CN114137747A - 快速空间光开关及其制作 - Google Patents
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Abstract
公开了使用具有三角3m对称的两个单轴光学晶体且它们的光轴彼此垂直的快速空间光开关，其基于使用普克尔斯效应改变其中一个晶体的折射率和光轴。其中诱发普克尔效应的第一个晶体的顶面和底面设有电极。晶体之间的界面成一定角度，从而使光束被第一晶体全反射。当通过第一晶体施加电场时，其折射率和晶轴发生变化，从而使界面变为透射性的，光束从第二晶体出射。透射态和反射态的空间分隔提供了大于50dB的串扰和消光比。
Description
技术领域
本发明涉及空间光开关，尤其涉及其中光束在反射和透射态之间快速切换的快速光开关。铌酸锂被用作在光束的空间切换中需要施加～5V/μm电场的三角3m对称的单轴晶体。
背景技术
为了便利对本发明的理解，先解释两种物理现象。首先，有一个光学概念被称为“临界角”。临界角是相对于在光束可以通过的两种材料之间的折射边界的法线测量的折射角为90°时的入射角。当且仅当照射到边界的光束处于折射率比另一侧的材料的折射率更大的介质中时，才存在所谓的“临界角”。如果入射到边界上的光的入射角超过临界角，则入射光将无法穿过边界，并在材料中反射回去。在这种情况下，相对于边界法线测量的入射光角度和反射光角度相等。这是光的“全反射”。在材料和空气之间边界的情况下，由于材料的折射率大于边界另一侧的空气的折射率，因此，如果材料内的光相对于边界法线的入射角大于临界角，则光束无法通过，并且在材料内部被完全反射回去。
第二，存在一类表现出电光效应的材料。该效果是响应于施加的电场，材料的诸如折射率和主轴的光学特性有所变化。具体地说，本申请涉及普克尔斯效应，其中当电场施加到电光材料上时，折射率发生变化。普克尔斯效应与施加的电场强度成比例，并且由某些晶体表现出来。作为呈现普克尔斯效应的电光晶体的例子，通常采用的有锂基晶体，例如铌酸锂和钽酸锂。
在过去的若干年中，光的快速空间切换一直是研究的活跃领域。已经报道了各种类型的引导和非引导光学开关，但是迄今为止，足够快速的、能够以100GHz或更高的频率运行的空间光开关依然没有实现。在一些使用响应于普克尔斯效应的电光材料的现有技术空间开关中，开关的材料的一部分受到施加的电场的部分影响，而其余部分则不受电场的影响。这可以通过用一对施加电场的电极仅覆盖材料的一部分而其余部分未被覆盖来轻松实现。当对电极施加电场时，在受电场影响的部分和不受电场影响的部分之间会形成边界，如果光从折射率较大的材料一侧入射到边界上，当入射光的入射角大于对应于边界两侧的折射率的临界角时，将发生全反射。在没有电场的情况下，由于没有边界，入射光束通过开关的两个部分。诸如铌酸锂，半导体或最新开发的PLZT(多晶镧改性的锆钛酸铅，Polycrystalline Lanthanum modified lead Zirconate Titanate)等材料，是此类电光材料的例子，其折射率可通过施加电场以诱发普克尔斯效应、量子斯塔克或等离子效应而得到改变。普克尔斯效应是一种快速现象，使相关的光电器件能够以超过至少100GHz以上的速度快速运行。然而，该效应非常弱，并且折射率变化通常仅达到小数点后2到3甚至第4位。因此，使用铌酸锂等的开关实际上都是长开关。而且，由于折射率改变效应非常弱，因此仅在入射的引导光束或未引导光束的非常小的掠射角下才能实现全反射。因此，空间状态变得很难物理分离，从而导致有限的串扰和消光比特性。如果空间光开关的消光比和串扰都不足够大(例如好于30dB)，则该开关几乎找不到任何实际应用。
一些现有技术的开关基于热光、电流注入或机械效应，并且不能响应GHz范围内的高重复率。在半导体中，材料的高吸收损耗是其在光学无源器件中应用的障碍。在处理传导光的现有技术开关中，这种现有技术的传导光开关的偏振态保持恒定。在美国专利8,131,124中公开的传导空间光开关中，为了实现大于约30dB的串扰和消光比，要求传导的光在折射率差为0.01％的波导中传播。这种非常弱的波导的制造实际上是不可能实现的，并且迄今为止，该开关仍然是不可实现的。
发明内容
本发明人提出了一种光开关，该光开关基于在由于电场施加而变形的晶体中的入射线偏振光的偏振旋转。本发明人的空间光开关中使用的材料是三角形3m对称类型的各向异性单轴晶体。这些晶体的主轴由x，y，z表示，并被用在本申请全文中，其中光轴沿z轴。本发明人开关实现了卓越开关特性，表明了入射光的偏振管理是其空间开关的有效方法。本发明人的开关中的偏振旋转是在具有沿x轴方向上施加的电场的变形的晶体中实现的，该x轴方向垂直于光沿其光学z轴的传播方向。因此，电场的施加不会对光的传播造成干扰，从而可以实现比较小的驱动电场。
重要地，沿三角3m对称的单轴晶体的x轴施加电场是在本发明中新提出来的。在诸如高速调制器的使用铌酸锂材料的现有技术光学设备中，电场是沿晶体的光学z轴施加的，其中晶体主轴的方向保持不变。如本发明人提出的、沿三角3m对称的单轴晶体的x方向施加的电场改变了晶体的折射率以及晶体主轴，并使晶体主轴在与沿z轴的光传播方向相交的平面内旋转了大约45度。与光传播方向相交的晶体轴的这种45度旋转对于本发明的开关的操作是必不可少的，并且是后者的基础，如下文所要详述的。
根据本发明的一个方面，提供了一种光学空间光开关，包括：
第一块三轴3m对称的单轴晶体，以下称为“第一块”，该第一块具有随电场的施加而变化的折射率和晶体主轴，该第一块具有竖向穿过第一块的x轴，与x轴横向正交的y轴和与x和y轴纵向正交的z轴，其中z轴也沿着第一块的一条光轴，
第二块三角3m对称的单轴晶体，以下称为“第二块”，该第二块牢固地压紧或透明接合到第一块，其中第一块和第二块之间的界面平面相对于z轴倾斜大约该第一块的寻常折射率和反常折射率的临界补角，且该第一块的光学z轴与第二块的光学z轴相垂直地取向，
在第一块的顶表面上的第一电极，
在第一块的底表面上的第二电极，第一电极和第二电极有选择地提供沿着第一块的x方向的一个电场，从而改变第一块内部的光传播，
连接到第一电极和第二电极的可有选择地切换的电源，用于在第一电极和第二电极之间有选择地提供电场，
用于产生沿第一块的x轴偏振的线偏振光束的光束源，该线性偏振光束垂直照射到第一单轴晶体中，从而在第一电极和第二电极之间没有施加所述电场电极的情况下，沿x轴偏振、照射到第一个块中、并沿第一块的光轴传播的线偏振光束在界面处被全反射而在一个第一点出射，且在第一电极和第二电极之间施加了电场的情况下，线偏振光束通过界面平面透射到第二块中并在一个第二点出射。
附图说明
图1A是本发明的光开关的透视图。
图1B是沿着图1A的线1B-1B的新光开关的俯视图。
图1C是沿着图1A的线1C-1C的新光开关的侧视图。
图2示出了变形的晶体的本征矢量相对于x轴的角度以及新的光开关的偏振态。
图3说明了在本发明的新开关中，在施加电场的情况下变形晶体的折射率。
图4是曲线图，示出了在本发明的新开关中变形晶体中的线偏振光的旋转以及相对于所施加电场的晶体所需长度。
图5展示了本发明的新开关中在变形的晶体中的传输损耗和消光比与施加的电场的关系。
附图中所示的角度仅用于说明目的，并且可能不是说明书中公开的正确角度的准确表示。
具体实施方式
本发明提供了使用三角3m对称的第一和第二各向异性单轴晶体的快速空间光开关。这些晶体以它们的光轴(z轴)彼此垂直的方式被光学接合在一起。两个晶体之间的界面或边界平面被设置成倾斜的，就好像这是该两个晶体的横截面绕着沿着入射光偏振方向的、位于该边界平面的中部的一根轴旋转的结果一样。该旋转使得该边界平面与光传播方向之间的角度等于或稍大于对应于晶体的两个折射率的临界角。这样，线偏振光束射到与所述倾斜的界面平面相对的第一晶体一侧，沿着第一晶体的光轴(z轴)传播，并且在所述边界平面处进行全反射，并根据所述界面边界平面绕沿x轴的入射光偏振方向的、位于边界平面的中间的一个轴作的旋转是沿着顺时针方向还是沿着逆时针方向，而从第一晶体的一侧或另一侧出射。
当对第一晶体施加电场时，由于普克尔斯(Pockels)效应而在第一晶体中操纵了光的偏振方向，使得光的线偏振方向在与光在第一晶体中的传播方向相交的一个平面中旋转。这是因为所施加的电场扰动了第一晶体的折射率和主轴。偏振方向的旋转得到调整，使得在光到达界面平面时，实现了沿着垂直于第二晶体的光轴的一个方向的偏振。因此，第二晶体的较大的折射率被感觉到，这允许入射光穿过界面平面。被扰动的晶体轴被表示为x'、y'和z'，其中这些新轴确定了在沿x方向上施加的电场作用下的三角3m对称的单轴晶体沿x'轴的光传播特性。如后所示，与沿x′轴的光传播方向相交的y′轴和z′轴不再沿照射的入射光束的线偏振方向x的方向。
这些y'和z'轴相对于x方向成45至50度的角度，具体取决于所施加电场的大小(参见图2)。沿x的入射光偏振在y'和z'方向上的的两个投影建立了两个沿x'传播的线偏振光束。入射偏振方向沿y'和z'的这两个投影被称为“本征模”，分别具有沿“本征矢量”y'和z'的对应“本征值”ny'和nz'对应(该“本征”术语在数学、工程、物理、光学等书籍中被采用。)这些本征模沿着x'传播，就好像它们在折射率ny'和nz'的均匀介质中传播一样。因为在施加电场的情况下晶体的这些折射率沿y′和z′方向是不同的(如图3所示)，到达界面平面时，组合的两个本征模的形状和偏振方向将不同于最初照射的光束沿x的偏振方向。即，组合的两个本征模的偏振方向在它们沿x'传播时发生了旋转，并且偏振形状由在这些本征模到达界面边界时它们之间的相位差决定。
如果，通过调节偏振光束的入射面与界面中心之间的第一晶体的长度，这两个本征模式在第一晶体内沿着x'的传播距离得到调整而给出一个相位差π，则如果入射光束沿x的偏振与y′的倾斜度为45度(参见图2)，则偏振方向(最初沿x)的旋转角将为90度。这使得组合的本征模的偏振方向沿着第一晶体的y轴。在将第一和第二晶体的光轴的相对方向设置为彼此垂直且将电场施加到第一晶体的情况下，组合的两个本征模将感觉到第二晶体的较大折射率，从而晶体界面变为透射性的。这导致入射光束穿过晶体界面边界并继续沿x'传播，而作为来自第二晶体2的面的透射光束出射。
更具体地说，本发明的空间光开关在反射态和透射态之间切换具有特定偏振的入射光束，该开关对线偏振入射光的偏振方向敏感。在没有电场施加到第一晶体1的情况下，沿x竖向方向线偏振的光束在通过第一晶体1时将保持竖向偏振。这种竖向偏振的光束无法通过界面3到达第二晶体2，并由于偏振方向的尖端指向第二晶体的光学z轴(沿x方向)而在第一晶体1中被全反射。在沿第一晶体1的x主轴施加电场的情况下，第一晶体1的分子结构变形，从而使第一晶体1呈现双轴晶体的性质。当光束通过这样的变形晶体1传播时，变形晶体使光束的偏振方向和形状发生旋转。选择或调整第一晶体从(沿着图1A-1C中的竖向方向x或P1)线偏振的入射光束进入第一晶体的位置到光束与界面平面相遇的位置的长度，使得在该光束到达界面平面时，竖向线偏振光束旋转约90度，或转到沿图1和2中的y轴的水平方向。
在界面平面上，沿y水平偏振的光束能够穿过该界面平面并进入第二晶体，因为偏振方向的尖端指向与第二晶体的光学z轴(沿x)相交的一个方向。即，本发明的空间开关的操作基础是通过普克尔斯效应在三角3m对称的各向异性单轴晶体中的电场引起的偏振旋转，该效应是如上所述的快速现象。因此，本发明人的空间开关可以在重复率大于至少几十GHz且可能高达100GHz的光束高速处理中进行操作。在本发明人的开关中，利用不同晶轴取向之间自然存在的折射率差，使光在不存在电场的情况下全反射。在本发明的开关的该方案中，使用了不同晶体取向之间自然存在的折射率差来实现光全反射，以上结合现有技术所述的在创建折射率边界时响应所施加的电场的弱普克尔的困难，被大大地消除了。当例如铌酸锂的两个单轴晶体以垂直的光轴方向被放在一起时，这样的两个晶体之间的自然存在的折射率差的大小，比由于由于对铌酸锂晶体施加了电场而产生的跨边界折射率差大
个数量级。结果，本发明的开关的空间反射和透射态被很好地分离，消光比和串扰大于约50dB。本发明人的开关中的光损耗小到可以忽略，这是由于在晶体界面处实现了全反射的结果。
在本发明人的处理未引导光的空间开关中，不需要制造要求精确的图案化的光波导、使用高真空溅射机对向铌酸锂基板中的钛扩散进行的良好控制、以及电极的精确制作。因此，本发明人的开关的制造比波导光开关容易得多。
晶体之一中的线偏振光束的偏振态得到操控，以实现光束通过界面的透射。相反，在现有技术中，由于没有创建边界，晶体折射率不受普克尔斯效应的影响而建立光束的透射。在现有技术的空间开关中，使得光在通过使晶体的折射率响应于施加到晶体上的电场而改变产生的一个边界处发生全反射。在作为三角形3m对称的单轴晶体的例子并且在本发明的开关中使用的铌酸锂的情况下，在1.064微米的光波长下，寻常折射率为no＝2.232，而反常折射率为ne＝2.156。折射率差为no-ne＝0.076，这比通过向晶体施加电场而产生的边界上的折射率差大得多。这种大的折射率差被用于入射光的全反射，因此，与所施加的电场形成了发生全反射的边界的现有技术开关的光偏转角相比，本发明的开关实现了入射光的大偏转角。当将第一晶体的光轴z和第二晶体的光轴z调整为彼此垂直时，沿着x的偏振的入射光束在界面处进行全反射。结果，本开关的空间反射和透射态被很好地分离，消光比和串扰大于约50dB。本发明人的开关中的光损耗很小，可以忽略不计，这是在晶体界面处实现了全反射的结果。
图1A示出了本发明的空间开关的示意图，图1B和图1C分别示出了沿图1A的1B-1B和1C-1C线的俯视图和侧视图。两块三角3m对称的单轴晶体，即第一块1和第二块2，被直接连接或结合在一起。在使用透明粘合剂或胶水的情况下，胶水的折射率不得干扰两个晶体在边界平面处的折射率。将两个光学晶体连接在一起的技术已经成熟，例如，它被应用于可商购的Rochon、Senarmont、Glan-Thompson或Wollaston棱镜，并且对于本领域普通技术人员来说是显而易见的。这样，晶体1的光轴z水平地沿着线4，而晶体2的光轴z纵向地沿着线5。如前所述，这使晶体1和2的光轴相互垂直。与界面平面3相对的晶体1的表面被抛光且是平坦的，并且垂直于入射到晶体1中的入射光束。
使这两个晶体之间的界面3以角度π/2–θc倾斜，其中θc表示单轴铌酸锂晶体沿其不同轴的折射率的临界角。即，具有由偏振光源10提供的沿x轴的线性偏振P1所示的电场的入射光入射到第一晶体1。该入射光作为第一晶体1的介质中的较大折射率2.232的本征模而沿z轴直接传播，同时保持其偏振方向向上。入射光的沿x方向的偏振方向被保持向上，因为偏振矢量的尖端始终朝着x方向。这意味着在到达界面时，线偏振P2仍沿第一晶体的纵向的x方向。在界面处，偏振P2的光沿着第二晶体2的较低折射率2.156的介质传播，因此，由于光束以沿着z的光传播方向与倾斜的界面平面之间的角度π/2–θc＝π/2-ArcSin(2.156/2.232)＝14.99度入射，而在界面处被全反射，如图1A所示。
尽管公开了14.99度的理想临界补角，但是界面平面3的倾斜度可以略小到14.8度，并确保了光的全反射。甚至更好的是将界面平面的倾斜度设置为14.7度，这要考虑到寻常折射率和反常折射率的近似以及边界平面的倾斜度相对于一个预定角度的可能偏离。不建议进一步减小界面平面的倾斜度，因为本发明的光开关的“反射”和“透射”态之间的分离将会恶化。
如前所述，这些晶体的光轴4和5被彼此垂直地取向，以便建立晶体轴之间的产生全反射的折射率差。将第一晶体块的一端磨平，以使第一晶体1的端部的平面垂直于射到开关的光束。一对电极6和7分别被淀积在第一晶体1的底侧和顶侧上。电极6和7用于当在电极6和7之间施加电势时，建立沿晶体1的x轴通过晶体1的电场。光接收器11和12分别用于检测该开关的反射光和透射光。
反射态
沿z传播的线偏振入射光束的方向被调整为沿着晶体1的x轴，如图1A和1B所示。在没有电场施加到电极6和7的情况下，偏振方向沿x的线偏振P1的光入射到晶体1的与两个晶体之间的界面3相对的平坦端面，且偏振方向保持不变地沿z传播到界面平面3。换句话说，光线在其偏振方向沿晶体横轴的情况下沿光轴z通过，不会影响入射光线的偏振P1。在界面3处，光的偏振方向由沿着第二晶体2的光轴5的P2表示，因此感觉到其较小的折射率2.156。也就是说，该界面表现为一个折射率边界，并且由于它相对于第一晶体1的z轴有倾斜角度π/2–θc，入射光发生全反射并从晶体1的一个面的点8出射，如图1A所示，并被光接收器11接收。
也就是说，界面平面3相对于入射的线性偏振光的传播方向的倾斜角度π/2–θc会导致铌酸锂中的全反射。如前所述，界面3的倾斜度是通过界面平面绕沿着入射光偏振方向的一个轴(在横截面的中间)的旋转来设定的。但是，在实际的开关中，为了确保全反射，界面平面3的倾斜角度等于π/2–θc＝14.99或稍小至14.7度，如前所述。这在本发明的开关中是一个大的成就，因为在借助所施加的电场而通过普克尔斯效应产生折射率边界的现有技术开关中，如此大的光偏转是不可能的。在点8处出射的光是两个分量的组合，这两个分量对应于在界面处的反射光方向沿着第一晶体1的y和z轴的投影。由于沿这两个方向的折射率不相等，在到达点8时，它们的相位不同，从而产生椭圆偏振光。晶体1的出射侧面上的这两个光分量的相位差和相对大小决定了点8处的反射光的偏振椭圆的形状。可以调整反射光的传播长度l，以给出在点8处产生线偏振的相位差π。在这种情况下，l必须满足
l＝mλ/2(noSin2θc+neCos2θc) (1)
其中λ表示光波长，m代表一个奇数整数，当m＝1时，在1.6μm的波长下l＝1.064μm。为了简化开关的操作，可以通过将相位差调整为mπ来大幅加大l，其中m是任意的大奇数。
透射态
当在电极6和7上施加电压时，在晶体1的电光材料中形成了电场，且电场沿x轴，晶体1的晶体结构及其主轴发生变形。这种变形是普克尔斯(Pockels)效应的结果并将第一晶体1变为双轴晶体。在确定这种晶体在x轴方向上施加的电场下的变形时，必须处理相应的电光张量。以铌酸锂晶体为例，在典型的沿x轴的10V/μm的电场的情况下，电光张量的元素为：
t11＝0.2007279
t12＝t21＝-0.000034
t13＝t31＝0.00028 (2)
t22＝0.2007279
t23＝t32＝0.0
t33＝0.2151307
其中采用了r22＝-r12＝-r61＝3.4pm/V和r51＝r42＝28pm/V。在该矩阵的对角化中，对一个三阶本征方程进行数值求解，得到了以下近似本征值：
λ1～0.215136
λ2～0.200761 (3)
λ3～0.200693,
从其可以确定双轴晶体的修正折射率。相应的归一化本征向量约为：
x'～(0.0194322,-0.00004586,0.9998118)
y'～(0.678182,-0.734775,-0.0132148) (4)
z'～(-0.734637,-0.678311,0.0142472).
代表了由x'，y'和z'表示的修正的晶轴。
公式(2)中的本征值给出了沿3个本征向量的以下折射率：
nx'＝2.15597
ny'＝2.23182 (5)
nz'＝2.23220.
可见，最初是单轴晶体的第一晶体发生变形而变为双轴晶体。重要的是，应注意，x'非常近似地沿着z轴，而y'、z'则在相交平面中旋转了约
度。从等式(2)中的张量在高至但小于晶体击穿电势而变化的施加电场下的对角化，获得了相似的结果。因此，可以结论说，变形的晶体在施加的电场下显示出了一种如上所述的普遍行为。这种行为不是唯一的，因为众所周知，在沿其光Z轴施加电场的作用下，诸如KDP(二磷酸钾)这样的四方4-2m晶体的轴旋转45度。
在本发明的开关中，如图2所示，当沿x轴施加电场时，线偏振P1的入射光在光传播通过晶体1时被第一晶体1的变形晶体结构旋转。由于该旋转，在到达界面平面3时，光的偏振方向已经旋转到由图2所示的P3表示的偏振状态。换句话说，入射到晶体1中的入射偏振光在它到达界面平面3时被旋转了约90度。通过调整折射率ny'和nz'的本征模的相位差，可以使P3线偏振并沿着y。即，将晶体1内部的入射光的传播长度L调整为：
k0(ny'–nz')L＝π. (6)
如果等式(1)中的电光张量的对角化过程正好给出了本征向量y'相对于x的角度α为α＝45度，则P3恰好沿着y方向。否则，P3与y的偏差为：
β＝2α–π/2. (7)
角度β将是只有几度的非常小的角度，因为图4所示的本征向量的旋转只与45度略有不同。该偏差的意义如下所述。
当向晶体1施加电场时，在折射率2.23182和2.23220的介质中沿y'和z'偏振的两个本征模沿x'传播，并使P1在界面平面3旋转到P3所示的新方向。只有将本征向量y'和z'旋转45度，P3才会沿y轴。在这种情况下，入射光功率的一半在折射率为2.23220的介质中传输到该界面，另一半在折射率为2.23182的介质中传输到该界面。在入射到该界面上时，这些本征模被组合成沿y轴偏振，从而遇到晶体2的较大的折射率2.232，在那里它们遇到的约为0.0001的很小的折射率差。因此，本征模式以透射光的形式通过界面，并出现在被光接收器12所接收的点9处。如果y'、z'旋转了不同于45度的角度，则P3不会精确地沿着y，而是有由等式(7)的角度β表示的偏差。如图4所示，本征向量的旋转角度与45度仅相差几度。因此，P3将与y轴偏离仅几度的β，从而使P3沿x有一个小的投影。这个小的投影不能通过界面，并且一部分功率被反射回第一晶体1。即，如图5所示，在透射态下有非常小的光损耗。
简而言之，本发明的开关的操作基础是要求晶体取向在外加电场下旋转45度或非常接近其。在本发明中新提出来的，是通过沿晶体的x轴施加电场实现的，如图1A和1C所示，其中横轴有如图4所示的旋转角度α。
开关特性
已经描述了本发明的基于偏振管理的光开关的开关机制，现在确定开关特性。在图3中，我们说明了变形的铌酸锂晶体的本征模的折射率与施加电场的关系。如所示，本征模的折射率之间的差随着施加的电场强度的加大而加大。施加的电场加大到大至20V/μm，这接近但仍小于晶体的击穿电压。要注意的是，作为电场施加的结果，折射率仅改变其小数点后的第四位。这种情况在三角3m对称的晶体中很常见，表明了弱普克尔斯效应。在图4中，我们示出了变形的铌酸锂第一晶体的主轴α的旋转角与所施加的电场之间的关系。如图所示，旋转角接近但略微不同于45度。即，该小的差异导致偏振P3相对于y轴的微小偏离，这进而引起透射态下的光损耗。在图4中，还示出了实现本征模之间的相位差所需的第一晶体L的长度和所施加的电场。如图3所示，本征模的折射率ny'和nz'之间的差随着施加的电场的加大而加大。因此，实现等式6中的相位差累加π所需的传播长度L将急剧减小。
在图5中，描绘了本发明的开关中反射态的消光比和传输损耗与施加的电场的关系。反射态的消光比ΞR被定义为没有施加电场时的反射态的光功率与施加电场V/d时的该功率的比值，以dB表示。如所示，即使在较大的施加电场下，也可以实现超过50dB的相当大的消光比。_ΞR随施加电场的减小行为可以用本征模的较大折射率差导致的反射态光功率的增加从而在施加电场下产生更多的反射功率来解释。本发明的空间光开关的透射损耗也显示在图5中。透射损耗是由于P3与y轴的微小对准偏差而产生的。此外，随着施加的电场的加大，变形的第一晶体1的本征模的折射率进一步偏离第二晶体2的普通折射率2.232。然而，即使在较大的施加电场下，透射损耗也保持在相当小。关于被定义为在施加电场下的透射功率与在没有施加电场下的透射功率之比的透射态的消光比，其变为无限大。这是由于如前所述的通过选择晶体界面平面3的倾斜度而实现的光全反射。在实际的开关中，由于制造公差、所涉及的近似、界面平面的倾斜精度等原因，透射态的消光比ΞT将保持有限，但是超过50dB的相当大的值是可期的。在没有施加电场的情况下，入射光在晶体的界面3处发生全反射，因此没有损失。也就是说，反射态是无损的。本发明的开关的串扰X被定义为在施加电场时透射功率与反射功率之比。在施加电场的情况下，几乎所有的光都透射，并且串扰近似等于1/ρx，其中ρx是功率反射系数。因此，串扰X等于反射态的消光比ΞR，且如图5所示，可以实现超过50dB的相当大的值。串扰X在开关特性中起着重要作用，并且只有当串扰X足够大(例如好于30dB)时，开关才有实际用途。
开关尺寸
在第一晶体1中的光传播的长度必须满足公式6的相差累加，以允许光偏振矢量旋转大约90度。如图4所示，该要求导致第一晶体1的长度L为几毫米。L是实现如图4所示的公式(6)中的相位差π所需的规定长度。由于制造公差，L可能会略微偏离规定值。但是，总是可以通过调节影响双轴晶体的差值ny'–nz'的施加电场强度，来补偿这种公差。这使得本发明的开关的制造变得容易，如下文所要阐述的。晶体2的长度是任意的，并且光开关的总长度可以变成几毫米。开关宽度W主要由沿y和z方向的反射光分量的相位差决定，该相位差会影响点8处的反射光偏振的椭圆率。可以对点8处接收到的反射光的传播长度进行调整，以给出相位差π。在这种情况下，当公式(1)确定的l为1.064μm时，点8处的反射光偏振变为线偏振。由于铌酸锂中的光吸收损失小到可以接受的程度，因此，为了易于操作和实现点8和9之间的良好分离，开关宽度W可以进一步加大。这可通过使l满足3π、5π、7π等的相位差来实现。开关尺寸H主要由光束直径d决定。光束尺寸应小于H，以避免光损失到金属电极上。如果需要，可以在电极之间引入SiO2缓冲层，以防止光与金属直接接触。因此，高度H变得略大于光束直径d。对于
对于V/d＝5V/μm的电场，施加的电压变为50伏。由光源10提供的入射光束的尺寸是有限的。有限大小的入射光束的全反射效果由图1A和1B所示的Goos-Haenschen偏移s来表征。偏移量s是几个光波长的长度，且考虑到这种偏移量，必须如图1A-1C所示地调整光接收器11的位置。
制作工艺
由于本发明的开关仅由两个各向异性三角3m对称的晶体块和一对电极组成，因此很容易制造。作为这种晶体的一个例子，选择其处理技术为本领域技术人员所熟知的铌酸锂作为本发明的开关的晶体1和晶体2的类型。也可以使用其他具有三角3m对称性的单轴晶体，例如钽酸锂等。制造步骤包括准备两块晶体，其端面切成规定的角度
度，如图1A-1B所示。端面必须没有波长大小的起伏，如有必要，应进行良好研磨并使用磨料进行抛光以避免粗糙。在晶体1的上表面和下表面上形成金或银电极6和7的图案和/或布线。晶体1的长度L必须被调整为满足公式(6)中的相位差关系，以使线偏振光在施加电场时旋转90度。
在将两个晶体粘结在一起之前，优选通过调节施加的电场强度来检查90度光偏振旋转。通过对晶体1施加电场，必须验证偏振矢量P3是否沿y方向或接近y方向。如果需要，可以进一步研磨晶体1以调节长度L以满足公式(6)。无论如何，如前所述，可通过调节施加的电场强度来补偿长度L的偏差。通过常用的胶水将两个晶体块粘合在一起，以使边界3处的折射率不受干扰。市售的Glan–Thompson、Rochon、Senarmont或Wollaston棱镜都使用两个附着在一起的晶体块，因此相应的技术已经成熟。但是，对于非常光滑且无粗糙度的界面，优选的是将两个晶体块直接牢固地连接在一起，这样可以提高开关的功率处理能力。
驱动要求
由光源10提供的照射在本发明的开关的晶体1上的入射光的偏振矢量必须特别地沿着x轴。这是一个严格的要求，必须为这种对准对入射光进行精确调整。在几种可能选择中，例如，Lamipole、Glan-Thompson棱镜或Panda光纤可被用来仅让特定偏振的光照射到本开关中。
以上已经描述了本发明及其用途、制作方法和工作原理。本领域技术人员应该理解的是，在本申请的权利范围里，可以进行各种改变和变形。
Claims (17)
1.一种光学空间光开关，包括：
第一块三轴3m对称的单轴晶体，以下称为“第一块”，该第一块具有随电场的施加而变化的折射率和晶体主轴，该第一块具有竖向穿过第一块的x轴，与x轴横向正交的y轴和与x和y轴纵向正交的z轴，其中z轴也沿着第一块的一条光轴，
第二块三角3m对称的单轴晶体，以下称为“第二块”，该第二块牢固地压紧或透明接合到第一块，其中第一块和第二块之间的界面平面相对于z轴倾斜大约该第一块的寻常折射率和反常折射率的临界补角，且该第一块的光学z轴与第二块的光学z轴相垂直地取向，
在第一块的顶表面上的第一电极，
在第一块的底表面上的第二电极，第一电极和第二电极有选择地提供沿着第一块的x方向的一个电场，从而改变第一块内部的光传播，
连接到第一电极和第二电极的可有选择地切换的电源，用于在第一电极和第二电极之间有选择地提供电场，
用于产生沿第一块的x轴偏振的线偏振光束的光束源，该线性偏振光束垂直照射到第一单轴晶体中，从而在第一电极和第二电极之间没有施加所述电场电极的情况下，沿x轴偏振、照射到第一个块中、并沿第一块的光轴传播的线偏振光束在界面处被全反射而在一个第一点出射，且在第一电极和第二电极之间施加了电场的情况下，线偏振光束通过界面平面透射到第二块中并在一个第二点出射。
2.根据权利要求1所述的光空间开关，其中，所述第一块和所述第二块之间的界面平面相对于沿x方向线偏振的入射光沿第一晶体的z轴的传播方向以所述第一块和所述第二块的寻常折射率和反常折射率的一个临界补角倾斜，所述临界补角约为π/2–θc。
3.如权利要求2所述的光空间开关，其特征在于，用三角3m对称的铌酸锂晶体作为所述第一块和所述第二块，所述角度π/2–θc约为14.7度。
4.根据权利要求3所述的光空间开关，其中，所述第一块被配置为使得沿着x轴的电场通过改变所述第一块的折射率和主轴而使所述第一块成为双轴晶体。
5.根据权利要求4所述的光空间开关，其中，在所施加的所述电场下，所述第一块的z轴大致沿着变形的所述双轴晶体的x′方向。
6.根据权利要求3所述的光空间开关，其中，所述可有选择地切换的电源被配置为在所述第一块中以约
的强度提供电场。
7.根据权利要求1所述的光空间开关，其中，所述界面平面相对于所述第一单轴晶体中的光传播方向以与所述第一单轴晶体的折射率相对应的临界补角倾斜，从而使得在反射态下界面平面处发生不会引起线偏振光束的损失的全反射。
8.根据权利要求7所述的光空间开关，其中，所述第一电极和所述第二电极被配置为沿着所述x轴并垂直于yz平面在所述第一块中产生电场，使得所述第一块内部沿z轴的光传播方向不受干扰。
9.根据权利要求1所述的光空间开关，其中，所述光束源被配置为提供沿所述第一块的x轴偏振的线偏振光束。
10.根据权利要求9所述的光空间开关，其中，当所述第一块由于沿x方向的电场成为所述双轴晶体时，所述线偏振光束被所述第一块旋转而在所述界面平面处变成与所述第二块的一个光轴垂直。
11.根据权利要求10所述的光空间开关，其中，所述第一块的长度得到选择，以使沿x轴的线偏振光束旋转90度而在界面平面处沿着y轴，从而使线偏振光束进入第二块并在第二点出射。
12.一种用于光的空间切换的装置，包括三角3m对称的第一单轴晶体和三角3m对称的第二晶体，所述第一单轴晶体具有第一光学z轴且所述第二单轴晶体具有第二光学z轴，第一单轴晶体和第二单轴晶体在一个界面平面处被接合或者设置在一起，该界面平面绕一个纵向轴旋转，该纵向轴在界面平面的中间并沿着入射光的偏振方向，从而使界面平面相对于沿着第一晶体的第一光学z轴的光传播方向倾斜角度π/2–θc或略小，使得第一晶体的第一水平光轴和第二晶体的沿着沿入射光的偏振方向的一个纵向方向的第二光轴彼此垂直，第一单轴晶体在其顶侧有一个第一电极且在其底侧有一个第二电极，用于沿着第一单轴晶体的x主轴在第一单轴晶体中建立电场。
13.根据权利要求12所述的光空间光开关，其中，所述第一块和所述第二块是三角3m对称的铌酸锂单轴晶体，且其中所述反射态和所述透射态是分开的，从而实现了优于50dB的消光比和串扰。
14.根据权利要求12所述的光空间开关，其中所述反射态和所述透射态被分开大约13.7度，从而呈现出优于50dB的串扰。
15.根据权利要求12所述的光空间开关，其中所述反射态和所述透射态被分开大约13.7度，由此产生大约50dB的消光比。
16.如权利要求12所述的光空间开关，其中向所述第一电极和所述第二电极施加的激励电势导致在所述第一电极和所述第二电极之间施加一个电场，并且产生其中反射损耗小于0.5dB的一个透射态。
17.根据权利要求12所述的光空间开关，其基于三角3m对称的单轴铌酸锂晶体中的普克尔斯效应，从而能够达到100GHz的开关速度。
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|---|---|---|---|
| CN202010917632.XA CN114137747A (zh) | 2020-09-04 | 2020-09-04 | 快速空间光开关及其制作 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2024178153A1 (en) * | 2023-02-22 | 2024-08-29 | Gamdan Optics, Inc. | Bonding nonlinear optical materials |
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2020
- 2020-09-04 CN CN202010917632.XA patent/CN114137747A/zh active Pending
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