CN101836145A - 光学开关及采用该光学开关的逻辑门 - Google Patents

光学开关及采用该光学开关的逻辑门 Download PDF

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CN101836145A CN200880019511A CN200880019511A CN101836145A CN 101836145 A CN101836145 A CN 101836145A CN 200880019511 A CN200880019511 A CN 200880019511A CN 200880019511 A CN200880019511 A CN 200880019511A CN 101836145 A CN101836145 A CN 101836145A
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Abstract

本发明公开一种光学开关，该光学开关包括具有可改变的截面面积的光通路，与所述光通路相关联的激发光响应型压电元件，所述激发光响应型压电元件用于对入射到其上的激发光做出响应而改变其形状，以及可操作地与所述压电元件相关联以增强该压电元件的激发光响应率的传导元件，所述激发光响应型压电元件与所述光通路相关联并且可操作，以使得所述压电元件的形状变化使所述光通路的可改变的截面面积发生足够的变化以管理沿着所述光通路的光的通过。本发明还公开了采用光学开关的逻辑门和逻辑功能。

Description

光学开关及采用该光学开关的逻辑门
相关申请的引用
本申请参照以下相关申请，在此引用以下申请的全部内容作为参考。
2007年4月12日递交的序列号为11/734,747，并且发明名称为“LIGHTACTIVATED OPTICAL SWITCH THAT INCLUDES A PIEZOELECTRICELEMENT WITH LAYERS OF PIEZOELECTRIC MATERIAL HAVINGDIFFERENT PIEZOELECTRIC CHARACTERISTICS”的美国专利申请；
2007年4月12日递交的序列号为11/734,750，并且发明名称为“LIGHTACTIVATED OPTICAL SWITCH THAT INCLUDES A PIEZOELECTRICELEMENT AND A CONDUCTIVE LAYER”的美国专利申请；以及
2007年4月12日递交的序列号为60/911,469，并且发明名称为“LOGICGATES FOR OPTICAL SIGNALS”的美国临时专利申请。
2007年10月15日递交的序列号为11/974,483，并且作为专利号为7,283,698的美国专利的分案的美国专利申请。
本申请按照CFR 37 1.78(a)(1)，(a)(4)和(5)(i)要求享有以下申请的优先权：
2007年4月12日递交的序列号为11/734,747，并且发明名称为“LIGHTACTIVATED OPTICAL SWITCH THAT INCLUDES A PIEZOELECTRICELEMENT WITH LAYERS OF PIEZOELECTRIC MATERIAL HAVINGDIFFERENT PIEZOELECTRIC CHARACTERISTICS”的美国专利申请；
2007年4月12日递交的序列号为11/734,750，并且发明名称为“LIGHTACTIVATED OPTICAL SWITCH THAT INCLUDES A PIEZOELECTRICELEMENT AND A CONDUCTIVE LAYER”的美国专利申请；以及
2007年4月12日递交的序列号为60/911,469，并且发明名称为“LOGICGATES FOR OPTICAL SIGNALS”的美国临时专利申请。
技术领域
本发明总体上涉及光激发开关以及逻辑门。
背景技术
本发明人Dr.Gary Neal Poovey认为，发明人本人的、在此引入其全部内容作为参考的专利号为7,072,536和7,283,698的美国专利以及下面所列出的并且在此引入其全部内容作为参考的公开文本代表了该技术领域的当前状态：
专利号为6,594,411、4,961,618、5,414,789、2,936,380、3,680,080、3,965,388、3,995,311、4,023,887、4,128,300、4,262,992、4,689,793、4,764,889、4,978,842、5,078,464、5,109,156、5,146,078、5,168,382、6,005,791、6,609,840、7,263,262、3,987,310、4,053,794、6,757,459、6,804,427、6,320,994、6,487,333、6,178,033、5,425,115、6,075,512、6,697,548、6,594,411、5,703,975、6,320,994、5,134,946、7,283,695、5,414,789、4,961,618、2,936,380、3,680,080、3,965,388、3,995,311、4,023,887、4,128,300、3,995,311、4,023,887、4,128,300、4,262,992、4,689,793、4,764,889、4,961,618、4,978,842、5,078,464、5,109,156、5,146,078、5,168,382、6,005,791、6,609,840、7,263,262、6,151,428、5,999,284、5,315,422、5,144,375、5,101,456、4,932,739、4,701,030、4,630,898、3,987,310和4,053,794的美国专利；以及
公开号为2005/0129351、2006/0045407、2004/0091201以及2004/0037708的美国专利申请。
Alexei Grigoriev等人在Applied Physics Letters 89，021109，2006上的标题为“Subnanosecond Piezoeletric x-ray switch”的文章。
发明内容
本发明寻求提供改善的光学开关、逻辑门以及逻辑功能。
因而，根据本发明的优选实施例，提供一种光学开关，包括：
具有可改变的截面面积的光通路；
与所述光通路相关联的激发光响应型压电元件，所述激发光响应型压电元件用于对入射到其上的激发光做出响应而改变其形状；以及
可操作地与所述压电元件相关联的传导元件，用于增强所述压电元件的激发光响应率，
所述激发光响应型压电元件与所述光通路相关联并且可操作，以使得所述压电元件的形状变化使所述光通路的所述可改变的截面面积产生足够的变化以管理沿着所述光通路的光的通过。
优选地，所述光通路、所述压电元件以及所述传导元件被配置并且可操作，以使得第一阈值级别范围内的激发光到所述压电元件上的入射使所述光通路防止第一波长范围的光通过其中，并且使得在所述第一阈值级别范围之外的第二阈值级别范围内的激发光到所述压电元件上的入射使所述光通路允许第一波长范围的光通过其中。
根据本发明的优选实施例，所述传导元件包括沿着所述压电元件的表面延伸的传导材料层。
优选地，所述压电元件包括具有不同压电特性的至少两层压电材料。
按照本发明的优选实施例，所述至少两层压电材料具有不同的晶体取向。
优选地，所述传导元件设置在所述压电元件中的两层之间。
根据本发明的优选实施例，还提供用于将所述激发光和信号光导向到所述光通路中的光耦合器，所述激发光的至少一个特性管理所述信号光是否通过所述通路。
此外，根据本发明的优选实施例，提供一种光学开关，该光学开关包括：
具有可改变的截面面积的光通路；以及
与所述光通路相关联的激发光响应型压电元件，所述激发光响应型压电元件用于对入射到其上的激发光做出响应而改变其形状，
所述激发光响应型压电元件包括具有不同压电特性的至少两层压电材料，所述压电元件与所述光通路相关联并且可操作，以使得所述压电元件的形状变化使所述光通路的所述可改变的截面面积发生足够的变化以管理沿着所述光通路的光的通过。
优选地，所述光通路和所述压电元件被配置并且可操作，以使得第一阈值级别范围内的激发光到所述压电元件上的入射使所述光通路防止第一波长范围的光通过其中，并且使得在所述第一阈值级别范围之外的第二阈值级别范围内的激发光到所述压电元件上的入射使所述光通路允许第一波长范围的光通过其中。
此外，根据本发明的优选实施例，提供一种包括至少一个门的逻辑门，所述至少一个门具有非、与、或、与非以及或非功能的至少一种，所述逻辑门包括通过光致动的至少一个光学开关，所述至少一个光学开关包括：
具有可改变的截面面积的信号光通路；以及
与所述光通路相关联的激发光响应型压电元件，所述激发光响应型压电元件用于对入射到其上的激发光做出响应而改变其形状；
所述激发光响应型压电元件与所述光通路相关联并且可操作，以使得所述压电元件的形状变化使所述光的所述可改变的截面面积产生足够的变化以管理沿着所述光通路的光的通过。
优选地，所述逻辑门还包括将所述激发光提供到所述至少一个光学开关并且承载信号光的光导管，所述信号光带有至所述至少一个光开关或者来自所述至少一个光开关的数字信息。
根据本发明的优选实施例，所述信号光的波长大于所述激发光的波长。
优选地，所述信号光具有大致为所述激发光的波长两倍的波长。
根据本发明的优选实施例，所述信号光具有1500nm的波长并且所述激发光具有大致750nm的波长。
根据本发明的优选实施例，还提供一种逻辑门，其提供非功能，并且其中所述至少一个光学开关包括单个光学开关，并且其中所述信号光的波长大致是所述激发光波长的两倍。
根据本发明的优选实施例，还提供一种逻辑门，其提供与功能，并且其中所述至少一个光学开关包括单个光学开关，并且其中所述信号光的波长大于所述激发光的波长，所述逻辑门还包括：
用于接收信号光的第一和第二逻辑输入端；
用于接收在所述第一逻辑输入端接收的所述信号光的第一部分的第一光导管；
用于接收在所述第一逻辑输入端接收的所述信号光的第二部分的第二光导管；
用于接收在所述第二逻辑输入端接收的所述信号光的第一部分的第三光导管；
用于接收在所述第二逻辑输入端接收的所述信号光的第二部分的第四光导管；
用于将沿着所述第二光导管的所述光的波长减小至所述激发光的波长的第一波长修正器；
用于将沿着所述第四光导管的所述光的波长减小至所述激发光的波长的第二波长修正器；
用于使沿着所述第二光导管的所述光的相位匹配所述激发光的第一相位匹配器；
用于使沿着所述第四光导管的所述光的相位匹配所述激发光的第二相位匹配器；以及
用于使沿着所述第二和第四光导管的波长减小并且相位匹配的光互相异相180度的移相器，
沿着所述第一和第三光导管作为信号光输入提供到所述光学开关的光；以及
沿着所述第二和第四光导管并连同附加的激发光被一起作为激发光提供到所述光学开关的波长减小和相位匹配的光。
根据本发明的优选实施例，还提供一种逻辑门，其提供与非功能，并且其中所述第一光学开关包括第一光学开关和第二光学开关，并且其中所述信号光的波长大于所述激发光的波长，所述逻辑门还包括：
用于接收信号光输入的第一和第二逻辑输入端；
用于将所述第一输入端的信号光的波长减小至所述激发光的波长的第一波长修正器；
用于将所述第二输入端的信号光的波长减小至所述激发光的波长的第二波长修正器；
用于减小来自所述第一光学开关的信号光的波长的第三波长修正器；
用于将来自所述第一波长修正器的所述光的一部分提供到第一光吸收器的第一光导管；
用于将来自所述第一波长修正器的所述光的一部分提供到所述第一光学开关的第二光导管；
用于将来自所述第二波长修正器的所述光的一部分提供到第二光吸收器的第三光导管；
用于将来自所述第二波长修正器的所述光的一部分提供到所述第一光学开关的第四光导管；
用于将来自所述第一光学开关的信号光提供到所述第三波长修正器的第五光导管；以及
用于将来自所述第三波长修正器的光波长修正的光提供到所述第二光学开关作为激发光的第六光导管。
根据本发明的优选实施例，还提供一种逻辑门，其提供或功能，并且其中所述至少一个光学开关包括单个光学开关，并且其中所述信号光的波长大于所述激发光的波长，所述逻辑门还包括：
用于接收信号光输入的第一和第二逻辑输入端；
用于将沿着所述第一光输入端的所述光的波长减小至所述激发光的波长的第一波长修正器；
用于将沿着所述第二光输入端的所述光的波长减小至所述激发光的波长的第二波长修正器；
用于使来自所述第一波长修正器的波长修正的光的相位匹配激发光的相位的第一相位匹配器；
用于使来自所述第二波长修正器的所述光的相位匹配所述激发光的相位的第二相位匹配器；
用于将来自所述第一相位匹配器的所述光的一部分提供到第一光吸收器的第一光导管；
用于将来自所述第二相位匹配器的所述光的一部分提供到第二光吸收器的第二光导管；
第一移相器；
第二移相器；
用于将来自所述第一相位匹配器的所述光的一部分提供到所述第一移相器的第三光导管，从而使来自所述第一相位匹配器的光与所述激发光异相；以及
用于将来自所述第二相位匹配器的所述光的一部分提供到所述第二移相器的第四光导管，从而使来自所述第一相位匹配器的光与所提供的激发光异相，
用于将来自所述第一移相器的光提供到所述光学开关的第五光导管；以及
用于将来自所述第二移相器的光提供到所述光学开关的第六光导管，
所述光学开关从所述第五和第六光导管接收所述激发光和信号光。
根据本发明的优选实施例，还提供一种逻辑门，其提供或功能，并且其中所述至少一个光学开关包括第一和第二光学开关，并且其中所述信号光的波长大于所述激发光的波长大，所述逻辑门还包括：
用于接收信号光输入的第一和第二逻辑输入端；
用于将沿着所述第一光输入端的所述光的波长减小至所述激发光的波长的第一波长修正器；
用于将沿着所述第二光输入端的所述光的波长减小至所述激发光的波长的第二波长修正器；
用于提供来自所述第一和第二波长修正器的波长修正的光的第一和第二光导管；
用于经由各自的第一和第二光导管接收来自所述第一波长修正器和第二波长修正器的光并且将从其输出的光保持在预定的功率级别的功率限制器；
用于将来自所述功率限制器的功率限制的光提供到所述第一光学开关的第三光导管；
用于接收来自所述第一光学开关的信号光并且将所述光的波长减小至所述激发光的波长的第三波长修正器；以及
用于将来自所述第三波长修正器的光提供到所述第二光学开关的第四光导管。
根据本发明的优选实施例，还提供一种逻辑门，其提供或功能，并且其中所述至少一个光学开关包括单个光学开关，并且其中所述信号光的波长大于所述激发光的波长，所述逻辑门还包括：
用于接收信号光的第一和第二逻辑输入端；
用于接收在所述第一逻辑输入端接收的所述信号光的第一部分的第一光导管；
用于接收在所述第一逻辑输入端接收的所述信号光的第二部分的第二光导管；
用于接收在所述第二逻辑输入端接收的所述信号光的第一部分的第三光导管；
用于接收在所述第二逻辑输入端接收的所述信号光的第二部分的第四光导管；
用于将沿着所述第二光导管的所述光的波长减小至所述激发光的波长的第一波长修正器；
用于将沿着所述第四光导管的所述光的波长减小至所述激发光的波长的第二波长修正器；
用于使来自所述第一波长修正器的波长修正的光与来自所述第二波长修正器的所述光异相180度的移相器，
所述光学开关从所述第一和第三光导管、所述第二波长修正器以及所述移相器接收光。
根据本发明的优选实施例，还提供一种逻辑门，其中按照上述方式构建所述至少一个光学开关，而且还提供一种采用上述一个或者多个逻辑门的逻辑功能。
而且，根据本发明的优选实施例，提供一种光学开关，包括：
配置为引导信号光的信号通道；
邻近所述信号通道的压电元件；以及
邻近所述压电元件的传导层；
其中通过向所述压电元件施加激发光来控制所述信号光通过所述信号通道，并且其中所述传导层对所述激发光做出响应而增强施加到所述压电元件的电场。
优选地，所述传导层粘结到所述压电元件的表面。
根据本发明的优选实施例，将所述激发光施加到所述压电元件使所述压电元件的形状改变，以使得所述信号光不能通过所述信号通道。
优选地，所述信号通道包括填充有可压缩材料的腔。
优选地，所述压电元件形成所述腔的一部分。
根据本发明的优选实施例，所述压电元件包括具有不同压电特性的至少两层。
优选地，将所述传导层粘结在所述压电元件中的两层之间。
根据本发明的优选实施例，还提供一种操作光学开关的方法，所述方法包括：
向光学开关施加信号光，所述光学开关包括压电元件以及邻近所述压电元件的至少一个传导层；以及
向所述压电元件施加激发光以改变所述光学开关的状态；
其中所述传导层对所施加的激发光做出响应而增强施加到所述压电元件的电场。
优选地，向所述压电元件施加所述激发光使所述压电元件的形状改变，以使得所述信号光不能通过所述光学开关。
优选地，施加所述激发光包括向所述压电元件施加彼此异相的两个光信号，并且随后去除所述光信号中的一个，保留剩余的光信号作为所述激发光。
还提供一种操作光学开关的方法，所述方法包括：
向信号通道施加信号光，所述信号通道邻近压电元件，该压电元件邻近至少一个传导层；以及
向所述压电元件施加激发光以改变所述压电元件的形状，以使得防止所述信号光通过所述信号通道，
其中所述传导层对所施加的激发光做出响应而增强施加到所述压电元件的电场。
此外，还提供一种光学开关，包括：
配置为引导信号光的信号通道；
邻近所述信号通道的压电元件；
邻近所述压电元件的传导层；以及
用于向所述压电元件施加激发光以改变所述压电元件的形状从而防止所述信号光通过所述信号通道的装置；
其中所述传导层对所施加的激发光做出响应而增强施加到所述压电元件的电场。
还提供一种操作光学开关的方法，所述方法包括：
向光学开关施加信号光，所述光学开关包括压电元件，所述压电元件包括具有不同压电特性的至少两层压电材料；以及
向所述压电元件施加激发光以改变所述光学开关的状态。
优选地，向所述压电元件施加所述激发光使所述压电元件的形状改变，以使所述信号光不能通过所述光学开关。
优选地，所述压电元件的所述形状变化使所述光学开关的信号通道的尺寸发生变化。
根据本发明的优选实施例，施加所述激发光包括向所述压电元件施加彼此异相的两个光信号，并且随后去除所述光信号中的一个，保留剩余的光信号作为所述激发光。
根据本发明的优选实施例，邻近所述压电元件的传导层对所施加的激发光做出响应而增强施加到所述压电元件的电场。
还提供一种光学开关，包括：
配置为引导信号光的信号通道；以及
邻近所述信号通道的压电元件，所述压电元件包括具有不同压电特性的至少两层压电材料；
其中通过向所述压电元件施加激发光来控制所述信号光通过所述信号通道。
优选地，向所述压电元件施加所述激发光使所述压电元件的形状改变，以使得所述信号光不能通过所述信号通道。
还提供一种操作光学开关的方法，所述方法包括：
向信号通道施加信号光，所述信号通道邻近压电元件，所述压电元件具有至少两层压电材料，所述至少两层压电材料具有不同的压电特性；以及
向所述压电元件施加激发光以改变所述压电元件的形状，以使得防止所述信号光通过所述信号通道。
还提供一种光学开关，包括：
配置为引导信号光的信号通道；
邻近所述信号通道的压电元件，所述压电元件包括具有不同压电特性的至少两个不同的层；以及
用于向所述压电元件施加激发光以改变所述压电元件的形状从而防止所述信号光通过所述信号通道的装置。
附图说明
通过下面结合附图的详细描述，可以更加充分地理解和评价本发明。在附图中：
图1A描述了光学开关，该光学开关包括信号通道和压电元件并且由激发光控制；
图1B说明了图1A的处于激发状态的压电元件，该激发状态通过向该压电元件施加激发光而产生；
图2A是沿着图1A的IIA-IIA线提取的图1A的信号通道和压电元件的截面图，其中该压电元件处于非激发状态；
图2B是沿着图1B的IIB-IIB线提取的图1B的信号通道和压电元件的截面图，其中该压电元件处于激发状态；
图3描述了光学信号衰减对信号通道尺寸的曲线图；
图4A和4B说明了用于改变光学开关状态的技术，其包括施加具有比信号光的波长短的波长的激发光；
图5A和5B说明了用于改变光学开关状态的技术，其中施加激发光包括向压电元件提供彼此异相的两个光信号并且然后去除其中一个光信号而保留剩余的光信号作为激发光；
图6A描述了光激发光学开关的实施例，该光学开关包括信号通道、压电元件以及邻近该压电元件的传导层；
图6B说明了图6A的处于激发状态的压电元件，该激发状态通过向压电元件施加激发光而产生；
图7说明了光的电场对传导层的电子的作用；
图8描述了一种光学开关系统，其包括上面参照图1A-7描述的光激发光学开关；
图9描述了光学开关和光学耦合器的实施例，该光学耦合器用于将信号光和激发光耦合到相同的信号通道中；
图10A描述了压电元件的实施例，该压电元件具有多于两层的压电材料，并且这些压电材料具有不同的压电特性；
图10B描述了光激发光学开关的实施例，该光学开关包括夹置在压电元件的两个层之间的传导层；
图10C描述了光激发光学开关的实施例，该光学开关包括夹置在多层压电元件之间的多个传导层；
图10D描述了光激发光学开关的实施例，该光学开关包括多层压电元件以及位于信号通道的两个不同侧上的传导层；
图10E描述了光激发光学开关的实施例，该光学开关包括多层压电元件以及位于信号通道的两侧中的每一个上的传导层；
图11A描述了光激发光学开关的实施例，该光学开关包括信号通道和压电元件，其中该信号通道的一部分包括填充有可压缩材料的腔；
图11B说明了图11A的处于激发状态的压电元件，该激发状态通过向该压电元件施加激发光而产生；
图12A描述了光激发光学开关的实施例，该光学开关包括信号通道、压电元件以及邻近该压电元件的传导层，其中该信号通道是光纤并且该压电元件和传导层形成为完全围绕在该光纤周围的带；
图12B说明了图12A的处于激发状态的压电元件，该激发状态通过向该压电元件施加激发光而产生；
图13A描述了光激发光学开关的实施例，该光学开关包括信号通道、透明的压电元件以及邻近该压电元件的传导层，其中该信号通道包括该透明的压电元件；
图13B说明了图13A的处于激发状态的压电元件，该激发状态通过向该压电元件施加激发光而产生；
图14A和14B是根据本发明另一优选实施例的光学开关的简化说明；
图15A和15B是沿着图14A的XVA-XVA线以及图14B的XVB-XVB线提取的截面图，说明图14A和14B中的信号通道和压电元件；
图16A和16B是根据本发明又一优选实施例的光学开关的简化说明；
图17A和17B是沿着图16A的XVIIA-XVIIA线以及图16B的XVIIB-XVIIB线提取的截面图，说明图16A和16B中的信号通道和压电元件；
图18A和18B是根据本发明另一优选实施例的光学开关的简化说明；
图19A和19B是沿着图18A的XIXA-XIXA线以及图18B的XIXB-XIXB线提取的截面图，说明图18A和18B中的信号通道和压电元件；
图20是逻辑非门的示意图；
图21是使用光学开关的逻辑与门的示意图；
图22是使用光学开关的逻辑与门的第二示意图；
图23是使用光学开关和相位匹配器件的逻辑或门的示意图；
图24是使用光学开关和功率限制器的逻辑或门的示意图；以及
图25是使用光学开关的逻辑或门的示意图。
具体实施方式
光致动光学开关被用来构建与、或以及或非逻辑门。处理进入到逻辑门的光信号以使得该逻辑门的输出符合每一种类型门的需求规范。光信号全部用于操作逻辑门，并且使用光致动光学开关不需要外部电池，逻辑门的尺寸将适配于半导体逻辑设计尺寸。
将能够制造基于光信号而非电信号的作用的计算机。基于晶体管的逻辑门中的晶体管以10E-9秒进行切换，这限制了基于晶体管的逻辑门的速度。光在10E-14秒内能够传播三微米。基于光致动开关的逻辑门可以比基于晶体管的逻辑门更快。
光学开关包括信号通道和邻近该信号通道的压电元件。压电元件对激发光做出响应而改变形状并且相对于该信号通道来配置该压电元件，以使得压电元件的形状变化使信号通道的尺寸发生变化。例如，压电元件形状的变化使信号通道的尺寸减小至足够小，从而信号光不再能够通过该信号通道。利用这一现象，通过控制向压电元件施加激发光，控制光学开关的状态。按照一实施例，当不向压电元件施加激发光时，光学开关允许信号光通过信号通道，而当向压电元件施加激发光时，光学开关阻挡信号光通过信号通道。由于压电元件的形状决定光是否通过信号通道，光学开关的功能取决于压电元件改变形状的能力。
根据本发明的实施例，压电元件具有至少两层压电材料，每一层具有不同的压电特性。选择这些层的压电特性以增强压电元件的性能并且最终增强光学开关的性能。按照一实施例，选择这些层的压电特性以产生对激发光做出响应而具有充分形状变化的压电元件，以阻挡信号光通过信号通道。
图1A描述了光学开关100，其包括信号通道102和压电元件104并且由激发光控制。信号通道沿着定义的路径在限定的区域内引导光的传输。通过光导结构或者通过能够沿着定义的路径在限定的区域内引导光的结构组合来形成信号通道。能够形成信号通道的结构例如包括光纤，诸如铌酸锂或者包括信号通道，光波导以及用于保持可压缩材料的腔的其它透明压电材料的衬底。在图1A的实施例中，由单片光导元件形成信号通道。
压电元件104由压电材料形成。能够用于形成压电元件的压电材料的示例包括诸如石英(SiO2)、铌酸锂(LiNbO3)、锆酸铅(PbZrO3)、钛酸铅(PbTiO3)和锆钛酸铅的结晶压电材料。能够在磁场中被取向的压电材料的示例是锆酸铅、钛酸铅或者锆钛酸铅。石英和铌酸锂是透明压电材料的示例。
压电元件104具有至少两层压电材料106和108，每一层具有不同的压电特性。不同层的不同压电特性可以例如包括：1)对相同电场做出响应的不同膨胀和/或收缩程度；2)对相同电场的不同响应，例如具有第一取向的一层对电场做出响应而膨胀，具有垂直于第一取向的第二取向的另一层对电场做出响应而膨胀；3)不同的极性；4)不同的应变；5)不同的滞后；6)不同的电容；7)不同的阻抗；8)不同的电阻系数；9)不同的热史；以及10)不同的电磁史。
压电材料的压电特性例如与下述相关：1)压电材料的类型；2)压电材料的晶体取向；3)压电材料内的掺杂级别；4)压电材料的密度；5)压电材料的空隙密度；6)压电材料的化学构成；7)压电材料的热史；8)压电材料的电磁史。压电材料的每一层的期望压电特性可以例如通过控制上述参数中的一个或者多个来实现。
按照一实施例，将对相同电场做出响应而表现出不同程度的膨胀和/或收缩的压电材料层集成到压电元件中以使该压电元件对激发光做出响应而改变形状或者弯曲。例如，如果彼此粘结为单个元件的压电元件的两个邻近层对相同激发光做出响应而膨胀不同的量，则该压电元件将弯曲。按照一实施例，压电元件包括至少两层压电材料，它们具有不同压电特性并且形成为单个元件。例如，通过使用半导体处理技术在彼此的顶部上构建压电材料层来形成压电元件，该半导体处理技术例如是晶体生长、沉积、溅射、离子植入等。按照一实施例，压电元件的这些层具有不同的晶体取向，以使得两个层对相同电场做出不同的响应。例如，两个层具有彼此垂直的晶体取向。按照另一实施例，压电元件的至少一个层由有机材料制成。
使用具有包括不同压电特性的压电材料层的压电元件，能够选择该压电元件的响应以优化开/关切换。例如，可以选择这些层的压电特性以：1)使压电元件对激发光做出响应的形状变化最大化；2)使滞后最小化；3)减小改变压电元件形状所需的功率量；以及4)减小由切换技术产生的热量。
现在参照图1A和1B来描述图1A所述光学开关100的工作。图1A说明了处于非激发状态的压电元件104。在非激发状态下，压电元件的形状与其正常状态相比没有改变，其中该压电元件的正常状态是没有激发光时该元件的状态。在图1A的实施例中，压电元件在非激发状态下基本上是平整的。压电元件的平整形状允许信号光110通过由进入和离开信号通道的信号光所表明的信号通道104。
图1B说明了处于激发状态的压电元件104，该激发状态通过向压电元件施加激发光112而产生。在图1B的实施例中，通过将激发光以与信号光110平行的方式导入到信号通道102中而将该激发光施加到该压电元件。激发光提供影响压电材料的电场。在激发状态下，压电元件的形状改变得足够大以阻挡信号光通过信号通道。通过没有信号光离开信号通道来表明信号光的阻挡。一旦从信号通道去除激发光，该压电元件返回到其正常形状并且信号光能够再次通过信号通道。
如上所述，压电元件104对激发光112做出响应的激发使压电元件的形状改变，从而使信号通道102的至少一个尺寸改变。图2A是图1A的信号通道和压电元件的截面图，其中压电元件处于非激发状态。图2B是图1B的信号通道和压电元件的截面图，其中压电元件处于激发状态。在激发状态下，压电元件延伸到信号通道中并且减小信号通道的至少一个尺寸。如图2A和2B所示，处于激发状态下(图2B)的信号通道的截面面积比处于非激发状态下(图2A)的信号通道的截面面积小。
从图1A-2B的实施例可以看出，即使在压电元件104处于激发状态下时，信号通道102中仍然存在开口。尽管即使在压电元件处于激发状态下时信号通道中仍然存在开口，但是该信号通道中的开口足够小，从而阻挡信号光110通过信号通道。信号光通过信号通道的能力与信号通道的尺寸以及信号光的波长有关。通常，具有较短波长的光比具有较长波长的光能够通过具有较小尺寸的信号通道。
图3描述了光学信号衰减对信号通道尺寸的曲线图。如图3所示，一旦信号通道尺寸达到一定尺寸，这里将其称为截止尺寸，光学信号衰减就快速改变。例如，在比截止尺寸(例如大约5埃)小的尺寸处，衰减快速升高，并且在比截止尺寸大的尺寸处，衰减快速下降。如图3所示，在截止尺寸附近对信号通道尺寸变化的快速响应能够通过接入激发光而进行快速的开/关切换，以使得信号通道的尺寸在比截止尺寸更大或者更小之间进行切换。
如上所述，通过向压电元件104施加激发光112来激发光学开关100的状态。可以使用不同的技术将激发光施加到压电元件。参照图4A-5B来描述将激发光施加到压电元件的一些示例性技术。
图4A和4B说明了用于改变光学开关100的状态的技术，其包括施加具有比信号光110的波长短的波长的激发光112。参照图4A，当没有激发光施加到压电元件104时，光学开关100处于开状态并且信号光110通过信号通道102。如图4B所示，将激发光112施加到压电元件104以将光学开关100的状态从开改变至关。在关状态下，激发光112使压电元件104改变形状并且阻挡信号光110通过信号通道102。在该示例中，激发光112具有比信号光110短的波长。具体地说，激发光112的波长足够短，以使得即使在光学开关100处于关状态时该激发光112仍然能够通过信号通道。图4B说明了即使在光学开关100处于关状态时，具有比信号光110的波长短的波长的激发光112也能够通过信号通道102的情况。
图5A和5B说明了用于改变光学开关100状态的技术，其中施加激发光包括向压电元件104提供彼此异相的两个光信号112A和112B，并且然后去除所示实施例中的一个光信号112A而保留所示实施例中剩余的光信号112B作为激发光。按照该实施例，两个信号112A和112B彼此异相，以使得它们的电场能够有效地彼此抵消(例如180度异相)。由于两个异相信号彼此抵消，在将该两个异相信号同时施加到压电元件104时，压电元件104不被激发。一旦去除一个信号，则剩余光信号的电场不再被抵消并且该剩余的光信号激发压电元件。图5A说明了通过信号通道102的信号光110以及异相光信号112A和112B的两个分量。如上所述，在这种情况下，由于两个异相光信号彼此抵消，压电元件104不被激发。在图5B中，去除其中一个异相光信号112A，保留剩余的光信号112B作为激发光。该激发光激发压电元件104并且阻挡信号光110(以及这种情况下的激发光)通过信号通道。按照另一实施例，可以将这两个光信号之一的功率增加以超过另一光信号来克服抵消效应，从而提供激发光。
用于优化光激发光学开关性能的另一技术是增强对激发光做出响应而施加到压电元件的电场。根据本发明的实施例，将至少一个传导层设置为邻近光激发光学开关的压电元件以增强对激发光做出响应而施加到压电元件的电场。该传导层具有自由电子或者电子空穴，当将激发光施加到压电元件时，该自由电子或者电子空穴被吸引并聚集在邻近该压电元件的表面处。自由电子在压电元件附近的聚集增强了对激发光做出响应而施加到压电元件的电场。该增强的电场能够用于增强压电元件的性能并且最终增强该光学开关的性能。例如，由邻近传导层导致的增强电场能够以比在邻近压电元件处不存在传导层时更低的功率和/或更快地激发该压电元件。
在不使用传导层的情况下，激发光的电场单独激发压电元件。当使用传导层时，传导层提供通过激发光的电场聚合或者扩散的电荷。该聚合电荷的电场增加了激发光的电场。在这种情况下，通过激发光的电场和聚合电合的电场来对压电元件进行作用。在扩散电荷的情况下，物质由正电荷和负电荷构成，从而在一种电荷扩散时，使用另一种电荷来表示。在这种情况下，表示电荷的电场增加了激发光的电场并且增强了对压电元件的作用。电子在金属导体中移动，但是正的空穴可以在半导体中移动。
图6A描述了光激发光学开关120的实施例，其包括信号通道122、压电元件124和邻近该压电元件124的传导层126。信号通道122和压电元件124与上述类似，尽管压电元件124不必包括具有不同压电特性的压电材料的不同层。传导层126是高传导材料，例如铅、钨、其它金属、掺杂有硼的硅、掺杂有砷的硅、掺杂的镓砷和/或其它半导体材料。按照一实施例，将传导层126粘结到压电元件124的表面。例如，可以使用金属沉积技术将传导层126沉积到压电元件124的主要表面上。按照可选的实施例，传导层126由具有能够移动的正或者负电荷的半导体材料形成，而不是仅负电荷。
现在参照图6A和6B描述图6A的光学开关120的工作。图6A说明了处于非激发状态下的压电元件124。在非激发状态下，压电元件124的形状与其正常状态相比没有变化，其中压电元件124的正常状态是指没有激发光时该元件的状态。在图6A的实施例中，压电元件124在非激发状态下基本上是平整的。压电元件的平整形状允许信号光128通过由进入和离开信号通道122的信号光128表明的信号通道122。
图6B说明了处于激发状态下的压电元件124，该激发状态通过向压电元件124施加激发光129而产生。在图6B的实施例中，通过将激发光129以与信号光128平行的方式导入到信号通道122中来将激发光129施加到压电元件124。当将激发光129施加到压电元件时，自由电子被吸引到距离压电元件124最近的传导层126的表面。在激发状态下，压电元件124的形状改变得足够大，以阻挡信号光128通过信号通道122。信号光128的阻挡通过没有离开信号通道122的信号光128来表明。与传导层126相关联的位于压电材料附近的额外电子使施加到压电元件124的压电材料的电场增加。该与传导层126相关联的电场的增加提供如下优点：例如增加了压电元件124形状变化的幅度、增加了压电元件124改变形状的速度、和/或减小实现期望的形状变化所需的激发光的量。
图7说明了激发光129的电场130对图6A和6B的传导层126的电子的作用。在图7中，表面132是最接近激发光129的传导层126的表面，而表面134是最远离激发光129的传导层126的表面。图7中的梳状结构代表在传导层126影响下的电场。该梳状结构的每一个齿136代表一部分电场并且一些齿在其端部具有宽的延伸138。这些宽的延伸138代表由在邻近压电元件124的传导层126中移动的电荷产生的较大场。由虚线140表示对激发光129的电场做出响应而移动的电荷。当电场是负的时，传导层126中的电荷被驱动而远离传导层的附近表面132并且增强该负场。当电场是正的时，传导层中的电荷来到传导层的附近表面132并且增强该电场。如果传导层126不存在，则由于压电材料不是导体而是介电材料，将没有电荷移动。参照图7，如果去除传导层126而仅留下压电元件(未示出)，则梳状结构上的齿136将不具有位于其上的延伸138。
图8描述了光学开关系统150，其包括如上面参照图1A-7描述的光激发光学开关152。图8的光学开关系统150还包括激发光系统154，其包括激发光源156和激发光控制器158。该光学开关系统150被光学地连接到信号光源160以接收信号光161。在图8的实施例中，经由信号光路径162向光学开关152提供信号光161，并且经由激发光路径164和信号光路径162向光学开关152提供激发光163。在耦合器166处组合信号光161和激发光163。光学开关152的输出通过输出路径168。
激发光系统154控制激发光163到光学开关152的压电元件(未示出)的施加。在图8的实施例中，激发光源156是诸如产生具有期望特性的激发光的发光二极管(LED)或激光器的光源，该期望特性例如是期望的波长、强度、激发光相对于信号通道中的其它光的相位、以及极性，并且激发光控制器158控制来自激发光系统的激发光163的传输。按照一实施例，激发光163的强度必须足够大，以充分地改变光学开关152的压电元件的形状，并且按照一实施例，激发光163的强度大于信号光161的强度。激发光163的波长可以比信号光161的波长更短或者更长。如上所述，如果激发光163的波长足够短，则即使在激发压电元件并且阻挡信号光163的情况下，激发光163也可以通过信号通道。
可以配置激发光系统154以按照许多不同的方式向光学开关152提供激发光163。例如，按照一实施例，由第二光激发光学开关来对激发光163进行开关切换，在另一实施例中，改变镜的角度来提供激发光163，在另一实施例中，打开/关闭LED或者激光器，并且在其它实施例中，可以采用其它开关来控制激发光163。信号光源160产生通过光学开关152进行开关切换(即，允许通过光学开关152和阻挡通过光学开关152)的信号光161。按照一实施例，信号光源160是光学发射机，其通过调制光学信号(例如，频率和幅度调制)来发送数字数据。按照一实施例，由信号光源160输出的信号光161是按照某一方式(例如，幅度或者频率调制、逻辑等)传输数字信号的光学信号，而由激发光源156输出的激发光163不传输数字数据。例如，信号光161可以按照调制光格式承载数字数据，而激发光163不被调制来承载数字数据。
在工作中，经由信号光源160将信号光161提供到光学开关152，并且通过激发光系统154控制激发光163到光学开关152的压电元件的施加。按照一实施例，当激发光系统154不向光学开关152提供激发光163时，信号光161通过光学开关152，而当激发光系统154向光学开关152提供激发光163时，阻挡信号光161通过光学开关152。
在参照图1A-6B描述的光学开关中，信号光和激发光在相同的信号通道中传输。可以使用各种技术来将信号光和激发光组合到相同的信号信道中。图9描述了光学开关152以及用于将信号光161和激发光163耦合到相同信号通道122中的光学耦合器166的实施例。在图9的实施例中，信号光161在诸如信号纤维的信号光路径162中传输，而激发光163在诸如激发纤维的激发光路径164中传输。通过光学耦合器166将信号光161和激发光163耦合到信号通道122中。应该意识到，尽管在图9的实施例中示出了光学耦合器，但是也可以使用将信号光161和激发光163耦合到相同信号信道122中的其它适合的技术。
图10A-10E描述了上面参照图1A-9描述的光激发光学开关的不同实施例。图10A描述了光激发光学开关170的实施例，其中压电元件172包括具有不同压电特性的多于两层的压电材料层174。在图10所示的实施例中，压电元件172具有四个压电材料层174。按照一实施例，不同层174的压电材料各具有不同的压电特性，并且按照另一实施例，不同层的压电材料具有交替的压电特性。应该理解，压电层174的数量和排列可以包括许多不同的变型。
图10B描述了光激发光学开关176的实施例，其中传导层178夹置在压电元件182的两个层180之间。该实施例允许通过在传导层178上放置电荷来取向压电元件182，并且由于压电层180邻近传导层178，使压电元件182的每一层的形状变化增强。
图10C描述了光激发光学开关184的实施例，其中多个传导层185夹置在压电元件187的多个不同层186之间。在该示例中，在压电元件187的不同层186之间交替粘结传导层185。通过向传导层185施加电荷，位于压电层186之间的传导材料的多个层185允许压电材料的每一层186被单独极化为不同的取向。这能够使压电层186彼此相反地工作以加强压电元件187的形状变化。
通常，多个传导层可以管理压电元件的滞后。多个传导层可以使压电元件为了改变压电材料取向而必须上升到的温度减小。多个传导层可以增强压电元件的形状变化。多个传导层允许管理光学开关的许多机械、电、热以及其它物理特性以使得该光学开关更加容易构建、维护和使用。按照一实施例，将压电材料的不同层以及导电层形成为单个叠置结构。该单个叠置结构可以例如使用已知的半导体处理技术形成，该已知的半导体处理技术例如是晶体生长、金属沉积、溅射、离子植入等。
在一些情况下，压电元件的滞后会限制由压电元件制造的光激发光学开关如何快速地从一种状态改变到另一种状态。按照一实施例，在衬底上沉积3000埃厚的锆钛酸铅(PZT)层。该PZT层具有给定百分比的铅以及给定百分比的锆和钛。接下来，在该第一层上沉积3000埃厚的PZT层，该层具有更多的铅和锆而减小位于其顶部的钛的百分比。使用这些层，与不包括类似层的压电元件相比，减小了所产生的压电元件显示的滞后。如果沉积更多的交替层来构建压电元件，则可以制造快速响应的压电元件。如果将所有这些沉积在传导层上，则增强了激发光的电场以制造响应更快的光激发光学开关。
图10D描述了光激发光学开关188的实施例，其包括位于信号通道190的一侧上的多层压电元件189以及位于信号通道190的两侧上的传导层191。通过多个传导层191增强开关的响应。
图10E描述了光激发光学开192的实施例，其包括位于信号通道198两侧上的多层压电元件194和传导层196。按照一实施例，图10E代表光纤的截面图，该光纤包括形成为完全围绕该光纤周围的带的压电元件和传导层。按照该实施例，该纤维是可压缩材料。
图11A描述了光激发光学开关200的实施例，其包括信号通道202、压电元件204以及传导层206，其中信号通道的一部分包括填充有可压缩材料的腔208。该可压缩材料例如可以是诸如氩和氮的气体，或者是诸如石油馏出物或者硅橡胶的材料。填充有可压缩材料的腔208邻近压电元件204，使得在通过激发光激发该压电元件204时，该压电元件204能够膨胀到该腔208中。按照一实施例，压电元件204形成腔208的一部分。按照一实施例，腔204的至少一部分由透明材料形成。
现在参照图11A和11B来描述图11A所述的光学开关200的工作。图11A说明了处于非激发状态下的压电元件204。在非激发状态下，压电元件204的形状与其正常状态相比没有改变，其中该压电元件204的正常状态是没有激发光存在时该元件的状态。在图11A的实施例中，压电元件204在非激发状态下基本上是平整的，并且不突出到腔208中。压电元件204的平整形状允许信号光210通过由进入和离开信号通道202的信号光210表明的信号通道202(包括腔208)。
图11B说明了处于激发状态下的压电元件204，该激发状态通过向压电元件204施加激发光212而产生。在图11B的实施例中，通过将激发光212以与信号光210平行的方式导入到信号通道202中来向压电元件204施加激发光212。当将激发光212施加到压电元件204时，压电元件204突出进入到腔208，从而压缩位于腔内的可压缩材料。在激发状态下，压电元件204的形状改变得足够大，以阻挡信号光210通过信号通道202。信号光210的阻挡通过不存在离开信号通道202的信号光210来表明。当从信号通道202去除激发光212时，压电元件204返回到允许信号光210通过的正常状态。在没有激发光212时，腔208内的压缩材料的压力有助于压电元件204返回到其正常状态。
图12A描述了光激发光学开关220的实施例，其包括信号通道222、压电元件224和邻近压电元件的传导层226，其中信号通道222是光纤并且压电元件224和传导层226形成为完全围绕光纤周围的带。图12A说明了处于非激发状态下的压电元件224。在非激发状态下，压电元件224的形状与其正常状态相比没有改变，其中该压电元件224的正常状态是没有激发光存在时该元件的状态。在图12A的实施例中，压电元件224在非激发状态下基本上是平整的。压电元件224的平整形状允许信号光230通过由进入和离开信号通道222的信号光230表明的信号通道222。图12B说明了处于激发状态下的压电元件224，该激发状态通过向压电元件224施加激发光232而产生。在图12B的实施例中，通过将激发光232以与信号光230平行的方式导入到信号通道222中来向压电元件224施加激发光232。在激发状态下，压电元件224的形状改变得足够大，以阻挡信号光230通过信号通道222。例如，压电元件224的形状变化具有挤压类似于带子的光纤的效果，以阻塞信号光230的通路。信号光210的阻挡通过不存在离开信号通道222的信号光230来表明。一旦从信号通道222去除激发光232，压电元件224返回到其正常状态，并且信号光230能够再次通过信号通道222。
图13A描述了光激发光学开关240的实施例，其包括信号通道242、压电元件244和邻近压电元件244的传导层246，其中压电元件244由透明材料制成并且形成信号通道242的至少一部分。图13A说明了处于非激发状态下的压电元件244。在非激发状态下，压电元件244的形状与其正常状态相比没有改变，其中该压电元件244的正常状态是没有激发光存在时该元件的状态。在图13A的实施例中，压电元件244在非激发状态下基本上是平整的。压电元件244的平整形状允许信号光250通过由进入和离开信号通道242的信号光250表明的信号通道242。图13B说明了处于激发状态下的压电元件244，该激发状态通过向压电元件244施加激发光252而产生。在图13B的实施例中，通过将激发光252以与信号光250平行的方式导入到信号通道242中来向压电元件244施加激发光252。在激发状态下，压电元件244的形状改变得足够大，以阻挡信号光250通过信号通道242。例如，压电元件244的形状变化具有挤压类似于带子的信号通道242的效果，以阻塞信号光250的通路。信号光250的阻挡通过不存在离开信号通道242的信号光250来表明。一旦从信号通道242去除激发光252，压电元件244返回到其正常状态，并且信号光250能够再次通过信号通道242。
按照一实施例，压电元件和信号通道相对彼此配置，以使得激发光的施加改变光学开关从关(阻挡光)到开(光通过信号通道)的状态，而不是从开到关的状态。
一些压电材料具有晶体取向，其必须与要使其改变形状的电场对准。其它压电材料可以被在磁场中加热和取向以沿着将要施加的电场的期望方向做出响应。在构建光激发光学开关时，应该导向压电材料的晶体取向或者磁取向以在与信号通道中的信号光方向成直角(即垂直)处具有最大的形状变化。按照一实施例，触发该切换的电场与光通道中的光路径成直角(即垂直)。
下面描述期望的相互作用。使用通道中光的功率瓦数来计算激发光激发光学开关所需的电场伏特数。使用坡印廷(Poynting)向量等式E＝(2μ0cP)1/2来进行该计算。其中μ0是4π×10E-7韦伯/安培-米，c是3×10E+8米/秒，E是电场伏特，并且P是功率瓦。使用该关系可以发现，在四分之一微米通道中150毫瓦信号产生的电压是10伏特。按照一实施例，采用该电压激发光触发光学开关以打开或者关闭该开关(例如，允许信号光通过该信号通道或者阻挡该信号光通过该信号通道)。10伏特能够产生的尺寸变化的示例如下：在高度为2065埃的通道中，当使用锆钛酸铅时，10伏特将改变尺寸40埃。锆钛酸铅具有3.90×10E-10米/伏特的压电应变系数。通常用于光纤的818nm光(8180埃)将能够在比2045埃稍大的通道中传播并且不会在更小的通道中传播。当2065埃通道改变到2014埃时，将阻挡信号光。8056埃或者更短波长的光将仍然能够通过该信号通道。可以按照10E-11秒或者更快的速度打开或者关闭该光激发光学开关。其利用光的电磁场对光从其中经过的介质所具有的效果。用于波导内侧的信号衰减(A)的等式将给出对于该信号传播每米的衰减分贝，该等式为：
A＝(K/a3/2)((1/2)(f/f0)3/2+(f/f0)-1/2)/((f/f0)2-1)-1/2等式(1)
K是制造该通道的壁所使用的材料的常数；对于铅而言，K的值是821.3。由于按照一实施例，仅有光学开关的一个壁几乎是铅，该光学开关不会精确地符合图3的曲线图，但是该曲线图只是用于说明目的。等式中的小写字母“a”是波导的侧面长度。所考虑的信号频率(f)与通道中的截止频率(f0)成反比。该等式用于波传播的TE0，1模式。按照一实施例，选择波导的尺寸以使得其是唯一的可能模式。由于该关系研究用于缩减对于给定信号的波导尺寸，因此随着信号通道尺寸的缩减，衰减增加并且在达到截止频率时变为无穷大。该等式在由Frederick Terman撰写并且由McGraw-Hill Book Company公司于1943年出版的Radio Engineers’Handbook第263页中有所描述。
现在参照图14A，其说明了光学开关300，该开关包括信号通道302以及多个压电元件，该多个压电元件优选沿着信号通道302的长度不均匀地间隔开。在所示的实施例中，沿着信号通道302的长度分布三个大致矩形的压电元件304，305和306，并且这些元件之间具有非均匀的间隔。通过激发光来控制压电元件304，305和306的形状。信号通道302沿着定义的路径在限定的区域内引导光的传输。通过光导结构或者能够沿着定义的路径在限定的区域内引导光的结构组合来形成该信号通道302。能够形成信号通道的结构例如包括光纤、诸如铌酸锂或者包括信号通道，光波导和用于保持可压缩材料的腔的其它透明压电材料的衬底。在图14A的实施例中，优选地通过单个光导元件来形成信号通道302。
压电元件304，305和306优选由压电材料形成。能够用于形成压电元件的压电材料的示例包括诸如石英(SiO2)、铌酸锂(LiNbO3)、锆酸铅(PbZrO3)、钛酸铅(PbTiO3)和锆钛酸铅的结晶压电材料。能够在磁场中被取向的压电材料的示例是锆酸铅、钛酸铅或者锆钛酸铅。石英和铌酸锂是透明压电材料的示例。
优选地，每一个压电元件304，305和306至少包括两个具有不同压电特性的压电材料层307和308。不同层307和308的不同压电特性可以例如包括：1)对相同电场做出响应的不同膨胀和/或收缩程度；2)对相同电场的不同响应，例如具有第一取向的一层对电场做出响应而膨胀，具有垂直于第一取向的第二取向的另一层对电场做出响应而膨胀；3)不同的极性；4)不同的应变；5)不同的滞后；6)不同的电容；7)不同的阻抗；8)不同的电阻系数；9)不同的热史；以及10)不同的电磁史。
现在参照图14B描述图14A所示的光学开关300的工作。图14A说明了处于非激发状态下的压电元件304，305和306。在非激发状态下，压电元件304，305和306的形状与其正常状态相比没有改变，其中该压电元件304，305和306的正常状态是没有激发光时该元件的状态。在图14A的实施例中，该压电元件304，305和306在非激发状态下基本上是平整的。压电元件304，305和306的平整形状允许信号光310通过由进入和离开信号通道302的信号光310所表明的信号通道302。
图14B说明了处于激发状态下的压电元件304，305和306，该激发状态通过向压电元件304，305和306施加激发光312而产生。在图14B的实施例中，通过将激发光312以与信号光310平行的方式导入到信号通道302中来向压电元件304，305和306施加激发光312。激发光312提供影响压电材料的电场。在激发状态下，压电元件304，305和306的形状改变得足够大，以阻挡信号光310通过信号通道302。信号光310的阻挡通过不存在离开信号通道302的信号光310来表明。一旦从信号通道302去除激发光312时，压电元件304，305和306返回到其正常状态，并且信号光310能够再次通过信号通道302。
如上所述，压电元件304，305和306对激发光312做出响应的激发使压电元件304，305和306的形状改变，从而使信号通道302的至少一个尺寸改变。图15A是图14A的信号通道302和压电元件305的截面图，其中压电元件305处于非激发状态。图15B是图14B的信号通道302和压电元件305的截面图，其中压电元件305处于激发状态。在激发状态下，压电元件305延伸到信号通道302中并且减小信号通道302的至少一个尺寸。如图15A和15B所示，信号通道302的截面面积在激发状态下(图15B)比在非激发状态下(图15A)小。
从图14A-15B的实施例可以看出，即使在压电元件304，305和306处于激发状态时，信号通道302中仍然存在开口。尽管即使在压电元件304，305和306处于激发状态时信号通道302中仍然存在开口，但是该信号通道302中的开口足够小，从而阻挡信号光310通过信号通道302。信号光310通过信号通道302的能力与信号通道302的尺寸以及信号光310的波长有关。通常，具有较短波长的光比具有较长波长的光能够通过具有更小尺寸的信号通道302。
现在参照图16A，其说明了光学开关400，该开关包括信号通道402以及多个压电元件，该多个压电元件优选沿着信号通道402的长度不均匀地间隔开。在所示的实施例中，沿着信号通道402的长度分布四个大致为圆柱形的压电元件404，405，406和407，并且其间具有非均匀的间隔。通过激发光来控制压电元件404，405，406和407的形状。信号通道402沿着定义的路径在限定的区域内引导光的传输。通过光导结构或者能够沿着定义的路径在限定的区域内引导向的结构组合来形成该信号通道402。能够形成信号通道的结构例如包括光纤、诸如铌酸锂或者包括信号通道，光波导和用于保持可压缩材料的腔的其它透明压电材料的衬底。在图16A的实施例中，优选地通过单个光导元件来形成信号通道402。
压电元件404，405，406和407优选由压电材料形成。能够用于形成压电元件的压电材料的示例包括诸如石英(SiO2)、铌酸锂(LiNbO3)、锆酸铅(PbZrO3)、钛酸铅(PbTiO3)和锆钛酸铅的结晶压电材料。能够在磁场中被取向的压电材料的示例是锆酸铅、钛酸铅或者锆钛酸铅。石英和铌酸锂是透明压电材料的示例。
优选地，每一个压电元件404，405，406和407至少包括两个具有不同压电特性的压电材料层408和409。该不同层的不同压电特性可以例如包括：1)对相同电场做出响应的不同膨胀和/或收缩程度；2)对相同电场的不同响应，例如具有第一取向的一层对电场做出响应而膨胀，具有垂直于第一取向的第二取向的另一层对电场做出响应而膨胀；3)不同的极性；4)不同的应变；5)不同的滞后；6)不同的电容；7)不同的阻抗；8)不同的电阻系数；9)不同的热史；以及10)不同的电磁史。
现在参照图16B描述图16A所示的光学开关400的工作。图16A说明了处于非激发状态下的压电元件404，405，406和407。在非激发状态下，压电元件404，405，406和407的形状与其正常状态相比没有改变，其中该压电元件404，405，406和407的正常状态是没有激发光时该元件的状态。在图16A的实施例中，该压电元件404，405，406和407在非激发状态下基本上是平整的。压电元件404，405，406和407的平整形状允许信号光410通过由进入和离开信号通道402的信号光410所表明的信号通道402。
图16B说明了处于激发状态下的压电元件404，405，406和407，该激发状态通过向压电元件404，405，406和407施加激发光412而产生。在图16B的实施例中，通过将激发光412以与信号光410平行的方式导入到信号通道402中来向压电元件404，405，406和407施加激发光412。激发光412提供影响压电材料的电场。在激发状态下，压电元件404，405，406和407的形状改变得足够大，从而阻挡信号光410通过信号通道402。信号光410的阻挡通过不存在离开信号通道402的信号光410来表明。一旦从信号通道402去除激发光412时，压电元件404，405，406和407返回到其正常状态，并且信号光410能够再次通过信号通道402。
如上所述，压电元件404，405，406和407对激发光4312做出响应的激发使压电元件404，405，406和407的形状改变，从而使信号通道402的至少一个尺寸改变。图17A是图16A的信号通道402和压电元件406的截面图，其中压电元件406处于非激发状态。图17B是图16B的信号通道402和压电元件406的截面图，其中压电元件406处于激发状态。在激发状态下，压电元件406延伸到信号通道402中并且减小信号通道402的至少一个尺寸。如图17A和17B所示，信号通道402的截面面积在激发状态下(图17B)比在非激发状态下(图17A)小。
从图16A-17B的实施例可以看出，即使在压电元件404，405，406和407处于激发状态下，信号通道402中仍然存在开口。尽管即使在压电元件404，405，406和407处于激发状态下信号通道402中仍然存在开口，但是该信号通道402中的开口足够小，从而阻挡信号光410通过信号通道402。信号光410通过信号通道402的能力与信号通道402的尺寸以及信号光410的波长有关。通常，具有较短波长的光比具有较长波长的光能够通过具有更小尺寸的信号通道402。
现在参照图18A，其说明了光学开关500，该开关包括信号通道502以及多个压电元件，该多个压电元件优选沿着信号通道502的长度不均匀地间隔开。在所示的实施例中，沿着信号通道502的长度分布三个大致为椭圆柱形的压电元件504，505和506，并且其间具有非均匀的间隔。通过激发光来控制压电元件504，505和506的形状。信号通道502沿着定义的路径在限定的区域内引导光的传输。通过光导结构或者能够沿着定义的路径在限定的区域内引导光的结构组合来形成该信号通道502。能够形成信号通道的结构例如包括光纤、诸如铌酸锂或者包括信号通道，光波导和用于保持可压缩材料的腔的其它透明压电材料的衬底。在图18A的实施例中，优选通过单个光导元件来形成信号通道502。
压电元件504，505和506优选由压电材料形成。能够用于形成压电元件的压电材料的示例包括诸如石英(SiO2)、铌酸锂(LiNbO3)、锆酸铅(PbZrO3)、钛酸铅(PbTiO3)和锆钛酸铅的结晶压电材料。能够在磁场中被取向的压电材料的示例是锆酸铅、钛酸铅或者锆钛酸铅。石英和铌酸锂是透明压电材料的示例。
优选地，每一个压电元件504，505和506至少包括两个具有不同压电特性的压电材料层507和508。不同层507和508的不同压电特性可以例如包括：1)对相同电场做出响应的不同程度的膨胀和/或收缩；2)对相同电场的不同响应，例如具有第一取向的一层对电场做出响应而膨胀，具有垂直于第一取向的第二取向的另一层对电场做出响应而膨胀；3)不同的极性；4)不同的应变；5)不同的滞后；6)不同的电容；7)不同的阻抗；8)不同的电阻系数；9)不同的热史；以及10)不同的电磁史。
压电材料的压电特性例如与下述相关：1)压电材料的类型；2)压电材料的晶体取向；3)压电材料内的掺杂级别；4)压电材料的密度；5)压电材料的空隙密度；6)压电材料的化学构成；7)压电材料的热史；8)压电材料的电磁史。压电材料的每一层的期望压电特性可以例如通过控制上述参数中的一个或者多个来实现。
优选地，将对相同电场做出响应而表现出不同程度的膨胀和/或收缩的压电材料层集成到压电元件中以使该压电元件对激发光做出响应而改变形状或者弯曲。例如，如果彼此粘结为单个元件的压电元件的两个邻近层对相同激发光做出响应而膨胀不同的量，则该压电元件将弯曲。按照一实施例，压电元件包括具有不同压电特性的压电材料的形成为单个元件的至少两层。例如，通过使用半导体处理技术在彼此的顶部上构建压电材料层来形成压电元件，该半导体处理技术例如是晶体生长、沉积、溅射、离子植入等。按照一实施例，压电元件的层具有不同的晶体取向，以使得两个层对相同的电场做出不同的响应。例如，两个层具有彼此垂直的晶体取向。按照另一实施例，压电元件的至少一个层由有机材料制成。
通过使用具有包括不同压电特性的压电材料层的压电元件，能够选择该压电元件的响应以优化开/关切换。例如，可以选择该层的压电特性以：1)使压电元件对激发光做出响应的形状变化最大化；2)使滞后最小化；3)减小改变压电元件形状所需的功率量；以及4)减小由切换技术产生的热量。
现在附加参照图18B来描述图18A所描述的光学开关500的工作。图18A说明了处于非激发状态的压电元件504，505和506。在非激发状态下，压电元件504，505和506的形状与其正常状态相比没有改变，其中该压电元件504，505和506的正常状态是没有激发光时该元件的状态。在图18A的实施例中，该压电元件504，505和506在非激发状态下基本上是平整的。压电元件504，505和506的平整形状允许信号光510通过由进入和离开信号通道502的信号光510所表明的信号通道502。
图18B说明了处于激发状态的压电元件504，505和506，该激发状态通过向压电元件504，505和506施加激发光512而产生。在图18B的实施例中，通过将激发光512以与信号光510平行的方式导入到信号通道502中而将该激发光512施加到该压电元件504，505和506。该激发光512提供影响压电材料的电场。在激发状态下，压电元件504，505和506的形状改变得足够大以阻挡信号光510通过信号通道502。通过没有信号光510离开信号通道502来表明信号光510的阻挡。一旦从信号通道502去除激发光512，该压电元件504，505和506返回到其正常形状并且信号光510能够再次通过信号通道502。
如上所述，压电元件504，505和506对激发光512做出响应的激发使压电元件504，505和506的形状改变，从而使信号通道502的至少一个尺寸改变。图19A是在压电元件处于非激发状态下时图18A的信号通道502和压电元件505的截面图。图19B是在压电元件处于激发状态下时图18B的信号通道502和压电元件505的截面图。在激发状态下，压电元件505延伸到信号通道502中并且减小信号通道502的至少一个尺寸。如图19A和19B所示，处于激发状态下(图19B)的信号通道502的截面面积比处于非激发状态下(图19A)的信号通道502的截面面积小。
从图18A-19B的实施例可以看出，即使在压电元件504，505和506处于激发状态下时，信号通道502中仍然存在开口。尽管即使在压电元件504，505和506处于激发状态下时信号通道502中仍然存在开口，但是该信号通道502中的开口足够小，从而阻挡信号光510通过信号通道502。信号光510通过信号通道502的能力与信号通道502的尺寸以及信号光510的波长有关。通常，具有较短波长的光比具有较长波长的光能够通过具有较小尺寸的信号通道。
应该意识到，使用三个逻辑门可以实现所有的计算机逻辑。这三个逻辑门是与、或以及或非逻辑门。这些按照使用真值表描述的具体方式来处理数字信号。当将指定信号输入到门中时，真值表给出将要从该门输出的信号。
  输入A   输入B   与输出
  0   0   0
  0   1   0
  1   0   0
  1   1   1
表1
表1是对于逻辑与门的真值表。A和B输入栏中的1表明数字信号脉冲正在输入到该门中。输入可以进入到A输入或者B输入。只有当在A输入和B输入上都存在输入信号时，才从与门产生输出脉冲。
  输入A   输入B   或输出
  0   0   0
  0   1   1
  1   0   1
  1   1   1
表2
表2是对于逻辑或门的真值表。当在A输入和B输入的任意一个上或者在上述二者上存在输入信号时，从该或门产生输出脉冲。
  输入A   输入B   或非输出
  0   0   1
  0   1   0
  1   0   0
  1   1   0
表3
表3是对于逻辑或非门的真值表。只有在A输入和B输入上都不存在输入信号时，才在该或非门上产生输出脉冲。或非门通常被解释为或门以及位于其输出上的非门。
逻辑非门接收信号并且将其转变为其反的形式。当有信号进入时，不发送出信号，并且当没有信号进入时，发送出信号。
在当前的计算机电路中，可以使用三个晶体管来形成用于电子数字信号的逻辑与门或者逻辑或门。在当前的计算机电路中，可以使用四个晶体管来形成逻辑或非门。晶体管按照10E-9秒进行切换。这决定了可以使计算机运行得多快。当前的计算机通过电子数字信号流而非光信号流进行操作。光信号也被称为光学或者光子信号。
本发明包括基于光纤开关的与、或以及或非逻辑门，该光纤开关通过光致动并且不通过电信号或者晶体管电路致动。它们不需要电池，并且如果选择了正确的开关，可以使门做得相对于半导体尺寸限制来说足够小。专利号为7,072,536的美国专利公开了光致动光学开关的一个示例，在此结合其全部内容作为参考。尽管说明了光致动光学开关的一个示例，但是可以使用其它类型的光致动光学开关来形成逻辑门。
按照本发明的实施例，承载用于该逻辑的数字信息的光是在当前光纤通道中通常使用的1500nm波长信号。通过使用使该输入信号的频率成倍的周期性极化反转铌酸锂(PPLN)晶体可以将该信号改变为750nm信号。该频率成倍使该信号的波长为初始波长的一半。这种到波长一半的变化只是作为PPLN的一个示例。也可以使用其它波长和方式。
利用不同的配置，PPLN晶体也可以根据750nm光来产生1500nm波长光。通常，PPLN元件仅用于特定波长并且不同时用于其它波长。在这些转换期间会损失功率，但是可以使用光学放大器来将该信号提升回到必要的级别。对于本公开，所需要的功率提升将包括在频率成倍功能中。
光可以与具有180异相的光位于光纤通道中，并且将不表示该光的电场。与其具有180度异相的光抵消了该光的功率。
现在参照图20，其是用于光纤系统的逻辑非门600的示意图。在图20中，诸如光纤的光学通道601引入逻辑门600所需的1500nm信号。诸如光纤的光学通道603引入将通过逻辑非门600改变的1500nm信号。波长减小器605使进入信号的频率成倍，以将其转换为750nm信号，并且在其中已经结合了制备在完成频率转换之后有用的信号所需的任何光学放大功能。光学通道601接合波长减小器605的输出并且进入光学开关607。光学开关607是上述的光致动光学开关。光学开关607将允许1500nm信号输出，直到750nm信号来自波长减小器605。当750nm信号来自波长减小器605时，没有信号从光学开关607输出。光学通道609提供来自该逻辑非门600的输出信号。只要在没有信号输入到光学通道603时，才提供输出信号，因而提供逻辑非门。
现在参照图21，其是逻辑与门610的示意图。诸如光纤的光学通道611向光学开关612提供较高频率波长信号以致动开关612。光学通道611接合其它光纤通道，以在通过相位匹配器616使光学通道611中的光的相位匹配进入沿着光学通道614提供到逻辑与门610的第一逻辑输入端的光之后进入光学开关612。光学通道614进行划分，使一半的光进入波长减小器618，然后到达相位匹配器616，并且与其它光学通道接合以提供输入至光学开关612。将光学通道614中的光的另一半直接输入到光学开关612。
第二逻辑输入端沿着光学通道620提供到逻辑与门610。光学通道620进行划分，使一半的光进入波长减小器622，然后到相位匹配器624，并且与其它光学通道接合以提供到光学开关612的输入。将光学通道614中的光的另一半直接输入到光学开关612。
光学通道626接合其它光纤通道以在通过相位匹配器624使光学通道626中的光的相位匹配在光学通道620上的第二逻辑输入端的光之后进入光学开关612。沿着光学通道628提供逻辑与门610的输出，并且提供如表1所示的与功能。
提供移相器629以使得来自光学通道614和620的输入相互异相180度。因而，当沿着两个光学通道614和620输入光时，光学开关612将打开并且提供输出信号，而当光仅输入到通道614和620中的一个时，光学开关612将关闭并且不会提供输出信号。应该意识到，当没有光输入到通道614或者620时，不会提供输出信号。
因而，本发明提供一种逻辑与门，其中将进入第一和第二数据输入的数字信号光划分为两个通道，其中一个通道的波长被缩短并且相位被匹配到开关激发信号。此外，在相位匹配到进入该光学开关的较短波长信号的激发光提供到逻辑与门，并且只有在两个输入端都接收到数据信号从而满足逻辑与门的需求时，该逻辑与门才打开以使数据信号输出该与门。
现在参照图22，其是使用两个光激发光学开关632和634来处理数字光信号数据的逻辑与门630的示意性说明。沿着光学通道636将1500nm光的第一逻辑输入端信号提供到逻辑与门630，并且沿着光学通道638将1500nm光的第二逻辑输入端信号提供到逻辑与门630。诸如光纤的第一光学通道640向光学开关632提供1500nm光的致动信号，并且第二光学通道642向光学开关634提供1500nm光的致动信号。
第一和第二波长减小器642和646使1500nm光的频率成倍以使其变为750nm光。在将频率成倍之后，也将功率提升到激发光激发光学开关所需的级别。设计光学开关以利用150毫瓦激发光功率进行激发。沿着光学通道647将通过波长减小器642和646输出的数字光信号的一半提供到光吸收器648。从波长减小器642和646输出的光信号的另一半与输入到光学通道640的光学信号接合，这是使逻辑与门630工作所需要的。光学开关632将允许光学通道640上的1500nm信号通过该光学开关，直到足够强以关闭其的750nm信号输入到光学通道650为止。这将在1500nm信号进入到光学通道636和638上的门时发生。光学通道652将来自开关632的输出信号提供到波长减小器654。波长减小器654使沿着光学通道652通过光学开关632输出的1500nm信号的频率成倍。
光学通道642将1500nm信号提供到逻辑与门630并且将其与波长减小器654的输出接合。只要没有信号经由波长减小器654从光学开关632输出，光学开关634就允许来自光学通道642的1500nm信号离开该开关。
当仅存在进入到光学通道636和638其中之一的信号时，输入到光学开关632的750nm信号不足以使开关632闭合并且停止来自光学通道640的1500nm光流。当在光学通道6326和638上都提供信号时，该信号足以截止来自光学通道640的1500nm信号。
只要从开关632输出来自光学通道640的信号，就不会从光学开关634提供信号。
只有在光学通道636和638上都提供1500nm信号时，来自光学通道640的源光才会被光学开关632截止，并且只有这样，由光学通道642提供的输入才从开关634输出，因而提供逻辑与门，只有在光学通道636和638上都提供1500nm信号时，才存在1500nm光的输出。该逻辑与门按照表1工作。
应该意识到，提供到一半波长的变化只是一个示例。也可以使用其它波长和方式。
因而，本发明提供一种逻辑与门，其中直接缩短两个输入信号的波长并且对其进行划分以提供用于激发光学开关的光。还提供一种逻辑与门，其中一旦发送提供到第二光学开关的数据波长信号的数据信号进入到该门的两个输入，具有被缩短波长的光就致动该开关。将输出信号的波长增加为用于第二光学开关的致动信号，这确保了只有在两个输入都进入到该门的两个数据端口时数据信号才离开该逻辑与门，从而满足了逻辑与门的需求。
现在参照图23，其是逻辑或门700的示意性说明。沿着光学通路702将1500nm光的第一逻辑输入端信号提供到逻辑或门700，并且沿着光学通路704将1500nm光的第二逻辑输入端信号提供到逻辑与门700。光学通道706提供馈入光学开关708的750nm光源。光学开关708将保持闭合并且不提供输入1500nm信号，直到取消来自光学通道706的750nm信号。
第一和第二波长减小器710和712使沿着光学通道702和704提供的1500nm信号的频率成倍以变为750nm信号。集成到该器件中的光学放大器将该频率变化中损失的功率再次提升到有用级别。
光学通道714承载从波长减小器710输出到相位匹配器716的750nm信号。相位匹配器716使沿着光学通道714进入的750nm信号的相位与沿着光学通道706的750nm光的源信号同相。
光学通道718提供从波长减小器712到相位匹配器720的输出。相位匹配器720使沿着光学通道718的信号相位与沿着光学通道706的750nm光的源信号同相。
光学通道722和724分别将来自相位匹配器716和720的光的一半提供到光吸收器726和728。移相器730是半波长路径，其使来自光学通道702和704的信号与已经专门进行了相位匹配的来自光学通道706的光异相180度。当它们与沿着光学通道706的光混合时，将抵消其一半。
光学通道732承载来自相位匹配器720的750nm源光，并且将其与来自移相器730和光学通道740的信号接合，其是将从开关708流出的1500nm光源，直到具有足够功率的信号从光学通道706进入以使其关掉。沿着光学通道742从开关708输出该信号，因而提供逻辑或门。
只要来自光学通道706的750nm光源馈入开关708，来自光学通道740的1500nm光源的信号就不会被允许流出逻辑或门，但是如果有信号进入光学通道702或者704，来自光学通道706的光就会被取消一半功率并且将允许1500nm信号流出逻辑非门。
此外，如果在光学通道702和704上都提供信号，则它们将具有足够的总功率来完全抵消来自光学通道706的750nm光源，从而通过逻辑或门700提供输出信号。
最后一段解释了在此公开的逻辑或门如何满足表2中的逻辑或门真值表的需求。当沿着光学通道702或者704或者上述二者提供信号时，1500nm信号就会流出逻辑或门700。
通过在图23所描述的逻辑或门的输出上提供如图20所示的逻辑非门，可以实现逻辑或非门，其将按照表3的真值表进行工作。
现在参照图24，其是可选的逻辑或门800。线路802和804是提供进入该门中的光学数字信号A和B的光学通道或者光纤。这些是1500nm光信号。线路806和807是用作逻辑或门功能的1500nm光源。
波长减小器808和810是频率成倍器，其也在频率被成倍之后将该光的功率提升到能够激发光激发光学开关的级别。线路812是光学通道或者光纤的网络，其承载来自波长减小器808和810的信号A和B，与来自线路806的信号组合，并且承载所有这些进入到功率限制器814。
功率限制器814允许低于某个最大值的功率级别通过。标记为818的线路是承载从功率限制器814到开关816到波长减小器820的光学通道或者光纤。开关816是光激发光学开关。波长减小器820使从开关816输出的信号频率成倍。
开关830是光激发光学开关。线路807是引入1500nm信号以与波长减小器820的输出组合并且承载其到开关830的光学通道或者光纤。只要存在来自波长减小器820的信号，就不会有信号从开关830流出。
当1500nm信号从线路802进入(A信号)时，其在减小器808中被转换为750nm光并且通过功率限制器814不发生变化，并且在开关816中截止来自线路806的1500nm信号。因此，没有信号继续截止来自线路807的信号并且或门发送出信号。当信号来自线路804(B信号)通过减小器810(使频率成倍)，功率限制器814到开关816，来自806的信号不会继续截止开关830。这允许信号从线路807进入并且通过开关830流出该门。
如果信号来自线路802和804二者，则通过限制器814限制减小器808和810的成倍输出以适合在开关816中截止来自线路806的信号。这将允许来自线路807的信号离开逻辑或门。当信号进入A或者B或者上述二者，则1500nm信号流出逻辑或门。这按照表2所描述的真值表进行工作，其描述了逻辑或门的功能。
一种提供或功能的逻辑门，其中至少一个光学开关包括第一和第二光学开关，并且其中信号光具有大于激发光的波长，该逻辑门还包括用于接收信号光输入的第一和第二逻辑输入端，用于将沿着第一光输入端的光波长减小到激发光波长的第一波长修正器；用于将沿着第二光输入端的光波长减小到激发光波长的第二波长修正器；用于提供来自第一和第二波长修正器的波长修正的光的第一和第二光导管；用于经由各自的第一和第二光导管接收来自第一波长修正器和第二波长修正器的光并且用于将从其输出的光保持在预定功率级别的功率限制器；用于将来自功率限制器的功率限制的光提供到第一光学开关的第三光导管；用于接收来自第一光学开关的信号光并且将该光的波长减小到激发光波长的第三波长修正器；以及用于将来自第三波长修正器的光提供到第二光学开关的第四光导管。
现在参照图25，其是逻辑或门900的示意图。光学通道902提供到逻辑门900的第一输入。光学通道是将该光信号承载到该逻辑门的光纤通道，在该光纤通道中该光信号被成半划分。将该光的一半输入到标记为905的频率增加设备。光从频率增加设备905通过标记为906的半波路径行进，该半波路径906使来自905的光与将要和其会合的来自频率增加设备908的光异相。然后，来自半波路径906的光与逻辑门的光组合以进入光学开关910。作为逻辑输入A的来自线路902的光的另一半与逻辑门的另一个光接合以进入光学开关910。线路904是到逻辑门的输入B。线路904是将该光信号承载到逻辑门的光纤通道，在该光纤通道中该光信号被成半划分。将该光的一半输入到标记为908的频率增加设备。然后，来自标记为908的频率增加设备的光与逻辑门中的另一光组合以进入标记为910的光学开关。来自线路904的光的另一半与逻辑器件的另一光接合以进入光学开关910。线路912是逻辑或器件的输出。
一种提供或功能的逻辑门，其中至少一个光学开关包括单个光学开关，并且其中信号光具有比激发光大的波长，该逻辑门还包括用于接收信号光的第一和第二逻辑输入端，用于接收在第一逻辑输入端接收的信号光的第一部分的第一光导管，用于接收在第一逻辑输入端接收的信号光的第二部分的第二光导管，用于接收在第二逻辑输入端接收的信号光的第一部分的第三光导管，用于接收在第二逻辑输入端接收的信号光的第二部分的第四光导管，用于将沿着第二光导管的光波长减小到激发光波长的第一波长修正器，用于将沿着第四光导管的光波长减小到激发光波长的第二波长修正器，以及用于使来自第一波长修正器的波长修正的光与来自第二波长修正器的光异相180度的移相器，所述光学开关从第一和第三光导管、第二波长修正器以及移相器接收光。
通过将图20的逻辑非门放置在图24或者25的逻辑或门的输出上来实现按照表3中的真值表工作的逻辑或非门。尽管描述了利用光激发光学开关的逻辑门的示例，但是使用光激发逻辑开关也可以产生与、或、或非以及非逻辑门的其它实施例。
本领域的普通技术人员将意识到，本发明并非局限于这里描述和说明的具体情况。相反，本发明包括在此描述的各种特征的组合和子组合以及本领域技术人员在阅读上面描述之后所做出的修改或者非本领域技术人员所做出的修改。

Claims (71)

1.一种光学开关，包括：
具有可改变的截面面积的光通路；
与所述光通路相关联的激发光响应型压电元件，所述激发光响应型压电元件用于对入射到其上的激发光做出响应而改变其形状；以及
可操作地与所述压电元件相关联的传导元件，用于增强所述压电元件的激发光响应率，
所述激发光响应型压电元件与所述光通路相关联并且可操作，使得所述压电元件的形状变化使所述光通路的所述可改变的截面面积产生足够的变化以管理沿着所述光通路的光的通过。
2.根据权利要求1所述的光学开关，其中所述光通路、所述压电元件以及所述传导元件被配置并且可操作，以使得第一阈值级别范围内的激发光到所述压电元件上的入射使所述光通路防止第一波长范围的光通过其中，并且使得在所述第一阈值级别范围之外的第二阈值级别范围内的激发光到所述压电元件上的入射使所述光通路允许第一波长范围的光通过其中。
3.根据权利要求1或者2所述的光学开关，其中所述传导元件包括沿着所述压电元件的表面延伸的传导材料层。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的光学开关，其中所述压电元件包括具有不同压电特性的至少两层压电材料。
5.根据权利要求4所述的光学开关，其中所述至少两层压电材料具有不同的晶体取向。
6.根据权利要求4或者5所述的光学开关，其中所述传导元件设置在两层所述压电元件之间。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的光学开关，还包括用于将所述激发光和信号光导向到所述光通路中的光耦合器，所述激发光的至少一个特性管理所述信号光是否通过所述通路。
8.一种光学开关，包括：
具有可改变的截面面积的光通路；以及
与所述光通路相关联的激发光响应型压电元件，所述激发光响应型压电元件用于对入射到其上的激发光做出响应而改变其形状，
所述激发光响应型压电元件包括具有不同压电特性的至少两层压电材料，所述压电元件与所述光通路相关联并且可操作，以使得所述压电元件的形状变化使所述光通路的所述可改变的截面面积产生足够的变化以管理沿着所述光通路的光的通过。
9.根据权利要求8所述的光学开关，其中所述光通路和所述压电元件被配置并且可操作，以使得第一阈值级别范围内的激发光到所述压电元件上的入射使所述光通路防止第一波长范围的光通过其中，并且使得在所述第一阈值级别范围之外的第二阈值级别范围内的激发光到所述压电元件上的入射使所述光通路允许第一波长范围的光通过其中。
10.根据权利要求8或者9所述的光学开关，其中所述至少两层压电材料具有不同的晶体取向。
11.根据权利要求8-10中的任一项所述的光学开关，其中所述至少两层的压电元件中至少两层具有相互垂直的晶体取向。
12.根据前述权利要求中的任一项所述的光学开关，还包括用于将所述激发光和信号光导向到所述光通路中的光耦合器，所述激发光的至少一个特性管理所述信号光是否通过所述通路。
13.一种包括至少一个门的逻辑门，所述至少一个门具有非、与、或、与非以及或非功能的至少一种，所述逻辑门包括通过光致动的至少一个光学开关，所述至少一个光学开关包括：
具有可改变的截面面积的信号光通路；以及
与所述光通路相关联的激发光响应型压电元件，所述激发光响应型压电元件用于对入射到其上的激发光做出响应而改变其形状；
所述激发光响应型压电元件与所述光通路相关联并且可操作，以使得所述压电元件的形状变化使所述光的所述可改变的截面面积产生足够的变化以管理沿着所述光通路的信号光的通过。
14.根据权利要求13所述的逻辑门，还包括将所述激发光提供到所述至少一个光学开关并且承载至所述至少一个光开关或者来自所述至少一个光开关的信号光的光导管，所述信号光带有数字信息。
15.根据权利要求14所述的逻辑门，其中所述信号光的波长大于所述激发光的波长。
16.根据权利要求14所述的逻辑门，其中所述信号光的波长大致是所述激发光的波长的两倍。
17.根据权利要求15所述的逻辑门，其中所述信号光具有1500nm的波长并且所述激发光具有大致750nm的波长。
18.根据权利要求14-17中的任一项所述的逻辑门，提供非功能，并且其中所述至少一个光学开关包括单个光学开关，并且其中所述信号光的波长大致是所述激发光的波长的两倍。
19.根据权利要求14-17中的任一项所述的逻辑门，提供与功能，并且其中所述至少一个光学开关包括单个光学开关，并且其中所述信号光的波长大于所述激发光的波长，所述逻辑门还包括：
用于接收信号光的第一和第二逻辑输入端；
第一光导管，用于接收在所述第一逻辑输入端接收的所述信号光的第一部分；
第二光导管，用于接收在所述第一逻辑输入端接收的所述信号光的第二部分；
第三光导管，用于接收在所述第二逻辑输入端接收的所述信号光的第一部分；
第四光导管，用于接收在所述第二逻辑输入端接收的所述信号光的第二部分；
第一波长修正器，用于将沿着所述第二光导管的所述光的波长减小至所述激发光的波长；
第二波长修正器，用于将沿着所述第四光导管的所述光的波长减小至所述激发光的波长；
第一相位匹配器，用于使沿着所述第二光导管的所述光的相位匹配所述激发光的相位；
第二相位匹配器，用于使沿着所述第四光导管的所述光的相位匹配所述激发光的相位；以及
移相器，用于使沿着所述第二和第四光导管的波长减小并且相位匹配的光互相异相180度，
沿着所述第一和第三光导管作为信号光输入提供到所述光学开关的光；以及
沿着所述第二和第四光导管并连同附加的激发光一起作为激发光提供到所述光学开关的波长减小和相位匹配的光。
20.根据权利要求14-17中的任一项所述的逻辑门，提供与非功能，并且其中所述第一光学开关包括第一光学开关和第二光学开关，并且其中所述信号光的波长大于所述激发光的波长，所述逻辑门还包括：
用于接收信号光输入的第一和第二逻辑输入端；
第一波长修正器，用于将所述第一输入端的信号光的波长减小至所述激发光的波长；
第二波长修正器，用于将所述第二输入端的信号光的波长减小至所述激发光的波长；
第三波长修正器，用于减小来自所述第一光学开关的信号光的波长；
第一光导管，用于将来自所述第一波长修正器的所述光的一部分提供到第一光吸收器；
第二光导管，用于将来自所述第一波长修正器的所述光的一部分提供到所述第一光学开关；
第三光导管，用于将来自所述第二波长修正器的所述光的一部分提供到第二光吸收器；
第四光导管，用于将来自所述第二波长修正器的所述光的一部分提供到所述第一光学开关；
第五光导管，用于将来自所述第一光学开关的信号光提供到所述第三波长修正器；以及
第六光导管，用于将来自所述第三波长修正器的光波长修正的光提供到所述第二光学开关作为激发光。
21.根据权利要求14-17中的任一项所述的逻辑门，提供或功能，并且其中所述至少一个光学开关包括单个光学开关，并且其中所述信号光的波长大于所述激发光的波长，所述逻辑门还包括：
用于接收信号光输入的第一和第二逻辑输入端；
第一波长修正器，用于将沿着所述第一光输入端的所述光的波长减小至所述激发光的波长；
第二波长修正器，用于将沿着所述第二光输入端的所述光的波长减小至所述激发光的波长；
第一相位匹配器，用于使来自所述第一波长修正器的波长修正的光的相位匹配激发光的相位；
第二相位匹配器，用于使来自所述第二波长修正器的所述光的相位匹配所述激发光的相位；
第一光导管，用于将来自所述第一相位匹配器的所述光的一部分提供到第一光吸收器；
第二光导管，用于将来自所述第二相位匹配器的所述光的一部分提供到第二光吸收器；
第一移相器；
第二移相器；
第三光导管，用于将来自所述第一相位匹配器的所述光的一部分提供到所述第一移相器，从而使来自所述第一相位匹配器的光与所述激发光异相；以及
第四光导管，用于将来自所述第二相位匹配器的所述光的一部分提供到第二移相器，从而使来自所述第一相位匹配器的光与所提供的激发光异相，
第五光导管，用于将来自所述第一移相器的光提供到所述光学开关；以及
第六光导管，用于将来自所述第二移相器的光提供到所述光学开关，
所述光学开关从所述第五和第六光导管接收所述激发光和信号光。
22.根据权利要求14-17中的任一项所述的逻辑门，提供或功能，并且其中所述至少一个光学开关包括第一和第二光学开关，并且其中所述信号光的波长大于所述激发光的波长，所述逻辑门还包括：
用于接收信号光输入的第一和第二逻辑输入端；
第一波长修正器，用于将沿着所述第一光输入端的所述光的波长减小至所述激发光的波长；
第二波长修正器，用于将沿着所述第二光输入端的所述光的波长减小至所述激发光的波长；
第一和第二光导管，用于提供来自所述第一和第二波长修正器的波长修正的光；
功率限制器，用于经由所述各自的第一和第二光导管接收来自所述第一波长修正器和第二波长修正器的光并且将从其输出的光保持在预定的功率级别；
第三光导管，用于将来自所述功率限制器的功率限制的光提供到所述第一光学开关；
第三波长修正器，用于接收来自所述第一光学开关的信号光并且将所述光的波长减小至所述激发光的波长；以及
第四光导管，用于将来自所述第三波长修正器的光提供到所述第二光学开关。
23.根据权利要求14-17中的任一项所述的逻辑门，提供或功能，并且其中所述至少一个光学开关包括单个光学开关，并且其中所述信号光的波长大于所述激发光的波长，所述逻辑门还包括：
用于接收信号光的第一和第二逻辑输入端；
第一光导管，用于接收在所述第一逻辑输入端接收的所述信号光的第一部分；
第二光导管，用于接收在所述第一逻辑输入端接收的所述信号光的第二部分；
第三光导管，用于接收在所述第二逻辑输入端接收的所述信号光的第一部分；
第四光导管，用于接收在所述第二逻辑输入端接收的所述信号光的第二部分；
第一波长修正器，用于将沿着所述第二光导管的所述光的波长减小至所述激发光的波长；
第二波长修正器，用于将沿着所述第四光导管的所述光的波长减小至所述激发光的波长；
移相器，用于使来自所述第一波长修正器的波长修正的光与来自所述第二波长修正器的所述光异相180度，
所述光学开关从所述第一和第三光导管、所述第二波长修正器以及所述移相器接收光。
24.根据权利要求14-23中的任一项所述的逻辑门，其中根据权利要求1-13中的任一项构建所述至少一个光学开关。
25.一种包括根据权利要求14-24中的任一项所述的逻辑门的逻辑功能。
26.一种光学开关，包括：
配置为引导信号光的信号通道；
邻近所述信号通道的压电元件；以及
邻近所述压电元件的传导层；
其中通过向所述压电元件施加激发光来控制所述信号光通过所述信号通道，并且其中所述传导层对所述激发光做出响应而增强施加到所述压电元件的电场。
27.根据权利要求26所述的光学开关，其中将所述传导层粘结到所述压电元件的表面。
28.根据权利要求26或者27所述的光学开关，其中将所述激发光施加到所述压电元件使所述压电元件的形状改变，从而使得所述信号光不能通过所述信号通道。
29.根据权利要求26所述的光学开关，其中所述信号通道包括填充有可压缩材料的腔。
30.根据权利要求29所述的光学开关，其中所述压电元件形成所述腔的一部分。
31.根据权利要求26所述的光学开关，其中所述压电元件包括具有不同压电特性的至少两层。
32.根据权利要求26所述的光学开关，其中所述压电元件中的两层具有不同的晶体取向。
33.根据权利要求26所述的光学开关，其中将所述传导层粘结在所述压电元件中的两层之间。
34.一种操作光学开关的方法，所述方法包括：
向光学开关施加信号光，所述光学开关包括压电元件以及邻近所述压电元件的至少一个传导层；以及
向所述压电元件施加激发光以改变所述光学开关的状态；
其中所述传导层对所施加的激发光做出响应而增强施加到所述压电元件的电场。
35.根据权利要求34所述的方法，其中将所述传导层粘结到所述压电元件的表面。
36.根据权利要求35所述的方法，其中向所述压电元件施加所述激发光使所述压电元件的形状改变，以使得所述信号光不能通过所述光学开关。
37.根据权利要求34所述的方法，其中施加所述激发光包括向所述压电元件施加彼此异相的两个光信号，并且随后去除所述光信号中的一个，保留剩余的光信号作为所述激发光。
38.根据权利要求34所述的方法，其中所述压电元件包括具有不同压电特性的至少两层。
39.根据权利要求34所述的方法，其中所述压电元件的两层具有不同的晶体取向。
40.根据权利要求34所述的方法，其中将所述传导层粘结在所述压电元件的两层之间。
41.一种操作光学开关的方法，所述方法包括：
向信号通道施加信号光，所述信号通道邻近压电元件，该压电元件邻近至少一个传导层；以及
向所述压电元件施加激发光以改变所述压电元件的形状，从而防止所述信号光通过所述信号通道，
其中所述传导层对所施加的激发光做出响应来增强施加到所述压电元件的电场。
42.根据权利要求41所述的方法，其中所述压电元件包括具有不同压电特性的至少两层。
43.根据权利要求42所述的方法，其中所述传导层粘结在所述压电元件的两层之间。
44.一种光学开关，包括：
配置为引导信号光的信号通道；
邻近所述信号通道的压电元件；
邻近所述压电元件的传导层；以及
用于向所述压电元件施加激发光以改变所述压电元件的形状，从而防止所述信号光通过所述信号通道的装置；
其中所述传导层对所施加的激发光做出响应而增强施加到所述压电元件的电场。
45.根据权利要求44所述的光学开关，还包括用于将所述信号光和激发光耦合到所述信号通道中的装置。
46.根据权利要求44所述的光学开关，其中所述用于施加激发光的装置包括激发光源。
47.根据权利要求44所述的光学开关，其中所述压电元件包括具有不同压电特性的至少两层。
48.根据权利要求47所述的光学开关，其中所述传导层粘结在所述压电元件的两层之间。
49.一种操作光学开关的方法，所述方法包括：
向光学开关施加信号光，所述光学开关包括压电元件，所述压电元件包括具有不同压电特性的至少两层压电材料；以及
向所述压电元件施加激发光以改变所述光学开关的状态。
50.根据权利要求49所述的方法，其中向所述压电元件施加所述激发光使所述压电元件的形状改变，从而所述信号光不能通过所述光学开关。
51.根据权利要求50所述的方法，其中所述压电元件的所述形状改变使所述光学开关的信号通道的尺寸发生变化。
52.根据权利要求49所述的方法，其中施加所述激发光包括向所述压电元件施加彼此异相的两个光信号，并且随后去除所述光信号中的一个，保留剩余的光信号作为所述激发光。
53.根据权利要求49所述的方法，其中所述光学开关还包括邻近所述压电元件的传导层，该传导层对所施加的激发光做出响应而增强施加到所述压电元件的电场。
54.根据权利要求49所述的方法，其中所述压电元件中的两层具有不同的晶体取向。
55.一种光学开关，包括：
配置为引导信号光的信号通道；以及
邻近所述信号通道的压电元件，所述压电元件包括具有不同压电特性的至少两层压电材料；
其中通过向所述压电元件施加激发光来控制所述信号光通过所述信号通道。
56.根据权利要求55所述的光学开关，其中所述压电元件中的两层具有不同的晶体取向。
57.根据权利要求56所述的光学开关，其中所述压电元件中的所述两层具有垂直的晶体取向。
58.根据权利要求55所述的光学开关，还包括邻近所述压电元件的传导层，其中所述传导层对所述激发光做出响应而增强施加到所述压电元件的电场。
59.根据权利要求58所述的光学开关，其中所述传导层粘结到所述压电元件的表面。
60.根据权利要求58所述的光学开关，其中所述传导层粘结在所述压电元件中的两层之间。
61.根据权利要求55所述的光学开关，其中向所述压电元件施加所述激发光使所述压电元件的形状改变，以使得所述信号光不能通过所述信号通道。
62.根据权利要求55所述的光学开关，其中所述信号通道包括填充有可压缩材料的腔。
63.根据权利要求62所述的光学开关，其中所述压电元件形成所述腔的一部分。
64.一种操作光学开关的方法，所述方法包括：
向信号通道提供信号光，所述信号通道邻近压电元件，所述压电元件具有至少两层压电材料，该至少两层压电材料具有不同的压电特性；以及
向所述压电元件施加激发光以改变所述压电元件的形状，从而防止所述信号光通过所述信号通道。
65.根据权利要求64所述的方法，其中所述光学开关包括邻近所述压电元件的传导层，所述传导层对所施加的激发光做出响应而增强施加到所述压电元件的电场。
66.一种光学开关，包括：
配置为引导信号光的信号通道；
邻近所述信号通道的压电元件，所述压电元件包括具有不同压电特性的至少两个不同的层；以及
用于向所述压电元件施加激发光以改变所述压电元件的形状，从而防止所述信号光通过所述信号通道的装置。
67.根据权利要求66所述的光学开关，其中所述压电元件中的两层具有不同的晶体取向。
68.根据权利要求66所述的光学开关，还包括用于将所述信号光和所述激发光耦合到所述信号通道中的装置。
69.根据权利要求66所述的光学开关，其中所述用于施加激发光的装置包括激发光源。
70.根据权利要求66所述的光学开关，还包括邻近所述压电元件的传导层，其中所述传导层对所施加的激发光做出响应而增强施加到所述压电元件的电场。
71.根据权利要求70所述的光学开关，其中所述传导层粘结到所述压电元件的主要表面。
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