische Nanodrahtblock kann aus einem Substratmaterial 202 und einer Mehrzahl aktiver Nanodrähte 206, die in einem aktiven Bereich 204 des optischen Blocks angeordnet sind, zusammengesetzt sein. Die optischen Nanodrahtblöcke können dahin gehend bemessen sein, in den Metallhohlwellenleiter 100 eingefügt zu werden.
Das Substrat 202 des optischen Blocks kann aus einem elektrisch leitfähigen Material wie beispielsweise einkristallinem Silizium, mikrokristallinem Silizium, amorphem Silizium, das Nahbereichs-Kristallinformationen aufweist, III-V-Material wie z. B. Indiumphosphid (InP), Galliumarsenid (GaAs), Galliumnitrid (GaN) und dergleichen zusammengesetzt sein. Bei einem Ausführungsbeispiel kann das Substrat aus einem Material gebildet sein, das bei einer gewählten Frequenz im Wesentlichen optisch transparent ist. Alternativ dazu kann das Substrat aus dem aktiven Bereich 204 im Wesentlichen beseitigt werden, um zu ermöglichen, dass Licht von dem optischen Signal mit den Nanodrähten interagiert.
Jeder ordnungsgemäß gebildete Nanodraht 206 kann aus einem III-V-Material wie z. B. GaAs, InP, GaN und deren Legierungen gebildet sein, mit einem Durchmesser, der geringer ist als eine Wellenlänge des optischen Signals in dem Metallhohlwellenleiter. Der Nanodraht kann als PIN-Diode, mit einer Region vom p-Typ, einer leicht dotierten eigenleitenden Region, einer Region vom n-Typ, sein, wie in 2b veranschaulicht ist. Die PIN-Diode kann ein Homoübergang oder ein Heteroübergang sein, wobei sie in diesem Fall ternäre und quaternäre Legierungen der III-V-Materialfamilie enthält. Die p-Typ-Region und die n-Typ-Region sind üblicherweise für eine Verwendung als ohmsche Kontakte mit dem leitfähigen Substrat 202 stark dotiert. Bei einem Ausführungsbeispiel kann die eigenleitende Region als Quantenmulde fungieren.
Ein Vorspannen der Nanodrähte 206 in dem optischen Block in Durchlassrichtung liefert eine Verstärkung für Photonen, die mit dem Nanodraht interagieren. Jeder ordnungsgemäß gebildete Nanodraht kann sich als optischer Miniatur-Halbleiterverstärker verhalten und die Photonen in dem optischen Signal in dem Metallhohlwellenleiter verstärken. Die Nanodrähte können mit einer spezifischen Ausrichtung relativ zu dem Substrat 202 ausgerichtet sein. Jeder Nanodraht kann sich auch in einem ausgewählten Winkel 205, der relativ zu dem Substrat mehrere zehn Grad betragen kann, außeraxial bezüglich des Substrats angeordnet sein. Der ausgewählte Winkel kann dahin gehend gewählt sein, ein gewünschtes Maß an Interaktion zwischen den Photonen in dem Wellenleiter 100 (1) und den Nanodrähten bereitzustellen. Die Nanodrähte, ob sie nun auf der Achse (mit dem Substrat fluchtend) oder außeraxial angeordnet sind (in einem ausgewählten Winkel von dem Substrat weg gerichtet), können in einer spezifischen Richtung, beispielsweise horizontal (2a), vertikal (2d), sowohl horizontal als auch vertikal (2e), in einem ausgewählten Winkel (2f), auf eine im Wesentlichen zufällige Weise (2g) oder senkrecht zu dem Substrat (2h) ausgerichtet sein. Die senkrechten Nanodrähte können auch in einem spezifischen Winkel gebildet sein, der mehrere zehn Grad geringer ist als oder größer ist als 90 Grad bezüglich der optischen Achse des Wellenleiters 100.
Eine spezifische Ausrichtung der Nanodrähte 206 bezüglich des Substrats 202 kann verwendet werden, wenn das optische Signal 108 (1) polarisiert wird. Beispielsweise kann eine horizontale oder vertikale Ausrichtung ermöglichen, dass ein polarisiertes optisches Signal verstärkt wird, während die ausgewählte Polarisierung des Signals beibehalten wird. Ein Ausrichten der Nanodrähte kann auch ein effizienteres Mittel zum Verstärken eines polarisierten Signals liefern. Alternativ dazu kann ein Nanodrahtblock 200, der im Wesentlichen zufällig ausgerichtete Nanodrähte 206 aufweist, effektiver sein, ein polarisationsverwürfeltes (polarization scrambled) optisches Signal zu verstärken.
Wie zuvor erörtert wurde, kann ein typischer Metallhohlwellenleiter 100 (1) eine Höhe und eine Breite von etwa 150 μm aufweisen. Jedoch kann ein Bilden von Nanodrähten dieser Länge schwierig sein. Außerdem können Nanodrähte, die eine relativ beträchtliche Länge aufweisen, ziemlich zerbrechlich sein. Um diese Einschränkungen zu überwinden, kann ein optischer Block 300 gebildet werden, der ein Nanodrahtgitterarray aufweist, wie in 3a veranschaulicht ist. Das Gitterarray kann aus einem Array 308 von Bereichen 302, in denen Nanodrähte gebildet sein können, zusammengesetzt sein. Jeder Bereich kann einen Kasten oder Rahmen 304 umfassen, mit dem die Nanodrähte gekoppelt werden können. Der Rahmen kann ein Kasten sein, der aus einem Substrat zusammengesetzt ist, z. B. dem Substrat 202 (2a). Das Substrat kann im Wesentlichen durchgehend sein, wie in 2c gezeigt ist, wobei die Nanodrähte in einem ausgewählten Winkel aus dem Substrat heraus gerichtet sind. Der Rahmen kann dahin gehend konfiguriert sein, zu ermöglichen, dass die mit dem Rahmen verbundenen Nanodrähte nach Wunsch in Durchlassrichtung oder in Sperrrichtung vorgespannt werden. Obwohl der Rahmen bei den in 3a–3f gezeigten exemplarischen Ausführungsbeispielen als quadratisch gezeigt ist, kann der Rahmen im Wesentlichen jegliche Gestalt aufweisen, z. B. rechteckig, rund, Dreieck, Wabe, oder eine sonstige Polygongestalt, an der die Nanodrähte befestigt und vorgespannt werden können.
Bei einem Ausführungsbeispiel kann jeder Bereich 302 in dem Gitterarray 308 Abmessungen von etwa 10 μm × 10 μm aufweisen. Jeder Bereich in dem Gitter kann von einem benachbarten Bereich einen Abstand aufweisen, der geringer ist als eine Wellenlänge des Lichts in dem optischen Signal 108 (1). Eine Mehrzahl von PIN-Diode-Nanodrähten 306, die einen Durchmesser von weniger als einer Wellenlänge des Lichts in dem optischen Signal aufweisen, können in jedem Bereich gebildet sein. Die Nanodrähte können auch einen Abstand aufweisen, der im Wesentlichen weniger als eine Wellenlänge des Lichts betragt. Beispielsweise kann jeder Bereich von 10 μm × 10 μm für ein optisches Signal, das eine Wellenlänge von 850 nm aufweist, aus einer Mehrzahl von Nanodrähten gebildet sein, die Durchmesser von 10 nm bis 100 nm aufweisen. Die Nanodrähte können einen Abstand der Bandbreite von 10 nm bis 1.000 nm von benachbarten Nanodrähten aufweisen. Jeder Bereich 302 kann einen Abstand von weniger als 1 μm von benachbarten Bereichen in dem Gitterarray aufweisen.
Exemplarische Ausführungsbeispiele optischer Blöcke 302, die Nanodrahtgitterarrays 308 aufweisen, sind in 3a–3f veranschaulicht. Wie zuvor unter Bezugnahme auf 2a–2h erörtert wurde, können die Nanodrähte in einer ausgewählten Richtung und mehrere zehn Grad außeraxial in einer Richtung orientiert sein, die senkrecht zu dem Substrat in jedem Bereich 302 des Gitterarrays ist, das den optischen Block 300 umfasst. Die Nanodrähte können vertikal (3a), horizontal (3b), vertikal und horizontal (3c) oder in einem ausgewählten Winkel (3d) bezüglich des Rahmens 304 in dem Gitterarray orientiert sein. Alternativ dazu können die Nanodrähte auf im Wesentlichen zufällige Weise orientiert sein (3e). Die Nanodrähte können auch dahin gehend gebildet sein, im Wesentlichen senkrecht zu dem Substrat zu sein (3f) oder relativ zu einer optischen Achse des Wellenleiters 100 in einem ausgewählten Winkel vorzuliegen, wie zuvor erörtert wurde. Bei einem Ausführungsbeispiel kann jeder Bereich 302 in einem ausgewählten Gitterarray, das einen optischen Block 300 umfasst, eine im Wesentlichen ähnliche Ausrichtung von Nanodrähten aufweisen. Alternativ dazu kann ein optischer Block zwei oder mehr verschiedene Ausrichtungen in den Bereichen, die den optischen Block umfassen, aufweisen.
Bei einem Ausführungsbeispiel können Nanodrähte 306 mit unterschiedlichem Bandabstandsmaterial konfiguriert sein, so dass die Nanodrähte in verschiedenen Bereichen 302 dazu verwendet werden können, Signale unterschiedlicher Wellenlängen selektiv zu erfassen. Beispielsweise kann der Nanodrahtblock 300 Nanodrähte umfassen, die zumindest zwei verschiedene Bandabstände aufweisen. Genügend Bereiche 302 können Nanodrähte mit einem ersten Bandabstand umfassen, um 20% einer ersten Wellenlänge zu absorbieren. Genügend Bereiche können Nanodrähte umfassen, die einen zweiten Bandabstand aufweisen, um 90% einer zweiten Wellenlänge bei einem multiplexierten optischen Signal zu absorbieren. Nanodrähte, die eine Mehrzahl verschiedener Bandabstände aufweisen, können in einem Nanodrahtblock enthalten sein, um zu ermöglichen, dass ein CWDM-Signal (CWDM = coarse wavelength division multiplexed) erfasst, verstärkt und/oder moduliert wird.
Ein oder mehrere optische Nanodrahtblöcke, z. B. ein optischer Block 300, wie in 3a–3f veranschaulicht ist, kann bzw. können in einen metallisierten Hohlwellenleiter 100 eingefügt werden, wie in 4 gezeigt ist. Wenn die Nanodrähte in Durchlassrichtung vorgespannt werden, wie zuvor erörtert wurde, kann jeder Bereich 302 (3a) ordnungsgemäß gebildeter Nanodrähte 306 zum Verstärken des optischen Signals 108 verwendet werden. Eine Mehrzahl von optischen Nanodrahtblöcken kann in einen Wellenleiter eingefügt werden, solange das Signal/Rausch-Verhältnis des verstärkten optischen Signals, das aus dem optischen Nanodrahtblock ausgegeben wird, größer ist als ein gewünschter Pegel.
Ein optischer Nanodrahtblock, z. B. die in 2a und 2d–2h und 3a–3f veranschaulichten Beispiele, kann dahin gehend konfiguriert sein, in einen Schlitz 402 eingefügt zu werden, der in einem metallisierten Hohlwellenleiter 100 gebildet ist, wie bei dem exemplarischen Ausführungsbeispiel der 4 gezeigt ist. Bei einem Ausführungsbeispiel kann der Schlitz in einem Winkel gebildet sein, der zu dem optischen Signalpfad in dem Wellenleiter ungefähr orthogonal ist. Jedoch ist eine ordnungsgemäße Ausrichtung für das Funktionieren des optischen Blocks nicht entscheidend. Der optische Block kann um mehrere Grad fehlausgerichtet sein und trotzdem im Wesentlichen ähnlich einem Gerät, das zu dem optischen Signalpfad orthogonal ist, funktionieren. Außerdem kann der optische Block eine reflexmindernde Beschichtung aufweisen, um Rückreflexionen in den metallisierten Hohlwellenleiter hinein zu eliminieren.
Eine Verwendung des metallisierten Hohlwellenleiters 100 ermöglicht, dass der optische Nanodrahtblock 300 ohne wesentliche Beeinträchtigung des optischen Signals 108, das durch den Wellenleiter wandert, eingefügt werden kann. Dies ist möglich, da das optische Signal durch ein Medium von Luft oder ein Vakuum in dem Wellenleiter wandert. Im Gegensatz dazu kann ein Einfügen einer externen Vorrichtung in einen Schlitz in einem Vollkernwellenleiter, z. B. einem faseroptischen Wellenleiter oder Polymerwellenleiter, aufgrund der Änderung des Brechungsindizes zwischen dem Faserkern und Luft oder Vakuum zu einer deutlichen Beeinträchtigung eines optischen Signals führen. Somit ermöglicht die Verwendung eines einen großen Kern aufweisenden metallisierten Hohlwellenleiters, dass der optische Nanodrahtblock in den in dem Wellenleiter gebildeten Schlitz 402 eingefügt wird.
Der optische Nanodrahtblock 300 kann ein sogenannter Einwurfblock (Drop-in-Block) sein, der zur Herstellung oder zum Testen ohne weiteres eingefügt werden kann. Der Einwurfblock kann von Hand, unter Verwendung eines Instruments oder unter Verwendung einer automatisierten mechanischen Einrichtung wie z. B. eines Robotersystems eingefügt werden. Unter Verwendung beispielsweise eines Haftmittels kann der Block rasch in dem Schlitz befestigt werden. Im Gegensatz zu Vollkernwellenleitern beeinträchtigt ein kleiner Zwischenraum, der in dem Metallhohlwellenleiter verbleibt, nachdem der Block eingefügt wurde, das optische Signal nicht beträchtlich. Metallhohlwellenleiter sind in der Regel ziemlich tolerant bezüglich Zwischenräumen. Ein Zwischenraum in dem Wellenleiter von ungefähr einigen Zehnteln eines Millimeters kann existieren, ohne ein unerwünschtes Maß an überschüssigem Verlust nach sich zu ziehen. Beispielsweise wurde festgestellt, dass ein Zwischenraum von 0,1 mm zu einem Verlust von 0,03 dB bei dem optischen Signal führt. Mit zunehmender Zwischenraumgröße nimmt der optische Verlust linear zu. Die Fähigkeit, den optischen Nanodrahtblock rasch und kostengünstig in den metallisierten Hohlwellenleiter einzufügen, kann beträchtliche Kostenersparnisse beim Herstellen und Testen mit sich bringen.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel kann die PIN-Diode 306 (3a), die jeden ordnungsgemäß gebildeten Nanodraht in einem optischen Nanodrahtblock 300 umfasst, in Sperrrichtung vorgespannt werden. Bei einer Vorspannung in Sperrrichtung kann ein Photon von dem optischen Signal in dem Metallhohlwellenleiter, das mit der eigenleitenden Region der PIN-Diode interagiert, Ladungsträger innerhalb der Region erzeugen. Das Sperrvorspannungsfeld kann die Träger aus der eigenleitenden Region herauswobbeln und einen erfassbaren Strom erzeugen. Somit kann der in Sperrichtung vorgespannte optische Nanodrahtblock als Photodetektor fungieren. Bei einem in Sperrrichtung vorgespannten optischen Nanodrahtblock kann jede ordnungsgemäß gebildete PIN-Diode einen Radius aufweisen, der geringer ist als eine Wellenlänge des optischen Signals in dem metallisierten Hohlwellenleiter, um eine Beeinträchtigung des optischen Signals zu minimieren.
Üblicherweise ist eine intensive Interaktion zwischen den Nanodrähten der PIN-Diode 306 und dem optischen Signal erwünscht. Dies kann durch Verwenden eines Nanodrahtgitterarrays 308, wie es bei exemplarischen Ausführungsbeispielen in den 3a–3f veranschaulicht ist, erhalten werden. Wenn Nanodrähte mit Durchmessern, die geringer sind als die Wellenlänge des Lichts, verwendet werden, wird üblicherweise lediglich ein Teil des Lichts absorbiert. Das Gitterarray kann bewirken, dass mehrere Reflexionen des optischen Signals auftreten, wodurch eine Mehrzahl von Elektronenlochpaaren erzeugt wird und eine intensive Interaktion zwischen den Nanodrähten und dem optischen Signal ermöglicht wird. Wenn sie als Detektor verwendet werden, können die Nanodrähte einen Abstand aufweisen, der größer ist als eine Wellenlänge des optischen Signals.
Bei einem exemplarischen Ausführungsbeispiel, das in 5 veranschaulicht ist, kann eine ausgewählte Anzahl von Bereichen 502 bei einem in Sperrrichtung vorgespannten optischen Nanodrahtblockdetektor 500, der ein Nanodrahtgitterarray 508 aufweist, im Wesentlichen offen gelassen werden. Die im Wesentlichen offenen Bereiche können eine verringerte Anzahl von Nanodrähten aufweisen oder überhaupt keine Nanodrähte aufweisen. Dies kann ermöglichen, dass ein vorbestimmter Anteil des optischen Signals 108 durch den Detektor gelangt, wodurch ermöglicht wird, dass eine bestimmter Anteil des optischen Signals erfasst wird und der übrige Teil des optischen Signals sich weiterhin in dem metallisierten Hohlwellenleiter 100 ausbreitet.
Bei einem Ausführungsbeispiel kann das Verhältnis von offenen Bereichen 502 relativ zu der Gesamtanzahl von Bereichen in dem Nanodrahtgitterarray 508 auf der Basis der Position des optischen Nanodrahtblockdetektors 500 in dem Wellenleiter 100 ausgewählt werden. Wie beispielsweise bei dem exemplarischen Ausführungsbeispiel der 6 veranschaulicht ist, kann ein erster Detektor 510 90% offene Bereiche und 10% an Bereichen umfassen, die Nanodrähte umfassen. Der nächste Detektor 520 kann 60% offene Bereiche und 40% an Bereichen umfassen, die Nanodrähte umfassen. Der folgende Detektor kann 30% offene Bereiche und 70% an Bereichen umfassen, die Nanodrähte umfassen, und so weiter. Ein letzter Detektor 530 kann 100% an Bereichen umfassen, die Nanodrähte umfassen. Wenn das optische Signal schwacher wird, kann eine größere Anzahl von Detektoren zum Erfassen des optischen Signals verwendet werden. Bei einem Ausführungsbeispiel können sowohl Detektorblöcke 500 als auch Verstärkerblöcke 300 bei demselben Wellenleiter verwendet werden. Alternativ dazu werden eventuell lediglich Detektoren in einen Wellenleiter eingefügt.
Bei einem weiteren exemplarischen Ausführungsbeispiel kann ein erster Detektor 700, in 7a veranschaulicht, derart gebildet sein, dass im Wesentlichen jeder Bereich 702 eine relativ niedrige Anzahl von Nanodrähten 706 aufweist. Anders als Nanodrahtblöcke, die als Verstärker verwendet werden, kann ein in Sperrrichtung vorgespannter optischer Nanodrahtblockdetektor 700 Nanodrähte aufweisen, die einen Abstand aufweisen, der größer ist als eine Wellenlänge des optischen Signals in dem metallisierten Hohlwellenleiter. Beispielsweise weist der optische Nanodrahtblockdetektor 700 eventuell lediglich einen Nanodraht pro Bereich 702 in dem Array 708 auf, obwohl üblicherweise jeder Bereich zumindest mehrere Nanodrahtdetektoren umfasst. Außerdem kann die Art des Materials, aus dem die PIN-Dioden hergestellt sind, dahin gehend ausgewählt werden, teilweise lichtdurchlässig zu sein. Ein zweiter optischer Nanodrahtblockdetektor, der eine erhöhte Dichte an Nanodrähten aufweist, kann nach dem ersten Detektor angeordnet sein. Jeder folgende Detektor kann eine erhöhte Dichte an Nanodrähten aufweisen, um eine Erfassung eines immer kleineren optischen Signals zu ermöglichen. Bei einem Ausführungsbeispiel kann ein letzter Detektor 720, wie in 7b veranschaulicht ist, eine ausreichende Dichte an Nanodrähten in jedem Bereich des Gitterarrays umfassen, um einen im Wesentlichen maximierten Bereich zur Erfassung bereitzustellen.
Die Verwendung eines optischen Nanodrahtblocks als Detektor bei einem metallisierten Hohlwellenleiter kann gegenüber der Verwendung von Verteilern, um einen ausgewählten Teil eines optischen Signals zu erfassen, beträchtliche Vorteile liefern. Beispielsweise kann der Block ohne weiteres in einen Schlitz in dem metallisierten Hohlwellenleiter eingefügt werden und ist ziemlich tolerant bezüglich des Einfügungswinkels. Im Gegensatz dazu wird ein Verteiler üblicherweise in einem Winkel mit einem relativ hohen Präzisionsgrad eingefügt, um zu ermöglichen, dass das optische Signal in einem gewünschten Winkel reflektiert wird. Der Block kann in einem Winkel von 90 Grad relativ zu der Richtung des optischen Signals eingefügt werden, wodurch ermöglicht wird, dass eine große Anzahl von Detektoren in einen kurzen Bereich eingefügt wird. Im Gegensatz dazu wird ein Verteiler üblicherweise in einem Winkel von 45 Grad eingefügt, wodurch er mehr Platz in einem Wellenleiter einnimmt. Der Block erfasst auch direkt das optische Signal und wandelt es in ein elektrisches Signal um, das bei elektrischen Chips und Bauelementen direkt verwendet werden kann. Ein Verteiler verwendet üblicherweise zusätzliche Linsen und Komponenten, um das optische Signal zu lenken und es in ein elektrisches Signal umzuwandeln. Somit kann der optische Nanodrahtblock beträchtliche Kostenverringerungen bei einer verringerten Anzahl von Komponenten, einem einfacheren Montageprozess und größeren Toleranzen, als sie für andere optische Komponenten wie z. B. Verteiler benötigt werden, liefern.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel kann ein optischer Nanodrahtblock wie z. B. der Detektor 720 als optischer Modulator verwendet werden. Bei einem Ausführungsbeispiel kann der optische Nanodrahtblock als Modulator vom Elektroabsorptionstyp fungieren. Die PIN-Dioden 706 in dem optischen Block 720 können in Sperrrichtung ausreichend vorgespannt werden, um den Bandabstand der aktiven Region zu verschieben, um ihre Absorption des einfallenden Lichtstrahlenbündels zu steuern. Das Vorspannungssignal kann mit hoher Geschwindigkeit, z. B. von mehr als 10 GHz, moduliert werden, um ein amplitudenmoduliertes optisches Signal zu liefern, das zu Übertragungsraten von mehr als 10 Gigabits pro Sekunde in der Lage ist.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel wird ein Verfahren 800 zum Verstärken, Modulieren und Erfassen eines optischen Signals bei einem einen großen Kern aufweisenden metallisierten Hohlwellenleiter offenbart, wie in dem Flussdiagramm der 8 gezeigt ist. Das Verfahren umfasst die Operation des Bereitstellens 810 eines optischen Nanodrahtblocks, der ein Substrat umfasst, das mit einer Mehrzahl von Nanodrähten gekoppelt ist. Jeder ordnungsgemäß gebildete Nanodraht ist aus einer p-dotierten Region, einer eigenleitenden Region und einer n-dotierten Region zusammengesetzt, wie zuvor erörtert wurde. Eine zusätzliche Operation beinhaltet ein Einfügen 820 des optischen Nanodrahtblocks in einen einen großen Kern aufweisenden metallisierten Hohlwellenleiter. Der Block kann in einen Schlitz in dem Wellenleiter eingefügt werden und unter Verwendung eines Haftmittels, Lötmittels oder eines sonstigen Verbindungsverfahrens in seiner Position verbunden werden. Eine weitere Operation umfasst ein Anlegen 830 einer Vorspannung über die Mehrzahl von Nanodrähten, um zumindest entweder ein Verstärken und/oder ein Modulieren und/oder ein Erfassen des optischen Signals in dem einen großen Kern aufweisenden metallisierten Hohlwellenleiter bereitzustellen.
Obwohl die vorstehenden Beispiele die Prinzipien der vorliegenden Erfindung bei einer oder mehreren bestimmten Anwendungen veranschaulichen, wird Fachleuten einleuchten, dass zahlreiche Modifikationen in Bezug auf Form, Nutzung und Einzelheiten der Implementierung vorgenommen werden können, ohne erfinderische Fähigkeiten an den Tag zu legen und ohne von den Prinzipien und Konzepten der Erfindung abzuweichen. Demgemäß ist beabsichtigt, dass die Erfindung nur durch die nachstehend dargelegten Patentansprüche beschränkt werde.

Claims

Ein optisches Nanodrahtblockgerät (200, 300, 500, 700) zum Verstärken, Modulieren und/oder Erfassen eines optischen Signals (108) in einem einen großen Kern aufweisenden metallisierten Hohlwellenleiter (100), mit Folgendem: einem als Rahmen ausgebildeten Substrat (202); einer Mehrzahl von Nanodrähten (206), die mit dem Rahmen verbunden sind, um den optischen Nanodrahtblock zu bilden, wobei die Nanodrähte (206) eine p-dotierte Region, eine eigenleitende Region und eine n-dotierte Region aufweisen; und wobei der optische Nanodrahtblock dahin gehend wirksam ist, in den einen großen Kern aufweisenden metallisierten Hohlwellenleiter (100) eingefügt zu werden, um zumindest entweder ein Verstärken und/oder Modulieren und/oder Erfassen des optischen Signals (108) bereitzustellen.
Das Gerät gemäß Anspruch 1, bei dem das Substrat (202) aus einem Array von Nanodrahtgittern zusammengesetzt ist, wobei jedes Gitter zumindest einen Nanodraht (206) aufweist und die Beabstandung zwischen jedem Gitter geringer ist als eine Wellenlänge des optischen Signals.
Das Gerät gemäß Anspruch 1, bei dem jeder der Mehrzahl von Nanodrähten (206) eine Abmessung aufweist, die geringer ist als eine Wellenlänge des optischen Signals.
Das Gerät gemäß Anspruch 1, bei dem jeder der Mehrzahl von Nanodrähten (206) einen Abstand aufweist, der geringer ist als eine Wellenlänge des optischen Signals.
Das Gerät gemäß Anspruch 1, bei dem die Mehrzahl von Nanodrähten (206) aus einem III-V-Material gebildet sind.
Das Gerät gemäß Anspruch 1, bei dem die eigenleitende Region als Quantenmulde konfiguriert ist.
Ein Verfahren zum Verstärken, Modulieren und/oder Erfassen eines optischen Signals (108) in einem einen großen Kern aufweisenden metallisierten Hohlwellenleiter (100), das Folgendes umfasst: Bereitstellen eines optischen Nanodrahtblocks, der eine Mehrzahl von Nanodrähten (206) umfasst, die mit einem als Rahmen ausgebildeten Substrat (202) gekoppelt sind, wobei die Nanodrähte (206) eine p-dotierte Region, eine eigenleitende Region und eine n-dotierte Region aufweisen; Einfügen des optischen Nanodrahtblocks in einen einen großen Kern aufweisenden metallisierten Hohlwellenleiter (100); und Anlegen einer Vorspannung über die Mehrzahl von Nanodrähten (206), um zumindest entweder ein Verstärken und/oder Modulieren und/oder Erfassen des optischen Signals (108) in dem einen großen Kern aufweisenden metallisierten Hohlwellenleiter (100) zu liefern.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 7, bei dem das Anlegen einer Vorspannung ferner ein Anlegen einer Vorspannung in Durchlassrichtung an die Mehrzahl von Nanodrähten (206) umfasst, um eine Verstärkung des optischen Signals (108) in dem einen großen Kern aufweisenden metallisierten Hohlwellenleiter (100) zu liefern.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 7, bei dem das Anlegen einer Vorspannung ferner ein Anlegen einer Vorspannung in Sperrrichtung an die Mehrzahl von Nanodrähten (206) umfasst, um eine Erfassung des optischen Signals (108) in dem einen großen Kern aufweisenden metallisierten Hohlwellenleiter (100) zu ermöglichen.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 7, bei dem das Anlegen einer Vorspannung ferner ein Anlegen eines in Sperrrichtung vorgespannten, modulierten Signals an die Mehrzahl von Nanodrähten (206) umfasst, um eine Modulation des optischen Signals (108) in dem metallisierten Hohlwellenleiter (100) zu liefern.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 10, das ferner ein Modulieren des optischen Signals (108) mit dem in Sperrrichtung vorgespannten, modulierten Signal mit einer Geschwindigkeit von mehr als 10 Gigabits pro Sekunde umfasst.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 7, das ferner ein laterales Einfügen einer Mehrzahl von Nanodrahtblöcken entlang des einen großen Kern aufweisenden metallisierten Hohlwellenleiters (100) umfasst, wobei jeder der Nanodrähte (206) an den Nanodrahtblöcken entweder als Photodetektor oder als Photodiode wirksam ist, um zu ermöglichen, dass jeder Nanodrahtblock einen Anteil des optischen Signals erfasst und einen restlichen Anteil des optischen Signals passiert, wobei jeder erfasste Anteil in ein elektrisches Signal umgewandelt wird.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 12, bei dem das Einfügen einer Mehrzahl von Nanodrahtblöcken ferner ein Einfügen einer Mehrzahl von Nanodrahtblöcken entlang des einen großen Kern aufweisenden Hohlwellenleiters (100) umfasst, wobei jeder folgende Block eine steigende Anzahl von Nanodrähten (206) enthält, um zu ermöglichen, dass ein immer kleineres optisches Signal erfasst wird.
Ein System zum Verstärken, Modulieren und/oder Erfassen eines optischen Signals (108) in einem einen großen Kern aufweisenden metallisierten Hohlwellenleiter (100), das Folgendes umfasst: einen optischen Nanodrahtblock, der eine Mehrzahl von Nanodrähten (206) umfasst, die mit einem als Rahmen ausgebildeten Substrat gekoppelt sind, wobei die Nanodrähte (206) eine p-dotierte Region, eine eigenleitende Region und eine n-dotierte Region aufweisen; eine Einrichtung zum Einfügen des optischen Nanodrahtblocks in einen einen großen Kern aufweisenden metallisierten Hohlwellenleiter (100); und eine Einrichtung zum Anlegen einer Vorspannung über die Mehrzahl von Nanodrähten (206), um zumindest entweder ein Verstärken und/oder Modulieren und/oder Erfassen des optischen Signals (108) in dem einen großen Kern aufweisenden metallisierten Hohlwellenleiter (100) zu liefern.
Ein System gemäß Anspruch 14, bei dem das Substrat (202) aus einem Array von Nanodrahtgittern zusammengesetzt ist, wobei jedes Gitter zumindest einen Nanodraht (206) aufweist und die Beabstandung zwischen jedem Gitter geringer ist als eine Wellenlänge des optischen Signals.
Ein optisches Nanodrahtblockgerät zum Verstärken, Modulieren und/oder Erfassen eines optischen Signals (108) in einem einen großen Kern aufweisenden metallisierten Hohlwellenleiter (100), mit Folgendem: einem Substrat (202); einer Mehrzahl von Nanodrähten (206), die mit dem Substrat gekoppelt sind, um den optischen Nanodrahtblock zu bilden, wobei die Nanodrähte (206) eine p-dotierte Region, eine eigenleitende Region und eine n-dotierte Region aufweisen; wobei der optische Nanodrahtblock dahin gehend wirksam ist, in den einen großen Kern aufweisenden metallisierten Hohlwellenleiter (100) eingefügt zu werden, um zumindest entweder ein Verstärken und/oder Modulieren und/oder Erfassen des optischen Signals (108) bereitzustellen; und wobei die Mehrzahl von Nanodrähten (206) einen Abstand aufweist, der geringer ist als eine Wellenlänge des optischen Signals.
Ein Verfahren zum Verstärken, Modulieren und/oder Erfassen eines optischen Signals (108) in einem einen großen Kern aufweisenden metallisierten Hohlwellenleiter (100), das Folgendes umfasst: Bereitstellen eines optischen Nanodrahtblocks, der ein mit einer Mehrzahl von Nanodrähten (206) gekoppeltes Substrat (202) umfasst, wobei die Nanodrähte (206) eine p-dotierte Region, eine eigenleitende Region und eine n-dotierte Region aufweisen; Einfügen des optischen Nanodrahtblocks in einen einen großen Kern aufweisenden metallisierten Hohlwellenleiter (100); Anlegen einer Vorspannung über die Mehrzahl von Nanodrähten (206), um zumindest entweder ein Verstärken und/oder Modulieren und/oder Erfassen des optischen Signals (108) in dem einen großen Kern aufweisenden metallisierten Hohlwellenleiter (100) zu liefern; und Modulieren des optischen Signals (108) mit dem in Sperrrichtung vorgespannten, modulierten Signal mit einer Geschwindigkeit von mehr als 10 Gigabits pro Sekunde umfasst.