專利名稱：可調移相器和/或衰減器的制作方法
技術領域：
本發明涉及移相器和/或衰減器，特別是涉及能在微波、毫米波和亞毫米波波段工作的光可調移相器和/或衰減器。這種移相器和/或衰減器可以用于各種應用，包括(但并不局限于)相移鍵控電路、兆兆赫成像、收發機和相控陣天線。
背景技術：
就所關心的亞毫米波段來說，兆兆赫技術主要用于地表、天文和地球探察。然而，許多在可見光和紅外區不透明的物質對于兆兆赫波(0.1THz至10THz)是透明的。因此，兆兆赫技術的應用近來擴展到包括諸如航空導航(兆兆赫波能穿過云和霧)、醫學成像(可以不用可能有害的電離輻射對人體組織進行檢查)和非侵犯性的用于機場和港口的安全防范系統(兆兆赫波能穿過不透紅外線的衣服和物質)之類的領域。
由于兆兆赫波具有亞毫米的波長，因此對諸如天線、波導、透鏡、反光鏡之類的部件所要求的尺寸和精度使得用傳統的制造工藝制造相當困難和成本很高。
在毫米波段，鐵電體移相器通常通過用一個外加電場改變鐵電材料的介電常數來改變信號的相位。然而，鐵電體移相器有著相當大的功率損耗、信號失真和噪聲，而且只能提供不連續的步進移相。
在ROSEN等人的美國專利No.5,099,214中揭示了一種波導型光激勵移相器。這種器件包括一個附著在波導內壁12上的半導體板條24，它接收來自配置在與內壁12對面的內壁14的一個孔內的照射源30的光。在DE FONZO的美國專利No.4,263,570中，一塊半導體材料20附著在波導的內壁22上，它的內表面受到光源12從外面通過一個開在與內壁22對面的壁28上的一個孔30的光的照射。
在這些照射來自對面的波導壁的現有技術的文件中，在波導內離內壁等于半導體塊或板條的厚度的距離處形成了一個有損耗的電阻性層，這意味著插入損耗將永遠是高的，而且需要一個高能級的光以得到明顯的相移或衰減。也就是說，這個光平通常應該高到足以產生高密度的載流子使光敏材料(硅)處于金屬或半金屬狀態。

發明內容
因此，本發明的一個目的是提供一種能以具有得到改善的可調性在微波、毫米波和/或亞毫米波工作的可調移相器和/或衰減器。按照本發明，這是通過將一個光源和/或一個光敏材料定位成相對于波導隔開和通過光照射改變光敏材料內的載流子濃度。
按照第一方面，本發明提供了一種可調移相器和/或衰減器，它包括一個波導，具有一個波道(channel)和一個在波導內沿所述波道的一個內壁配置的一段光敏材料；一個光源，配置在波導外，將光通過所述內壁的一個孔發射到所述光敏材料的一個外表面的至少一部分上。按照這個第一方面，通過改變波導的有效寬度來改變相位，而不會改變傳播的模。
光敏材料優選的是具有高電阻率的材料。光敏材料的朝向孔的表面可以例如通過氧化平定。
這種移相器還可以包括多個橫貫光敏材料的朝向孔的表面延伸的金屬條。這個金屬柵的作用是避免在波導內傳播的內部波向外輻射而允許光(有著更短的波長)進入波導。這個柵格的尺寸取決于波導所傳播的輻射的頻率。
在美國專利No.5,099,214中，還建議使板條24離壁12一段距離x，使得板條處在沿距離n的中央，n表示波導寬度。
然而，這樣將板條在波導內定位成與波導壁隔開相對插入損耗來說并沒有多少好處。本發明的發明者發現除了通過在半導體內產生一個類金屬狀態改變有效波導寬度外還有另一個現象，即通過照射改變半導體介電常數的虛數部分，使得通常不會存在的其他波導模能夠傳播。
按照第二方面，本發明提供了一種可調移相器和/或衰減器，它包括一個波導，具有一個波道和一片配置在波導內與所述波道的一個內壁隔開的光敏材料；以及一個將光發射到所述光敏材料的一個表面的至少一部分上的光源，所述光源在強度和/或照射長度上是可調的，以在光敏材料內產生在1012cm-3到1016cm-3之間的載流子濃度，改變光敏材料的介電常數的實部和虛部，產生場部分在光敏材料層內和部分在波導內的至少一個模，從而在一個頻率范圍上形成一個取決于光照射(在強度和/或長度上)的移相器和/或衰減器。
相位光是通過改變傳播的模得到的。使半導體層離開波導壁允許在所述頻率范圍內傳播高階模，這些高階模具有非常不同的有效導波波長和相位。
光敏材料可以是諸如硅、砷化鎵或鍺(無論是本征的還是摻雜的)之類的光敏導電材料。


下面將結合附圖舉例說明本發明的一些實施例，在這些附圖中圖1為按照本發明設計的用于波導技術的可調移相器或可調衰減器的示意性剖視圖；圖2為按照本發明設計的用于波導技術的可調移相器或可調衰減器的沿圖1中的a-a線切剖的示意性剖視圖；圖3為通過按照本發明設計的用于波導技術的可調移相器或可調衰減器傳播的輻射的示意性剖視圖；圖3為通過按照本發明設計的用于波導技術的可調移相器或可調衰減器傳播的輻射的另一個示意性剖視圖；圖5例示了硅的吸收系數α(mm-1)對光子波長(nm)的關系；圖6例示了硅的折射指數對光子波長(nm)的關系，圖7例示了硅反射、透射和吸收的光的百分比對光子波長(nm)的關系(分別為曲線I、II和III)，而圖8例示了不同厚度50μ(I)、100μ(II)和600μ(III)的硅晶片吸收的光的百分比對光子波長(nm)的關系；圖9和10示出了硅分別在40GHZ和250Hz的介電常數和tanδ；圖11示出了在WR-28波導內的波長(mm)對Ka波段內的頻率和對參數a的改變的關系；圖12a和12b示出了用一片厚度為t的介質填在一個壁上的不均勻充填波導和在這波導內的基模TE10；圖13示出了在一個壁上帶一片300μ厚的硅的WR-28波導內在不同的光照狀況下波長(mm)與頻率(GHz)的關系的曲線；圖14示出了對于一個WR-28波導在一個壁上有一片厚度為300μ(I)、500μ(II)、1000μ(III和IV)的硅情況下的波長(mm)與頻率(GHz)的關系的曲線，對于厚度為1000μ的示出了兩種不同光照的狀況；圖15以及16a和16b示出了帶有一個與波導壁隔開的內部介質片的不均勻充填WR-28波導，用來分別得到TE20模、TE10模和TE11模，這些模與傳統的矩形波導的模不同；圖17示出了帶有一個與波導壁隔開0.85mm的300μ厚的硅暗片的WR-28波導內的TE10和TE20模在與硅片內部不同的載流子密度相應的不同照度下的傳播模的波長(mm)；以及圖18例示了在帶有一個與一個波導壁隔開0.85mm的硅片的WR-28波導的六個不同照射狀態下以不同的頻率傳播的情況。
具體實施例方式
圖1和2所示的可調移相器10包括一個波導11，具有一個沿波導11長度延伸的波道12和在波導11的一個側面13上形成的一個孔。可調移相器10還可以包括一個金屬柵格20，以避免波導內部的微波、毫米波或亞毫米波輻射到波導系統外而引起的損耗。
在波導11的波道12內配置有一個光敏層18，使得它基本上橫跨孔延伸。可調的照射光源14發射波導內光敏材料可較好吸收的那部分光譜的光(紅外線、可見光、紫外線等)。光源14設置在波導外，使得光源14發出的輻射照射到光敏層18的一個被在波導11的側壁13上形成的孔30暴露的區域。光導材料設置成正對著這個波導壁，通過壁上的孔受到照射。如果光強度足夠，在波導壁/光敏材料的最靠近波導壁的界面就形成一層類金屬層。這個層改變了波導的有效寬度，從而改變了有效波導波長，也就改變了相位。由于類金屬層26的厚度取決于光的強度，因此相移也就取決于光的強度。
光敏層18可以是例如硅、AsGa、鍺之類的半導電材料。
波導11包括一個硅或金屬的主體15，具有一個沿主體15長度延伸的截面基本上是長方形的中央波道12。波道12的寬度和高度可以是傳統上在矩形波導結構中所使用的。然而，硅主體15的尺寸可以按照需要調整。
硅主體15的內表面16可以鍍有一層金屬薄膜17，優選的是用例如真空淀積和電鍍技術鍍上的。鍍硅主體15所用的適當金屬包括(但不局限于)鎳、銅、黃銅、鉻、銀和金。金屬鍍層17用來反射沿波道12長度傳播的輻射。因此，鍍層17可以包括任何可以反射輻射的物質。
或者，也可以是使用一個例如用銑床加工的完全是金屬的波導。
已知有一種用微切削加工技術加工的用于兆兆赫應用的金屬化硅波導的結構，例如可參見Yap等人的“硅微切削加工的毫米和亞毫米波波導”(“Silicon Micromachined Waveguides for Millimeter andSubmillimeter Wavelengths”，Symposium ProceedingsThirdInternational Symposium on Space Terahertz Technology，AnnArbor，MI，pp.316-323，March 1992)和Lubecke等人的“兆兆赫應用的微切削加工”(“Micromachining for Terahertz Applications”，IEEE Trans.Microwave Theory Tech.，Vol.46 pp.1821-1831，Nov.1998)。
在波導11的側壁13上形成的孔穿過硅主體15和波導11的其中一個較長側壁上的金屬鍍層17。這個孔可以是長方形的，寬度基本上與波道12的寬度相同。孔的長度由在工作頻率所希望的移相的程度確定。一般說來，孔的長度越長(確切地說，光敏反射板18的暴露部位越長)，移相和/或衰減的程度越大。
半導體層18可以與多個反射元20關聯。光敏半導體層18具有例如基本上是長方形的上表面21和下表面22。層18的寬度可以基本上與波道12的寬度相同，而層18的長度優選的是比在波導11的側壁13上形成的孔的長度長一些。優選的是，層18的長度只比孔的長度稍長一些。層18在波導11的波道12內固定成使得層18基本上橫跨在波導11的側壁13上形成的孔。光敏材料層18用一個有粘性的薄層涂在層18伸出孔長度的兩端24、25固定到波道12的壁23上。或者，在波導是用金屬化硅制成的情況下，層18也可以與波導集成在一起。
光敏材料18可以是光敏導電的，優選的是基本上包括本征硅。然而，也可以使用的其他光敏材料，包括(但不局限于)砷化鎵和鍺。
在光輻射入射到光敏層18的暴露表面21上時，在表面21附近的區域產生光激載流子(carrier)。因此，使光敏材料18在這個區域內的介電常數改變，這通常稱為光致反射性。光敏材料18的受照射表面21的反射性甚至可以表現為類似于一個與入射光輻射的強度有關的金屬的反射性，但采用這個裝置足以使介電常數的實部只有小的增大而相應的虛部有大的增大。在這一點上，光敏材料18可以認為是具有一個獨立的光致電阻性層(圖4中的標號為26)，但是對于一個薄的層來說，光的效果是徹底改變物質的介電性質，即基本上整個厚度的介電常數的虛部。
雖然光敏材料18通常是對沿波導11的波道12傳播的輻射是透明的，但仍將有一些信號功率損耗。因此，光敏材料層18的厚度例如可以在60到100μm之間。可以使用厚到1000μm左右的厚度。此外，光敏材料18優選的是硅。
光激載流子的壽命主要由它們在光敏材料18的晶格內的遷移性和復合部位的可得到性來決定。通過增大載流子的壽命，可以延長光致反射層的壽命。因此，光源14發出的輻射可以時間短一些。這不僅降低了照射源消耗的功率，而且還防止光敏材料18由于連續照射而達到可能損壞的溫度。為了增大載流子的壽命，光敏層18優選的是具有高電阻率(＞1kΩcm-2)。光敏層18可以由電阻率例如在4到10kΩcm-2之間的硅形成。
此外，載流子的壽命可以例如通過平定光敏材料19的受照射表面21進一步增大。光敏層18的表面21提供了一系列復合部位。通過平定受照射表面21，可以顯著地減少載流子可能得到的復合部位的數目。因此優選的是將光敏材料的最上面的表面21氧化。然而，即使是用了氧化，復合部位的數目也仍然是高到足以顯著地影響載流子的遷移性。然而，業已發現，在光敏材料的氧化表面上加一個諸如環氧樹脂之類的粘合劑鍍層就可以顯著地增大載流子壽命。
在一個光敏層18基本上包括高電阻的硅(例如電阻率在4到10kΩcm-2之間)和氧化的上表面涂以環氧樹脂的情況下，光致載流子的壽命從而也就是光致反射層的壽命大大增大。
因此，可以用強度比較低的照射達到和保持相移。然而，在延長光致載流子的壽命中，也增大了移相器的響應時間。
然而，可以理解，可以通過用光致載流子的壽命比較短的光敏材料來達到快速響應時間。這可以例如通過用一個低電阻和表面沒有平定的光敏層來達到。
在光敏材料18的由在波導11的側面13上的孔限定的區域內的最上面的表面21上形成多個反射元20。這些反射元20優選的是一些反射材料條。因此，這些反射元20是一些金屬條，可以配置成一個柵格。它們允許大部分的光進入光敏材料。同樣，適當的金屬包括(但不局限于)鎳、銅、黃銅、鉻、銀和金。這些條優選的是在光敏材料18的表面21上排列成基本上與波道12的寬度平行因此就與波道12的長度垂直延伸。條的長度可以至少是波道12的寬度，優選的是延伸到跨過光敏材料18的整個寬度。這些條沿光敏材料18的長度均勻隔開(或漸變)，優選的是覆蓋小于由孔30露出的表面21的區域的50％。條的寬度和間距優選的是不大于1mm(這當然取決于工作頻率)。這些條的厚度應該適合于全反射入射的輻射而不會有任何大的損耗。這些條可以例如通過在光敏材料19的表面21上加一個掩模再用汽相淀積來淀積一個金屬膜形成。
照射源14可以是任何能在光敏材料層18內產生光致載流子反射性的光源，優選的是一個具有可見或近紅外波長(實際上具有所用的光敏材料的最佳吸收頻譜)的市售激光器或LED陣列。光源14所需的功率主要取決于光敏材料18的類型和所需的相移或衰減程度。
一個電子電路可以通過控制對光敏材料的照射來控制相移或衰減的程度。
現在來看圖3，沿著波導11的波道12的長度傳播的輻射被金屬鍍層17的表面內部反射。在輻射入射到光敏材料18上時，輻射將由于光敏材料18的介電常數的減小而有些在光敏材料18的內部傳播。到達光敏材料層18的最上面的表面21時，部分輻射被多個反射元20反射回波道12。一小部分輻射透射入空氣(由虛線所示)，因此離開波導11。由于傳播輻射入射光敏材料18的這個入射角，在光敏材料18內不會出現內部反射。因此，被反射元20反射的輻射通過光敏材料18傳播回波道12。傳播輻射可以不止一次入射到光敏材料18上，這取決于反射板18的長度，而后再沿著波導11的波道12的長度繼續傳播。
圖4例示了照射源14發出的照射輻射入射到光敏反射板18上的情況。照射輻射在光敏材料內產生載流子，從而在光敏材料18內引起光致電阻性。光致電阻層26的有效厚度或深度取決于入射到光敏材料18上的照射輻射的波長和強度。在沿波導11的波道12傳播的輻射入射到光敏層18上時，輻射通過光敏材料18只傳播到光致反射層26。一到達光致電阻層26，傳播輻射就朝波道12反射。
在層18內的光致有損耗材料將波導內的模式傳播改變成使得沒有場進入有損耗的受光照射的材料，但是這個新的波導的基模的改變實際上將改變相位。傳播輻射現在具有一個基本上不同于在沒有光敏層18的情況下沿波導11傳播的輻射的相位(或振幅)。此外，每當傳播輻射入射到光敏層18上時就會發生相移。因此，光敏層的受到照射的長度還確定了相移的程度。這個照射長度可以是可調的，以調整相移和/或衰減。由于在波導內傳播的模的改變由照射輻射的強度和波長特性確定，因此可以通過改變光源14發出的照射輻射的強度和/或波長來控制相移的程度。
在圖1至4所示的裝置中，硅片在它的與波導壁鄰接的表面上受到照射。這是很重要的，因為在一個內部帶有一個半導體片(設置成緊靠波導壁或稍有間隙)的矩形波導內的電場在波導的中間最強而在邊緣為零，因此一片設置在靠近波導中央的有損耗材料將比設置在邊緣的吸收更多的能量。對于一個移相器來說，最希望的特性是插入損耗低和以小功率得到大的相移。在移相器受到低光平的照射時，產生光敏載流子，改變材料的電阻率，然而也改變了介電常數的虛部。隨著光強度的增大，最終硅呈現為具有金屬屬性。為了在硅內獲得一個“類金屬層”，必須有1018-1021載流子/cm3那樣高的載流子密度。然而，要注意的是，這種類金屬狀態不是從高電阻率突變為低電阻率的，而是在每個極值之間按指數規律改變的。在這個區域的一側(受到照射的那側)呈現為接近金屬狀態，另一側呈現為高電阻率狀態，而在中間是有損耗的電阻狀態。插入損耗大部分就是在硅內的這個區域引起的。這個有損耗層將始終在類金屬狀態區域的對側而不是受照射側，因為光沿硅的厚度是指數衰減的。在如本發明中那樣從外部照射與波導壁相鄰的硅層時，它在波導的外部首先開始形成，從而使插入損耗保持最小。在較低的光強度，有損耗的電阻區域也將在材料18的外部。在從對面的波導壁進行照射的現有技術的專利(US 4,263,570和US5,099,214)中，有損耗層首先在波導內部離波導壁有一段等于硅物質18的厚度的距離處形成。這是一個基本差別，將意味著插入損耗始終是較高的。此外，這個位置相對波導壁是物理上固定的。這意味著硅內任何電阻率的改變將出現在硅的最里面與波導壁之間。因此，它對波導有效寬度的改變具有比較小的影響。利用如在本裝置中那樣的從外部照射，就可以得到相反的結果。
波導11的波道12的尺寸、光敏反射板18的尺寸和特性和在波導11的側壁13上形成的孔的尺寸都可以設計成適合所希望的移相器10的性能。下面來說明可以用來對兆兆赫頻率進行相移的尺寸的一個例子。波道12的寬度和高度優選的是分別約為1.5mm和0.75mm。這使波導截止頻率為0.1THz左右。因此，用來構成硅主體15的硅片具有為0.75mm左右的厚度。金屬鍍層17優選的是在500nm左右。在波導的側壁13上形成的孔30的寬度優選的也是0.75mm。孔30的長度優選的是2cm左右。光敏材料層18優選的是寬度、長度和厚度分別為0.75mm、2.5cm和70μm，在最上面的表面21上有一個通常為10-50nm左右的氧化層。每個反射元優選的是寬度、長度和厚度分別為0.5mm、0.75mm和500nm左右。反射元之間的間距優選的是0.5mm。
雖然以上所說明的實施例包括一個具有單個橫跨這個孔延伸的光敏層18，但可以理解，也可以有兩個孔開在波導11的相對的側壁上。于是可以用兩個或更多個光敏層使可達到的相移或衰減的程度為兩倍、三倍或四倍。可以理解，通過將單個孔和光敏反射板18的長度加倍來獲得相同的技術效果。然而，在移相器的尺寸特別是長度是一個重要的需考慮的事項時，可以考慮用一個包括兩個或更多個孔30和兩個或更多個光敏層18的移相器。
可以理解，可以省去這些反射元20。在這種情況下，必須對光敏反射板18進行某種形式的照射輻射，使得光致反射層26連續存在。例如，照射源14可以連續用輻射對光敏反射板18進行照射。或者，也可以是照射源14進行脈沖式的高強度照射。
也可以不在光敏材料18的朝向孔的表面上21形成多個反射元20，而在一個諸如玻璃板之類的獨立構件上形成這些反射元20。玻璃板于是可以設置在孔內，放在光敏材料18的頂上。
移相器10還可以包括一個諸如可變的光衰減器之類的衰減器，以補償由于相移而引起的傳播輻射的振幅的改變，或者包括一個簡單的可調衰減器，不一定要與移相器鄰接。此外，對一個信號進行調相和調幅于是也是可行的。
毫米波信號需要用尺寸比亞毫米波(兆兆赫)的大的波導。因此，由于光致層厚度對波導高度的比減小，可能的相移的程度就要減小。然而，相移的這種減小可以通過加長光敏反射板18來補償。
由于光敏材料18通常對傳播信號是透明的，因此與鐵電體移相器相比，信號失真和功率損耗都比較小。
以下涉及移相器由于硅的光學性質而得到的優點，如發明者所發現的，硅在受到一個紅外波長的光源的照射時它的相對復介電常數可以改變。
用近紅外/可見光光源照射硅會導致產生電子空穴對，從而產生等離子體。這個等離子體直接取決于入射光的強度和波長。
如果假設光垂直入射到硅片上，可以得到一些解釋材料性質的表達式，情況如下。
在空氣與硅的交界面反射的光量為R1=(nr-1)2+ni2(nr+1)2+ni2]]>其中n＝nr+jni，n為硅的折射指數。
對于吸收系數值大于零的情況，所反射的總的光的比率R可以用下式確定R≈R1+(1-R1)R1e-α2t-(1-R1)R12e-α2t+(1-R1)R13e-α4t-(1-R1)R14e-α4t+....]]>其中，系數α為硅的吸收系數，它取決于光的波長，見圖5，而t為硅片的厚度。
這個無窮級數中的每一項與光在硅片的表面之間反彈的反射相關聯。類似，透射率T可以用下式確定T≈(1-R1)R1e-αt-(1-R1)R1e-αt+(1-R1)R12e-α3t-(1-R1)R13e-α3t+....]]>其中，光的吸收率A為A≈1-(R+T)
在硅內基本上有兩個強的光吸收區域。圖5示出了分別對于可見光-FIR和IR區域的吸收系數與光子波長的關系。對于等于或大于禁帶寬度的光子能量，出現由于產生自由載流子而引起的正常光吸收。
在圖6中，示出了硅物質的折射指數與波長(nm)的關系曲線。在紫色波段折射指數為最大，這意味著硅反射紫-藍光比反射其他顏色的可見光更強一些，因此我們看到這材料呈現為紫-藍色。
在圖7中，示出了一個600μm厚的硅片的吸收、反射和透射的光功率的百分比。最大吸收出現在紅色可見光和近紅外波長處。
在圖8中還示出了三個厚度不同的晶片所吸收的光功率的比較，例示了硅所吸收的光的百分比與光子波長(nm)的關系。
含有電子-空穴對的半導體相對復介電常數可以表示為兩個與電子(e)和空穴(h)相關的項之和ϵrSi=ϵu-Σi=e,hωpi2(2πf)2+vi2(1+jvi2πf)]]>其中，ωpi2=(Nq2/ϵ0mi)]]>為等離子體角頻率，εu＝11.8為硅的暗介電常數，vi為碰撞角頻率，mi為載流子有效質量，q為電子電荷，而ε0為自由空間介電常數。
為了計算起見給定ε0＝8.854·10-12Fm-1，ve＝4.53·1012s-1，vh＝7.71·1012s-1，me＝0.259m0，mh＝0.38m0，而m0＝9.107·10-28g為自由電子質量，N為在等離子體內所產生的載流子的數目。
材料的介電常數定義為一個實部和一個虛部。實部和虛部之間的關系就是所謂的材料的tan(δ)。這個重要的材料參數直接與材料在有電磁波通過時的損耗有關。
ε＝ε′+jε″tan(δ)=ϵ′′ϵ′]]>在以下這些圖中，示出了硅在分別為40GHz和250GHz的不同頻率時的介電常數和tan(δ)與在1010到1020/cm3之間的載流子濃度的關系曲線。
例如，在圖9中可以看到在載流子濃度為1017cm-3時硅的介電常數的實部在40GHz為85.6，而在N＝1018cm-3時為750，此時硅具有一個很高的介電常數。在N超過1017cm-3時，硅的介電常數的實部和虛部以同樣的斜率增大，因此tan(δ)成為常數。
在沒有受到光照時，如果在40GHz時tan(δ)為10-4，硅內載流子的數量就在1010cm-3左右。但是，隨著由于光照載流子濃度增加，硅就成為高損耗材料，而保持它的介電常數相當穩定。如在本說明的以下各段可看到的那樣，相移所關心的是改變影響電磁波傳播特性的硅材料的介電常數而不是改變裝置的衰減器功能所關心的使電磁波衰減的材料的損耗。因此，需要一定的每單位面積光量。
在圖10中可以看到在較高的毫米波頻率(250GHz)，材料的介電常數的實部完全與在40GHz的一樣，而虛部較小，但是隨光以同樣的斜率增大，因此實際上損耗在較高的毫米波頻率較小。
根據對以上特性的理解，可以說可以實現用強度可變的光源改變硅的絕緣材料特性。這個性質打開了一些設計和制造各種利用光照射的毫米波頻率部件的應用的新領域。在用Ansoft-HFSS進行的有限元計算中假設等離子體厚度保持不變而等離子體密度在這厚度上隨著所施加的光改變。
本研究的主要原因是為了設計、制造和測量矩形波導技術的移相器。可調移相器必須以高精度和盡可能低的損耗實現相移。一個最佳模式是能進行360°相移的可調移相器。這個概念的主要創意是將一片硅安置在矩形波導內部，而通過適當的光照射狀況來改變它的介電特性。如果將一個一定大小的硅片設置在一個矩形波導內再加以照射，它就可以改變波導的傳播特性和波導的透射特性。
可以通過波導的一個壁上的對光是透明的和對毫米波是“金屬”的金屬柵格進行照射，使得矩形波導的特性不會改變。
此外，還需要一定光量使內部有一個硅片的波導的傳播特性改變。實際上，很容易驗證，隨著波長的增大，每單位面積的光量將較少，因為需要執行改變的硅片較小。實際上，如果頻率增大10倍，所需的每單位面積的光量將減少100倍(a factor of 100)。
為了使制造和測量方便起見，作為例子給出的這個設計用于Ka波段的WR-28標準波導。這個波導的尺寸是a＝7.1mm，b＝3.6mm，在圖11中示出了在這個波導內的波長與頻率的關系。此外，在圖11中還可以看到WR-28波導的參數a從7.1mm改變到5mm對WR-28波導內的波長(mm)的影響。
矩形波導內的波長確定為λg=λ01-(λ02a)2]]>其中，λ0為自由空間波長，而a為矩形波導的寬邊長度。
該式意味著，如果改變矩形波導的參數a，就可以改變矩形波導內的波長，從而對于一個一定長度的波導實際上改變了相位。因此，如果將一片硅放置在一個波導壁上，就可以將它的介電常數從11.8改變到超過100，實際上將改變波導的尺寸a，從而改變它對于某個頻率的內部波長。
相位改變量于是將取決于硅片的厚度、它在波導內的位置、它的長度和我們用光照射時硅的介電常數。為了避免波導內的損耗，如果我們試圖以短的長度獲得大的相位改變和我們將波導推到接近截止，必須特別小心，因為裝置的回波損耗將增大許多。
如果分析一個壁上有一個硅片的矩形波導(見圖12a)，就可以推斷發生與普通矩形波導非常類似的模傳播。實際上，如由圖8b可見，基模與普通矩形波導的TE10[見Collin的導波場論(Field Theory ofGuided Waves)]非常類似，這種模的優點是只有少量場將在硅插入物內傳播，因此損耗小，而且這類波導的截止頻率比普通矩形波導的低(這也是一個優點，除了我們必須注意在波段的較高頻率可以出現的其他模以外)。
在圖13中可以看到一個在壁上有一個300μm厚的硅片的WR-28波導在暗狀況和受到照射狀況下的波長。
如圖13所示，一個普通的WR-28波導和壁上填有一個300μm厚的硅片的同樣的波導在暗狀況下接近相同。對硅照射時，它內部的介電常數就改變，從而導致波長實際上也就是相位的改變。為了在一個短的裝置內獲得有效的相位改變，通過光照射使硅的介電常數的改變必須比較大。
作為一個例子，如果將材料的介電常數從11.9改變到500，需要一段長為40mm的硅片以在整個Ka波段獲得總共360度的相位改變，但是如果介電常數只達到100，就需要一段長接近300mm的硅片。因此，如果旨在得到360度的相移，裝置用后一種情況就不是非常實際的。
為了達到為500的介電常數，以允許得到一個占40×3.6mm面積的有效和緊湊的裝置，意味著(見圖5)載流子濃度必須相當高，超過1018。這樣一個高密度的等離子體用普通的光照設備將是達不到的，從而需要成本很高的設備。
從圖14可見，如果使用一個厚度為1mm的較厚的硅片，就可以使一段長為15mm的硅的介電常數從11.9改變到50，以在整個Ka波段獲得360度的相位改變。這意味著可以很容易得到5×1016左右的載流子濃度。
如果一個絕緣材料片設置在一個矩形波導內與它的優勢模E場平行和與一個內壁隔開，就可以通過解簡單的有限元模擬模型來得到在這種波導內傳播的模及其特性。
如果將這種波導(帶有一個厚為300μm的與內壁隔開0.85mm的硅片的WR-28波導)對于暗狀況的模進行分類(圖15和16)，可見在傳播中有三個主要的模。
如圖15所示，在這種波導內的第一模為第一型TE20模，它的場部分在介質內而部分在波導內。介質內的場強比在波導其余部分內的低得多(例如為十分之一或更低)，因此損耗不大。此外，這個模可以很好地耦合到普通矩形波導的TE10。
這種波導的第二模為第二型TE10模，它的場集中在介質內(圖12a)，因此對于相移來說將有很大損耗，但是對于作為衰減器來說是很有效的。同樣的原則可以用于這種波導的第三模，它是一個TM11模，場集中在介質內部(圖12b)。
在圖17中可以看到這種波導的一個具體例子。圖中示出了在一個帶有一個放置在波導內的厚為300μm的與內壁隔開0.85mm的硅片的WR-28波導的情況下兩個主模的波長與頻率的關系曲線，TM11模沒有示出。與普通矩形波導的TE10的IGS耦合效率非常低，因此它適合作為一個衰減器，而不適合用來移相。
從圖17這個例子可以看到，對于暗硅看來是最有利的TE20模(曲線II、IV、VIII、IX、X)很快就到達截止。但是在對硅的照射增大時，它的截止頻率就成為較低。TE10模在載流子濃度超過6×1014(曲線VII)時截止，因此在照射增大時，這個有損耗的模不再存在，損耗大大減小，而留存的唯一的模為TE20，隨著硅的介電常數的增大越來越像普通矩形波導的TE10，而它在硅內的場下降許多，(因此減小了組件的損耗)。波導尺寸不同和/或介質片厚度不同，使TE10模處于截止的最低載流子濃度也不同，而這個效應可用來調整使這個模(或同樣類型的其他模)處于截止狀態的光強度。
因此，用圖17這個例子所獲得的結果是通過將硅片內的載流子量從1012改變到1015可以在26.5GHz使波導內波長從13mm(TE10模)改變到超過25mm(TE20模)；如果假設只是TE20模，可以使35GHz的波長從16mm改變到13mm；以及假設只是TE20模，可以使40GHz的波長從11mm改變到9mm。
用這種結構，可以得到在大致34GHz到40GHz的頻率范圍內工作的完全360度的移相器，長度為44mm，光照量不很大(每立方厘米1015載流子)。
在較低頻率(低于34GHz和在暗狀態(沒有照射)的情況下，在這個移相器內的傳播模是TE10，而在有光照射時這個模必須改變為TE20模。移相器的TE10耦合到普通波導的TE10很不好，在這兩個轉換中耦合損耗很大。此外，對于一定長度在硅內功率傳播的固有損耗也大。
按照本發明，可以以Brewster角(或再小一些的角)照射光敏材料片，使得發生內部反射，從而使得所有的光都被吸收和沿光敏材料片的長度傳播。這將減小對于給定的相移或衰減量所需要的光量。
權利要求
1.一種可調移相器和/或衰減器，它包括一個波導，具有一個波道和一個在波導內沿所述波道的一個內壁配置的光敏材料片(18)；以及一個配置在波導外的光源，將光通過所述內壁的一個孔(30)發射到所述光敏材料片(18)的一個外表面的至少一部分上。
2.如在權利要求1中所述的可調移相器和/或衰減器，其中所述光敏材料(18)是光敏導電材料，例如硅、砷化鎵或鍺。
3.如在權利要求1或2中所述的可調移相器和/或衰減器，其中所述光敏材料片的至少朝向孔的表面是經平定的。
4.如在權利要求3中所述的可調移相器和/或衰減器，其中所述光敏材料片的至少朝向孔的表面具有一個環氧樹脂涂層。
5.如在以上權利要求的任何一個權利要求中所述的可調移相器和/或衰減器，其中所述光敏材料片的朝向孔的表面至少部分覆蓋有一些反射元條。
6.如在權利要求5中所述的可調移相器和/或衰減器，其中所述這些條形成一個柵格。
7.一種可調移相器和/或衰減器，它包括一個波導，具有一個波道和一個配置在波導內與所述波道的一個內壁隔開的光敏材料片；以及一個將光發射到所述光敏材料片的一個表面的至少一部分上的光源，所述光源是可調的，用來在光敏材料片內產生濃度在1012cm-3到1016cm-3之間的載流子，以改變光敏材料的介電常數的實部和虛部，從而產生部分場在光敏材料片內和部分場在波導內的至少一個模，在一個頻率范圍內形成一個取決于光照射的移相器和/或衰減器。
8.如在權利要求7中所述的可調移相器和/或衰減器，其中所述載流子濃度在1014cm-3到1016cm-3之間。
9.如在權利要求7或8中所述的可調移相器和/或衰減器，其中所述模是第一型的，在光敏材料層內的場強比在波道內光敏材料外的場強小。
10.如在權利要求9中所述的可調移相器和/或衰減器，其中所述第一型的模是TE20。
11.如在權利要求7至10的一個權利要求中所述的可調移相器和/或衰減器，其中所述模是第二型的，在光敏材料內的場強比在波道內光敏材料層外的場強大。
12.如在權利要求7或8所述的可調移相器和/或衰減器，其中所述第二型的模是TE10或TE11。
13.如在權利要求11或12所述的可調移相器和/或衰減器，其中所述光源的強度可調成使所述第二型的模中至少一個模處于截止狀態。
14.如在以上權利要求的任何一個權利要求中所述的可調移相器和/或衰減器，其中所述對光敏材料片的照射是以一個使得出現全部內部反射的角度執行的。
全文摘要
本發明提出了一種可調移相器和/或衰減器，它包括一個波導，具有一個波道和一個在波導內沿所述波道的一個內壁配置的光敏材料片(18)；以及一個配置在波導外的光源，將光通過所述內壁的一個孔(30)發射到所述光敏材料片(18)的一個外表面的至少一部分上。
文檔編號H01P1/22GK1726613SQ200380106121
公開日2006年1月25日 申請日期2003年10月24日 優先權日2002年10月25日
發明者達瑞奧·C.·卡斯蒂格利昂, 路伊薩·迪阿斯, 易尼古·艾迪拉-烏爾澤因-奎, 戴維·B.·哈斯科特, 德里克·簡津斯, 亞歷山大·V·S·B·雷森, 亞歷克·J.·邁克卡爾丹, 詹姆斯·P.·奧尼爾, 喬治·泰尼恩特-瓦利納斯, 弗蘭克·萬·德·瓦特爾, 阿爾弗雷德·A.·津, 彼得·德·瑪格特, 克里斯·曼 申請人:歐洲空間局