CN100439969C - 降低可调光学元件中的偏振相关效应的方法和设备 - Google Patents

Abstract

基于聚合物凝胶表面调制和棱镜设计的动态光学元件中的偏振相关效应导致利用这些元件的光或信号载波的光学效应的损耗。本发明提供一种方法和设备补偿这种偏振效应。

Description

降低可调光学元件中的偏振相关效应的方法和设备

发明

本发明涉及一种用于减少基于聚合物凝胶或薄膜的表面调制的动态光学元件中的偏振相关效应的设备和方法，尤其涉及一种修改、除去或转移入射光或与所述光学元件通信的信号载体的不需要的反射的设备和方法。

背景技术

高成本的元件，特别是较为高级的包含多个子元件的元件，减慢了光通信系统的开发以及全光网络的引入。从而，有必要开发成本有效的具备必需的技术标准的元件，但是允许利用低成本组装和产品生产方法。

光纤通信系统以及这些系统包含的模块中对动态或可调的元件具有特殊的需求。挪威专利申请No.2002 4265公开了一可实现的、低成本的、和高度可伸缩的基于聚合物凝胶(或薄膜)的表面调制的动态光学元件。

光通信系统中的光的偏振态由于环境对系统元件(特别是光纤)的影响随时间波动，并且改变系统的构形。因此单独的元件和组成系统的模块的性能应当是与入射光的偏振态尽量独立，并且尽可能少地不改变偏振态。这些要求确保了最大传输距离、能传输的信息的最高速率、和网络中可以通过的最多节点数。

已建议数个光学系统将可调衍射光栅应用于光纤光学元件。其中一个已知的方式是如由Light Connect and Silicon Light Machines公司制造的衍射MEMS(D-MEMS)。这些器件是基于由至少两个单独的零件组成的可动衍射光栅的。其提供了一个固定的反射底面、一组可移动的叶片(blades)、和通过蚀刻硅制成的光栅。该叶片(blades)可通过施加适当的电场上下移动。由此得到的结果是一衍射光栅，该光栅的有效相移由叶片和下面的反射表面的相对位置给出。这种安排可以用于制作有效的可变光衰减器，但是该组叶片必须被加工在硅的外面。这是一种昂贵的工艺，而且当系统的尺寸增大时这种工艺的成品率显著下降。因此，虽然由D-MEMS制成的元件是有效的且可实现的，但是成本高。

US3,527,522公开了一种光调制器，其包括与无反射玻璃后板相连的玻璃棱镜、透明电极和可变形材料如硅橡胶。具有可寻址电极的基底与在材料和基底之间具有一空气隙的所述可变形硅橡胶的表面平行排列。

可调衍射光栅技术

本发明的目的是提供一种具有D-MEMS方案的性能，但是具有像LCD或LCOS的制造方法那样简单的制造方法。本发明是基于可调表面衍射光栅的。在文献和专利文献中已经公开了这种光栅的示例。例如，我们的优选实施方式就是基于对挪或专利申请No.20024265公开内容的改进。

为了补偿由材料或制作和组装的方法所引起的缺陷，根据本发明我们提出了一种方法和设备，它将减少例如挪威申请No.20024265所示的可调衍射光栅设备和系统中的偏振相关效应。

附图说明

图1a和1b显示了本发明的一个具有一单通道的双路实施方式的示例。

图2显示了本发明的一个多路实施方式的示例。

图3显示了反射是如何提供干扰效应的。

图4显示了本发明的实施方式的另外一个示例。

图5显示了根据本发明的实施方式的一个例子的棱镜设计的一个示例。

图6显示了根据本发明的实施方式的另一个例子的棱镜设计的一个示例。

本发明在如挪威专利申请No.2002 4265中的示例的动态光学元件上对入射光或信息载体中偏振的正交态的影响的差降致最小，其中通过聚合物凝胶膜或薄膜的表面调制获得光学调制能力。

包括半波片的双或多路结构

在本发明的一个实施方式的示例中，在通过基于聚合物或基于薄膜的调制器提供的光路的一半或接近一半处插入了一个半波片。半波片是本领域技术人员公知的。半波片的作用是在传播方向的横截面中将正交偏振旋转90°。如果光路中在半波片前方或后方的偏振效应是近似或接近相同的，则正交的偏振态将在整体上显示出相同或近似的偏振效应(偏振相关损失，偏振模式色散，等)。最终的作用是调制器将不受入射光的偏振态的影响，并且偏振态将发生最小的变化。

这样的单路实施方式的示例在图1a和图1b中示出。图1a所示为实施方式的端视图而图1b所示为实施方式的顶视图。有两个棱镜101和102彼此相连，具有一半波片100位于相连的棱镜表面之间。图1b中凝胶表面(或薄膜)指示为圆环103。

半波片100可以是透射种类和反射种类的两者。这两种类型都可被用于本发明的实施方式的示例中。

光或信息载体可超过两次碰撞到调制凝胶(或薄膜)的表面。图2显示了一个具有从调制凝胶(或薄膜)的表面上四次反射并包括一半波片100的多路结构的示例。

在这个实施方式的示例中，衍射之间的距离非常小，同时是用了菲涅尔近似。多次反射的一个有利的效果是在保持高动态衰减范围的同时凝胶振幅可降低n倍，以及电场大约将缩小n倍。

在这个实施方式的示例中，半波片被置于包括4个不同连接棱镜形状110、111、112和113的棱镜装置里面，其中棱镜部件112包含一雕刻槽用于半波片100。不同的部件被以如图2所示的方式相连。具有形成调制电场的电极的基底115与光学元件的凝胶或薄膜部分相邻，以末端部分114隔开。

残余共振效应的减少或抑制

如果棱镜和聚合物(薄膜)之间的折射率匹配不是十分最佳的，可能会产生由于棱镜-聚合物(或薄膜)界面上光的非法线入射引起的少量残余偏振效应。

入射光的偏振态可被分解成两个部分，一部分平行于(通常所说的的p-偏振)入射面，而另一部分垂直于(通常所说的s-偏振)入射面。入射面是由入射光方向定义的，并且垂直于棱镜-凝胶(薄膜)界面。如果图3所显示的凝胶(薄膜)之间含有折射率差值Dn，图3中只有挪威专利申请No.20024265所述的完整的调制器的一部分。在上述本专利申请的施加在棱镜和凝胶(薄膜)之间的ITO层的厚度通常只是一个波长的几分之一，因此具有较少的影响。

标准的教科书给出了研究反射和折射过程中的偏振效应所必需的公式，见由Max Born和Emil Wolf著、剑桥大学(Cambridge University)出版的‘光学原理(Principles of Optics)’第七版中的第1.5章，第38-53页。

如果凝胶(薄膜)和棱镜之间的折射率差值Δn非常小，假定图3所示的Δn＝0.044，可以发现入射角度为45°时，s-偏振光的强度反射系数Rs大概为10-3，而p-偏振光的反射率大概会小三个数量级。

如图3所示，入射的强度为IO的s-偏振相干光将会经过两个主要的反射：一个强度部分I₁被从棱镜-凝胶界面在反射系数Rs为10^-3数量级的条件下反射。一较大部分I₂被上面所述的电极产生的电场形成的凝胶表图案反射。在0级的反射光的反射系数为x。

I₁和I₂之间的干涉作用将产生依赖于输出信号的波长，类似于从我们熟知的法布-珀罗(Fabry-Perot)谐振腔的输出所观察到的，其中所谓有效的自由光谱区(FSR)是由入射角度和凝胶(或薄膜)厚度给出的。波长响应中的振动将具有一振幅为 $2\sqrt{\left(I_1{I}_2\right)}\≈2I0\sqrt{(\mathrm{Rs}\·\mathrm{\χ})}.$ 假定希望的衰减为10dB，波长变化的振幅将为大约1dB。

在根据本发明的其他的实施方式的示例中，所谓的法布-珀罗谐振腔的精密技巧(finesse)被减少了。在实施方式的示例中是这样做的：

1.加工棱镜-凝胶(薄膜)界面，使其不平坦(散射反射光I₁)。

2.加工棱镜-凝胶(薄膜)表面，使其略微不平行于凝胶-空气隙表面(或薄膜-隙)。

3.在一个或两个表面中引入弯曲。

4.在棱镜-聚合物(薄膜)界面处引入抗反射涂层。

5.更改棱镜-聚合物(薄膜)两者中的任意一个或两个的折射率。

1.部分散射的棱镜-凝胶(薄膜)界面

通过在凝胶-棱镜(薄膜)界面中引入一个表面波前误差Δφ，反射光束I₁将经历一大小为Δφ₁＝2Δφ的波前相位误差，而透过光束将经历一大小为Δφ₂＝2(n_prism-n_gel)Δφ的波前相位误差。由于在凝胶(薄膜)和棱镜之间的折射率差值通常是很小的，假定为0.044，反射光束I₁将承受系数为20倍的波前相位误差的误差。因此，当仅仅轻微扰乱零级透射光束时可能衰减或散射反射光束。根据本发明的三个可能的方法是：

1.在达到光学性能之前停止棱镜的抛光工序

2.已抛光棱镜表面的化学蚀刻处理

3.已抛光棱镜表面的后刻痕处理

2和3.不平行的或弯曲的凝胶(薄膜)表面

不平行的棱镜-凝胶(薄膜)和凝胶-空气(薄膜)表面或弯曲凝胶(薄膜)两个表面中的一个或两个可在制造加工过程中获得。其作用是上述的I₁成分将不会以平行于I₂的方向反射，但是作为非准直光束出射。

可能的方案是在制造过程中成形凝胶(或薄膜)，以便得到的层是楔形的而不是具有平行表面。图4给出了一个示例。图4中给出的角α的典型取值范围可从十分之一度到接近一度，取决于调制器输出端的光学特性。

还可以通过更改棱镜形状、以及通过将改变过的棱镜连接到凝胶(或薄膜)的表面从而形成想得到的凝胶表面的不平行的形状来获得不平行的凝胶表面(薄膜)。图5中显示了六种可能的棱镜的设计示例。在制造加工过程中凝胶或薄膜表面可以很容易的弄平，更可取的是引入在将要连接凝胶的棱镜的表面的斜面或某种凹陷或凸起类形状，从而形成想要的形状。倾斜或凸起或凹陷形状可以是1或2维的。在图5所示的棱镜设计的变形1中，一棱镜154具有一由楔形区域151形成的表面150。虚线153显示了一凝胶或薄膜相邻表面。图5中的变形2说明了楔形区域的斜面可以是相对于棱镜表面150的任意想要的方向。变形3、4、5和6说明了楔形区域是如何雕刻形成在棱镜154的表面150上的。

在本发明的实施方式的另一个示例中，楔形区域和半波片都被提供于一个和相同的光学元件中。

4.在棱镜-聚合物(薄膜)界面处引入抗反射涂层

在一个实施方式中，一个或多个附加层或多层结构(通常是指抗反射涂层或AR涂层)可被加在棱镜的表面和与聚合物膜相邻的ITO层之间，如图6所示。ITO层的厚度通常仅仅是波长的几分之一，因此具有较小的影响。AR涂层的设计使得它的折射率处于棱镜和聚合物膜(薄膜)的折射率之间的范围内。这将减少s-和p-偏振光的有效反射率，当其离开棱镜进入聚合物薄膜时。与没有AR涂层出现的情况相比标记为I₁的光线的强度将降低。

在另一个具体实施方式中，ITO层的折射率可被更改以用作AR涂层，或者可以被用作偏置电极和AR涂层的材料可被用于替换ITO。

5.更改棱镜、聚合物(薄膜)中的一个或两个的折射率

棱镜和聚合物(薄膜)折射率的差值可通过修改一个或两个折射率而减少。这可以通过在制造过程中向各个材料中增加合适的掺杂物实现。

Claims (13)

1.减少动态光学元件中偏振相关效应的方法，所述动态光学元件包含附着于一透明棱镜的表面上的一凝胶层或薄膜和一具有一组与背离所述棱镜的所述凝胶或薄膜的表面隔开适当距离的单独可寻址电极的基底，该方法包括以下步骤：

通过光学元件在所述凝胶或薄膜与所述棱镜之间的界面上衰减或散射在入射光的光路中的一个位置处的入射光，

提供用于将对所述入射光或所述信息载体中的偏振正交态的影响的差降至最低的装置，将所述装置置于在所述入射光或所述信息载体的光路中的所述光学元件内。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述衰减或散射入射光的步骤是通过以相对于背离所述棱镜的所述凝胶或薄膜表面不平行的方式安排附着于所述棱镜的所述凝胶或薄膜表面的至少一部分而提供的。

3.根据权利要求2所述的方法，其中所述不平行的安排是通过以预期的形状形成邻接于所述凝胶或薄膜表面附着的所述棱镜表面的至少一部分而提供的。

4.根据权利要求2所述的方法，其中所述不平行的安排是通过在制造过程中使所述凝胶或薄膜成为楔形而提供的。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述衰减或散射入射光的步骤是通过在所述入射光的光路的一半处插入的一半波片提供的。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述衰减或散射入射光的步骤是通过附着凝胶或薄膜的所述棱镜的表面上的一抗反射装置提供的。

7.根据权利要求1所述的方法，其中所述衰减或散射入射光的步骤是通过在所述凝胶或所述棱镜或所述凝胶和所述棱镜两者的制造过程中添加合适的掺杂物、从而改变所述凝胶或所述棱镜或所述凝胶和所述棱镜两者的反射率而提供的。

8.光学元件，包括：附着于一透明棱镜的一个表面的一凝胶层或薄膜；和具有一组与背离所述棱镜的所述凝胶或薄膜的表面隔开适当距离的可单独寻址电极的基底，其中附着所述凝胶层或薄膜的所述透明棱镜的所述表面被制成漫射表面。

9.根据权利要求8的光学元件，其中代替所述棱镜表面被制成漫射表面，在所述棱镜表面中提供一雕刻槽，所述棱镜表面限定附着到所述透明棱镜的所述表面的所述凝胶或薄膜的预期形状。

10.根据权利要求8的光学元件，其中代替所述棱镜表面被制成漫射表面，放置的半波片是在所述透明棱镜的所述棱镜表面中的腔。

11.根据权利要求8的光学元件，其中代替所述棱镜表面被制成漫射表面，所述凝胶或薄膜被成形为楔形。

12.根据权利要求8的光学元件，其中代替所述棱镜表面被制成漫射表面，所述棱镜表面设置有一抗反射装置。

13.根据权利要求8的光学元件，其中所述棱镜或所述凝胶或所述棱镜和所述凝胶两者是通过添加适当的掺杂物而制造的，所述掺杂物改变所述凝胶或所述棱镜或所述棱镜和所述凝胶两者的光学指数。

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