CN1854778A - 光开关和光路由器以及光滤波器 - Google Patents

光开关和光路由器以及光滤波器 Download PDF

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CN1854778A CNA2006100594202A CN200610059420A CN1854778A CN 1854778 A CN1854778 A CN 1854778A CN A2006100594202 A CNA2006100594202 A CN A2006100594202A CN 200610059420 A CN200610059420 A CN 200610059420A CN 1854778 A CN1854778 A CN 1854778A
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沃德·洛佩斯
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Abstract

本发明一般地涉及光开关(31)和光路由器(10)，该光路由器(10)通过使用光开关(20)从一光波段内的特定频道(22，24)快速路由信号，而光开关(20)使用介质微球(S1，S2，S3)的可控回音壁(whispering gallery mode)(WGM)共振以光切换信号。另一发明涉及使用WGM共振结构(150)以分离和切换波导(F1，F2)之间的特定光信号的光滤波器。在其它发明中，通过在WGM共振结构(150)内的信号损耗来“开/关”切换该滤波器(100)，该WGM共振结构(150)内的信号损耗中断该WGM共振；该滤波器(100)从一组不同波长的信号中分离并切换一特定波长之信号；以及通过将该共振结构的折射率调整至大体上与周围介质的折射率相近来将该滤波器(100)切换为“关”。

Description

光开关和光路由器以及光滤波器
本申请为申请号为02816302.8，申请日为2002年6月20日，发明名称为“光开关和光路由器以及光滤波器”的中国发明专利申请的分案申请。
本申请为一PCT申请，并主张2001年6月20日申请之美国申请第09/886,698号、2002年4月8日申请之美国申请第10/118,532号、2002年4月8日申请之美国申请第10/118,531号、2002年4月8日申请之美国申请第10/118,709号以及2002年4月8日申请之美国申请第10/118,760号之优先权，上述各申请之全部内容以引用的方式结合到本文中。
相关技术
在本申请全文中引入多种公开出版物。为了更加完整地描述本发明所涉及的最新技术，这些公开出版物所揭示之全部内容以引用的方式结合在本申请中。
技术领域
本申请公开了一种或多种发明。通常，这些发明涉及光开关，尤其是，其中一种发明涉及在光纤之间光切换一特定频道的光的方法、装置和系统。其它的发明通常涉及光滤波器的“开/关”切换，这些光滤波器分别专用于一个信号波段或多个频道波段内的一个波长或一个频道的信号。
背景技术
介质微球在本领域是公知的。已经显示，利用对于一特定波长，或对于一组是共振频率的特定波长，该介质微球在“回音壁”(whisperinggallery mode)(WGM)下的共振，适当部分的微球能形成从一根光纤至另一根光纤的波长特定的连接。WGM可用于切换从一根光纤至另一光纤的光传输。取决于该微球的放置以及光纤的性质，可获得相当高的耦合效率和光传递。这已在Opt.lett25，No.4，260(2000)上Ming，Cai和Kerry，Vahala所作的“使用对称双耦合装置在Whispering Gallery Mode下的高效光功率传输(Highly Efficient Optical Power Transfer toWhispering Gallery Modes by Use of a Symmetrical Dual CouplingConfiguration)”公开了。
波分复用(WDM)是一种技术通过同时传输在单一波段内的多个离散波长的光，即被称为“频道”来增强单模光纤的信号容量。由一通常在几百GHZ量级的预定间隔将每个频道中的波长分开。与WDM相比，密集波分复用(DWDM)系统的特点在于包含多个频道的各波长之间的较小间隔，从而允许更多的频道在相同光纤内的相同波段内。
从一根光纤到另一根光纤的路由速度受到光切换产生的速率限制。以往，将光数据转换成电数据的开关已成为该系统得以发展的“瓶颈”。熟悉光交换的人将会记起，人们一直对达到直接的光-光交换目的以消除过去光电转换所带来的这个瓶颈有非常大的兴趣。已经研制了各种各样的装置以期达到这个目的。
许多光—光开关和光路由器的共同点在于，它们要么为全功能性的以切换一个频道内的所有信号，要么不具有任何功能，不切换一个频道内的所有信号。然而，当应用于小的或本地网络，尤其是那些在较大或较小可控环境中的具有容易控制的光源(激光器)的网络，光路由器必须能够从各种各样的光源接收信号并进行无缝多路传输，尽管信号的质量有差别。光开关缺乏监视、均衡和/或整饰(groom)纳秒或甚至皮秒(其为光传输的“实时”)的频道的能力。这会在一个波段内产生混乱，导致从一个频道到另一频道的不均衡的光传输(信号)，这可能引起噪声、丢失部分信号或者频道断开。
因此，申请人一直确信需要一种光开关和路由器用于对光传输实时(是纳秒级或皮秒级)工作。申请人还一直确信需要一种能进行实时光切换的光路由器，其能相对于一个光波段内的其它频道来监视、整饰和/或均衡一个频道。
此外，关于电介质的通常领域，Grier和Dufresne在美国专利第6055106号中已经描述，在一个或多个光陷阱中可包含小的电介质粒子。如上所述，光捕获是公知的，并可容纳和操纵在亚微米至几百微米的范围内的小粒子。
取决于WGM微球的放置、光纤的本性以及光纤的直径或锥度，对于共振频率可获得高效率的光传递。参见Ming，Cai和Kerry Vahala在Opt.LETT25，No.4，260(2000)上的“使用对称双耦合装置在whispering-gallery-mode下的高效光功率传输(Highly efficient opticalpower tansferto whispering-gallery modes by use of a symmetrical dualcoupling configuration)”；J.C.Knight，G.Cheung，F.Jacques，和T.A.Berks，在Opt.LETT.22，No.15，1129(1997)的“光纤锥的WGM(whispering-gallery-mode)共振的相位—匹配激励(Phase-matchedexcitation of whispering-gallery-mode resonances by a fiber taper)”。尤其应当注意图2，以及R.W.Shaw，W.B.Whitten，M.D.Barnes，以及J.M.Ramsey，在  Opt.LETT.23，No.16，1301(1998)上的“在玻璃微球的whispering-gallery-mode下，光脉冲传播的时域观察(Time-domainobservation of optical pulse propagation in whispering-gallery modes of glassspheres)”。
在确定二氧化硅微球的Q值时，、将Q值减小至由材料损耗Q-1 mat所确定的极限值以下的物理因子为Q-1 cont、Q-1 rad以及Q-1 ss的损耗，其中，Q-1 cont为由表面污染带来的损耗，Q-1 rad为由微球的直径的较小带来的损耗，Q-1 ss为由表面瑕疵引起的散射所带来的损耗。对损耗的测量表明，如果微球正在共振的光的波长除微球的直径的所得值大于等于15，则Q-1 rad＞1011。此外，对那些直径大于100微米的微球来说，Q-1 ss＜＜1×10-10。参见“光微球共振器的极限Q(Ultimate Q of optical microsphere resonators)”，M.L.Gorodetsky，A.A.Savchenkov，以及V.S.Ilchenko Opt.LETT.21.No.7，453-455。
Knight已经描述，耦合到光纤的微球可在锥形部分达到高的耦合效率，其中剥去光纤的整个区域的聚合物涂层(包层)，该光纤在锥形的腰部区域被拉长。耦合到信号的渐渐消失的尾端，沿着围绕锥形部分的光纤区域延伸出来进入自由空间。Knight报道在锥形腰部区域微球共振器的耦合效率，其Q的测量值高达5*107。
一种使光纤逐渐变细的方法是加热光纤并在它们各自的熔融温度之上涂敷包层，使得光纤将拉伸，并施加一个拉伸力。见Hmelar公开的US专利第5,729,643号。
如上所述，关于WDM，在各频道的波长由一通常为几百GHz量级的预定间隔分开，传输速率达到大约10Gb/s。DWDM系统的特点在于，各频道之间具有量级为50至12.5GHz的较近间隔。与WDM相比，该较近间隔允许更多的频道在相同波导的相同波段内，例如，与产生800Gb/s的光纤容量的10Gb/s的80个频道相比，10Gb/s的320个DWDM频道产生-3200Gb/s的光纤容量。
除了WDM和DWDM之外，光纤网络可增加时分复用(TDM)的光纤容量。通过将较少的频道和较快的传输速率结合，TDM能获得3200Gb/s的光纤容量。例如，40Gb/s的80个频道产生3200Gb/s的光纤容量，并通过减小位周期来保持较大的频道间隔。然而，位周期从10Gb/s减至40Gb/s，将减少窗口从100皮秒减至仅剩余25皮秒，其中通过所述窗口以测量波形。参见Daniel C.McCarthy在2001年第9期的PhotonicsSpectra的“较快对较密：网络发展至另一十字路口(Faster vs.Denser：Networks Reach Another Crossroads)”。因此，在WDM、DWDM或TDM光纤网络中，皮秒切换为“光实时”。
因此，需要具有如下能力的光滤波器，其能以“光实时”从一光传输波段内的一组波长的光信号中选择并转换至少一个特定波长的光信号；而且其能从在一光传输波段的频道内可发现的所有不同波长的光信号中，“光实时”地滤出特定波长的光信号。
发明内容
本申请公开了一个或多个发明。
一个发明提供了新的、改进的方法、系统和装置以通过经两根光纤之间的WGM(whispering gallery mode)共振耦合介质微球，来快速(在纳秒、甚至皮秒的范围内)切换两根光纤之间的信号。通过控制许多光开关，能有选择的切换来自一个光波段内的特定频道的选定信号。以下所提到的所有微球均指介质微球。
在本发明所示的所有实施例中，光路由器由一系列光开关形成。这些光开关之间的共同点在于，具有一个接近一对光纤的裸露或薄包覆区域的微球。为切换光纤之间一个特定频道(光波长)的信号，由电磁场产生的衰逝波与一光波段内传输的信号相关。一特定频道经特定波长的微球的WGM与微球相耦合，并在该微球两侧发生共振，以将信号切换至另一光纤。
在光路由器的一个实施例中，形成光开关的每一微球具有稳态折射率“n”，并对光(频道)的特定波长，在WGM中共振。
通过控制微球的稳态折射率“n”来完成切换。微球定位在光纤之间，并在薄包层或包层剥除区域具有大体上类似的折射率，适用的光纤包括Cai和Vahala确认的那些锥形光纤。放置在每一微球两侧的一对电极，可用以向微球施加电压。当在电极对两端施加足够的电压时，通过微球基底上电压的极化效应改变微球的稳态折射率“n”。即，该极化改变基底的介电常数，而基底的介电常数反过来改变微球的稳态折射率“n”。当微球的稳态折射率“n”大体上与光纤的折射率相近时，上述电压将会使得微球稳态折射率“n”变得与光纤的折射率非常不同，从而趋向于避免WGM共振。
为切换光路由器内的一个特定光开关，仅需要暂时(几纳秒至几皮秒量级)中断所选电极对两端的电压，使得信号能在微球两侧发生共振，然后从一根光纤传输至另一光纤。因此，可获得能用于WDM、DWDM以及波分解复用中的光路由器。
相反，通过选择稳态折射率“n”与光纤的折射率不同的微球，以及通过向所选电极对施加足够的电压以将微球的稳态折射率“n”改变至大体上与光纤的折射率相近，可获得微球的WGM共振。
对微球来说，电压的调整也可提供一可控折射率“n±x”，其中x接近零时，信号的传输效率接近微球的最大耦合效率，该最大耦合效率用于频道均衡、整饰以及功率平衡等应用。
在光路由器的另一个实施例中，提供多个特定波长的微球，每一微球具有一光激活材料，例如一种染料，集成在它们的基底内。为形成一光路由器，在非常接近两根光纤的每一根的裸露或薄包覆区域的地方，安置一系列的光开关，每一光开关包含一被选择对特定频道在WGM中共振的已知微球该微球。
每一光开关通过足够强的光束对微球的可控照射而工作。该照射激活该光激活材料，并且根据对光激活材料和微球基底的选择，该照射要么改变光激活材料的介电常数，从而影响该微球的平均介电常数，要么影响光激活材料和基底的介电常数，从而改变微球的介电常数。在任一种情况下，介电常数的改变将会改变微球的稳态折射率“n”。
如果微球的稳态折射率“n”与光纤的折射率大体相近，那么上述照射可用于改变稳态折射率“n”以变得与光纤的折射率不同，以中断WGM共振。这种微球的一种实际应用将是保持一适当的强光束定向在该微球，直到需要切换与该微球相应的频道。该强光束的暂时中断将会导致切换。另一方面，如果该微球的稳态折射率“n”与该光纤的折射率明显不同，一个短暂的照射脉冲可用于改变微球的稳态折射率“n”以变得与光纤的折射率大体上相近，从而通过激发WGM共振来切换频道。
在这两种情况下，通过脉冲调制该强光束，在纳秒至皮秒范围内“开/关”，切换能在纳秒或皮秒内发生。在纳秒和皮秒的范围内工作的的一个脉冲机制是将强光束通过Mach-Zender干涉仪。
而且，调整该强光束的强度，对微球来说，在两种情况下，可提供可控折射率“n±x”，其中，当x接近零时，信号传输效率接近微球可获得的最大耦合效率，这可用于频道均衡、整饰和功率平衡等应用。
在光路由器另一个实施例中，包括一特定光开关的每一微球具有一总是与光纤折射率相对应的稳态折射率“n”。当所选微球物理地包含在一光陷阱中并朝着两根光纤的裸露或薄包覆区域运动时，发生光交换。当接近光纤到某一距离时，与选定频道的信号相关的衰逝波将在选定微球表面共振，并将信号从一根光纤切换到另一光纤。当切换完成时，光陷阱消失，微球停止与光纤耦合。
调整微球与光纤裸露或薄包覆区域的接近程度，可向微球提供一可控折射率“n±x”，当x接近零时，信号传输效率接近微球可获得的最大耦合效率，这可用于频道均衡、整饰和功率平衡等应用。
在每一实施例中，所选波长的光信号从一根光纤至另一根光纤的切换和/或路由由与微球相关的衰逝波的传输决定，对所选波长的信号，该微球在WGM中工作。微球的“开”或“关”是通过物理移动或者通过改变微球的稳态折射率“n”。
还有，本申请公开的其它发明还涉及“光实时”地从一光传输波段的不同频道内的一组光信号中滤出至少一特定波长的光信号的方法、装置和系统。
在其中一个发明中，光滤波器使用一WGM共振结构以滤出一特定波长的光信号或一组特定波长的光信号，并使用WGM控制，或对“开/关”切换光滤波器起重要作用的信号损耗。如果用WGM控制用来“开/关”切换该光滤波器，则通过将WGM共振结构混入其周围介质来进行，而不需光电转换。此外，单个小的WGM共振结构用于在WGM中共振，其中，对于WGM，仅有共振信号“RS”在正被过滤的光传输波段中。
在另一发明中，通过将WGM共振结构放置在既与输入波导接近又与输出波导接近的位置来形成该光滤波器，该共振结构能从输入波导接收输入光信号传输，从输出波导接收滤出的光信号传输。通过在WGM共振结构中的可控信号吸收来切换“开/关”光滤波器。
在还一发明中，通过连接两个或更多子滤波器来形成光滤波器，其中每个子滤波器包含一共振结构。该光滤波器放置在与输入波导接近的位置，其能从该输入波导接收输入光信号传输。该滤波器能向输出波导提供一由特定波长光信号传输组成的输出信号。本发明的光滤波器可一直处于“开”状态，或在“开”、“关”状态之间进行切换。
特别地，该第一子滤波器结构为“看门人(gate keeper)”，而第二子滤波器为“隔离者(isolator)”。该“隔离者”和“看门人”均包含对一组特定波长的光在WGM中进行共振的共振结构，该特定波长的光即为已知的共振信号“RS”(参见图27所示的表)。光滤波器是由仅在一光传输波段内仅具有单个RS产生的，这是“看门人”和“隔离者”的共同点。
本文所涉及的所有共振结构应当理解为包括这样的结构，即该结构由一介电材料构成，该介电材料包括所有具有非零介电常数而且是非导体的材料。优选地，所选介电材料为非磁性材料。在某些实施例中，根据系统参数，该两个或更多共振结构中的一个可为一共振腔。为简化起见，但并不作为一种限制，在详细说明中将微球描述且显示为共振结构。然而，应当理解，除了可预想到那些所描述的之外，可预想到采用任何合适的共振结构，也可预想到采用由任何合适的材料所构成的不同的且变化的结构的组合，而且组合的结构的数目可以与本文所描述的不同。
所有下文将要涉及的波导应当理解为任何适合于在纵向传输光信号的结构，在传输期间其被提供光信号的有限损耗。波导应当被理解为任何适合于纵向传播光信号的结构。正如本文所用的波导为一种能提供与传输光波相应的衰逝波的结构。
对一组特定RS来说，一特定尺寸的共振结构将在WGM在共振，该组特定的RS与共振结构的有效尺寸“de”相对应。有效尺寸为光在共振结构中往返一次所经过的实际距离乘以共振结构的折射率“nrs”的函数，其中，往返一次所经过的实际距离用“d”表示。d和de之间的这种关系用第一公式描述：
公式1：
de＝nrs·d                                           (1)
对介质微球共振结构来说，由特定尺寸的介质微球构成的共振结构(如“看门人”或“隔离者”)将对RS在WGM中共振，每一RS的波长可由光在微球中传播的有效距离除以一个非零整数“q”来得到，如第二公式所示：
公式2：
de/RS＝q
和de/q＝RS                                               (2)
因此，可计算一组为RS的光的波长(λ0，λ1，λ2，...λn)。进一步，随着共振结构固定直径的减小，RS的数量也减小(见图27的表)。减少RS的代价是为了增加由Q-1 rad引起的信号损耗。然而，通过用合适的介质围绕该共振结构，可减小由Q-1 rad引起的信号损耗。该适当的介质应当具有折射率“nmedium”，该折射率完全不同于nrs，以在共振结构和介质之间的界面上建立全内反射的条件。
因此，在识别可能需要进行光切换(至一输出波导)的光通信波段内(在输入波导中)的信号之后，可选择能切换该识别信号的合适的WGM共振结构来构建光纤。一组“n”个这样的光滤波器可被组合，以用于将光传输波段的不同频道中不同波长的光信号从一单个波导多路复用(MUX)或解多路复用(DEMUX)至一个或更多个其它的波导，或反之亦然，从而实现光交接波导。而且，一组“n”个这样的光滤波器可被组合，以用于将一组“n”个信号从一输入波导解多路复用至一个或更多“m”个输出波导。此外，一组“n”个这样的滤波器可用于将“m”个输出波导中的信号多路复用至一单个输出波导中。
在一个发明中，光滤波器可一直处于开状态，或可在开或关状态之间进行切换。“开/关”切换可通过两个WGM控制中的一个或通过可控信号损耗来实现。通过改变共振结构的介电常数εrs的虚部“iε2”可实现控制的信号损耗(如下所述)。
在一个发明中，通过WGM控制来切换光滤波器的开/关状态。所述的WGM控制被应用到优选实施例的详细说明中的几种配置中。通常WGM控制的方法可用于介质共振结构。因此，将WGM控制应用到其它的介质共振结构中，其中所述的其它的介质共振结构对光传输或光通信波段中的信号支持WGM共振，也在本发明的保护范围之内。
在一直处于开状态或在开/关状态之间进行切换这两种情况下的任一种情况下，所选的共振结构应当具有最小的Q值(品质因数)，该Q值足以足以分辨在提供被滤波的信号的光传输或光通信波段中的间隔开的分立的频道。
例如，在TDM、WDM和DWDM中，通常提及的频道间隔结构可大至几百GHz或小至12.5GHz。对100GHz间隔来说，为保持频道分立所需的最小Q值大约为2,000。对50GHz间隔来说，最小Q值大约为4,000，对12.5GHz频道间隔来说，最小Q值大约为16,000。
         通过WGM控制进行的“开/关”切换控制例子
第一WGM控制用于通过调整nrs建立对期望的RS要么支持或要么不支持WGM共振的条件，来“开/关”切换滤波器。
调整nrs的机制包括通过施加电压或电流产生线性光电效应，或者通过施加光束产生光效应来极化共振结构。本领域技术人员将会记得具有介电常数“ε”的介质结构。如公式3所示，该共振结构的介电常数“εrs”可表示为实部“ε1”和虚部“iε2”的和。
公式3：
εrs＝(ε1+iε2)                                     (3)
对于那些例子，其中iε2较小并保持恒定，已知共振结构的折射率nrs与其介电常数的实部的均方根
Figure A20061005942000191
成比例。因此，可通过极化所得到的ε1的可控变化来改变nrs。而且，从第1式可知，当“d”保持恒定，nrs改变时，“de”将会改变。从第2式可知，RS为de/q的函数，如果de改变，引起RS的相应变化，共振结构将在WGM中共振。
也可通过在共振结构上涂敷液晶分子、有机光折射聚合物、GaAs、硝酸苯以及LiNbO3等光激活材料来控制ε1，通过应用预定线性电光效应或光效应，可改变所述涂层材料的折射率，为了实现共振结构中的WGM共振，该折射率成为参与WGM共振的那一部分共振结构的折射率。将一组滤波器结合起来以多路复用或解多路复用经光截面的光信号的一个波段。
第二WGM控制用于“开/关”切换该光滤波器，该切换基于相对于围绕在至少一个共振结构—波导界面、或围绕在发生耦合的区域的共振结构的至少那部分周围的介质的折射率“nmedium”对共振结构的nrs的调整，以建立中断、或者激励信号耦合的条件，或建立中断、或者激励共振结构或子滤波器与输入和/或输出波导之间的光传输的耦合。
调整nrs的机制与在第一WGM控制中使用的线性电光效应和/或光效应的类型相近。然而，对nrs的调整是为了使该共振结构有效混合入介质中。
第三WGM控制用于通过调整至少一个共振结构的折射率来“开/关”切换滤波器。在“看门人”子滤波器中的共振结构的折射率用“nrs (gate keeper)”来表示，在“隔离者”子滤波器中的共振结构的折射率用“nrs (solator)”表示，它们建立对至少期望的RS支持或不支持WGM共振的条件。
例如，如果调整后的nrs与一nrs相对应，该nrs对在通信波段外的RS支持WGM共振或者对“看门人”和“隔离者”之间没有公用信号的一组RS支持WGM共振，则该信号将不会切换通过光滤波器。然而，如果该调整后的nrs对在通信波段内的RS支持WGM共振，并且其中一个RS还是“看门人”和“隔离者”的RS，则该公用RS将切换通过该滤波器。
调整nrs (gate keeper)或nrs (isolator)的机制包括通过施加一电压或一电流引起线性电光效应所带来的对共振结构的极化，或通过一光束照射引起光效应所带来的对共振结构的极化。
第四WGM控制用于“开/关”切换光滤波器，该切换基于相对于围绕在至少一个共振结构—波导界面周围的介质的折射率“nmedium”对nrs (gate keeper)或nrs (isolator)的调整，以建立要么中断或要么激励在子滤波器与输入和/或输出波导之间的信号耦合的条件。调整nrs的机制与在第一WGM控制中使用的线性电光效应和/或光效应的类型相近。然而，对nrs的调整将使该共振结构有效地混合到介质中。
          通过信号损耗进行的“开/关”切换控制的例子
当光信号在WGM共振结构之内时，通过改变共振结构的介电常数的虚部“iε2”可获得可控信号损耗，如公式3所示。
信号损耗的机制是为了通过触发共振结构基底内的光吸收材料的行为经信号(光)的吸收来改变iε2。衰减机制也可光切换一起进行，或分开进行。通过仅控制“εrs”的虚部“iε2”，并且因为共振结构的几何形状没有改变，该共振结构将持续支持相近的RS。然而，在共振结构内部，除了共振结构先前所支持的特定模式的RS之外，吸收机制还可将该RS模式的光转变为其它形式的能量。
经对iε2的控制通过信号损耗“开/关”切换滤波器不需要改变与RS耦合的信号。因此，不需要改变在共振结构与波导的界面上的共振结构与光传输(信号)耦合的动态特性。
光吸收材料可为二氢中氮茚(dihydroindolizines)，diarylimylenes，ScGe，bisMienylperfluorocyclopentenes，螺芘(spiropyrens)，俘精酸酐(fulgides)，量子点，掺杂半导体纳米团簇，PDLC，染料，半导体纳米团簇，电致变色纳米晶体，半导体，(响应于施加的电势，纳米晶体已经显示以表示出可控的IR光/信号吸收)(“电致变色纳晶量子点(Electrochronic Nanocrystal Quantum Dots)”，CongjunWang，Moonsub Shim，Philippe Guyot-Sionnest，SCIENCE Vol.291 page2390 March 23，2001)，或光致变色组合物，如光致变色双噻吩乙烯(photochromic bisthienylethene)，该光致变色组合物能结合到共振结构的基底中以及通过施加适量和/或质量的触发光或能量以引起信号的吸收而被有选择地激发。“在溶液及聚合物薄膜中的光致变色双噻吩乙烯的光学特性及动态特性(Optical properties and dynamics of a photochromicbisthienylethene in solution and in a polymer film)”J.C.Owrutsky，H.H.Nelson，A.P.Baronavski，O-K.Kim，G.M.Tsivgoulis，S.L.Gilat和J.-M.Lehn.Chemical Physical Letter 293 555-563.(1998)。
本文所描述的共振结构可小至几微米。一种用于定位这些小共振结构的方法是通过可移动光陷阱的产生和对其运动的控制来定位这些小共振结构(如由Grier等人在美国专利6,055,106中所描述的)，其中，这些光陷阱能捕获、容纳、定位以及保持小的介电粒子。
因此，上述发明可用于任何由共振结构传输的信号由此被控制的应用中。例如，在一种分析格式中，通过涂敷与一样本中要被检测的分析物结合在一起的粘合剂，可制造共振结构或在制造后改进该共振结构。在本发明中，一旦分析物暴露给样本，就通过由于分析物与共振结构上的粘合剂的结合而产生的输出的结果信号的频率的变化、衰减或破坏程度检测分析物的存在所述输出的结果信号是。这种结果信号在频率上的变化、衰减或破坏程度，也可通过在暴露给样本之前去掉与共振结构上的粘合剂结合在一起的分析物而在一生物分析中得以实现。粘合剂/分析物对的实例包括：抗原/抗体、抗体/抗原、配体/受体、受体/配体以及核酸/核酸。也可采用螯合剂、络合剂和化学粘合剂。
本发明的其它特点和优点将在如下所描述和显示的优选实施例和附图的说明中部分地阐述，从而，本领域技术人员也将通过结合附图的详细说明来明了这些特点和优点，或可通过对本发明的实践来获悉这些特点和优点。本发明的优点也可利用一些手段和组合，尤其是所附的权利要求书所指出的，来认识和获悉。
附图说明
图1图示了根据一个发明的光路由器的组件视图；
图2A图示了光路由器的另一个实施例；
图2B图示了图2A的实施例的光开关组件的示意图；
图3A图示了光路由器另一个实施例的部分透视图；
图3B图示了显示路由器的光开关处于“关”位置情况的图3A的实施例沿A-A线的剖面图；
图3C图示了显示路由器的光开关处于“开”位置情况的图3A的实施例沿A-A线的剖面图；
图4图示了产生图3A的光陷阱的光路由器和组件的示意图；
图5图示了根据另一个发明的光开关和滤波器的组件视图；
图6图示了电选通光开关和滤波器的组件视图；
图7图示了光选通光开关和滤波器的组件视图；
图8图示了信号损耗光开关和滤波器的组件视图；
图9图示了一DEMUX系统的组件视图；
图10图示了控制光开关组件的光捕获系统；
图11A图示了根据另一个发明的光滤波器的组件视图；
图11B图示了根据另一个发明的光滤波器的组件视图；
图12图示了一解多路复用系统的组件视图；
图13图示了一控制光开关组件的光捕获系统；
图14图示了根据另一个发明的光滤波器的组件视图；
图15图示了电选通光滤波器的组件视图；
图16图示了光选通光滤波器的组件视图；
图17图示了信号损耗光滤波器的组件视图；
图18图示了具有一中间光纤的光滤波器的组件视图；
图19图示用于解多路复用的滤波器系统的组件视图；
图20图示用于解多路复用的滤波器的另一实施例的组件视图；
图21图示了一控制光开关组件的光捕获系统；
图22图示了根据另一个发明的电选通滤波器的组件视图；
图23图示了一光选通光滤波器的组件视图；
图24图示一解多路复用系统的组件视图；
图25图示了一控制光开关组件的光捕获系统；
图26为显示微球直径和WGM共振信号之间关系的一个表。
具体实施方式
为了方便以及作为参考，在以下说明中将使用某些术语，但并不作为一种限定。下面提供简要的定义：
A.“衰逝波”是指当一个波进入到其不能传输的区域时而产生的波。尤其是，这种波的特点在于振幅随着进入到其不能传输的区域的距离成指数地衰减。
B.“WGM”指回音壁(whispering gallery mode)，这是共振结构的一个性质，可用于经衰逝波在一根或多根光纤之间的一特定波长的光通道与共振结构。
C.“子光束”是指通过定向光或由其它能源(例如由激光器产生的光或从发光二极管的准直输出所产生的光)穿过一介质所产生的光或其它能源的子光束，其中该介质将光或其它能源衍射成两个或多个子光束。子光束的一个实例将是一个光栅的被衍射掉的高阶激光光束。
D.“相剖面图(phase profile)”是指在一光束或一子光束的横截面上的光或其它能源的相位。
E.“相位模式化(phase patterning)”是指赋予给一束光或一子光束的图案化相移，该相移改变其相位剖面图，包括但不限于，相位调制、模式形成、分裂、衍射、合并、发散、成形和其它对光束或子光束的操作。
F.“光滤波器”通常指包括一个“核”的表面上为一园形横截面的加长结构，该“核”是被一较低折射率材料的“包层”所包覆的具有较高折射率的材料的核，该加长结构适于在纵轴方向上传输光模式。
G.“WDM”通常指波分复用器：一种在几个波长频道上能同时传输数据的系统。
H.“DWDM”通常指密集波分复用：一种在几个波长频道上能同时传输数据的系统，其频道间隔比WDM系统中的频道间隔小。
虽然本文中描述了而且附图中显示了对一组共振信号“RS”在WGM下共振的介质微球，但这些说明不应当被认为是一种限制。本领域技术人员将认识到，任何可能包括诸如运动场状物、环状物、铁箍、椭圆形和扁球形的球状体或圆盘之类的结构的共振结构均可用于代替微球或与微球共同工作，所述的共振结构支持高于最低Q值的Q值，所要求的最低Q值是为了保持在正被滤波和/或被切换的光传输波段(“C”波段中的波长范围为1530至1565nm，而在“L”波段中的波长范围为1570至1620nm)中的频道的分离。
在一个关于光路由器的发明中，在其优选实施例中，光路由器由一系列的光开关形成。这些光开关的共同点在于，在接近一对光纤的裸露或薄包覆区域的位置，放置一微球，以获得微球与光纤的耦合。要么通过改变微球的位置，要么通过改变微球的稳态折射率“n”来控制微球相对于衰逝波WGM的共振，以在两根光纤之间切换来自特定频道的信号(特定波长的光)，其中，该衰逝波是由与特定频道中的信号相关的电磁场发出的。
为形成图1中所示的光路由器10，通过第一和第二光纤F1和F2将一系列光开关14、16和18连接起来。利用光开关，光路由器10能光路由一光波段内的许多不同频道。每一频道包含由一不同波长的光组成的信号。因此，路由器10中的光开关数量将确定路由器10能切换的不同频道的数量。
每一光开关12、14和16分别包括位于一对电极E&E’之间、并放置在紧邻每一根光纤F1&F2的裸露和薄包覆区域的微球S1、S2和S3。通过与电源(未示出)相连的相应导电引线对22、24和26向每一电极对E&E’施加电压。
每一光开关的频道特定功能来自对适当尺寸微球的选择。适当尺寸指满足如下条件的微球半径，即π乘以微球半径大约是光波长的整数又1/2倍，其中，该微球具有稳态折射率“n”，其对该光波长在WGM中共振。因此，每一微球根据其尺寸被选择与光波段内所载有的单个频道相对应。
在图1中所示的实施例中，选择稳态折射率“n”大体上与光纤F1&F2的折射率相近的微球，或者，从光开关方面说，每一微球被切换至“开”，并且对于一个频道的、从光纤发出的衰逝波将在WGM中操作，该频道具有与给定的微球发生共振的光的波长相近相对应的信号。因此，在电极对E&E’上的没有足够的电压时，通过该三个微球S1、S2和S3的每一个的WGM共振，将会产生来自三个频道的信号的切换，这些信号与每一微球S1、S2和S3共振时的光波长相对应。
为获得一频道内信号的选定路由，应当保持在每一电极对E&E’两端有足够的电压，直至想要进行特定频道的切换。在该电极对E&E’两端施加足够电压的效果是为了，通过使形成这些微球的基底极化以改变每一微球S1-S3的稳态折射率“n”。该极化将改变该基底的介电常数，从而改变微球的稳态折射率“n”，使得其与光纤的折射率显著不同以阻止WGM共振，从而将不会发生切换。
当想要切换一频道时，暂时终止施加在围绕着选定微球S1、S2和S3的特定电极对E&E’两端的电压。在该短暂终止期间，该微球的折射率“n”返回到其稳态折射率，该折射率基本上与光纤F1&F2的折射率相近，从而，切换并且路由适当的频道。
相反地，可选择稳态折射率“n”与光纤F1&F2的折射率大体上不同的微球，由此，在一电极对E&E’两端存在足够的电压改变该选定微球的折射率“n”，以使其变得基本上与光纤F1&F2的折射率大体上相近，从而切换并且路由适当的频道。在这两种情况的任一种情况下，在电极对E&E’两端的电压的“开”或“关”切换能在纳秒或甚至在皮秒的范围内完成，提供了一种能实时路由频道的系统。像通常情况一样，在一切换后的光纤中的任何残余光传输可用一衰减器28除去。
对一给定频道，该电压的调整也可向微球提供一可控折射率“n+x”，其中，当“x”接近零时，信号传输效率接近该微球可获得的最大耦合效率，该最大耦合效率对频道均衡、整饰以及功率平衡等应用是有用的。
在图1中，为清楚起见，只显示出3个微球S1、S2和S3和三个电极对22、24和26。然而，应当理解，可提供多个与该路由器10所切换的频道数量相对应的多个这样的微球和电极。也应当理解，本领域技术人员可将该具有与光纤的折射率大体相近的稳态折射率“n”的微球与那些具有与光纤的折射率不同的稳态折射率“n”的微球结合在一个路由器中，而不背离本发明想要保护的范围。
图2A和2B图示了光路由器30和光开关31的另一个实施例。在本实施例中，在紧邻第一光纤F1和第二光纤F2的位置处放置多个微球S1-S7。光纤F1&F2的包层32在紧邻的区域34处是薄的或者被除去。在每一微球的基底内是一光激活材料，例如染料，当被一束强光足够照射时，该光激活材料能改变这些微球的稳态折射率。
通过微球的WGM共振来操作每一光开关，这可通过改变微球的折射率“n”来控制，使得从与一光纤内特定频道中的信号相关的电磁场发出的衰逝波在WGM下共振，并穿过所选定微球的表面进入另一光纤的一个频道。
根据对光激活材料和包括微球的基底的材料的选择，该照射要么改变光激活材料的介电常数，从而影响该微球的平均介电常数，要么影响光激活材料和基底的介电常数，从而改变微球的介电常数。在这两种情况下，介电常数的改变将改变微球的稳态折射率“n”。
通常，每一微球S1-S7的尺寸与激发该微球在WGM下进行有效的共振的光的波长(频道)相对应。因此，具有形成7个光开关31的7个不同尺寸的微球的光路由器30能路由7个频道。微球的示例数目不应当被认为是对内可以放置本发明的路由器中的微球数目的限制。光路由器的控制通过光开关31的控制来实现，这通过改变选定的光开关31内的选定微球的稳态折射率“n”来实现，即通过用强光束照射微球或者通过暂时终止这种照射来实现，通，。
在“不同”的配置下，微球S1-S7的稳态折射率“n”与光纤F1&F2的折射率大体上不同。为光耦合给定的微球，从而切换光纤F1&F2之间的信号，一直接照射在光路由器30中的适当微球上的足够强的光束，将改变该微球的稳态折射率“n”以变得大体与光纤F1&F2的折射率相近，从而通过WGM共振来切换光纤之间的信号。
在“相近”配置下，微球的稳态折射率“n”与光纤F1&F2的折射率大体相近。为光耦合给定的微球，从而切换光纤F1&F2之间的信号，终止直接照射在光路由器30中的所选定的微球上的足够强的光束，从而使微球的稳态折射率“n”返回至大体与光纤F1&F2的折射率相近的其稳定态，从而将产生经WGM共振对光纤之间的信号的切换。
使用穿过一照明光纤37的激光光束36a&36b来实现对光路由器30的光开关31内的微球S1-S7的照射。对每一光开关31(图2B)，激光光束36a穿过一Mach-Zender干涉仪38，由此，该光束36a要么通过相长干涉得到加强，要么通过相消干涉得到削弱。因为该Mach-Zender干涉仪38在几纳秒甚至几皮秒内工作，因此，在短暂的时间内，能产生定向在选定微球上的足够强的光束，或者将其终止，从而允许快速的光切换和路由。计算机40用于控制Mach-Zender干涉仪38并选择发生WGM共振的微球。像通常情况一样，在切换后的光纤中的任何残余光传输可以用衰减器42除去。
通过调整照射到微球上的激光光束36a或36b的强度，以控制折射率“n±x”来实现在给定频道内的监视、均衡、整饰和频道平衡，对微球来说，其中，当“x”接近零时，频道内的光传输效率接近微球可获得的最大耦合效率。
图3A中图示一光路由器，标记为50，其包含一系列光开关51，每一光开关是通过微球S1、S2和S3移到紧邻第一和第二光纤F1&F2的裸露或薄包覆区域52的位置或远离裸露或薄包覆区域52的位置来工作(图3B和3C)。每一微球具有一大体上与光纤F1&F2的裸露或薄包覆区域52的折射率相近的稳态折射率“n”，光路由器50切换该光纤F1&F2之间的光信号。
通常，每一微球S1-S3的尺寸与微球在WGM中有效共振的光的波长(频道)相对应。因此，具有3个光开关51的光路由器50能路由3个频道，其中，每一光开关具有一不同尺寸的微球。然而为清楚起见，仅示出3个微球，然而，本领域技术人员应当理解，可选择更多或更少的预定尺寸的微球，来形成路由器，而不背离本发明所保护的范围。通过在每一可独立运动的光陷阱T1、T2和T3阵列中包含一个相应微球S1、S2或S3来控制微球S1、S2或S3的运动。
使子光束通过高数值孔径聚焦透镜52，然后会聚每一子光束，由此所产生的渐变力产生光陷阱。能控制诸如微球之类的小粒子的可独立运动的光陷阱阵列的形成在本领域是公知的，因此仅提供这种形成的大概说明。
为将来自第一光纤F1中的频道的信号路由至第二光纤F2中的频道，需激活所选定的光开关51。为激活光开关51，使用光陷阱将最初远离第一和第二光纤F1&F2(图3B)的裸露或薄包覆区域53的选定微球S1移至与紧邻第一和第二光纤F1&F2的裸露或薄包覆区域S2的位置(图3C)。
图4图示一生成和控制用于容纳介质微球S1-S3的光陷阱的系统的示意图。通过传输一准直光来形成光陷阱T1-T3(图3A)，该准直光优选地是在一改变光束光元件63的区域“a”由激光器62产生的激光光束61。该改变光束光元件将该激光光束61衍射成多个子光束64，每一子光束穿过位于该聚焦透镜52的后孔径65的区域“b”，并容纳一微球S1-S3。
任何合适的激光器均能用作激光光束62的光源。可用的激光器包括：固体激光器，二极管泵浦激光器、气体激光器、染料激光器、红宝石激光器、自由电子激光器、VCSEL激光器、二极管激光器、钛—蓝宝石激光器、掺杂YAG激光器、掺杂YLF激光器、二极管泵浦YAG激光器以及闪光灯—泵浦YAG激光器。优选功率在10mW和5W之间工作的二极管—泵浦Nd:YAG激光器。
当该激光光束61定向在改变光束光元件63时，该改变光束光元件63通过改变激光光束61的相剖面图来生成多个子光束64。根据想要的光陷阱的数量和类型，该改变可包括：衍射、波前成形、相移、转向、发散和会聚。
根据合适的改变光束光元件如何定向光或能量的聚焦光束，该光束改变光学元件的特点为透射的或反射的。当光束或能量束穿过透射衍射光元件时，透射衍射光元件影响该光束或能量束，而当光束或能量束被反射时，反射衍射光元件影响该光束或能量束。
改变光束光元件也能分类为动态或静态。适用的静态改变光束光元件的实例包括那些具有一个或多个确定表面的区域的元件，例如：光栅、全息图、模版、光整形全息滤波器、变色全息图、透镜、反射镜、棱镜和波片等。
具有与时间有关的功能的合适的动态改变光束光元件的实例包括：计算机生成衍射图案、相移材料、液晶相移阵列、微镜阵列、延迟模式微镜阵列、空间光调制器、光电致偏仪、声-光调制器、变形镜以及反射式MEMS阵列等。由于存在一动态改变光束光元件，包含该动态改变光束光元件的介质可被改变，以改变赋予激光光束61的相剖面图，这导致该激光光束61的相剖面图的相应变化，例如衍射或会聚。
该改变光束光元件也用于向该激光光束61赋予一局部模式。因此，其中一个子光束可以是高斯—拉盖耳模式，而另一子光束是高斯模式。
优选的动态光元件包括纯调相的空间光调制器，例如由日本的Hamamatsu制造的“PAL-SLM系列X7665”以及由Layafette Colorado的Bouler Nonlimer Systems制造的“SLM 512SA7”。这些改变光束光元件是计算机65，对其进行控制以生成光陷阱T1-T3。
因为每一微球S1-S3的稳态折射率“n”与光纤F1&F2的折射率相对应，所以当选定的微球S1与移动至足够接近光纤F1&F2的裸露或薄包覆区域52时，会发生光切换。在离该光纤F1&F2的某一距离处，与选定的频道的信号相关的衰逝波将经WGN共振穿越选定的微球S1的表面，并切换光纤F1&F2之间的信号。当该切换完成时，光陷阱迅速撤消，从而该微球S1停止切换信号。
通过调整从光纤F1&F2的裸露或薄包覆区域52到该微球S1的距离，可获得对微球的可控折射率“n±x”，其中，当x接近零时，信号传输的效率接近微球的最大的可获得的耦合效率，该最大的可获得的耦合效率可在频道均衡、整饰以及功率平衡等应用方面是有用的。
图5图示了另一涉及光滤波器的发明中总是处与“开”状态的光滤波器100。该光滤波器100由固定在接近输入波导110和输出波导120的位置的介质微球“S”构成，每一波导支持一组信号λrs0、λrs1、λrs2...λrsn的传输，并沿着该波导提供一衰逝波。介质微球S将滤出与激发其在WGM下共振的共振信号“RS”(λrs2)相对应的特定波长的信号。一特定尺寸的微球的RS能从第二式(de/q＝RS)获得。
此外，如图27的表所示，通过选择较小直径的微球S，能构造这样的光滤波器100，由此在一预定频道间隔下的一通信波段内，该光滤波器将仅对一单个信号在WGM中共振。优选地，微球直径在大约2至29微米之间，更优选地，在大约2至19微米之间，最优选地，在大约2至9微米之间。
该微球S固定在折射率为“nmedium”的介质1000之内，该介质的折射率“nmedium”不同于微球S的折射率“nrs (microsphere)”，这些折射率之间的差异应足以在介质和微球S之间形成的共振结构—介质界面1500建立全内反射的条件。对由硅制成的折射率为1.52的微球来说，该介质应当具有大约低于1.52的折射率。适用的介质包括：塑料、油或水。
在共振结构—介质界面1500上建立全内反射的条件，被用于通过减小由Qrad -1引起的Q值损耗(该Q值损耗是由于小的微球直径所引起的)来增强小直径的微球的Q值。
用于光滤波器的输入和输出波导110和120由输入和输出光纤F1和F2构成，该两个光纤的每一根均具有芯130，信号经该苡传播，该芯由一包层140包覆。该芯130通常由一高折射率材料构成，例如氧化硅(Si，折射率为3.5)，而包层140由低折射率材料构成，例如(SiO2，折射率为1.5)。除此之外，其它的高折射率材料，例如Ge、GaAs、InP和GaAlA，可用于形成该芯。适用的材料仅限于那些显示出纵向信号传播特性的材料，且可包括由半导体材料制成的波导，或光子波段陷阱材料，或光子晶体材料。
围绕在该共振结构—波导界面150的包层是薄的或者已被剥除以形成一个减少包覆的区域160。此外，图示的每根光纤F1&F2具有芯130，该芯具有减小了的部分170直至成一锥形芯180。已知的是将芯130削成具有一较小直径或腰部的锥形芯180能建立如下条件：当光信号沿着光纤传输时，所形成的衰逝波能具有一进入围绕该锥形芯180的自由空间延伸的衰逝末梢。通常，来自输入光纤F1可提供用于耦合衰逝波的信号振幅随着从固定微球的光纤到微球从其中接收衰逝波末梢的输入光纤的位置的距离成指数衰减。
虽然图示的以及优选的光纤是锥形光纤，但是，并不限于锥形光纤，非锥形光纤或其它的波导可代替锥形光纤。在一些情况下，根据想要的RS信号振幅，其锥度可发生变化，以支持与一特定RS振幅相对应的衰逝波的振幅。
将微球S放置在与输入波导110和第二结构120接近的位置，以耦合来自输入波导110的光信号或耦合至输出波导120。实际上，微球S将在共振结构—波导界面150处接收来自输入波导110的其RS的衰逝波，并将在共振结构—波导界面150处的那些RS的一部分切换至输出波导120。
微球S也可涂敷一具有特定折射率的涂层2000，由此特定折射率的涂层的折射率“nrs (coated microsphere)”是微球的有效折射率。适用的涂层包括，但不限于锗、硅和SiGe。
图6图示一电控制的光滤波器200。其微球S放置在与输入波导110(其支持一组光信号(λrs0，λrs1，λrs2，...λrsn))和输出波导120接近的位置。通过放置一电极对E&E’形成该电控制，其中，通过在微球相对表面上的导电引线210将该对电极E&E’电连接至一控制器(未示出)。该电控制通过由两个WGM控制中的一个“开/关”功能。
对第一或第二WGM控制来说，该电控制机制是基于该微球S的极化。通过线性电光效应能获得该微球S的极化。在处于微球相对面上的电极对E&E两端施加一电功率(电压和电流)并且通过导电引线210电连接至一控制器(未示出)可用于产生这样的线性电光效应。通过改变介电常数“εrs (microsphere)”，该线性电光效应将极化该微球的基底。该“εrs (microsphere)”具有一实部“ε1”和一虚部“iε2”，如公式3所示，其为该两部分的和：
εrs＝ε1+iε2                                         (3)
当iε2保持恒定时，已知微球(共振结构)的折射率nrs (microsphere)与微球的介电常数的实部的均方根
Figure A20061005942000321
成比例。因此，通过线性电光效应通过ε1的可控变化能改变nrs (microsphere)。
基于调整微球的折射率“nrs (microsphere)”以通过微球“S”来建立支持或不支持WGM共振的条件，第一WGM控制能“开/关”切换光滤波器。该极化调整nrs，且从第一公式可知，当“d”保持恒定时，改变nrs (microsphere)，de将改变。此外，从第二公式可知，RS是de/q的函数，如果改变de，在RS中将会相应的改变。因此，调整nrs (microsphere)，被用于建立这样的条件以对特定RS的WGM共振的nrs (microsphere)支持或不支持。
当nrs (microsphere)支持对想要进行切换的特定波长的RS的WGM共振时，第一WGM控制的光滤波器默认为“开”。在这种默认为“开”的光滤波器中，“关”功能是调整nrs (microsphere)以对特定RS不再支持WGM共振。也可能使用nrs (microsphere)的调整来调节微球，并从不同波长RS的范围内选择用于切换。
相反地，当nrs (microsphere)对特定波长的RS不支持WGM共振时，第一WGM控制的光滤波器默认为“关”。在这种默认为“关”的光滤波器中，通过调整nrs (microsphere)来调节微球，使其支持对特定波长RS的WGM共振来实现对特定RS的WGM共振。
无论是在默认“开”状态下，还是在默认“关”状态下，通过极化或中断极化来调整nrs (microsphere)。
第二WGM控制的“开/关”功能得自于在一个或多个区域的微球S和输入光纤110和/或输出波导120之间中断或者建立耦合条件，其中，该一个或多个区域的每一区域形成一共振结构—波导界面150。微球S的极化还可用于调整nrs (microsphere)。然而，nrs的调整与包覆该微球S的介质1000的折射率“nmedium”相关。
当在共振结构—波导界面150处的nrs (microsphere)大体上等于nmedium时，在那个界面的微球S成为有效介质，其对所有信号透明。当nrs (microsphere)不等于nmedium时，该微球S不同于该介质1000，并且当提供一RS时，能通过WGM产生共振将信号从输入波导110至输出波导120的切换。
可在电控光滤波器200内的微球S上涂敷一层液晶分子、有机光照射聚合物、GaAs、硝基苯和LiNbO3等光激活材料3000，这种情况下，施加在电极对210之间或微球S上的电压或电流用于极化光激活涂层材料3000，并改变涂有涂层的微球的介电常数ε1 (coated microsphere)，这调整涂有涂层的微球的nrs (coated microsphere)。因此，通过调整nrs (coated microsphere)可实现对第一或第二WGM控制的应用。光激活层也可以是折射率特定涂层2000。
图7中图示一光控滤波器300。如参照图5的描述，对一组RS(λrs0、λrs1和λrs2)在WGM中共振的微球“S”固定在接近输入波导110和输出波导120的位置。在本实施例中，通过光效应可实现微球S的极化，其中该光效应用一强光束照射微球S来极化微球S。
通过定向一强光束来形成光控制，该强光束可以“光实时”地脉冲调制开或关，从一激光束5000，经过照明光纤320进入M-Z干涉仪340，并由M-Z干涉仪转产生修正的激光束5010，然后从M-Z干涉仪340中输出。该修正的激光束5010要么通过相长干涉由M-Z干涉仪340加强，要么通过相消干涉被M-Z干涉仪削弱。该M-Z干涉仪340在皮秒范围内工作，并且在同样的时间间隔内，能产生或终止定向在微球S的修正的激光束5010。使用诸如计算机360之类的控制器来控制该M-Z干涉仪340。
通过影响微球S的介电常数“ε(microsphere)”的实部“ε1”，该修正的激光束5010对微球进行极化。因此，当ε(microsphere)的虚部“iε2”保持恒定时，可通过由光效应减小ε1的可控变化来调整与
Figure A20061005942000341
成比例的nrs (microsphere)。
正如对图6中所示的电控光滤波器的详细说明那样，nrs (microsphere)的改变为能用于“开/关”切换光滤波器300的WGM控制提供支持。
正如参照图6所描述的，也可以向位于光滤波器300内的微球S上涂敷一光激活材料3000，在这种情况下，该光效应能用于提供WGM控制以调整nrs (coated microsphere)。
图8图示一信号损耗光滤波器，其中，已控信号损耗用于中断微球S的WGM共振。为提供信号损耗，在微球基底内放置一可触发信号吸收材料，例如光致变色双噻吩乙烯420。
本实施例所示的触发器是一从M-Z干涉仪340输出的修正过的激光束5010，该激光束触发信号吸收材料以吸收足够的光信号来中断WGM共振。
本领域技术人员将认识到，光致变色双噻吩乙烯仅仅是更广泛的一组致变色材料中的一种，其可被结合入微球S基底以作为光吸收材料。而且，其它的具有光吸收特性并能被光波段外的一特定性质或数量的光触发的材料可用作光吸收材料。能用适当的触发器有选择地激发的其它的材料包括，但并不限于，半导体纳米团簇、电致变色纳晶、量子点、掺杂半导体纳米团簇、PDLC、半导体以及染料，该适当的触发器可包括施加在微球上的一束光或一束电能，从而其能泵浦该信号吸收材料至较高能态以提供它的信号吸收活动。
图9中图示一包括一组光滤波器的系统，该组光滤波器光学交接波导并解多路复用(DEMUX)光信号。该DEMUX系统500由“n”组特定波长的光滤波器构成。该“n”组滤波器的每一组包含“m”个冗余光滤波器520、520’和520”、540、540’和540”以及560、560’和560”。“m”个冗余滤波器520-560”的每一个固定在接近输入波导W1的位置上，通过该输入波导W1提供不同波长的光信号(λrs0，λrs1，λrs2，λrs3...λrsn)。来自“n”组滤波器的每一组的“m”个冗余滤波器中的一个也固定在接近“m”个输出波导W2、W2’和W2”中的一个波导的位置。由此，光信号能多路复用(MUX)入该输出波导W2、W2’和W2”。整个DEMUX系统放在具有已知折射率的介质1000中。光滤波器520-560’可总处于“开”状态，并简单交接在波导之间。
在DEMUX系统500中，光滤波器520-560″中的至少一些滤波器可被切换“开/关”。切换“开/关”可通过调整微球S的折射率nrs (microsphere)经电或光控制所施加的极化作用来实现，或通过信号损耗来实现。在信号损耗控制的情况下，用例如一强光束600的触发器被施加在其基底内包含可触发信号吸收材料的微球S。
图10中示出的是一个通过使用一个或多个光陷阱来放置和/或容纳WGM微球以形成一个光开关或一组诸如参照图9所描述的光滤波器的系统或方法的概略图，通常标记为700。
为制造一光滤波器，在一组件容器710中生成可移动光陷阱10000&10020。该组件容器应当由至少部分透明的、且能使得形成光陷阱的光穿过并进入期望位置的材料构成。
光陷阱10000&10020用于操纵小微球S1&S2并对它们进行定位以构造一光滤波器。通过将一准直光传输至位于生成子光束730&740的相位模式化光学元件720上的区域“A”，能形成光陷阱10000&10020，其中，该准直光优选为激光光束5000。然后，由该相位模式化光学元件720生成的每一子光束730&740穿过传递光学装置L1&L2到达光束分离器750上。
该光束分离器750提供两个定向在不同方向的光流760&770。第一光流760来自相位模式化光学元件720的子光束730&740，该子光束被光束分离器再定向后区域“B”到达聚焦透镜790的后孔径780，从而将子光束730&740重叠在聚焦透镜790的后孔径780上。在那些子光束730&740的端面在周边具有较低强度，而在从周边向内的区域具有较高强度的实施例中，过度充填该后孔径780的约低于15％的区域，与未过度充填该区域相比，用于形成在周边具有较高强度的光陷阱。
通过产生在三维方向上容纳和操纵该微球S1&S2所需的渐变条件，当子光束730&740穿过聚焦透镜790时，子光束730&740被会聚以形成光陷阱10000&10020。为清楚起见，仅图示了两组微球、子光束和光陷阱，但是应当理解，根据分析的性质、范围和其它参数，以及产生光陷阱的系统的性能，能提供更多或更少的组。改变相位模式化光学元件改变了光束的相剖面图，这能改变光陷阱的位置。
任何适用的激光器能用作激光光束5000的光源。可用的激光器包括：固体激光器，二极管泵浦激光器、气体激光器、染料激光器、红宝石激光器、自由电子激光器、VCSEL激光器、二极管激光器、钛—蓝宝石激光器、掺杂YAG激光器、掺杂YLF激光器、二极管泵浦YAG激光器、以及闪光灯—泵浦激光器。优选功率在10mW和5W之间的二极管—泵浦Nd:YAG激光器。
当激光光束5000从相位模式化光学元件720反射出来时，相位模式化光学元件产生子光束730&740，每个子光束具有一个相剖面图。根据想要的光陷阱的数目和类型，可改变相剖面图。该改变可包括：衍射、波前成形、相移、转向(steering)、发散和会聚。基于所选的相剖面图，相位模式化光学元件能用于生成如下形式的光陷阱：光镊(opticaltweezers)、光学漩涡(optical vortices)、光学瓶颈(optical bottles)、光旋转器和光笼(light cages)，以及这些形式中的两个或多个的组合。
根据适用的相位模式化光学元件如何定向聚焦的光束或其它能源，适用的相位模式化光学元件的特征是透射性的或反射性的。透射衍射光元件传输光束或其它能源束，而反射衍射光元件反射该光束或能源束。
相位模式化光学元件也能分类为具有静态或动态表面。适用的静态相位模式化光学元件的实例包括具有一个或多个确定表面的区域的相位模式化光学元件，例如：光栅，包括衍射光栅、反射光栅和透射光栅，全息图，包括光致变色全息图、模版、光整形全息滤波器、光致变色全息图，以及透镜、反射镜、棱镜和波片等。
具有与时间有关的功能的适用的动态相位模式化光学元件的实例包括：计算机生成衍射图案、相移材料、液晶相移阵列、微镜阵列—包括活塞式微镜阵列、空间光调制器、光电致偏仪、声-光调制器、变形镜以及反射MEMS阵列等。用动态相位模式化光学元件，包含该动态相位模式化光学元件的介质能被改变，以赋予图案化相移至聚焦光束，这导致聚焦光束的相剖面图的相应变化，例如衍射或会聚。此外，能改变包含相位模式化光学元件的介质以产生光陷阱位置的变化。动态相位模式化光学元件的一个优点在于该介质能被改变以独立移动每一个光陷阱。
优选的动态光元件包括纯调相的空间光调制器，例如由日本的Hamamatsu制造的“PAL-SLM系列X7665”或者由Layafette Colorado的Bouler Nonlimer Systems制造的“SLM 512SA7”和“SLM 512SA15”。这些相位模式化光学元件是由计算机控制的，通过对介质内的全息图进行编码来产生子光束10000&10020。
该相位模式化光学元件也用于赋予激光光束一特定的拓扑模式。因此，一个子光束可形成为高斯—拉盖耳模式，而另一子光束可形成为高斯模式。
回到光束分离器，光束分离器750也提供一来自成像照明源800的第二光流770。该第二光流770穿过工作区710和光束分离器750，并形成一光数据流820，该光数据流820提供关于工作区710中的微球S1&S2的位置的信息。该光数据流能转换为视频信号，通过操作员的视觉检查，被光谱地和/或视频地监视或分析。光数据流820也可以由监控强度的光探测器或者任何合适的装置处理840以，将该光数据流转换成数字数据流供计算机使用。
为将微球容纳、定位和保持在选定的位置，操作员和/或计算机能调整相位模式化光学元件720以定向光陷阱10000&10020的运动来首先获得选定的微球，并将微球容纳在一光陷阱中。接着，至于微球的位置，容纳有微球的光陷阱可再配置。该光数据流820能用于识别和/或监视一个或多个陷阱的位置。根据位置信息和本身特性信息，能改变在相位模式化光学元件720的介质中编码的全息图。全息图的此种改变能用于改变光陷阱的类型以及光陷阱的位置，并因而改变光陷阱所容纳的微球的位置。
在另一个涉及光滤波器的发明中，图11A和11B描绘了一光触发光开关。该光开关4000由一第二结构1200和一固定在接近于输入波导1100的区域的直径小于大约200微米的介质微球“S”构成，其中，该输入波导1100支持一组信号λrs0，λrs1，λrs2...λrsn的传播，该组信号中的每一个提供沿着波导1100的相应的衰逝波。该第二结构1200应当具有例如以下的结构：另一波导、光波段间隙波导、半导体波导、光液晶波导、WGM微球或其它支持信号传播的共振结构。该介质微球S对一组共振信号“RS”(λrs0，λrs1，λrs2)在WGM下进行共振，该组共振信号能从第二公式(de/q＝RS)获得。
微球S放置在接近输入波导1100和第二结构1200的位置，使得微球S处于能耦合来自输入波导1100的光信号、或将光信号耦合至第二结构1200。实际上，微球S将接收从输入波导1100发出的、位于共振结构—波导界面1400处的其RS(λrs0，λrs1)的衰逝波，并将共振结构—波导界面1400处的RS(λrs0，λrs1)切换至第二结构1200。
在形成微球的基底中放置一可触发信号吸收材料1500(例如光致变色双噻吩乙烯)。如图11B所示，经过将一强光束定向在共振结构，以触发信号吸收材料1500的行为，改变介电常数的虚部(iε2)，从而能获得信号损耗。激光束5000能用于提供强光束。激光光束的优点在于，它能以“光实时”(纳秒或皮秒量级)的方式由信号损耗对其进行脉冲“开/关”，提供纳秒或皮秒量级的“开/关”切换，其中，该信号损耗是由通过触发信号吸收材料1500来吸收足够的光信号来断开WGM共振引起的。
强光束能由激光束5000产生，其经过照明光纤5005进入Mach-Zender干涉仪5200，并由Mach-Zender干涉仪产生一修正的激光束5010，然后从Mach-Zender干涉仪5200输出。该修正激光束5010要么由Mach-Zender干涉仪通过相长干涉被加强，要么通过相消干涉被削弱。该Mach-Zender干涉仪5200在皮秒范围内工作，并且在同样的时间间隔内，能常产生或终止定向在微球S的修正的激光束5010。使用例如计算机5400的控制器来控制该Mach-Zender干涉仪5200。
本领域技术人员将认识到，光致变色双噻吩乙烯仅仅是一更大组光致变色材料中的一种，该材料可结合入微球S的基底以作为光吸收材料。而且，具有光吸收特性并能由光波段外的一特定性质或数量的光触发的其它的材料可用作光吸收材料。能被适当的触发器有选择地激发的其它材料包括，但并不限于，半导体纳米团簇、电致变色纳晶、半导体、量子点、掺杂半导体纳米团簇、PDLC、二氢中氮茚，diarylimylenes，ScGe，bisMienylperfluorocyclopentenes，螺芘，俘精酸酐以及染料，该适当的触发器可包括施加在微球上的一束光或电能，其反过来能将信号吸收材料泵浦至较高能态以提供该它的信号吸收活动。
虽然锥形光纤是优选的波导1100，但是，并不限于锥形光纤，非锥形光纤或其它的波导可代替锥形光纤。
波导1100由输入光纤构成，该输入光纤具有传输光的芯且由一包层包覆。该包层具有的折射率与所述芯具有的折射率之间的差别足够大，以在芯—包层界面建立全内反射的条件。该芯通常由一高折射率材料构成，例如硅(Si，折射率为3.5)，而包层由低折射率材料构成，例如氧化硅(SiO2，折射率为1.5)。其它的高折射率材料，例如Ge、GaAs、InP和GaAlA，可用于形成该芯。合适的材料仅限于那些显示出纵向信号传播的材料，可包括由半导体材料、或光波段间隙材料构成的波导。
围绕在具有波导的共振结构—波导界面1400，包层是薄的或者已被剥除以形成一个缩减了的包覆区域1600。已知将芯削减成一具有较小直径或腰部的锥形芯能建立如下条件：当光信号沿着光纤传输时所形成的衰逝波能具有一延伸入围绕该锥形芯的自由空间的衰逝末梢。
虽然优选的光纤是锥形光纤，但是，并不限于锥形光纤，非锥形光纤或其它的波导，包括但并不限于由半导体材料形成的半导体波导，以及由半导体波导的构建中使用的平板印刷法所构建的半导体波导，可代替锥形光纤。在一些情况下，根据想要的RS的信号振幅，光纤锥形部分的锥度可变化以控制下游RS的振幅，其中，该RS从光滤波器1600开始继续到输入光纤下游。
图12中所示的滤波器组能用于解多路复用(DEMUX)一光传输波段内的不同波长信号。图12中所示的解多路复用系统200由“n”组滤波器构成，每一组包含“m”个滤波器220、220’、220”，240、240’、240”以及260、260’和260”。每一组“m”个滤波器是冗余的，在于它对同样波长RS进行滤波。每一个滤波器固定在接近于输入波导W1的位置上，通过该输入波导W1可传输不同频道内的且每一个具有不同波长的光信号(λrs0，λrs1，λrs2，λrs3...λrsn)。接着，由滤波器(220-260”)将光信号定向至一组输出波导W2、W2’和W2”，其中光信号能多路复用(MUX)入该输出波导W2、W2’和W2”。优选的波导结构是在发生耦合的共振结构—波导界面使用具有缩减的包层的锥形区域的光纤，正如参照图11A所描述的。每一滤波器内的微球在其基底包含一可触发光吸收材料。为阻止从微球至固定在接近一强光束的位置处的输出波导W2、W2’和W2”的光切换，该强光束可用作对不期望进行切换的微球S的触发器，其中，例如，该强光束为一修正的激光光束5010。
用于DEMUX和/或MUX的内部系统仅是用于在波导之间光交接信号的滤波器的组合的一个实例。“m”组滤波器的每一个可仅含有一个光滤波器。可加入额外的开关。此外，本发明的通过信号损耗来断开WGM共振的光滤波器可配置在不同的、各种各样的位置处，而不背离本发明的范围。
图13示出一个通过使用一个或多个光陷阱来放置和/或保持该WGM微球以形成一光开关或一组光滤波器的系统和方法的概略图，通常标记为3300，所述的一组光滤波器正如参照图12所描述的。
为制造一光滤波器，在一组件容器3310中生成可移动光陷阱10000&10020。该组件容器应当由至少部分透明的、能使得形成光陷阱的光穿过并进入期望位置的材料构成。
光陷阱10000&10020用于操纵小微球S1&S2并对它们进行定位以构造一光滤波器。通过将一准直光传输至位于能生成子光束3330&3340的相位模式化光学元件3320上的区域“A”，能形成光陷阱10000&10020，其中，该准直光优选为激光光束5000。接着，由该相位模式化光学元件3320生成的每一子光束3330&3340穿过传递光学部件L1&L2到达光束分离器3350上。
该光束分离器3350提供两个定向在不同方向的光流3360&3370。第一光流3360来自相位模式化光学元件3320的子光束3330&3340，这些子光束由光束分离器3350再定向经区域“B”到达聚焦透镜3390的后孔径3380，由此将子光束3330&3340重叠在聚焦透镜的后孔径3380。在那些在异型子光束(non section of the beamlets)3330&3340在周边具有较低强度，而在从周边向内的区域具有较高强度的实施例中，过度充填该后孔径3380的约低于15％的区域，与未过度充填该后孔径3380相比，用于在周边具有较高强度的光陷阱。
通过产生在三维方向上容纳和操纵该微球S1&S2所需的渐变条件，当子光束3330&3340穿过聚焦透镜3390时，子光束3330&3340被会聚以形成光陷阱10000&10020。为清楚起见，仅图示了两组微球、子光束和光陷阱，但是应当理解，根据分析(assay)的本性、范围和其它参数，以及产生光陷阱的系统的性能，能提供更多或更少。改变相位模式化光学元件改变了光束的相剖面图，这能改变光陷阱的位置。
任何合适的激光器均能用作激光光束5000的光源。可用的激光器包括：固体激光器，二极管泵浦激光器、气体激光器、染料激光器、红宝石激光器、自由电子激光器、VCSEL激光器、二极管激光器、钛—蓝宝石激光器、掺杂YAG激光器、掺杂YLF激光器、二极管泵浦YAG激光器以及闪光灯—泵浦YAG激光器。优选功率在10mW和5W之间的二极管—泵浦Nd:YAG激光器。
当激光光束5000反射离开相位模式化光学元件3320时，相位模式化光学元件产生子光束3330&3340，每个子光束具有一个相剖面图。根据所期望的光陷阱的数目和类型，可改变相剖面图。该相剖面图的改变可包括：衍射、波前成形、相移、转向、发散和会聚。基于所选的相剖面图，相位模式化光学元件能用于生成如下形式的光陷阱：光镊、光学漩涡、光学瓶颈、光旋转器和光笼，以及上述形式的两个或多个的组合。
根据合适的相位模式化光学元件如何定向聚焦光束或其它能源，所述的相位模式化光学元件的特征是透射的或反射的。透射衍射光元件传输光束或其它能源束，而反射衍射光元件反射该光束或能源束。
相位模式化光学元件也能分类为具有静态表面或动态表面。合适的静态相位模式化光学元件的实例包括那些具有一个或多个固定表面的区域的光元件，例如：光栅，包括衍射光栅、反射光栅和透射光栅，全息图，包括光致变色全息图、模版、光整形全息滤波器、光致变色全息图，以及透镜、反射镜、棱镜和波片等。
具有与时间有关的功能的合适的动态相位模式化光学元件的实例包括：计算机生成衍射图案、相移材料、液晶相移阵列、微镜阵列—包括活塞式微镜阵列、空间光调制器、光电致偏仪、声-光调制器、变形镜以及反射MEMS阵列等。用一动态相位模式化光学元件，包含该动态相位模式化光学元件的介质能被改变，以赋予图案化相移至聚焦光束，这导致该聚焦光束的相剖面图的相应变化，例如衍射或会聚。此外，能改变包含相位模式化光学元件的介质以产生光陷阱位置的变化。动态相位模式化光学元件的一个优点在于该介质能被改变以独立地移动每一个光陷阱。
优选的动态光元件包括纯调相的空间光调制器，例如由日本的Hamamatsu制造的“PAL-SLM系列X7665”或者由Layafette Colorado的Bouler Nonlimer Systems制造的“SLM 512SA7”和“SLM 512SA15”。这些相位模式化光学元件是由计算机控制的，通过对该介质内的全息图进行编码来产生子光束10000&10020。
该相位模式化光学元件也用于赋予该激光光束一特定的拓扑模式。因此，一个子光束可形成为高斯—拉盖耳模式，而另一子光束可形成为高斯模式。
返回光束分离器，该光束分离器3350也提供一来自成像照明源3340的第二光流3370。该第二光流3370穿过工作区3310和光束分离器3350，形成一光数据流4200，该数据流提供有关工作区3310中的微球S1&S2的位置的信息。该光数据流能转换为视频信号，能由操作员的视觉检查进行光谱分析和/或视频监控。该光数据流4200也可以由监控强度的光探测器或者使用任何合适的装置处理4400，以将该光数据流转换成数字数据流来供计算机使用。
为将微球容纳、定位和保持在选定位置，操作员和/或计算机能调整相位模式化光学元件3320以定向光陷阱10000&10020的运动来首先获取选定微球，并将微球容纳在一光陷阱中。接着，至于微球的位置，容纳有微球的光陷阱可被再次配置。该光数据流4200能用于识别和/或监视一个或多个陷阱的位置。基于该位置和本身特性信息，能改变在相位模式化光学元件3320的介质中编码的全息图。全息图的此种改变能用于改变光陷阱的类型以及光陷阱的位置，并因而改变光陷阱所容纳的微球的位置。
在另一个关于光滤波器的发明中，图14中图示出一总是处于“开”状态的光滤波器6000。一对子滤波器连接并固定在输入波导W1和输出波导W2之间，其中，第一个子滤波器为“看门人”1150，第二个为“隔离器”1250。
“看门人”子滤波器包含“隔离器”介质微球“S1”，而“隔离器”子滤波器包含“看门人”微球“S2”。每个微球S1和S2固定在接近输入波导或输出波导的区域。
每个介质微球对一组共振信号“RS”(λrs0，λrs1，λrs2)在WGM下进行共振，该组共振信号能从第二公式(de/q＝RS)获得。对于本实施例的光滤波器的输入和输出波导W1和W2，每一个都由输入光纤“F1”和输出光纤“F2”构成。每一光纤F1和F2具有信号传输的芯1350，且其由一包层1450包覆。该包层1450具有的折射率与该芯1350具有的折射率之间的差别足够大，以在芯—包层界面建立全内反射的条件。该芯1350通常由高折射率材料构成，例如硅(Si，折射率为3.5)，而包层由低折射率材料构成，例如氧化硅(SiO2，折射率为1.5)。其它的高折射率材料，例如Ge、GaAs、InP和GaAlA，可用于形成该芯。合适的材料仅限于那些显示出纵向信号传播的材料，而且可包括由半导体材料、或光波段间隙材料制成的波导。
在光纤的薄包覆或裸露区域形成一共振结构—波导界面1550，该光纤的薄包覆或裸露区域形成一缩减了的包层1650区域，其中，微球“S1”或“S2”固定在接近光纤的位置。每个微球S1和S2对一组共振信号“RS”(λrs0，λrs1，λrs2)在WGM下进行共振，该组共振信号能从第二公式(de/q＝RS)获得。将该“看门人”微球S1放置在接近输入光纤F1和“隔离者”微球S2的位置以将来自输入光纤F1的光信号耦合至“隔离者”微球S2。
本实施例中，输入和输出光纤F1和F2被显示为锥形。当光纤的芯1350被缩减1750部分成一锥形芯1850时，可获得锥形。已知将芯1350缩减成一具有较小直径或腰部的锥形芯1850能建立如下条件：当光信号沿着光纤传输时所形成的衰逝波能具有一延伸入围绕该锥形芯1850的自由空间的衰逝末梢。通常，来自输入光纤F1的可提供用于耦合的衰逝波的信号振幅随着从固定微球的光纤到微球从其中接收衰逝末梢的输入光纤F1之间的距离成指数衰减。
虽然图示的和优选的光纤是锥形光纤，但是，并不限于锥形光纤，非锥形光纤或其它的波导可代替锥形光纤。在一些情况下，根据所期望的对于RS信号振幅，光纤锥形部分的锥度可变化以支持特定的下游RS的振幅，其中，该RS沿着来自光滤波器6000的输入光纤F1下游继续向下。
每一光纤F1和F2支持一组信号λrs0，λrs1，λrs2...λrsn的信号传输，该组信号提供相应的衰逝波(以及每一衰逝波的末梢)延伸入沿着被缩减的包层1650的区域的空间。
在光滤波器6000中，信号从“看门人”子滤波器1150直接传入“隔离者”子滤波器1250。因此，固定在彼此接近的区域的“看门人”子滤波器1150和“隔离者”子滤波器1250能在该接近区域的定向子滤波器界面1950处直接耦合。在“看门人”子滤波器1150中的微球S1将对一组RS(λrs0，λrs1，λrs2)在WGM下进行共振，而在“隔离者”子滤波器1250中的微球S2将对一组RS(λrs2，λrs7，λrs9)在WGM下进行共振。因此，由于“看门人”子滤波器1150和“隔离者”子滤波器1250仅有一个共有的RS(λrs2)，所以从输入光纤F1传入输出光纤F2的通过信号(throughput)仅为该单个特定的光信号(λrs2)。此外，该共有的单个信号RS(λrs2)能耦合至第二结构，例如，附加子滤波器的，或耦合至能接收和处理光信号的其它结构。
这种光滤波器6000也可作为一加开关。尤其是，在图14所示的实施例中，来自“隔离者”子滤波器1250的输出光纤F2上游中缺少该共有的RS“λrs2”。来自“隔离者”子滤波器1250的下游，该缺少的RS(λrs2)位于输出光纤F2中。
选定的微球S1和S2应当具有最小的“Q”(品质因数)，这是对一给定的信号在最大光谱频率1/2处的全宽度的测量结果，足以分辨分立的频道，这些分立的频道在通信波段中被间隔开，其提供要被切换的信号。例如，在TDM、WDM和DWDM中发现的通常参考的频道间隔结构可大至几百GHz或小至12.5GHz。对100GHz间隔来说，保持频道分离所需的最小Q值大约为2,000。对50GHz频道间隔来说，最小Q值大约为4,000。对12.5GHz频道间隔来说，最小Q值大约为16,000。
为获得接近材料极限的Q值，通过使用具有大直径的微球，优选地使用直径大于100微米的微球，，使得由于Q-1 rad和Q-1 ss所带来的共振结构(本实施例中，为微球)损耗降至最低。不幸的是，通过使用具有足够大的直径的微球来最小化由Q-1 rad和Q-1 ss所带来的损耗以获得高Q值的方法具有一个缺点，即，大直径的微球将可能引起多个RS穿过“看门人”5150。然而，当“隔离者”5250被选择与“看门人”仅有一个共有的RS时，该缺点不会带来任何不良后果。
然而，直径并不限于100微米。实际上，给定微球的实际直径部分地依赖于频道间隔以及滤波器正在其中工作的系统的其它变量。California的Palo Alto的Duke Scientific Corporation可提供直径在20-400微米范围内的硅微球。
图15中所示的“开/关”切换的光滤波器6001由图14的具有至少正被电控制2150的“隔离者”子滤波器1250的光滤波器6000构成。
通过在“隔离者”子滤波器1250内的微球S2的相对面上放置一由导电引线2250电连接至一控制器(未示出)的电极对E&E’来形成电门(electronic gate)。电门由两个WGM控制中的一个来提供“开/关”功能。
对第一和第二WGM控制的任一个来说，该电控制机制是基于该微球S的极化。通过线性电光效应能获得该微球S的极化。在微球相对面上的电极对E&E’两端施加一电功率(电压和电流)可用于产生这种线性电光效应，该电极对通过导电引线2250电连接至一控制器(未示出)。通过改变微球的介电常数“εrs (microsphere)”，该线性电光效应将极化微球的基底。该“εrs (microsphere)”具有一实部“ε1”和一虚部“iε2”，如公式3所示，其为该两部分的和：
εrs＝ε1+iε2                                        (3)
当iε2保持恒定时，已知微球(共振结构)的折射率nrs (microsphere)通常与其介电常数的实部的均方根 成比例。因此，通过线性电光效应对ε1的可控改变能改变nrs (microsphere)。调整nrs (microsphere)的能力提供了两种相关的，但是不同的WGM控制方式。
基于微球的折射率nrs (microsphere)的调整来建立支持或不支持由微球“S2”对滤波器选定的特定RS的WGM共振的条件，第一WGM控制能切换“开/关”滤波器。虽然图15图示了在“隔离者”子滤波器1250中的微球S2上施加的第一WGM控制，但是，该图示并不是一种限制，WGM控制能施加在任一子滤波器内的微球上。
第一和第二公式描述了微球中的对一组特定RS的WGM共振机制。从第一公式可知，当“d”保持固定而nrs (microsphere)改变时，de将改变，而从第二公式可知，RS是de/q的函数，如果de改变(响应nrs (microsphere)的变化)，RS也将会相应改变。因此，调整nrs (microsphere)可用于建立条件以选择对特定RS支持或不支持WGM共振的nrs (microsphere)。
当对想要进行切换的输入波导F1中的特定RS nrs (microsphere)支持WGM共振时，第一WGM控制的滤波器默认为“开”。在这种默认为“开”的光开关中，“关”功能是调整nrs (microsphere)以对特定RS不再支持WGM共振。也可能对nrs (microsphere)使用这种调整以调节微球并从不同特定RS的范围内选择一RS用于切换。在最简单的情况下，nrs (microsphere)的调整调节默认“开”的光开关对期望的RS不再WGM共振。然而这种调节能够被用来选择对其它的RS来切换，在这种最简单的情况下，以防止其它信号的无意切换，该调节优选地是对通信波段外的RS。
相反地，当nrs (microsphere)对特定RS不支持WGM共振时，第一WGM控制的光滤波器默认为“关”。在这种默认为“关”的光开关中，通过调整nrs (microsphere)来调节微球以对特定RS支持WGM共振来实现对特定RS的WGM共振。
无论是在“开”默认状态下的滤波器，还是在“关”默认状态下的滤波器，都可以通过极化或中断极化来调整nrs (microsphere)。
通过第二WGM控制的“开/关”切换是由断开(disrupt)或建立在微球S2和输入光纤F1之间的共振结构—波导界面1550的区域或者在直接子滤波器界面1950的区域的耦合条件，而产生的。微球S2的极化用于相对于围绕在微球S2周围的介质100的折射率“nmedium”来调整nrs (microsphere)。该介质应当为非导电介质。
当nrs (microsphere)大体上等于在共振结构一波导界面1550处的nmedium时，或nrs (microsphere)大体上等于在直接子滤波器界面1950处的nmedium时，微球S2实际上是媒介并对所有信号透明。当nrs (microsphere)不等于在共振结构—波导界面1550处和直接子滤波器界面1950处的nmedium时，该微球S2完全不同于该介质，从而发生耦合。
第二WGM控制也可用于建立“开”或“关”默认状态。当nrs (isolator)大体上不同于在共振结构—波导界面15的区域处的和在直接子滤波器界面1950的区域处的nmedium时，可获得默认“开”的滤波器。通过经一电极对E&E’利用一电光效应(参照对第一WGM控制的描述)能调整nrs (isolator)，从而通过调整nrs (isolator)变得与在共振结构一波导界面1550的区域处或直接子滤波器界面1950的区域处的nmedium大体相等以将子滤波器切换为关。
相反地，当nrs (isolator)大体上等于在共振结构一波导界面1550的区域处或直接子滤波器界面1950的区域处的nmedium时，可获得默认“关”状态。
也可在滤波器6001内的微球S2上涂敷诸如液晶分子、有机光折射聚合物、GaAs、硝酸苯以及LiNbO3等光激活材料，在这种情况下，在电极对2250之间以及在微球S2上经过的电压或电流用于极化该涂层材料2550，涂层介电常数ε1 (coated microsphere)的改变就是为应用WGM控制的目的而对折射率nrs (coated microsphere)所进行的调整。
应用在“隔离者”子滤波器上的电门2150的图示并不是一种限制。通过在两个子滤波器1150和1250上或其中的任一个上应用电门也可获得切换“开/关”的滤波器。
图16中示出一带有光控制的“开/关”切换光滤波器6002的一个实施例。通过定向强光束来极化在子滤波器1150中的微球S1或极化子滤波器1250中的微球S2来形成光门。
可以以“光实时”的方式脉冲为开或关的强光束可为一激光光束5000，该激光光束通过照明光纤3150进入M-Z干涉仪3250，以产生修正后的激光束5010，然后从M-Z干涉仪3250中输出。该修正的激光束5010要么通过相长干涉由M-Z干涉仪加强，要么通过相消干涉被M-Z干涉仪削弱。该M-Z干涉仪3250在皮秒范围内工作，并且在同样的时间间隔内，能产生或终止定向在微球S上的修正的激光束5010。使用计算机3450来控制该M-Z干涉仪3250。通过影响微球S2的介电常数“ε(microsphere)”的实部“ε1”，该修正的激光光束5010极化微球S2。因此，当ε(microsphere)的“虚部”“iε2”保挣恒定时，可通过光效应引起的ε1的可控变化来调整如前所指出的通常与
Figure A20061005942000491
成比例的nrs (microsphere)。
正如对图15中所示的电选通光开关(electronically gatedoptical switch)的详细说明那样，nrs (microsphere)的改变能用于实施两个WGM控制中的一个。通过光效应切换“开/关”滤波器6002，能将WGM控制都施加在子滤波器1150和1250上，或施加在其中一个子滤波器上。当实施第二WGM控制时，微球S2放置在介质1000中。
正如参照图15的描述，光控滤波器6002中的微球S2也可以涂敷一光激活材料2550，在这种情况下，该光效应用于调整nrs (coated microsphere)。因此，调整nrs (coated microsphere)能用于实施WGM控制。
图17中示出一信号损耗光滤波器6003，该光滤波器能由例如M-Z干涉仪3250产生的强光束切换“开/关”。该强光束用于激发微球S2内的信号吸收材料(例如光致变色双噻吩乙烯)的信号吸收行为。通过将从M-Z干涉仪3250的照明光纤3150输出的修正激光光束5010定向在微球上来有选择的施加信号损耗，这通过调整微球S2的介电常数的“虚部”(iε2)，触发信号吸收材料3850的行为。
本领域技术人员将认识到，光致变色双噻吩乙烯仅仅是一较大组光致变色材料中的一种，其可结合入微球的基底以作为光吸收材料。而且，其它的具有光吸收特性并能被光波段外的一特定性质或数量的光所触发的材料可用作光吸收材料。能被适当的触发器有选择地触发的其它材料包括，但并不限于，半导体纳米团簇、电致变色纳晶、量子点、掺杂半导体纳米团簇、半导体、PDLC、二氢中氮茚，diarylimylenes，ScGe，bisMienylperfluorocyclopentenes，螺芘，俘精酸酐以及染料，该适当的触发器可包括施加在微球上的一束光或一束电能，其反过来能将该信号吸收材料泵浦至较高能态以提供其信号吸收活动。
图18中图示出一带有间接耦合子滤波器1150和1250的光滤波器6004，该间接耦合子滤波器1150和1250被一中间波导W3分开，并固定在接近中间波导W3的位置上。“看门人”子滤波器1150中的微球S1固定在中间波导W3的上游，而“隔离者”子滤波器1250的微球S2固定在中间波导W3的下游。因此，从“看门人”子滤波器1150耦合到中间波导W3的信号传输至“隔离者”子滤波器1250。
该输入、输出和中间波导W1、W2和W3可由光纤构成。为提供较大振幅的信号以用于耦合，该光纤也可为锥形。虽然图14-17中所示的是锥形光纤，但并不限于使用锥形光纤，非锥形光纤或其它的波导，包括但并不限于由半导体材料形成的半导体波导，以及由半导体波导的构建中所用的平板印刷法所构建的半导体波导，可代替锥形光纤。
在一些情况下，中间波导W3可由在微球S1和S2之间的以端—对—端形式放置的光纤构成。以端—对—端形式放置的中间光纤的一端或两端均可被转动一角度。该以端—对—端形式放置的光纤的末端应当被结束以支持全内反射，通过全内反射，信号能耦合至子滤波器。
正如参照图14-17所描述的，子滤波器1150和1250的每一个包含对一组特定的RS在WGM下共振的微球S1和S2。通过在提供输入信号λrs0、λrs1、λrs2...λrsn的光通信波段的频道内选择仅共有一个RS(λrs2)的“看门人”子滤波器1150和“隔离者”子滤波器1250来获得特定信号的光滤波器50。
实际上，光滤波器6004可总处于“开”状态，或通过使用先前讨论的WGM控制或通过信号损耗可切换开/关”。
为了使用WGM控制形成一切换“开/关”的光滤波器，在“看门人”和“隔离者”子滤波器1150和1250中的微球S1和S2的其中之一上施加极化能量5150。该极化能量5150可来自对电门(参照图15所描述的)或光门(参照图16所描述的)的应用。
如前所讨论的，已知微球的折射率“nrs (microsphere)”与其介电常数的“实部”的均方根
Figure A20061005942000511
成比例。因此，通过在微球上施加光效应或电光效应，能调整nrs (microsphere)从而提供两个WGM控制。
第一WGM控制能基于微球的折射率“nrs (microsphere)”的调整，以建立对滤波器选择的特定RS由微球支持或不支持WGM共振的条件，来切换“开/关”滤波器。
第二WGM控制能基于断开或建立在微球和波导之间的耦合条件来切换“开/关”光滤波器。微球的极化用于相对与围绕着微球的介质1000的折射率“nmedium”来调整nrs (microsphere)。当nrs (microsphere)大体上等于在耦合区域(参照图15所描述的，共振结构—波导界面)的nmedium时，微球混入介质，并对所有信号透明。当nrs (microsphere)不等于nmedium时，微球完全不同于介质，从而能发生耦合。
在用信号损耗“开/关”滤波器的情况下，使用例如为一强光束的触发器能量5250，通过先前所述的对微球的介电常数的“虚部”(iε2)的调整来触发在微球内的信号吸收材料的信号吸收行为。
图19中图示出一包括一组光滤波器的系统，该组光滤波器光学交接波导并且解多路复用(DEMUX)光信号。该DEMUX系统6005由“n”个固定在接近输入波导W1的区域的光滤波器1070和1070’构成，其中，通过输入波导W1可提供在“n”个频道内的不同波长(λrs0，λrs1，λrs2，λrs3...λrsn)的光信号。每一光滤波器1070和1070’也固定在接近“n”个输出波导W2和W2’中的一个的区域上。最基本的DEMUX系统光交接输入波导和“n”个输出波导W2和W2’之间的信号。本实施例中显示的光滤波器1070和1070’总处于“开”状态，正如参照图14所详细描述的那样。
虽然显示的是直接耦合光滤波器，例如参照图14-17所描述的，但这种图示并不是一种限制，参照图18所描述的间接耦合光滤波器可代替直接耦合光滤波器。
为将“n”个频道内的信号从单个输入波导W1 DEMUX至“m”个第三波导W4A、W4B或W4C，光开关761A、761B、761C、762A、762B和762C放置在输出波导W2、W2’、W2”和第三波导W4A、W4B、W4C或W4D之间的交叉点处。优选地，光开关761A、761B、761C、762A、762B和762C是为了避免任何光-电—光转换。这样光开关可为共振结构，该共振结构包括由运动场状物、环状物、铁箍、椭圆形和扁球形的球状体或圆盘和微球加上共振腔组成组。然而，根据该DEMUX系统6005的性能参数，可使用非光开关。优选的光开关761A、761B、761C、762A、762B和762C不必具有由一组光滤波器1070和1070’DEMUX间隔较近的频道所需的高Q值，因为仅有一个信号RS从光滤波器1070和1070’耦合至适当的输出波导W2和W2’。因此，多个光开关761A、761B、761C、762A、762B和762C不必区分间隔较近的信号。
图19中所示的每一个光开关761A、761B、761C、762A、762B和762C中的微球是电控制的，就像参照图15所描述的那样。图示的电控制的光开关并不是一种限制。光开关中的一个或多个也可是光控制的，如同参照图16所描述的那样，和/或由信号损耗切换“开/关”，如同参照图17所示的光滤波器所的描述那样。期望应用第二WGM控制的任何光开关761A、761B、761C、762A、762B和762C应当放置在介质1000中。而且，某些可总处于“开”状态，而其它的是“开/关”切换的。
倒转信号的方向，使得每一第三波导成为对于一个频道的信号输入端，而输入波导成为输出波导，从而产生一多路复用(MUX)系统。
图20中图示出一组被结合以解多路复用(DEMUX)的“n”个光滤波器5050和5050’。光信号从“n”个频道传入输出波导W2、W2’和W2”。DEMUX系统7000中的每一个光滤波器由一单个“看门人”子滤波器711、711’和711”构成，并固定在接近输入波导W1和一中间波导W3、W3’和W3”的位置，其中该子滤波器711、711’和711”能对一组特定的RS在WGM下进行共振。
固定在接近每个中间波导W3和W3’以及每一“看门人”子滤波器下游的位置的是“n”组“m”个冗余“隔离者”子滤波器712A-A”和712B-B″。每一组中的“m”个冗余“隔离者”子滤波器“712A-A”和712B-B″的每一个包含微球S2A和S2B，该微球对同样的特定组RS在WGM下进行共振，其中一个RS是相应的“看门人”子滤波器711或711’的RS。该信号从“看门人”子滤波器711或711’传输至适当的中间波导W3、W3’或W3”，并能与相应组冗余“隔离者”子滤波器“712A-A”和712B-B″中的微球S2A和S2B中的一个或多个相耦合。
正如参照图18所描述的那样，一极化能量5150或一触发器能量5250可被施加在子滤波器上，以通过WGM控制中的一个或通过信号损耗对该子滤波器进行“开/关”切换。如果施加第二WGM控制，那么一具有已知折射率的介质1000应当围绕受影响的子滤波器。
图21中图示出一个通过使用一个或多个光陷阱来放置和/或保持WGM微球以构建例如参照图18所描述的一个光开关或一组光滤波器的系统和方法的概略图，通常被标记为6006。
为制造一光滤波器，在一组件容器61中生成可移动光陷阱1000&1001。该组件容器应当由至少部分透明的、能使得用于形成光陷阱的光穿过并进入期望位置的材料构成。
光陷阱10000&10020用于操纵小微球S1&S2并对它们进行定位以构造一光滤波器。通过将一准直光传输至能生成子光束863&864的相位模式化光学元件862上，能形成光陷阱10000&10020，其中，该准直光优选为激光光束5000。然后，由该相位模式化光学元件862所生成的每一子光束863&864穿过传递光学系统L1&L2到达光束分离器865上。
该光束分离器865提供两个定向在不同方向的光流866&867。第一光流866来自相位模式化光学元件862的子光束863&864，该子光束被光束分离器865再定向后经区域“B”到达聚焦透镜869的后孔径868，从而在聚焦透镜的后孔径868上重叠子光束863&864。在那些子光束863&864的强在周边较低，而在从周边向内的区域较高的实施例中，过度充填后孔径868的约低于15％的区域，与未过度充填后孔径868相比，用于形成在周边具有较高强度的光陷阱。
通过产生在三维方向上容纳和操纵该微球S1&S2所需的渐变条件，当子光束863&864穿过聚焦透镜869时，子光束863&864被会聚以形成光陷阱10000&10020。为清楚起见，仅图示了两组微球、子光束和光陷阱，但是应当理解，根据分析的性质、范围和其它参数，以及产生光陷阱的系统的性能，能提供更多或更少的组。改变相位模式化光学元件改变了光束的相剖面图，这能改变光陷阱的位置。
任何合适的激光器均能用作激光光束5000的光源。可用的激光器包括：固体激光器，二极管泵浦激光器、气体激光器、染料激光器、红宝石激光器、自由电子激光器、VCSEL激光器、二极管激光器、钛—蓝宝石激光器、掺杂YAG激光器、掺杂YLF激光器、二极管泵浦YAG激光器以及闪光灯—泵浦YAG激光器。优选功率在10mW和5W之间的二极管—泵浦Nd:YAG激光器。
当激光光束5000反射离开相位模式化光学元件62时，相位模式化光学元件产生子光束863&864，每个子光束具有一个相剖面图。根据所期望的光陷阱的数目和类型，可改变相剖面图。该相剖面图的改变可包括：衍射、波前成形、相移、转向(steering)、发散和会聚。基于所选的相剖面图，相位模式化光学元件能用于生成如下形式的光陷阱：光镊、光学漩涡、光学瓶颈、光旋转器和光笼，以及两个或多个上述形式的组合。
根据合适的相位模式化光学元件如何定向会聚光束或其它能源的聚焦束，其特征是透射的或反射的。透射衍射光学元件透射光束或其它能量束，而反射衍射光元件反射该光束或能量束。
相位模式化光学元件也能分类为具有静态表面或动态表面。合适的静态相位模式化光学元件的实例包括那些具有一个或多个固定表面的区域的静态相位模式化光学元件，例如：光栅，包括衍射光栅、反射光栅和透射光栅，全息图，包括光致变色全息图、模版、光整形全息滤波器、光致变色全息图，以及透镜、反射镜、棱镜和波片等。
具有与时间有关的功能的合适的动态相位模式化光学元件的实例包括：计算机生成衍射图案、相移材料、液晶相移阵列、微镜阵列—包括活塞式微镜阵列、空间光调制器、光电致偏仪、声-光调制器、变形镜以及反射MEMS阵列等。由于存在—动态相位模式化光学元件，包含该动态相位模式化光学元件的介质能被改变，以赋予图案化相移至聚焦光束，这导致在聚焦光束的相剖面图中的相应变化，例如衍射或会聚。此外，包含动态相位模式化光学元件的介质能被改变以产生光陷阱位置的变化。动态相位模式化光学元件的一个优点在于该介质能被改变以独立移动每一个光陷阱。
优选的动态光元件包括纯调相的空间光调制器，例如由日本的Hamamatsu制造的“PAL-SLM系列X7665”或者由Layafette Colorado的Bouler Nonlimer Systems制造的“SLM 512SA7”和“SLM 512SA15”。这些相位模式化光学元件是计算机控制的，通过对介质内的全息图进行编码来产生子光束10000&10020。
该相位模式化光学元件也用于赋予该激光光束一特定的拓扑模式。因此，一个子光束可形成为高斯—拉盖耳模式，而另一子光束可形成为高斯模式。
返回来谈及光束分离器，该光束分离器865也提供一来自成像照明源870的第二光流867。该第二光流867穿过工作区861和光束分离器865，并形成一光数据流872，该数据流872提供关于在工作区861中的微球S1&S2位置的信息。该光数据流能转换为视频信号，由操作员的视觉检查视频监控或光谱分析。光数据流872也可以由监控强度的光探测器或者任何合适的装置来处理874，以将光数据流转换成适于计算机使用的数字数据流。
为将微球容纳、定位和保持在选定位置，操作员和/或计算机能调整相位模式化光学元件862以定向光陷阱10000&10020的运动来首先捕获取选定的微球，并将微球容纳在光陷阱中。接着，关于微球的位置，容纳有微球的光陷阱可再次配置。该光数据流872能用于识别和/或监视一个或多个陷阱的位置。基于位置的和本身特性的信息，能改变编码在相位模式化光学元件862的介质中的全息图。全息图的此种改变能用于改变光陷阱的类型以及光陷阱的位置，并因而改变光陷阱所容纳的微球的位置。
在另一个涉及光滤波器的发明中，图22描绘了一滤波器9000。该滤波器9000由固定在接近输入波导911的区域的介质微球“S”和一第二结构912构成，其中，该输入波导支持一组信号λrs0，λrs1，λrs2...λrsn的传输，该组信号中的每一个提供沿波导911的相应的衰逝波。该第二结构912应当是这样的一种结构，例如，另一波导、光波段间隙波导、光晶波导、WGM微球或其它支持信号传输的共振结构。该介质微球S对一组共振信号“RS”(λrs0，λrs1，λrs2)在WGM下进行共振，该组共振信号能从第二公式(de/q＝RS)获得。图26中图示出一个表来表示三个不同直径的微球在“C”通信光波段内的RS。
微球S放置在接近输入波导911和第二结构912的位置，使得微球S处于能耦合来自输入波导911的光信号、或将光信号耦合至第二结构912的位置。实际上，微球S将接收从输入波导911发出的、位于共振结构—波导界面914处的其RS的衰逝波，以及接收共振结构—波导界面914处的将要传入第二结构912的RS。
通过在微球的相对面上放置一电极对E&E’所形成的电控制来控制滤波器9000的“开/关”切换，其中，该对电极E&E’通过导电引线915电连接至一控制器(未示出)。通过一WGM控制，电门提供“开/关”功能。
WGM控制机制是基于该微球S的极化。通过线性电光效应能获得该微球S的极化，在处于微球相对面上的电极对E&E’上施加一电功率(电压或电流)可用于产生该线性电光效应。通过改变微球的介电常数“εrs (microsphere)”，该线性电光效应能极化该微球的基底。该“εrs (microsphere)”具有一实部“ε1”和一虚部“iε2”，如公式3所示，其为该两部分的和：εrs＝ε1+iε2。
当iε2保持恒定时，已知微球(共振结构)的折射率nrs (microsphere)与其介电常数的实部的均方根
Figure A20061005942000571
成比例。因此，通过线性电光效应对ε1的可控改变能改变nrs (microsphere)。
通过断开或建立在微球S和输入光纤911和/或第二结构912之间的耦合条件在一个或多个区域的产生如下所述的WGM控制，其中，该一个或多个区域是共振结构—波导界面914。微球S的极化用于相对于围绕在微球S周围的介质1000的折射率“nmedium”来调整nrs (microsphere)。为了提供WGM控制，介质1000应当围绕共振结构—波导界面914所涵盖的输入波导911和第二结构912中的至少一个。该介质应当具有一与电场有关的折射率，其取值范围是从一低于nrs (microsphere)的较低值到一至少等于nrs (microsphere)的较高值，并且，该介质不应当是导体。
当nrs (microsphere)大体上等于在共振结构—波导界面914处的nmedium时，微球S在共振结构—波导界面914是有效媒介并对所有信号透明。当nrs (microsphere)不接近medium时，微球S不同于介质，从而信号能从输入波导911中的信号滤出并传入第二结构912。
滤波器9000其默认状态可以为“开”也可以为“关”。当nrs (microsphere)不同于在共振结构—波导界面914处或附近的nmedium时，且可获得默认“开”滤波器，从而激励信号从微球耦合出去，或者信号耦合入微球。通过经一电极对E&E’使用一电光效应以使得nrs (microsphere)变得大体等于共振结构—波导界面914的区域处的nmedium，从而能中断信号耦合至输入波导911处的微球S，或者在第二结构912处中断来自微球S的信号耦合。
相反地，在至少一个共振结构—波导界面914的区域，当nrs (microsphere)大体上等于介质折射率nmedium时，可获得默认“关”的光开关。
也可在电控滤波器9000内的微球S上涂敷液晶分子、有机光折射聚合物、GaAs、硝酸苯以及LiNbO3等光激活材料916，在这种情况下，在电极对915之间及在微球S上施加的电压或流过的电流能用于极化该涂层材料916，并改变其介电常数ε1 (coated microsphere)，并由此调整其折射率nrs (coated microsphere)。因此，通过调整nrs (coated microsphere)能将WGM控制施加在微球上。
图23中图示出一带有光控制器的滤波器9020。正如参照图22所进行的描述那样，对一组RS(λrs0，λrs1，λrs2)在WGM下进行共振的微球“S”固定在接近输入波导911和第二结构912的位置。在本实施例中，用于切换“开/关”滤波器的WGM控制保持微球S的极化。然而，极化是用一强光束照射微球S所引起的结果。
光控制用于有选择的将强光束定向在微球S上。一激光束5000能“光实时”地脉冲调制强光束，该激光束被定向通过照明光纤922进入M-Z干涉仪924，生成修正的激光束5010，然后从M-Z干涉仪924中输出。
该M-Z干涉仪924用于通过相长干涉加强激光光束5000，或通过相消干涉削弱激光光束5000。M-Z干涉仪924在皮秒范围内工作，并且在同样的时间间隔内，能产生或终止定向在微球S的修正的激光光束5010。计算机926用于控制该M-Z干涉仪924。通过影响微球S的介电常数“ε(microsphere)”的实部“ε1”，该修正的激光束5010对微球进行极化，并且，如前所述，极化能用于调整nrs (microsphere)，以大体上匹配nmedium，并通过建立一个使得微球混入该介质的条件来关闭该滤波器，或者调整nrs (microsphere)，以通过生成一个使得微球S与介质1000不同的条件来切换“开”该滤波器。
如参照图23所描述的那样，也可以对光控滤波器9020内的微球S涂敷一光激活材料916，在这种情况下，光效应能用于调整nrs (coated microsphere)。
图24中图示出一包括一组光滤波器的系统，该组光滤波器可光学交接波导并解多路复用(DEMUX)光信号。该DEMUX系统9030由“n”组特定波长的光滤波器构成。该“n”组滤波器的每一组包含“m”个冗余光滤波器931A、931A’和931A”，931B、931B’和931B”以及931C、931C’和931C”。“m”个冗余滤波器931A、931A’、931A”、931B、931B’、931B”或931C、931C’和931C”的每一组对同样的RS进行共振。“m”个冗余滤波器的每一个固定在接近输入波导W1的位置上，通过该输入波导W1提供不同波长的光信号(λrs0，λrs1，λrs2，λrs3...λrsn)。来自“n”组滤波器的每一组的“m”个冗余滤波器中的一个也固定在“m”个输出波导W2、W2’和W2”中的一个波导附近的区域，由此，光信号能被多路复用(MUX)入输出波导W2、W2’和W2”。整个DEMUX系统放在具有已知折射率的介质1000中。
通过施加一极化能量，能电或光控制(如参照图22或23所完整描述的那样)在滤波器931A、931A’、931A”、931B、931B’、931B”或931C、931C’和931C”的每一个中的微球“S”的WGM共振，其中该极化能量用于通过调整nrs (microsphere)以大体上与介质的折射率nmedium匹配，而将该滤波器切换至“关”。
图25中所示的是一个通过使用一个或多个光陷阱来放置和/或保持WGM微球来构建一个光开关或一组光滤波器(如参照图26所描述的)的系统或方法的概略图，通常标记为9040。
为制造一光滤波器，在一组件容器9419中生成可移动光陷阱10000&10020。该组件容器应当由至少部分透明的、能使得用于形成光陷阱的光穿过并进入期望位置的材料构成。
光陷阱10000&10020用于操纵小微球S1&S2并对它们进行定位以构造一光滤波器。通过将一准直光传输至区域“A”到能生成子光束9439&9449的相位模式化光学元件9429，能形成光陷阱10000&10020，其中，该准直光优选为激光束5000。然后，由相位模式化光学元件9429所生成的每一子光束9439&9449穿过传递光学元件L1&L2到达光束分离器9459上。
光束分离器9459提供两个定向在不同方向的光流9469&9479。第一光流9469来自相位模式化光学元件9429的子光束9439&9449，该子光束被光束分离器9459再定向经区域“B”到达聚焦透镜9499的后孔径9489的，由此在聚焦透镜9499的后孔径9489上重叠子光束9499&9459。在那些子光束9439&9449在周边具有较低强度，而在从周边向内的区域具有较高强度的实施例中，过度充填后孔径9489的约低于15％的区域，与未过度充填后孔径9489相比，用于形成在周边具有较高强度的光陷阱。
通过产生在三维方向上容纳和操纵微球S1&S2所需的渐变条件，当子光束9439&9449穿过聚焦透镜9499时，子光束9439&9449被会聚以形成光陷阱10000&10020。为清楚起见，仅图示了两组微球、子光束和光陷阱，但是应当理解，根据分析的性质、范围和其它参数，以及产生光陷阱的系统的性能，能提供更多或更少的数目。改变相位模式化光学元件改变了光束的相剖面图，这能改变光陷阱的位置。
任何合适的激光器均能用作激光光束5000的光源。可用的激光器包括：固体激光器，二极管泵浦激光器、气体激光器、染料激光器、红宝石激光器、自由电子激光器、VCSEL激光器、二极管激光器、钛—蓝宝石激光器、掺杂YAG激光器、掺杂YLF激光器、二极管泵浦YAG激光器以及闪光灯—泵浦激光器。优选功率在10mW和5W之间的二极管—泵浦Nd:YAG激光器。
当激光光束5000反射离开相位模式化光学元件9629时，相位模式化光学元件产生子光束9439&9449，每个9439&9449具有一个相剖面图。根据所期望的光陷阱的数目和类型，可改变相剖面图，该改变可包括：衍射、波前成形、相移、转向、发散和会聚。基于所选择的相剖面图，相位模式化光学元件能用于生成如下形式的光陷阱：光镊、光学漩涡、光学瓶颈、光旋转器和光笼，以及两个或多个上述形式的组合。
根据合适的相位模式化光学元件如何定向会聚光束或其它能源的会聚束，合适的相位模式化光学元件的特征是透射的或反射的。透射衍射光学元件透射光束或能量束，而反射衍射光学元件反射光束或能量束。
相位模式化光学元件也能分类为具有静态表面或动态表面。合适的静态相位模式化光学元件的实例包括那些具有一个或多个固定表面的区域的相位模式化光学元件，例如：光栅，包括衍射光栅、反射光栅和透射光栅，全息图，包括光致变色全息图、模版、光成形全息滤波器、光致变色全息图，以及透镜、反射镜、棱镜和波片等。
具有与时间有关的功能的合适的动态相位模式化光学元件的实例包括：计算机生成衍射图案、相移材料、液晶相移阵列、微镜阵列—包括活塞式微镜阵列、空间光调制器、光电致偏仪、声-光调制器、变形镜以及反射MEMS阵列等。由于存在一动态相位模式化光学元件，包含该动态相位模式化光学元件的介质能被改变，以赋予图案化相移至聚焦光束，这导致聚焦光束的相剖面图的相应变化，例如衍射或收敛。此外，能改变包含动态相位模式化光学元件的介质以产生光陷阱位置的变化。动态相位模式化光学元件的一个优点在于该介质能被改变以独立地移动每一个光陷阱。
优选的动态光元件包括纯调相的空间光调制器，例如由日本的Hamamatsu制造的“PAL-SLM系列X7665”或者由Layafette Colorado的Bouler Nonlimer Systems制造的“SLM 512SA7”和“SLM 512SA15”。这些相位模式化光学元件是计算机控制的，通过对该介质内的全息图进行编码来产生子光束10000&10020。
相位模式化光学元件也用于赋予该激光束一特定的拓扑模式。因此，一个子光束可形成为高斯—拉盖耳模式，而另一子光束可形成为高斯模式。
返回来说光束分离器，该光束分离器9459也提供一来自成像照明源9500的第二光流9479。该第二光流9479穿过工作区9419，并形成一光数据流9529，该数据流9529提供关于在工作区9419中的微球S1&S2位置有关的信息。该光数据流能转换为视频信号，由操作员的视觉检查而被光谱分析和/或视频监控。也可以由监控强度的光探测器或者由任何合适的装置将该光数据流9529处理9549以将该光数据流转换成适于计算机使用的数字数据流。
为将微球容纳、定位和保持在选定位置，操作员和/或计算机能调整该相位模式化光学元件9429以定向该光陷阱10000&10020的运动来首先捕获得选定的微球，并将微球容纳在一光陷阱中。接着，关于微球的位置，容纳有微球的光陷阱可被再次配置。光数据流9529能用于识别和/或监视一个或多个陷阱的位置。基于位置的和本身特性的信息，能改变编码在相位模式化光学元件9429的介质中的全息图。全息图的此种改变能用于改变光陷阱的类型以及光陷阱的位置，并因而改变光陷阱所容纳的微球的位置。
以上发明可用于任何由共振结构所传输的信号将由此被控制的应用中。例如，在一分析格式中，通过涂敷与样本中将要被检测的分析物粘合在一起的粘合剂，可制造共振结构或在制造过程之后对共振结构进行改进。在本发明中，通过在频率上的改变、输出的结果信号的衰减或破坏可检测该分析物的存在，这是因为在暴露给该样本之前，分析物与共振结构上的粘合剂已经粘合在一起。在一生物分析中，也可通过在暴露给该样本之前拿掉与共振结构上的粘合剂粘合在一起的分析物来实现频率的变化、结果信号的衰减或破坏。粘合剂/分析物对的实例包括：抗原/抗体、抗体/抗原、配体/受体、受体/配体以及核酸/核酸。也可采用螯合剂、络合剂和化学粘合剂。用于准制备共振结构例如微球的技术对本领域技术人员来说是已知的，且这种准备通过例如由Indiana州的Fishers的Bangs Laboratories签定合同进行制造可提供。
为举例说明本发明的原理和操作方法，以上相当详细的描述了本发明的特定实施例。然而，可进行各种变更，本发明的保护范围并不限于上述实施例。

Claims (14)

1、一种光切换信号的方法，其包括：
在紧密接近一第一光纤和一第二光纤的裸露或薄包覆区域的位置，放置一个能对一特定波长的光进行WGM共振的介质微球，该介质微球具有大体上与该第一和第二光纤的折射率不同的可被电压改变的稳态折射率“n”；
在该介质微球的两侧放置一对电极；
提供作为在该第一光纤内的一个信号的一特定波长的光，其中，该介质微球相对该特定波长的光进行共振；
使电压通过该对电极，该电压足以能将该介质微球的稳态折射率“n”改变成大体上与该第一和第二光纤的折射率相近；
切换该信号，使其从该第一光纤起，穿过该介质微球，而进入该第二光纤；以及
终止该电压，从而该介质微球的该折射率“n”返回至其稳态；
2、一种光路由信号的方法，其包括：
提供一具有裸露或薄包覆区域的第一光纤；
提供一具有裸露或薄包覆区域的第二光纤；
在紧密接近该第一和第二光纤的裸露或薄包覆区域的位置，放置两个或更多个能对一特定波长的光进行WGM共振的介质微球，其中每一个介质微球具有大体上与该第一和第二光纤的折射率相近的可被电压改变的稳态折射率“n”；
在该每一个介质微球的两侧放置一对电极；
使电压通过该对电极，该电压足以能改变该每一个介质微球的稳态折射率“n”的；
提供在该第一光纤内在一光波段内的多个信号，每一个信号具有不同的波长；
选择一个信号进行切换；
选择对该选定信号在WGM下进行共振的介质微球，终止施加在该选定介质微球上的电压，从而该选定介质微球的折射率“n”返回至其稳态；
通过该选定介质微球的WGM共振，将该第一光纤中的选定信号切换入该第二光纤；以及
再次向该选定介质微球施加该电压。
3、一种光路由信号的方法，其包括：
提供一具有裸露或薄包覆区域的第一光纤；
提供一具有裸露或薄包覆区域的第二光纤；
在紧密接近该第一和第二光纤的裸露或薄包覆区域的位置，放置两个或更多个能对一特定波长的光进行WGM共振的介质微球，该每一个介质微球具有与该第一和第二光纤的折射率不同的可被电压改变的稳态折射率“n”；
在该每一个介质微球的两侧放置一对电极；
提供在该第一光纤内在一光波段内的多个信号，每一个信号具有不同的波长；
选择一个信号进行切换；
选择对该选定信号在WGM下进行共振的介质微球，施加电压到该介质微球，即施加在对电极上，从而该选定介质微球的该稳态折射率“n”能改变得与该第一和第二光纤的折射率大体上相近；
通过该选定介质微球的WGM共振，将该第一光纤中的选定信号切换入该第二光纤；以及
终止施加在该选定介质微球上的电压。
4、一种光切换信号的方法，其包括：
在紧密接近一第一光纤和一第二光纤的裸露或薄包覆区域的位置，放置一个能对一特定波长的光进行WGM共振的介质微球，该介质微球具有大体上与该第一和第二光纤的折射率相近的可被光改变的稳态折射率“n”；
将一束足够强的光定向在该微球上，从而改变该微球的稳态折射率“n”；
提供作为在该第一光纤内的一个信号的一特定波长的光，其中，该介质微球相对该特定波长的光进行共振；
终止该束足够强的光，从而该介质微球的折射率“n”返回至其稳态；
切换该信号，使其从该第一光纤起，穿过该介质微球，而进入该第二光纤；以及
再次施加该束足够强的光。
5、一种光切换信号的方法，其包括：
在紧密接近一第一光纤和一第二光纤的裸露或薄包覆区域的位置，放置一个能对一特定波长的光进行WGM共振的介质微球，该介质微球具有与该第一和第二光纤的折射率不同的可被光改变的稳态折射率“n”；
提供作为在该第一光纤内的一个信号的一特定波长的光，其中，该介质微球相对该特定波长的光进行共振；
将一束足够强的光定向在该微球上，从而将该介质微球的稳态折射率“n”改变成大体上与该第一和第二光纤的折射率相近；
切换该信号，使其从该第一光纤起，穿过该介质微球，而进入该第二光纤；以及
终止该束足够强的光。
6、一种光路由信号的方法，其包括：
提供一具有裸露或薄包覆区域的第一光纤；
提供一具有裸露或薄包覆区域的第二光纤；
在紧密接近该第一和第二光纤的裸露或薄包覆区域的位置，放置两个或更多个能对一特定波长的光进行WGM共振的介质微球，其中每一个介质微球具有大体上与该第一和第二光纤的折射率相近的可被光改变的稳态折射率“n”；
将一束足够强的光定向在该每一个介质微球上，从而改变该每一个介质微球的稳态折射率“n”；
提供在该第一光纤内的在一光波段内的多个信号，每一个信号具有不同的波长；
选择一个信号进行切换；
选择该介质微球，终止施加在该介质微球上的该束足够强的光，从而该介质微球的该折射率“n”返回至其稳态；
通过该选定微球的WGM共振，将该第一光纤中的选定信号切换入该第二光纤；以及
向该选定介质微球再次施加该束足够强的光。
7、一种光路由信号的方法，其包括：
提供一具有裸露或薄包覆区域的第一光纤；
提供一具有裸露或薄包覆区域的第二光纤；
在紧密接近该第一和第二光纤的裸露或薄包覆区域的位置，放置两个或更多个能对一特定波长的光进行WGM共振的介质微球，该每一个介质微球具有与该第一和第二光纤的折射率不同的可被光改变的稳态折射率“n”；
提供在该第一光纤内在一光波段内的多个信号，每一个信号具有不同的波长；
选择一个信号进行切换；
选择该介质微球，将一束足够强的光定向在该介质微球上，从而该介质微球的折射率“n”变得大体上与该第一和第二光纤的折射率相近；
通过该选定微球的WGM共振，将该第一光纤中的选定信号切换入该第二光纤；以及
终止定向在该选定介质微球上的该束足够强的光。
8、一种光开关，其包括：
一具有裸露或薄包覆区域的第一光纤；
一具有裸露或薄包覆区域的第二光纤；
一光陷阱；以及
一个在该光陷阱内的能对一特定波长的光进行WGM共振的介质微球，该介质微球具有大体上与该第一和第二光纤的折射率相近的稳态折射率“n”。
9、一种光路由器，其包括：
一具有裸露或薄包覆区域的第一光纤；
一具有裸露或薄包覆区域的第二光纤；
多个光陷阱；以及
多个介质微球，其中每一个介质微球能对一特定波长的光进行WGM共振，并且每一个介质微球容纳在一个光陷阱内，该每一个介质微球具有大体上与该第一和第二光纤的折射率相近的稳态折射率“n”。
10、一种光滤波器，其包括：
一输入波导；
一固定在接近该输入波导的位置处的第一子滤波器，该第一子滤波器能切换第一组共振信号；
一固定在接近该第一子滤波器的位置处的第二子滤波器，该第二组子滤波器能切换第二组共振信号，并且该第二组共振信号中的一个也是该第一子滤波器的一个共振信号；
一固定在接近该第二子滤波器的位置处的输出波导。
11、一种光滤波器，其包括：
一输入波导；
一固定在接近该输入波导的位置处的第一子滤波器，该第一子滤波器能切换第一组共振信号，由此该第一子滤波器能接收该输入波导中传输的光信号；
一固定在接近该第一子滤波器的位置处的第二子滤波器，该第二组子滤波器能切换第二组共振信号，并且该第二组共振信号中的一个也是该第一子滤波器的一个共振信号，由此该第二子滤波器能接收来自该第一子滤波器的光信号；
一固定在接近该第二子滤波器的位置处的输出波导；以及
一用于控制该第一和第二子滤波器中的至少一个的“开/关”工具。
12、一种光滤波器，其包括：
一个输入波导；
一个输出波导；
一个第一WGM共振结构，其对第一组共振信号在WGM下进行共振，并且其固定在接近该输入波导的位置处，从而形成一个第一共振结构一波导界面，由此，来自该输入波导的衰逝波的光信号能传输至该第一共振结构；
一个第二WGM共振结构，其对第二组共振信号在WGM下进行共振，其中，该第二组共振信号中的一个也是该第一共振结构的一个共振信号；并且其固定在接近该第一WGM共振结构的位置处，形成一个直接光一切换界面，由此，来自该第一WGM共振结构的光信号能传输至该第二WGM共振结构；以及
在该第二WGM共振结构和该输出波导之间形成第二共振结构一波导界面，从而来自该第二WGM共振结构的光信号能传输至该输出波导。
13、一种光滤波器，其包括：
一个中间波导；
一个固定在接近一个输入波导和该中间波导的位置处的、对第一组共振信号滤波的第一子滤波器；以及
一个固定在接近一个该中间波导和一个输出波导的位置处的、对第二组共振信号滤波的第二子滤波器，其中，该第二组共振信号中的一个也是该第一组共振信号中的一个。
14、一种切换“开/关”光滤波器的方法，其包括：
将一个光信号耦合至其上具有粘合剂的一个WGM共振结构；
将来自所述WGM共振结构的光信号耦合入支持信号传输的第二结构；
通过该光信号在频率上的变化、衰减和破坏程度中的一种来检测所述分析物的存在，该光信号触发所述“开/关”光滤波器的切换。
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