[发明专利]基于光子光栅的电磁辐射放大系统

说明书

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 子光栅(photonic grating)的电磁辐射放大器。

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100的操作。理想地，放大器100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。所放大的电磁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λ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浦(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浦增益介质。在泵浦增益介质之后，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结层。要放大的电磁辐射的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。

掺杂的光纤放大器和半导体放大器可制造成放大宽频率范围中的 信号，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，所述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。

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。

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。