CN1182484A - 快速切换的非对称热光器件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及含有波导结构的非对称热光器件,其波导结构至少包括输入光路(1),第一输出光路(2),和第二输出光路(3),第二输出光路(3)的宽度小于第一输出光路(2)的宽度,第一输出光路(2)有第一加热元件(4),此热光器件的特征是,第二输出光路(3)有第二加热元件(5)。在本发明的优选实施例中,第二加热元件(5)连接到与第一加热元件(4)并联的电容器。

Description

快速切换的非对称热光器件

本发明涉及热光器件的领域，更具体地是，涉及非对称热光器件的领域。

热光器件是从，例如，Diemeer等人在Journal of LightwaveTechnology(光波技术期刊)，Vol.7，No.3(1989)，pp449-453的描述中了解的，它们的工作一般是基于所用光波导材料显示出折射率与温度有关(与极化无关的热光效应)的现象。已经制成了这种器件，尤其是用诸如离子交换玻璃和掺钛铌酸锂的无机材料做成。也已经披露采用纯聚合物波导制成热光器件，Diemeer等人指出其优点是，温度的适度增高可以导致折射率甚大变化。Diemeer描述的器件是一个纯聚合物平面开关。利用热致折射率壁垒形成的全内反射实现开关作用。该器件包括衬底(PMMA)，波导结构(聚氨酯清漆)，和过渡层(PMMA)，其加热元件是用蒸镀方法通过机械掩模在过渡层上沉积的条状银加热片。

在Electronics Lelters(电子学快报)，Vol.24，No.8(1988)，PP457-458中，披露了一种光学开关，其中光纤之间的耦合是利用单模熔融耦合器，其硅树脂包层是在耦合区的上面。开关作用的实现是利用硅包层的热致折射率变化。

在US4,753,505中，所描述的热光开关包含层状波导，其中折射率随温度而变的材料是聚合物或玻璃。

在US4,737,002中，描述的热光耦合器可能是采用光纤或集成光路形成的。

上述出版物中没有一个描述了非对称热光器件。

在SPIE Vol.1560：Nonlinear Optical Properties of OrganicMaterials IV(有机材料IV的非线性光学性质)(1991)，pp.426-433中，描述了非对称热光器件。所提到的器件是一个含非对称Y结的对偏振/波长不灵敏的聚合物开关。其开关性质是基于热致折射率调制，这种调制造成非对称Y结中模式演变的变化。该器件包括玻璃衬底和含NLO聚合物的多层聚合物。

一个非对称热先器件含有波导结构，此波导结构至少包括输入光路(1)，第一输出光路(2)，和第二输出光路(3)，第二输出光路(3)的宽度小于第一输出光路(2)的宽度，第一输出光路(2)上有第一加热元件(4)。因为第一输出光路的宽度大于第二输出光路的宽度，所以在缺省的开关状态，光通过第一输出光路。当要求开关在零功率态下处在明确的缺省状态时，就可以用这种非对称热光器件。在保护性开关或冗余开关和开关矩阵中就是这种情况。

原则上，这些非对称器件只需要一个加热元件，使光切换到第二输出光路。然而，在普通的非对称热光器件中，由于来自加热元件中的自由热扩散，返回到缺省的设定状态所需的切换时间太长。本发明提供一种回到缺省的设定状态切换时间较短的非对称热光器件。

为了达到这个目的，本发明含有前面摘要中提到的那种非对称热光器件，第二输出光路(3)上设置了第二加热元件(5)。

参照数字是在下面要解释的图1至图3中标明的。

在光被切换到第二(较窄)输出光路之后，可以加热第二加热元件(5)，使光能更快地切换回缺省状态。在本发明的一个优选实施例中，第二加热元件中加热脉冲所需的电功率是由电容器供给的，此电容器在加热第一加热元件时被充电。在切换到非缺省状态而对第一加热元件加热的同时，将第一加热元件与所述电容器并联，就可以对此电容器充电。现在，此电容器在充电。当切换回缺省状态时，该电容器与第二加热元件相连：电容器就通过第二加热元件放电。这使第二加热元件中产生加热脉冲。因为从缺省状态切换时，电容器已经充足了能量，所以切换回时不需要馈入另外的能量。这种情况尤其在开关矩阵中是有利的。

按照本发明的器件可以采用光纤或集成光路制成。在集成光路中，最好选用聚合物热光器件，因为即使不大的温度改变就能引起折射率很大的变化。此外，聚合物比无机材料更容易加工，例如，聚合物可以加在任何衬底上。因此，具有高热导性的衬底，如硅衬底，可以与具有低热导性的聚合物材料组成波导结构。这样一来，提供了一种热分布很集中的器件。

例如，可以按照如下方法制成集成热光器件。在波导结构下面是一支承，如玻璃衬底或硅衬底。在衬底上面可以标志成下列相继的各层：下包层，芯层(导波层)，和上包层。包层材料可以是无机材料或聚合物材料。所述包层材料的折射率小于芯层的折射率。包含实际导波构造的芯层可以用无机材料或聚合物材料制成。在上包层的上面放置加热元件。

在非对称层状结构的热光开关中，相邻于加热元件的包层折射率小于别的包层折射率。这有利于使上包层与芯层之间形成更大折射率差。因而，上包层可以做得比一般的薄些。这就使热光器件对每一加热元件温度上升的响应时间加快，从而减少切换时间。另外，供给所需的功率也少。按照本发明的非对称热光器件可能具有有利的非对称层结构。

当采用聚合物芯层时，最好使用聚合物包层。在这种纯聚合物器件中，相关的物理性质，诸如Tc和热光效应，是可以比较的。另外，热膨胀系数和热导性大致相同，可以做成更稳定的器件。用于这些层的聚合物称之为光学聚合物。

所用光学聚合物的折射率通常是在1.4至1.8的范围，最好是从1.45至1.60。当采用非对称层结构的热光器件时，两个包层之间的折射率差可以不同。

光学聚合物是大家知道的，此专业中普通技术人员能够选择具有适当折射率的聚合物，或者用化学修饰方法改变聚合物的折射率，例如将影响折射率的单体加入到聚合物中。因为所有的聚合物都呈现热光效应，基本上，对所采用的波长具有足够透明度的所有聚合物可以用于波导元件的芯层。所述透明度的要求也适用于包层。特别合适的光学聚合物包括聚丙烯酸酯类，聚碳酸酯类，聚酰亚胺，聚脲类，多芳基化合物。

按照本发明的波导结构可以有各种式样的光路形状。实现这个目的对专业人员是众所周知的。例如，可以利用湿化学技术或干腐蚀技术(活性离子刻蚀，激光烧蚀)除去平板波导中一些部分，有选择地填入折射率较小的材料到空隙部分来形成这种形状。或者，可以使用光敏材料，这种光敏材料在被照射之后能够显影。在负性光刻胶情况中，光敏材料在被照射之后能够耐显影剂，未受到照射的那部分材料被去除。最好使用正性光刻胶，藉助覆盖要形成通路那部分波导的辐照掩模，规定通路的界限，利用显影剂去除照射过的材料，之后，加入折射率较小的材料。

然而，更加可取的是，使用一种能够规定光路的形状而不必去掉部分材料的材料，来作芯层。这种性质的材料是存在的，例如，此种材料经受热，光，或紫外辐射后，发生化学或物理转化，成为一种有不同折射率的材料。在这种转化导致折射率增大的情况中，处理过的材料可以用于波导通道的芯层材料。利用开孔与所需波导形状完全相同的掩模，可做成这种波导。在这种处理导致折射率减小的情况中，处理过的材料适用于包层材料。在后一情况中，使用上述一种掩模，即覆盖所需波导通路的掩模。这种类型的一个特别的和优选的实施例，其芯层材料是由能够漂白的聚合物构成的，即，这种材料的折射率在用可见光或紫外光照射后减小，而其物理和机械性质基本上不受影响。为了达到这个目的，最好是，用一个覆盖波导通路所需形状的掩模来制作平板波导，藉助(一般是蓝光)光或紫外辐射，降低周围材料的折射率。可漂白的聚合物尤其在EP358 476，EP645 413，WO94/01480，EP350 112，和EP350113中有描述。

为了有可能制成复合的热光/电光器件，还建议在芯层中选用NLO聚合物。

光学非线性材料，也称之为非线性光学(NLO)材料，是大家知道的。这种材料在外力场(如电场)作用下产生非线性极化。非线性电极化能引起几种光学非线性现象，诸如倍频作用，泡克耳斯效应，和克尔效应。或者，NLO效应可以用光光技术或声光技术产生。为了使聚合物NLO材料非线性光学活化(宏观上得到所需的NLO效应)，在这种材料中存在的基团，一般是超极化侧基团，首先必须排成行(极化)。这种排列通常是将聚合物材料放在直流电压下，通称极化场，来实现的，靠这种情况下的加热作用使聚合物链可充分迁移而取向。NLO聚合物主要在EP350 112，EP350 113，EP358 476，EP445 864，EP378185，和EP359 648中有描述。

制作本发明的聚合物光波导一般涉及到将用作下包层聚合物的溶液加到衬底上，例如，藉助旋转涂布方法，接着蒸发掉溶剂。随后，芯层和上包层可以采用同样的方法。在上包层的上面放置加热元件，例如，采用溅射，化学气相沉积，或化学气相蒸发，和标准的光刻照相技术。为使器件更便于拿放，可以将一镀层加在整个结构的上部以利固定和表面光洁。或者，可以用一胶层替代镀层来固定，之后，将一物镜(objectglass)放在整个结构上而完成。

当制作纯聚合物层状波导结构时，将各个单层加工成可交联聚合物的形式是有利的。这些聚合物包含可交联单体的聚合物，或者包含所谓交联剂，如聚异氰酸酯，聚环氧化物等聚合物。这样就可能将聚合物加到衬底上，并且固化聚合物，使之形成固化聚合物网络，在加上下一层时不会解离。

合适的衬底主要是硅薄片，陶瓷材料，或塑料层薄板，诸如基于环氧树脂的可强化或不能强化材料。合适的衬底对于专业人员是熟知的，最合适的衬底是具有高热导性，能够起到散热片的作用，因为这可以大大加速热光开关过程。例如，对波导加热就可以实现切换到“接通”状态，切换到“关断”状态只要求使波导冷却。有这一方面性质的优选衬底是玻璃，金属，或陶瓷，尤其是硅。

为了避免光通过下包层时的损耗，最好采用由两个分层制成的下包层，下包层中下面的一个分层(即，相邻于衬底的分层)是一个折射率小于另一分层(即，相邻于芯层的分层)的薄层(例如，约3μm)。因此，实际的波导结构是与衬底“光隔离”的。如果选用的衬底是考虑其散热性质而不是折射率，则上述下包层的结构尤为重要。例如，硅具有好的散热性，但其折射率大于制作波导的各薄层。由于辐射进入硅衬底，就可能导致光损耗。附加的低折射率分层必定使全部光在波导中传播。这就大大地便于层状波导的设计。为了不影响热的分布，层状波导的总厚度不会由于附加的低折射半分层存在而受影响。这一点可以用简单的方法来实现，即选用不同于无机材料的聚合物材料。

加热元件一般是由薄膜导体制成，通常是薄金属膜。这种产生热能的通电导体也可以简称为“电阻丝”。当然，合适的产生热能的导体不限于丝状。

产生热能的通电导体，即电阻丝，可以是薄膜技术领域中熟知的加热元件，诸如Ni，Ni/Fe，或Ni/Cr。或者，可以把电光开关领域内做电极的那些材料用作导体。这些材料包括贵金属，如金，铂，银，钯，或铝，以及那些通称为透明电极的材料，如铟锡氧化物。镍，铬和金是最好的。

如果此种波导中采用极化的NLO聚合物，利用起电极作用的加热元件，就可以将热光功能和电光功能合成在单个器件中。

在电极功能与电阻丝功能合在一起的情况中，实际上可以产生浪涌电流，例如，采用一个相对大直径(低电流密度)的馈入电极，紧接着有一较小直径的小段。高电流密度就在这一狭小段内形成，于是产生了热量。或者，可以采用两种不同本征电阻金属组成的材料，或改变不同金属敷层的厚度，或改变材料的组份，以获得低电流密度所需的效果，或者，从低本征电阻处供电，而同时在热光效应所需的位置处，要显现高电流密度或较高本征电阻。通过这样方法改变电流密度，就可能局部获得热光效应。

在采用NLO聚合物的情况中，加热元件可以在NLO聚合物排列期间开始使用。

按照本发明的器件有利于在各种光通讯网格中使用。一般说来，热光元件或者直接与光源(激光二极管)或探测器等光学元件组合，或者耦合到输入光纤和输出光纤，通常是玻璃光纤。

本发明结合下列附图，图1，图2和图3，再加以说明。

图1画出已知非对称热光器件的示意顶视图。

图2画出按照本发明非对称热光器件的示意顶视图，表示从缺省状态切换到非缺省状态时的电路。

图3画出与图2相同的非对称热光开关，但是表示出从非缺省状态切换回缺省状态时的电路。

图1画出已知非对称热光器件所含波导结构的示意顶视图，它至少包括输入光路(1)，第一输出光路(2)，和第二输出光路(3)，第二输出光路(3)的宽度小于第一输出光路(2)的宽度，且第一输出光路(2)上有第一加热元件(4)。

图2画出按照本发明在开关状态下所含波导结构的非对称热光器件的示意顶视图，它至少包括输入光路(1)，第一输出光路(2)，和第二输出光路(3)，第二输出光路(3)的宽度小于第一输出光路(2)的宽度，第一输出光路(2)上有第一加热元件(4)，第二输出光路(3)上有第二加热元件(5)。该图表示从缺省状态切换到非缺省状态时的电路：通过加热第一加热元件(4)，光从缺省状态转变过来时，电容器(6)同时被充电。当转变回缺省状态时，该电容器连接到第二加热元件(5)，导致电容器(6)放电给第二加热元件(5)加热。

图3画出与图2相同的非对称热光器件的示意顶视图。该图表示切换回缺省状态时的电路：当切换回缺省状态时，电容器(6)放电，因此第二加热元件(5)被加热。

Claims (4)

1.一个含有波导结构的非对称热光器件，其波导结构至少包括输入光路(1)，第一输出光路(2)，和第二输出光路(3)，第二输出光路(3)的宽度小于第一输出光路(2)的宽度，第一输出光路(2)上有第一加热元件(4)，其特征是，第二输出光路(3)有第二加热元件(5)。

2.按照权利要求1的非对称热光器件，它包含电容器(6)。

3.按照权利要求1或2的非对称热光器件，其特征是，该非对称热光器件是一个聚合物器件。

4.按照权利要求3的非对称热光器件，其特征是，导波层和包层都是聚合物。

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