CN1186552A - 级联热－光器件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及包含一个波导结构(1)的热－光器件。而波导结构(1)包含至少一条输入光路(2)和至少二条输出光路(3,3’),从而构成第一Y形分光器(4),给出至少一条具有第一加热单元(5,5’)的输出光路(3,3’),其特征在于所述输出光路(3,3’)具有构成第二Y形分光器(7)的附加支路(6),此处至少有一条所述支路(6,6’)是具有第二加热单元(8,8’)的。这些附加支路(6)可以位于相反的方向上,这样在每个第二Y形分光器(7)中,有一条支路(6’)将与第一Y形分光器(4)的输出光路(3,3’)中的一条支路相一致。

Description

级联热-光器件
本发明涉及热-光器件，此器件包括光学波导结构，而此光学波导结构包含至少一个输入光路和至少两个输出光路，从而构成第一Y形分光器，给出至少一个具有第一加热元件的输出光路。
热-光器件是众所周知的，例如在《光波技术期刊》第7卷第3分册(1989年)的449页至453页上，由Diemeer等人所描述的那样。它们的运作通常基于采用的光学波导材料展示的现象，而这些波导材料展示了与温度相关的折射率(与偏振无关的热-光效应)。这样的器件已经实现了，其中有采用无机材料的，例如采用离子交换玻璃和钛掺杂铌酸锂。Diemeer等人揭示了，热-光器件使用全聚合物波导结构的优点，其优点是当温度的适度增加将导致折射率的极大变化。由Diemeer描述的器件是一个全聚合物平面开关。开关功能是通过采用由热引起的可变阻挡层(index barrier)的全内反射来实现的。这个器件包含一个衬底(PMMA)、一个波导结构(聚氨酯清漆)和一个缓冲层(PMMA)、且加热元件是银条加热器，此加热元件是在缓冲层上通过机械掩膜进行蒸发而沉积出来的。
热-光开关器件也已经由Mohlmann等人在《美国摄影-光学仪器工程师学会》(SPIE)会议录1560卷第426-433页上，以题为《有机材料的非线性光学特性，IV》(1991)中披露出来。应用器件是由聚合物构成的，在该聚合物中，通过辐照能够建立起一个波导通道。这种披露出的器件是一个对偏振/波长不敏感的聚合物开关，而此开关包括一个非对称Y结。此开关特性是建立在热引起的折射率调制的基础上，这种调制导致在这种非对称Y结的模式演化的变化。此器件包含一个玻璃衬底和一个聚合物的多层体，多层体包括非线性光学(NLO)聚合物。另一个坡露出的热-光器件是一个热光偏置的电-光Mach Zehnder干涉仪。
在期刊《电子通讯》第24卷第8期(1988)，第457-458页中，披露了一个光学开关，此光学开关中，使用了一个单模融合耦合器与光学纤维相耦合，而在该耦合器的耦合区应用了硅有机树脂包层。由热引起的硅有机包层折射率的变化而实现开关作用。
在美国专利US4,753,505中所述的热-光开关包含一个分层的波导结构，在此波导中，用的折射率与温度相关的材料是聚合物或者玻璃。
在美国专利US4,737,002中所述的热-光耦合器可以采用任何光学纤维或集成光学件构成。
当这些公开的聚合物热-光器件被充分形成，可以应用热-光效应实现例如开关一类的作用，在这些已知器件中，消光作用(定义为：1010Log＝通时光功率/断时光功率)留下了许多想要的光，并且串光现象常常也是一个问题。这些问题采用我们提供的热-光器件就能够解决，这种热-光器件具有特殊设计的波导结构。
为此，本发明涉及在开头段落中所确认的那种类型的聚合物热-光器件，此类器件给出具有附加支路(6)的输出光路(3、3’)，从而构成第二Y形分光器(7)，Y形分光器(7)中的支路(6，6’)至少有一个带有第二加热元件(8、8’)。
参考标号指的是在图1a、图1b和图2中使用的标号，这些图将在下面描述。
根据本发明的热-光器件于是包括附加的Y形分光器，实际上就构成了一个级联的分光器。这样构成的级联分光器导致了消光率的改善和串光的降低。当采用根据本发明的热-光器件时，第二Y形分光器只有一个输出光路是功能输出光路。当这一功能输出光路处于“断”的状态时，为了减少功能输出光路中的光功率，为了光的导入，另一个支路就可开放使用，这样，既改善了消光率也减少了串光。
热-光器件中附加支路(6)位于相反的方向上，这样在每个第二Y形分光器(7)中，一个支路(6’)与第一Y形分光器(4)的输出光路(3、3’)中的一个相一致，这是特别好的。这种更紧凑的设计提供了具有更高密度(每平方厘米有更多的输入和输出端口)的热-光器件。此外，由于器件长度的变短，就减少了插入损耗。而且用这种设计就减少了加热元件的数量，也减少了所需电触点的数量。本发明的这一最佳实施例在下面图2中用图解说明。
根据本发明的器件可以采用光学纤维或者集成光学部件构成。在这些集成光学部件中，首推聚合物热-光器件，因为该器件甚至在适当的温度变化时就能导致折射率大的改变。
集成的热-光器件可以如下面那样制作。在波导结构的下面有一个支撑体，例如是一个玻璃的衬底或硅衬底。在衬底上，可以鉴别的连续的各层是：一个较低的包层、一个芯层(导引层)和一个较高的包层。包层材料可以是玻璃或者聚合物材料。所述包层具有比芯层低的折射率。芯层具有实际的波导设计结构，可以用无机物或聚合物材料构成。
本发明给出的波导结构可以连接到任何类型的热-光器件中。例如对称的热-光器件，非对称热-光器件及具有如下所述制备出的非对称层的热-光器件。
在一个非对称器件中，第一分光器的一个输出通路要比另一个宽，这样就建立了缺省的开关状态。原则上，这个分光器只需要在第一Y形分光器中的一个加热元件。根据本发明的热-光器件能够由任何对称的和非对称的Y形分光器的组合构成。
在具有非对称层的热-光器件中，与加热元件邻接的包层，有比其它包层更低的折射率。具有特别设计的、本发明的波导结构用于这些类型的热-光器件中有优势。具有非对称层结构的热-光器件有改进了的热-光性能。
当使用聚合物芯层时，最好采用聚合物包层。在这些全聚合物器件中，很容易调节从一层到另一层的不同层的物理特性，从而可提供更稳定的器件。能用于这些层的聚合物就称为光学聚合物。
使用的光学聚合物的折射率通常在1.4至1.8的范围内，最好为1.45至1.60。当采用制备有非对称层的热-光器件时，在两层包层间的折射率之比是可变化的。
光学聚合物是众所周知的，并且在此技术领域中的普通技术人员能选择具有适当折射率的聚合物，或者通过化学改变改进聚合物的折射率，例如通过引入能影响折射率的单体单元。因为所有的聚合物都展现了热-光效应，所以对应于可用波长的、有足够透明度的任何聚合物，基本上都可能用于波导部件的芯子中。上述透明度的要求也适用于包层。特别适合的光学聚合物包括聚丙烯酸脂、聚碳酸脂、聚酰亚胺、聚脲类和多芳基化合物。
本发明涉及的波导结构能提供一种适合各种方法用的光路图案(特别设计的)。为得到这种波导结构的各种方法在本领域是已知的。例如，通过消除平板波导的某些部分，就能够引入这样一种图案，例如采用湿化学法或干刻蚀技术(反应离子刻蚀法、激光烧蚀法)，以及用具有低折射率的一种材料随意地填充形成的间隙便可达到要求。或者例如可使用一种在辐照后能够显影的光敏材料。在用负性光致抗蚀剂的情况下，光敏材料在辐照后对显影剂具有阻碍作用，那么不能受到辐照的那部分材料便可去除。因而我们最好使用正的光致抗蚀剂，而且通过采用辐照掩膜可建立光通道，此辐照掩膜覆盖了将构成光通道的波导部分。使用显影剂就消除了被辐照过的材料，然后便可应用一种低折射率材料了。
然而，最好是使用不必有必须除去的材料就可建立波导图案的芯子材料。这是一种自然存在的材料，例如那些当受到热、光照或紫外线辐照时，将发生化学或物理变换而成为具有不同折射率的材料。如果这种变换的结果是增大了折射率，这种处理过的材料将能用作波导通道的芯子材料。这一过程可通过应用掩膜来实现，其中，开口部分是与所需要的波导图案等同的。在该处理导致折射率减小的情况下，这一处理过的材料适宜作为包层材料。在那种情况时，可使用上述的掩膜，即用掩膜覆盖所要求的波导通道。一个特别的最佳实例中，这类芯子材料是用能被漂白的聚合物构成的，即这种聚合物用可见光或紫外线辐照后，其折射率被降低，同时对其物理和机械特性没有实质上的影响。为此，最好是用具有掩膜覆盖的平板波导，这种掩膜覆盖着所需要的波导通道的图案部分，并且采用光照(通常为兰色光)或紫外线辐照，使图案周围材料的折射率降低。在EP358476专利中描述了这些能漂白的聚合物。
进一步，最好是在芯子中使用非线性光学(NLO)聚合物，以便有可能制造组合式热-光器件和电-光器件。
光学非线性材料也称作非线性光学(NLO)材料，这是众所周知的。在这样的材料中，在外部作用力场(例如一个电场)的影响下，就发生了非线性极化现象。非线性电极化可引发几种光学非线性现象，例如倍频现象、波克尔斯(Pockels)效应和克尔(Kerr)效应。换言之，NLO效应可能通过光-光或声一光现象而产生出来。为了赋予聚合物NLO材料的NLO活性(宏观上得到所要求的NLO效应)，在这样一种材料中存在几种基，通常是超极化的侧基，首先排列准直(极性化)。这样的准直常常受到使聚合物材料曝露在电压(直流)下的影响，这种直流电压就称为极性场，用这样的加热将给于这类聚合物链充分的移动取向。特别在专利EP350112、EP350113、EP358476、EP445864、EP378185和EP359648中描述了NLO聚合物的性能。
制做根据本发明的聚合物光学波导通常将包括在衬底上加一层用作为较低包层的溶液，例如采用旋镀，接着再蒸发溶剂。其后，芯子层和较高包层都可以用相同的方法加上去。在较高包层的顶端上将安置加热元件，例如使用溅射(喷涂)、化学气相沉积或蒸发，以及标准的平板印刷技术等。固定和抛光镀层适合在整个结构的顶面上应用，以便较好地处理这种器件。用另一种方法时，可使用粘结层代替镀层起一种固定作用，此后，在构件上面放一物镜，就可以完成整个构件。
当制作全聚合物层状的波导结构时，以可交联聚合物的形式加各个分层是有益的。这些聚合物含有可交联的单体或者含有所谓的交联剂，例如聚异氰酸酯、聚环氧化合物等。这就能将聚合物加在衬底上，并且固化该聚合物，以便于构成一个固化的聚合物网状结构，当制备下一层的时候，此聚合物网状结构不会溶解。
合适的衬底材料是硅片、陶瓷材料或塑料薄片，例如那些增强的或不增强的环氧树脂基材料。对于技术人员来说，是知道哪些是合适的衬底材料的。最好是衬底能借助于高热导率而具有散热片的功能。这一优点可明显地加速热-光开关转换过程。为此，对于这种开关转换设计，通过加热波导结构便可以达到了“通”的状态，而达到“断”的状态就只需要将此波导结构得到冷却就可以了。为此，最佳的衬底是玻璃、金属或陶瓷，特别是硅。
为了避免光通过较低的包层时的损耗，最好采用由两个分层构成的较低包层，此包层的下层(即邻接衬底的一层)是一较薄层(例如大约3μm)，具有比另外一分层(即邻接芯子层的一层)更低的折射率。这样，实际的波导结构对衬底就是“光学绝缘的”。如果衬底优先选择了其散热特性，而不是其折射率时，这点是特别重要的。例如，硅是一种极好的热交换材料，但是硅比构成波导的那些层有更高的折射率，这可导致由于光辐射进入硅衬底引起的光损耗。该另加的低折射率层提供了关于所有的光都将通过波导结构传播的确定性。为了得到一种最佳的热分布图，最好是较低折射率的包层尽可能的薄，通过采用另加的低折射率层，这将是可能作到的。借助于在无机物材料范围内选择的聚合物材料，即可用简便的方法实现这一要求。
加热元件通常由薄膜电导体构成，通常是一个金属膜。这样一个产生热能的电导体也可简称为“电阻线”。当然，合适的热能产生电阻器不是严格地局限于线的形式。
产生热能的导电体、电阻线都能够成为薄膜技术领域中所知的加热元件，例如Ni/Fe或Ni/Cr。换句话说，采用在电-光开关领域为人熟知的，曾经用以制成电极的那些材料来制作电导体也是可能的。这些材料包括贵金属，例如金、铂、银、钯或铝，还有那些已知的作为透明电极的材料，例如铟锡氧化物都可采用。铝和金最佳。
如果在现在的波导中使用有极性的NLO聚合物，并采用具有电极功能那样的加热元件，就可能在单个器件中结合有热-光和电-光功能。
在结合了电极和电阻线功能的情况下，在实际的实践中就可能出现电涌，也就是说使用相对大直径的(低电流密度)馈电电极，随后连接有较小直径的段。然后就在这个狭窄的段中产生高电流密度，所以产生热量。也可用另一种方法，就是能够使用由不同本征电阻的两种金属构成的材料，而且，当在期望有热-光效应的部位显示出高电流密度或比较高的本征电阻时可通过改变不同金属导体的厚度或者材料的组分，用这种途径得到理想的低电流密度效应，或者得到一种低本征电阻的效应。用这种改变电流密度的方法就能够在局部位置得到热-光效应。
在使用NLO聚合物的情况下，在NLO聚合物准直排序期间可将加热元件置于初始使用状态。
本发明涉及的器件能在各类光通信网络中使用，且具有优点。通常，任何热-光部件都将与光学部件直接组合，而这些光学部件是，例如，光源(激光二极管)或探测器、或者与输入端和输出端的光学纤维耦连，这些光学纤维通常是玻璃纤维。
参考下面的图1a、图1b和图2，进一步说明本发明。
图1a给出本发明涉及的特别设计的波导结构(1)的顶视示意图。
图1b给出本发明涉及的另一种特别设计的波导结构(1)的顶视示意图。
图2给出本发明涉及的具有紧凑设计的波导结构顶视示意图。
图1a给出包含输入光路(2)和两个输出光路(3，3’)的波导结构(1)的顶视示意图，输入光路(2)和两个输出光路(3，3’)构成第一Y形分光器(4)，每个输出光路(3，3’)都具有主加热元件(5，5’)。输出光路(3，3’)的每一条都具有附加的支路(6)，从而构成了第二Y形分光器(7)，其中的支路(6，6’)带有第二加热元件(8，8’)。
图1b示出包含输入光路(2)和两个输出光路(3，3’)的波导结构(1)的顶视示意图，输入光路(2)和两个输出光路(3，3’)构成了第一Y形分光器(4)，给出的每个输出光路(3，3’)带有主加热元件(5，5’)。每一条输出光路(3，3’)都具有附加支路(6)，而支路(6)位于相反的方向上，从而构成了第二Y形分光器(7)，给出的Y形分光器(7)的支路(6，6’)具有第二加热元件(8，8’)。
图2给出波导结构(1)的顶视示意图，在图中的附加支路(6)是位于相反方向上的，这样，第二Y形分光器(7)的每一条支路(6’)就与第一Y形分光器(4)的输出光路(3，3’)的一条相一致。如果光从这输入端(IN)转换到上面的输出端(OUT1)，加热元件(8)和加热元件(5’＝8)都被加热。利用这种紧凑的设计，就可以制得具有较高密度的器件。

Claims (9)

1.热-光器件，包括波导结构(1)，波导结构(1)包含至少一个输入光路(2)和至少两个输出光路(3，3’)，从而构成第一Y形分光器(4)，至少一个输出光路(3，3’)具有第一加热元件(5，5’)，其特征在于所述的输出光路(3，3’)具有附加支路(6)，从而构成了第二Y形分光器(7)，其中至少有一个所述支路(6，6’)具有第二加热元件(8，8’)。
2.如权利要求1所述的热-光器件，其中附加支路(6)都位于相反的方向上，这样在每个第二Y形分光器(7)中，有一个支路(6’)能与所述第一Y形分光器(4)的输出光路(3，3’)中的一个支路相一致。
3.如权利要求1或2所述的热-光器件，其特征在于在波导结构的下面有一种支持结构，而且所述波导结构包含两个包层和一个芯层。
4.如权利要求1、2或3所述的热-光器件，其特征在于所述热-光器件是聚合物器件。
5.如上述任何一项权利要求所述的热-光器件，其特征在于它是一个非对称热-光器件。
6.如上述权利要求3-5中任何一项所述的热-光器件，其特征在于与所述加热元件相邻接的包层具有比所述其它包层更低的折射率。
7.如上述权利要求4-6中任何一项所述的热-光器件，其特征在于不仅导引层，而且所述包层都是聚合物的。
8.如权利要求3-7所述的热-光器件，其特征在于所述较低的包层被分为两个子层：一个与所述导引层邻接的子层具有较高的折射率，而另一个与所述衬底相邻的子层则具有较低的折射率。
9.如权利要求1-8中任何一项所述的热-光器件的用途，其中所述第二Y形分光器仅有一个输出光路是一种功能型输出光路。
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