<Desc/Clms Page number 1>
EMI1.1
Variabele optische filter en inrichtingen die hiervan Variabele Ope gebruik maken.
Deze uitvinding heeft betrekking op een optische filter, meer speciaal een optische doorlaatfilter, alsmede op inrichtingen die van dergelijke optische filter gebruik maken.
Meer speciaal betreft de uitvinding een variabele optische filter die minstens een optische filterstructuur bevat met verschillende zones die zodanig zijn uitgevoerd dat licht van bepaalde golflengte wordt doorgelaten, terwijl licht van een andere golflengte wordt weerkaatst, in het bijzonder volgens het zogenaamde Bragg-principe.
Men kent reeds verschillende uitvoeringen van optische filters, waaronder de voornoemde zogenaamde Bragg-filters. Bij deze Bragg-filters wordt gebruik gemaakt van een structuur met opeenvolgende zones met verschillende brekingsindex en/of verschillende periodiciteit, een en ander zodanig dat wanneer licht van bepaalde frequenties hier doorheen wordt gestuurd, aan de verschillende overgangen licht van bepaalde frequenties wordt weerkaatst.
Afhankelijk van de opbouw wordt zodoende verkregen dat in een bepaalde bandbreedte alleen licht van een of meer bepaalde frequenties doorgelaten wordt, terwijl het overige licht wordt teruggekaatst.
Het is ook bekend om een van de zones en/of overgangen van zones te beïnvloeden en aan te sturen, waardoor het gedrag van de filter variabel wordt en bijvoorbeeld kan worden aangestuurd om in optische signaalverwerking te voorzien.
<Desc/Clms Page number 2>
Op deze wijze kan men immers systematisch licht van bepaalde frequenties doorlaten en door multiplexing en demultiplexing via een optische vezel verschillende signalen overbrengen.
Een bekende techniek bestaat erin een zone als een opening uit te voeren en de afstand waarover deze zone zieh uitstrekt mechanisch te wijzigen door middel van een aansturing met behulp van een piëzo-elektrisch kristal.
Dergelijke mechanische aansturing door middel van een piezo-elektrisch kristal is echter relatief traag, hetgeen in signaaltransmissie, vooral wanneer veel informatie per tijdseenheid via éénzelfde optische vezel dient te worden doorgezonden, een groot probleem stelt.
Een aantal andere mogelijkheden zijn beschreven in het octrooidocument WO 91/10156. Het handelt hierbij om een specifieke uitvoering waarbij de Bragg-filter in de optische vezel zelf geïntegreerd is en waarbij de optische weg niet onderbroken is, doch een materiaalgedeelte uit de filterstructuur zodanig beïnvloed wordt dat de brekingsindex of de periodiciteit van een van de zones van de Bragg-filter wordt gewijzigd.
Volgens het voornoemde octrooidocument kan dit op verschillende wijzen, onder andere ook door het aanleggen van een elektrisch veld. In zoverre dat gebruik wordt gemaakt van een elektrisch veld, wordt dit alleen aangewend om wijzigingen in een bekleding rond de optische vezel te genereren, waardoor op zijn beurt een akoestisch veld in het materiaal van de filterstructuur wordt gegenereerd, waarbij dit akoestisch veld de brekingsindex beïnvloedt.
<Desc/Clms Page number 3>
Een nadeel van het gebruik van een piezo-elektrisch kristal en van akoestische signalen bestaat erin dat de hierop gebaseerde systemen te traag zijn voor een efficiënte signaalverwerking.
Een andere mogelijkheid wordt beschreven in het octrooidocument US 4. 057. 321. Het handelt hierbij om een specifieke uitvoering waarbij een vlakke golfgeleider bestaande uit het elektro-optisch materiaal lithiumniobaat, op een glassubstraat aangebracht, zieh bevindt tussen twee Bragg-reflectors uit glas en waarover een elektrische spanning kan worden aangelegd om de brekingsindex te veranderen. Een gelijkaardige uitvoering, waarbij een elektrisch veld longitudinaal in de film wordt aangelegd om de brekingsindex in het elektro-optisch materiaal lithiumniobaat te veranderen, wordt ook voorgesteld als een variabele optische filter, waartoe verwezen wordt naar het octrooidocument US 4. 039. 249.
Een nadeel van het gebruik van kristallijne en/of anorganische elektro-optische materialen zoals lithiumniobaat en analoge verbindingen, bestaat erin dat de elektro-optische coëfficiënten een vaste, niet aanpasbare, kleine waarde hebben en niet hun grootste waarde in de richting van een elektrisch veld dwars over het materiaal aangelegd. Tevens maakt de totale dikte van de vereiste structuur het noodzakelijk om hoge voltages aan te brengen opdat voldoende verandering in de brekingsindex, nodig voor de vereiste toepassingen, zou optreden. Bovendien zijn deze materialen alleen met zeer ingewikkelde en dure methoden op het substraat aan te brengen en hebben weinig of geen flexibiliteit. Door fotorefractieve effecten ondergaan ze onomkeerbare fotodegradatie tijdens hun gebruik.
Ook maken de optische eigenschappen van deze elektro-optische
<Desc/Clms Page number 4>
kristallijne en/of anorganische materialen hun aanpassing met de Bragg-filter-structuur, uitgevoerd in een ander materiaal, zeer moeilijk. Dit is bovendien ook het geval voor integratie met andere optische componenten zoals optische vezels (enkel-of meermode glas-en/of polymeervezels).
De uitvinding beoogt een variabele optische filter die verbeterd is ten opzichte van de bekende uitvoeringen en meer speciaal oplossingen aan de voornoemde nadelen biedt.
Hiertoe betreft de uitvinding een variabele optische filter die minstens bestaat uit een optische filterstructuur met verschillende zones en/of weerkaatsingsoppervlakken die zodanig zijn uitgevoerd dat licht van bepaalde golflengte wordt doorgelaten, terwijl licht van een andere golflengte wordt weerkaatst, meer speciaal volgens het zogenaamde Bragg-principe, waarbij deze filter tevens is voorzien van middelen om de optische karakteristieken van de filterstructuur te wijzigen, met als kenmerk dat de voornoemde middelen minstens erin bestaan dat, enerzijds, de optische weg van de voornoemde filterstructuur een gedeelte op basis van een of meer polymeren bevat waarvan de optische karakteristieken onder invloed van een elektrische spanning, respectievelijk een elektrisch veld of onder invloed van licht kunnen worden gewijzigd en, anderzijds,
de filter is voorzien van middelen waarmee op een gecontroleerde wijze een elektrische spanning over, respectievelijk een elektrisch veld in het voornoemde gedeelte, en/of een optisch veld in dit gedeelte, kan worden gegenereerd.
Doordat gebruik wordt gemaakt van een gedeelte dat zoals voornoemd is uitgevoerd op basis van polymeren, kan aan een
<Desc/Clms Page number 5>
relatief geringe kost een filter worden opgebouwd, dit in tegenstelling tot de voornoemde bekende dure technieken die noodzakelijk zijn bij de tot op heden aangewende materialen. In het geval van een aansturing door middel van een elektrisch veld wordt het tevens mogelijk om met geringe spanningen te werken, waardoor ook met minder dure apparatuur voor de aansturing kan worden gewerkt.
Doordat bovendien gebruik wordt gemaakt van een elektrisch of optisch veld dat rechtstreeks een gedeelte uit de optische weg aanstuurt, wordt een zeer efficiënte structuur verkregen die met zeer hoge schakelfrequenties, tot meerdere gigahertz, kan worden aangestuurd. De nadelen van de traagheid van de mechanische aansturing, alsook van een akoestische beïnvloeding worden zodoende uitgesloten.
Zodoende wordt een oplossing gegeven aan alle voornoemde nadelen van de bekende systemen.
Bij voorkeur wordt het voornoemde gedeelte minstens gedeeltelijk, doch bij voorkeur volledig, gevormd uit polymeer materiaal, meer speciaal een polymeer materiaal dat als een amorfe polymerfilm op een substraat is aangebracht.
In het geval van een elektrische aansturing zal bij voorkeur gebruik worden gemaakt van zogenaamde elektro-optische polymeren. Bij voorkeur zal ofwel het polymeer polymethylmethacrylaat waaraan chemisch een elektro-optisch actieve kleurstof (met als niet beperkend voorbeeld disperse Red) is gebonden (in een optimaal percentage) als elektro-optisch polymeer worden gebruikt ofwel zuiver polymethylmethacrylaat waarin een
<Desc/Clms Page number 6>
elektro-optische kleurstof is opgelost aan de optimale concentratie.
De Bragg-filter zones zullen bij voorkeur uit hetzelfde polymeer zijn opgebouwd met daarin gepaste stoffen (met als niet beperkend voorbeeld dimethoxyfenylacetofenon) om door belichting met UV of zichtbaar licht permanente roosters te vormen.
Bij andere optische vereisten kunnen ook polycarbonaten en copolymeren van polycarbonaten en elektro-optische kleurstoffen worden aangewend.
Dergelijke elektro-optische polymeren bieden immers het voordeel dat zij een brekingsindex vertonen die voor de beoogde toepassingen voldoende varieert in functie van de aangelegde spanning, respectievelijk in functie van het gecreëerde elektrische veld.
Opgemerkt wordt dat vloeibaar kristallijne polymeren en elektro-optische materialen gebaseerd op anorganischeorganische hybride materialen (bijvoorbeeld met ingebedde anorganische materialen), waarbij als niet-exclusief voorbeeld sol-gelmateriaal kunnen worden vernoemd, ook van toepassing zijn, evenals lichtgevoelige, al dan niet geconjugeerde polymeren. Zulke geconjugeerde polymeren zijn polymeren waarvan de brekingsindex onder invloed van licht van een bepaalde frequentie op reversibele wijze kan worden gewijzigd, ook wel foto-gevoelige polymeren genoemd.
De middelen waarmee een elektrisch veld wordt gegenereerd, bestaan bij voorkeur uit minstens twee elektroden die respectievelijk aan weerszijden van het voornoemde gedeelte zijn aangebracht. Praktisch gezien zal de afstand tussen de
<Desc/Clms Page number 7>
elektroden van de grootte-orde van enkele tientallen micron of minder zijn. Hierdoor kan de elektrische spanning die noodzakelijk is voor het aansturen van het geheel beperkt worden gehouden tot voltages gebruikelijk in elektronische schakelingen en apparaten, meer speciaal enkele volts of tientallen volts.
Volgens een belangrijk voorkeurdragend kenmerk van de uitvinding bestaat het voornoemd gedeelte uit een laagvormig materiaal, dit in tegenstelling tot de meest gangbare uitvoeringen van Bragg-filters die in de optische vezels zelf worden geïntegreerd. De laagvormige structuur kan fungeren als vlakke lichtgeleider of kanaalslichtgeleider. Toch wordt ook een circulaire lichtgeleider niet uitgesloten. Dankzij zulke laagvormige structuur kan de totale dikte zoals voornoemd zeer gering worden gekozen, waardoor de voornoemde spanning tot een praktische waarde kan worden beperkt. Tevens biedt zulke laagvormige structuur bijkomende voordelen, zoals ondermeer het gemakkelijker kunnen aanbrengen van elektroden, en het kunnen aanleggen van elektrische velden en signalen.
Bij voorkeur wordt niet alleen het door middel van het elektrisch veld beïnvloedbare gedeelte, doch de volledige filterstructuur, met andere woorden, minstens de voornoemde zones die de eigenlijke Bragg-filter vormen, uit hetzelfde laagvormig materiaal gerealiseerd. Hierdoor kan de filter zeer gemakkelijk worden geïntegreerd in volledige optische structuren daar het elektro-optisch deel van de filterstructuur en de Bragg-filter identische optische karakteristieken vertonen.
Een bijzonder praktische structuur wordt verkregen wanneer het laagvormige materiaal en eventueel daarop en/of
<Desc/Clms Page number 8>
daaronder aangebrachte bijkomende lagen gevormd zijn door zogenaamd spincoaten. Hierdoor wordt immers een bijzonder dunne laag met gladde boven-en onderzijde gewaarborgd.
Opgemerkt wordt dat de Bragg zones niet noodzakelijk uit hetzelfde polymeer dienen te worden verwezenlijkt, doch dat de laagvormige structuur ook plaatselijk kan worden verwijderd, bijvoorbeeld worden uitgefreesd, waarbij dan een ander polymeer in de plaats ervan wordt aangebracht.
De uitvinding kan uiteraard in allerhande toepassingen worden aangewend. Bijzonder nuttig is zij evenwel in inrichtingen die fungeren als multiplexer en/of demultiplexer voor optische signalen, als optische signaalgenerator, als een optische schakelaar, of als een hoogfrequente optische modulator.
Verder is de uitvinding ook bijzonder geschikt om te worden toegepast in transmissiestructuren voor telecommunicatie of in een transmissiesysteem voor domotica-of immoticatoepassingen.
Met het inzicht de kenmerken van de uitvinding beter aan te tonen, is hierna als voorbeeld zonder enig beperkend karakter een voorkeurdragende uitvoeringsvorm beschreven met verwijzing naar de bijgaande tekeningen, waarin : figuur 1 schematisch een variabele optische filter volgens de uitvinding weergeeft ; figuur 2 meer in detail een praktische uitvoeringsvorm weergeeft van een optische filter volgens de uitvinding ; figuur 3 schematisch weergeeft hoe een laagvormige structuur uit de filter kan worden gevormd ;
<Desc/Clms Page number 9>
figuur 4 schematisch een toepassing van filters volgens de uitvinding weergeeft ; figuur 5 een signaal weergeeft dat in de toepassing van figuur 4 wordt aangewend.
Zoals weergegeven in figuur 1 vertoont de optische filter 1 volgens de uitvinding een optische filterstructuur 2 met verschillende zones, in dit geval 3A tot 3E, waardoor verschillende weerkaatsingsoppervlakken 4A tot 4F, ook wel roosteroppervlakken genoemd, worden gevormd, een en ander zodanig dat wanneer licht L aan de ingang 5 van de filterstructuur 2 wordt toegevoerd, licht Ll van bepaalde golflengtes wordt doorgelaten, terwijl licht L2 van andere golflengtes wordt weerkaatst, dit alles bij voorkeur volgens het algemeen bekende principe van een Bragg-filter.
Aangezien dit principe op zieh voldoende bekend is, wordt hierop niet nader ingegaan.
Volgens de huidige uitvinding is de filter 1 voorzien van middelen om de optische karakteristieken van de filterstructuur te wijzigen, welke middelen minstens erin bestaan dat, enerzijds, de optische weg van de voornoemde filterstructuur 2 een gedeelte 6 bevat waarvan de optische karakteristieken onder invloed van een elektrisch veld E kunnen worden gewijzigd en, anderzijds, de filter 1 is voorzien van middelen 7 waarmee op een gecontroleerde wijze het voornoemde elektrisch veld E in het gedeelte 6 kan worden gegenereerd.
Zoals schematisch aangeduid stemt het voornoemde gedeelte 6 bij voorkeur overeen met een van de voornoemde zones 3A tot 3E, in dit geval de zone 3C.
<Desc/Clms Page number 10>
Het betreffende gedeelte 6, en beter nog de volledige filterstructuur 2, bestaan volgens de uitvinding uit een of meer polymeren of een structuur op basis van een of meer polymeren, meer speciaal elektro-optische polymeren.
De voornoemde middelen 7 worden gevormd door, enerzijds, elektroden 8 en 9 en, anderzijds, een elektronische eenheid 10 voor het aansturen van de over de elektroden 8-9 aangelegde elektrische spanning.
De afstand D tussen de elektroden 8-9, die normalerwijze ook zal overeenstemmen met de dikte van de filterstructuur 2, is, zoals vernoemd in de inleiding, bij voorkeur van de grootte-orde van enkele tientallen micron of kleiner.
Het gedeelte 6 en beter nog de volledige filterstructuur 2 zijn bij voorkeur gevormd uit een laagvormig materiaal zodat de afstand D gemakkelijk relatief dun kan worden gekozen.
In figuur 2 is een meer praktische uitvoeringsvorm van de filter 1 uit figuur 1 weergegeven. Hierbij is de laagvormige materiaallaag 11, waarvan de filterstructuur 2 een gedeelte vormt, aangebracht op een steunlaag of substraat 12, bestaande uit glas, kwarts, silicium, synthetische diamant, of enig ander aangepast materiaal.
Zoals weergegeven kunnen uiteraard ook nog andere lagen worden voorzien, in dit geval een onderlaag 13 uit een inert polymeer, alsmede een toplaag 14 die een optische afscherming biedt.
In het weergegeven voorbeeld zijn de elektroden 8 en 9 respectievelijk aangebracht onder de onderlaag 13 en boven
<Desc/Clms Page number 11>
de toplaag 14, doch het is duidelijk dat deze ook op andere plaatsen kunnen worden voorzien.
Verder is de filter 1 van figuur 2 voorzien van een optisch inkoppelgedeelte 15, alsmede een optisch uitkoppelgedeelte 16, waardoor een verbinding met optische vezels 17 en 18 mogelijk is. Dergelijke inkoppel- en uitkoppelgedeelten zijn op zieh voldoende bekend uit andere toepassingen en worden dan ook niet nader beschreven.
Tenslotte is het duidelijk dat de filter 1 bij voorkeur in een behuizing, die slechts schematisch met referentie 19 is aangeduid, zal worden ingebouwd. Deze behuizing 19 is bij voorkeur zodanig uitgevoerd dat de filterstructuur 2 tegen temperatuursinvloeden wordt beschermd. Ook kunnen eventueel koelmiddelen en/of andere middelen voor het stabiliseren van de temperatuur worden voorzien.
De voornoemde materiaallaag 11, en bij voorkeur ook de onderlaag 13 en de toplaag 14, bestaan bij voorkeur uit lagen die verkregen zijn door middel van zogenaamd spincoaten. Spincoating is een op zieh bekende techniek waarbij, zoals schematisch weergegeven in figuur 3, een hoeveelheid materiaal 20 in het midden op een substraat 21 wordt gebracht en waarbij door rotatie van het substraat 21 dit materiaal 20 zieh onder invloed van de middelpuntvliedende kracht uitspreidt tot een dunne laag. In de uitvinding zal het substraat 21 bestaan uit de voornoemde steunlaag 12. Het is duidelijk dat deze steunlaag 12 hierbij kan bestaan uit een stuk dat uit het substraat 21 is gesneden na het spincoaten.
Het is duidelijk dat door het aansturen van de spanning over de elektroden 8-9 aan signaalverwerking kan worden
<Desc/Clms Page number 12>
gedaan, waarbij in de eerste plaats gedacht wordt aan het multiplexen of demultiplexen van optische signalen, alsook aan het genereren van gepulste optische signalen.
Ter verbetering van de filtereigenschappen kunnen meerdere filters, gelijkaardig of identisch aan de variabele optische filter 1, in serie worden geplaatst en aangebracht worden op hetzelfde substraat.
Ter verduidelijking is in figuren 4 en 5 zeer schematisch een toepassing weergegeven voor het demultiplexen van een signaal volgens het TDM-principe (Time Domain Multiplexing).
Volgens figuur 4 wordt hierbij gebruik gemaakt van drie filters 1A, 1B en IC volgens de uitvinding om uit een via een optische vezel 22 toegevoerd signaal S drie al dan niet versterkte signalen Sl, 82 en S3 af te leiden.
Zoals weergegeven in figuur 5 bevat het signaal S, informatie die periodisch met een periode T wordt uitgezonden, waarbij de verschillende signalen Sl, S2 en S3 respectievelijk deelperiodes Tl, T2 en T3 bestrijken.
Om nu het signaal te demultiplexen, met andere woorden de signalen Sl, S2 en S3 hieruit af te splitsen, wordt het signaal S aan alle drie de filters 1 toegevoegd en worden deze zodanig aangestuurd dat het signaal S tijdens de deelperiode Tl aan de eerste filter 1A wordt doorgelaten, tijdens de deelperiode T2 aan de tweede filter 1B en tijdens deelperiode T3 aan de derde filter 1C.
In werkelijkheid kan een zeer groot aantal signalen per tijdseenheid worden verwerkt, daar dankzij de uitvinding enorme aansturingssnelheden mogelijk zijn.
<Desc/Clms Page number 13>
Volgens een variante kan in de plaats van aan TDM ook aan "golflengte-multiplexing/demultiplexing"worden gedaan door middel van de filters volgens de uitvinding, waarbij dan gelijktijdig optische signalen bestaande uit licht van verschillende golflengtes kunnen worden doorgestuurd en het licht van verschillende golflengtes door middel van de respectievelijke filters wordt uit elkaar gehaald.
Alhoewel het aan de hand van de figuren beschreven voorbeeld betrekking heeft op een uitvoering met elektro-optische polymeren, is het duidelijk dat in de plaats daarvan ook kan gewerkt worden met fotogevoelige polymeren, zoals uiteengezet in de inleiding. De middelen 7 bestaan dan niet uit elektroden, doch uit een opstelling die toelaat dat de fotogevoelige polymeren op passende wijze kunnen worden beschenen met licht, waardoor zodoende de brekingsindex kan worden gewijzigd. Ook een combinatie van een elektrische en optische aansturing is niet uitgesloten.
Opgemerkt wordt dat de uitvinding zich niet beperkt tot filters die volgens het Bragg-principe werken, doch van toepassing is op ieder systeem waarbij door middel van verschillende zones en/of overgangen met brekingsvlakken een filtering kan worden bewerkstelligd.
Eveneens wordt opgemerkt dat onder de middelen 7 voor het wijzigen van de optische karakteristieken iedere vorm van elementen, inrichtingen, systemen en dergelijke dient te worden verstaan waardoor met behulp van een elektrische spanning en/of licht een wijziging in het optisch gedrag van het materiaal zelf kan worden verkregen.
<Desc/Clms Page number 14>
De huidige uitvinding is geenzins beperkt tot de als voorbeeld beschreven en in de figuren weergegeven uitvoeringsvormen, doch dergelijke variabele optische filter, alsmede de inrichtingen die hiervan gebruik maken, kunnen volgens verschillende varianten worden verwezenlijkt zonder buiten het kader van de uitvinding te treden.