FI111357B - Sähköisesti ohjattava, paksuudeltaan muunneltava levy ja menetelmä sen muodostamiseksi - Google Patents

Description

SÄHKÖISESTI OHJATTAVA, PAKSUUDELTAAN MUUNNELTAVA LEVY JA MENETELMÄ SEN MUODOSTAMISEKSI

Nyt esillä oleva keksintö liittyy oheisen patenttivaatimuksen 1 johdanto-osan mukaisiin sähköisesti kytkettäviin optisiin laitteisiin. Nyt esillä oleva keksintö liittyy myös oheisen patenttivaatimuksen 9 johdanto-osan mukaiseen menetelmään sähköisesti kytkettävien optisten laitteiden muodostamiseksi.

Optisia signaaleita eri muodoissa käytetään nykyisin yhä enemmän useissa erityyppisissä laitteissa ja sovelluksissa. Täyden hyödyn saamiseksi sellaisista järjestelmistä, joissa on optisia signaaleita tai säde-kimppuja, on kyettävä valojohteen tai jonkin muuntyyppisen optisen järjestelmän kautta tuleva optinen signaali tai sädekimppu suuntaamaan halutulla sähköisesti ohjattavalla tavalla toiseen optiseen johteeseen tai toiseen optiseen järjestelmään. Edellä mainittu optinen valo-johde voi olla esimerkiksi valokuitu tai muuntyyppinen valoaaltojohde. On olemassa paljon erilaisia optisia järjestelmiä, jotka toimivat nopeasti vaihtuvissa toimintaolosuhteissa ja näin ollen edellyttävät kykyä suorittaa optisia toimintoja tehokkaalla ja sähköisesti ohjatulla tavalla.

Erityisesti viimeaikainen nopea kehitys optisissa tietoliikenne- ja tietojenkäsittelyjärjestelmissä johtaa siihen, että tarvitaan yhä enemmän monipuolisia, sähköisesti kytkettäviä optisia laitteita.

Termi "optinen kytkentä" merkitsee - paitsi optisen signaa-lin/sädekimpun kytkemistä yksinkertaisesti päälle tai pois - edellä ja jäljempänä myös monimutkaisempia optisia toimintoja, eli optisen sig-naalin/sädekimpun ja/tai sen reitin muodonmuutoksia. Näitä ovat esimerkiksi optisen signaalin/sädekimpun jakaminen, suuntaaminen uudelleen, tai sen amplitudin tai vaiheen muuntaminen halutulla tavalla.

Seuraavassa selostetaan lyhyesti joitakin tekniikan tason mukaisia ratkaisuja sähköisesti ohjattavaa optista kytkentää varten. Sellaiset menetelmät, jotka perustuvat optisten signaalien muuntamiseen ensin sähköisiksi signaaleiksi kytkentää varten ja sitten mainittujen sähköisten signaalien muuntamiseen takaisin optisiksi signaaleiksi ulostuloa 2 varten, eivät kuitenkaan sisälly seuraavaan selitykseen, koska ne eivät ole nyt esillä olevaan keksinnön kannalta merkittäviä.

Tavanomainen menetelmä sähköisesti ohjattavaa optista kytkentää varten on liikuttaa mekaanisesti optisia komponentteja, esimerkiksi peilejä, säteenjakajia tai säteenvaimentimia, jotta voidaan vaikuttaa optisen signaalin/sädekimpun etenemiseen. Mainitut mekaaniset liikkeet voidaan toteuttaa erilaisten sähköisten toimilaitteiden avulla. Tällaisia optisia komponentteja ja niiden yhteydessä vaadittavia sähköisiä toimilaitteita ei kuitenkaan voida helposti tehdä pienikokoisiksi, ja niiden valmistus on myös melko hankalaa ja kallista, erityisesti massa-tuotantotavaroina.

Piin pintamikrotyöstä (engl. silicon-surfacemicromachining) on viime aikoina käyttöön tullut tekniikka pienten tai mikroskooppisen pienten laitteiden valmistamiseksi. Tätä tekniikkaa on myös käytetty optisten mikrosähkömekaanisten järjestelmien (microelectromechanical systems, MEMS) valmistukseen.

US-patentissa 5 867 297 on esitetty värähtelevä optinen mikrosähkö-mekaaninen laite, joka käsittää mikropeilin valon suunnan muuttamiseksi ennaltamäärätyllä tavalla. Nämä mikrotyöstetyt piistä valmistetut "koneen osat" ovat pienen fyysisen kokonsa ja massansa ansiosta vankempia ja voivat toimia nopeammin kuin tavanomaiset, makroskooppiset mekaaniset laitteet.

Yhtä optista mikrosähkömekaanista laitetyyppiä edustavat Grating Light Valve™ -laitteet, joita valmistaa Silicon Light Machines, USA. US-patentissa 5 311 360 on esitetty valomodulaattorirakenne, joka koostuu rinnakkaisista riveistä heijastavia nauhoja. Vierekkäisiä nauharivejä voidaan sähköstaattisten vetovoimien avulla vetää alas noin neljän-nesaallonpituutta vastaavan etäisyyden verran sähköisesti ohjatun hilamaisen rakenteen muodostamiseksi, jota voidaan käyttää tulevan valoaallon diffraktiiviseksi muuntamiseksi. Nauhojen sähkökytkentä voidaan toteuttaa integroimalla nauhojen alle pohjaelektrodit ja johtamalla nauhoihin ja mainittuihin pohjaelektrodeihin eri jännitteitä tarvittavien sähköstaattisten voimien muodostamiseksi. US-patentissa 6 130 770 3 on esitetty toisentyyppinen ratkaisu, jossa valomodulaattorirakenteen tiettyjen nauhojen varaamiseksi ei ole käytetty fyysisiä sähkökytken-töjä, vaan valitut nauhat varataan sähköisesti elektronitykillä.

Periaatteessa pii-pohjaisessa optisessa mikrosähkömekaanisessa tekniikassa liikuteltavien mekaanisten rakenteiden muodostamiseksi piisirulle käytetään prosessivaiheita, jotka perustuvat mikropiirien (1C) valmistuksessa käytettyyn valolitografiatekniikkaan, materiaalin kasvatustekniikkaan ja kemialliseen syövytystekniikkaan. Edellä mainittu valmistusprosessi on kuitenkin melko hankala ja näin ollen kallis. Lisäksi optiset mikrosähkömekaaniset laitteet toimivat pääasiassa vain heijastavina, ja näin ollen tällaisilla laitteilla voidaan vain rajoitetusti saada aikaan monimutkaisempia optisen signaalin/sädekimpun ja/tai sen reitin muodonmuutoksia. Materiaalin väsyminen voi myös olla merkitsevää tietyissä sovelluksissa.

Kahtaistaittavuus on ominaisuus, joka esiintyy tietyillä läpinäkyvillä materiaaleilla, kuten kristalleilla. Tällaisilla optisilla materiaaleilla on kaksi eri taitekerrointa eri suunnissa. Tätä voidaan käyttää hyväksi Pockelsin ilmiön aikaansaamiseksi, joka on sähköoptinen ilmiö, jossa sähkökentän synnyttäminen saa aikaan kahtaistaittavuuden, joka on verrannollinen aineeseen johdettuun sähkökenttään. Pockelsin ilmiö on alalla hyvin tunnettu, ja sitä käytetään yleisesti esimerkiksi nopeiden optisten sulkimien muodostamiseen. Koska kahtaistaittavuudensn hyödyntäminen edellyttää kuitenkin polarisoidun valon käyttöä, tämä rajoittaa huomattavasti sen käyttöä yleisenä menetelmänä optisten kytkentälaitteiden toteuttamisessa.

US-patentissa 5 937 115 on kuvattu kytkettäviä optisia komponentti-rakenteita, jotka perustuvat holografiseen polymeeriin dispergoituun nestekiteeseen. Nämä ovat elektronisesti ohjattavia Bragg-hilaraken-teita, joiden ansiosta läpinäkyvien hilarakenteiden diffraktoiva vaikutus voidaan kytkeä elektronisesti päälle ja pois. Hilarakenteet on tallennettu optisesti tai muodostettu materiaaliin muulla tavoin. Näitä elektronisesti kytkettäviä Bragg-hilarakennelaitteita (electronically switchable Bragg grating, ESBG) voidaan käyttää erilaisiin suodatin- tai linssi-sovelluksiin. ESBG-tekniikan suurimpana haittana on siinä vaadittava 4 monimutkainen valmistusprosessi. Ympäristönäkökohdat ja -haitat, jotka liitetään nestekidemateriaaleihin yleensä, koskevat luonnollisesti myös ESBG-laitteita.

US-patentissa 4 626 920 on esitetty puolijohdelaite, jossa puolijohdemateriaalissa (Si) on joukko toisistaan etäisyyden päähän järjestettyjä varauselektrodeja ja mainittujen elektrodien päällä elastomeerikerros. Elastomeerikerroksen päälle on järjestetty ainakin yksi sähköä johtava ja valoa heijastava kerros. Kun varauselektrodien ja sähköä johtavan kerroksen välille johdetaan jännitteitä, tämä aiheuttaa sähköä johta-van/valoa heijastavan kerroksen ja elastomeerikerroksen muodonmuutoksen tasaisesta pinnasta muotoon, jonka poikkileikkaus on jaksottaisesti vaihteleva sinikäyrä. Tällöin sähköä johtavan kerroksen heijastavaa etupintaa voidaan käyttää sähköisesti ohjattavana heijas-tushilana.

GB-patentissa 2 237 443 on kuvattu toisentyyppinen valoa moduloiva laite, jossa valon modulointiin käytetään heijastavaa elastomeeri-kerrosta tai viskoelastista kerrosta. Tässä järjestelyssä käytetään suorien sähkökytkentöjen/-elektrodien (vrt. US-4 626 920) asemesta elek-tronitykkiä (katodisädeputkea) elastomeerikerroksen muodonmuutoksessa vaadittavan sähköisen kenttäkuvion muodostamiseen.

Edellä kuvattujen kaltaisten järjestelmien (US-4 626 920 ja GB-2 237 443) tärkeä piirre on muotoaan muuttavan elastomeerikerroksen päälle asetetun sähköä johtavan/valoa heijastavan kerroksen tai kerrosten toiminta. Mainitun sähköä johtavan/valoa heijastavan kerroksen tai kerrosten on luotettavalla ja toistettavalla tavalla muodostettava tarkkoja muodonmuutoskuvioita, jotka vastaavat elastomeerikerrosta muuttavaa varauskuviota. Tämä - samoin kuin se seikka, että mainitut laitteet toimivat vain heijastuksen yhteydessä - rajoittaa kyseisten laitteiden käyttöä, mikä johtuu siitä, että sopivia sähköä johtavia ja valoa heijastavia materiaaleja on rajallinen valikoima, sekä laitteen yleisistä vasteominaisuuksista (herkkyys johdetuille jännitteille/varauksille, aika-vasteominaisuudet).

5

Yury P. Guscho, “Physics of Reliofography” (Nauka, 1992, 520 s., venäjänkielinen) selostaa kappaleessa 7 joitakin valomodulaattori-rakenteita, joissa läpinäkyvää viskoelastista kerrosta muunnetaan sähköisesti mainitun viskoelastisen kerroksen läpi kulkevan valon käsittelemiseksi. Näitä laitteita voidaan pitää nyt esillä olevan keksinnön kannalta lähimpänä tekniikan tasona, ja sen vuoksi niitä selostetaan jäljempänä lyhyesti viittaamalla oheisiin kuviin 1 a ja 1 b.

Kuvat 1a ja 1b vastaavat julkaisun "Physics of Reliofography" kappaleen 7 kuvaa 7.1, ja ne esittävät kaksi valomodulaattorirakenteiden perustoteutustapaa.

Kuvan 1a mukaisessa ensimmäisessä kaaviossa viskoelastisen kerroksen G muodonmuutoksen aikaansaava signaali johdetaan viskoelastisen kerroksen G vapaalta puolelta käyttöelektrodeilla ES1, jotka elektrodit ES1 on muodostettu ylimpänä olevan lasialustan SM1 alapinnalle. Viskoelastisen kerroksen G ja ylimpänä olevan lasialustan SM1 alapinnan väliin on jätetty rako, jonka ansiosta viskoelastinen kerros G voi muuttaa muotoaan koskettamatta vastakkaista rakennetta. Edellä mainittu rako voi olla esimerkiksi ilmaa, kaasua tai tyhjiö. Viskoelastisen kerroksen G muodonmuutoksen aikaansaava sähkökenttä muodostetaan käyttöelektrodien ES1 ja sähköä johtavan alustaelektro-din ES2 väliin.

Kuvan 1b mukaisessa toisessa toteutustavassa viskoelastinen kerros G on sijoitettu käyttöelektrodirakenteen ES1 päälle, joka taas on muodostettu lasialustan SM1 päälle. Viskoelastisen kerroksen G muodonmuutoksen aikaansaava sähkökenttä syntyy, kun käyttöelektrodi-rakenteessa ES1 oleville vierekkäisille elektrodivyöhykkeille johdetaan vaihtojännitteitä.

Kummassakin edellä mainitussa toteutustavassa viskoelastisen kerroksen G vapaa pinta voidaan päällystää sähköä johtavalla, valoa heijastavalla kerroksella (sputteroidulla metallikalvolla).

Nähdäksemme kaikki julkaisun "Physics of Reliofography" kappaleessa 7 esitetyt valomodulaattorirakenteet, joita on lyhyesti kuvattu 6 edellä, perustuvat siihen perusajatukseen, että viskoelastinen kerros muuttaa muotoaan pintarakenteeksi, jonka poikkileikkaus on oleellisesti vaihteleva sinikäyrä. Tämän ansiosta viskoelastista kerrosta voidaan käyttää sähköisesti ohjattavana sinimuotoisena hilana tulevan valo-aallon moduloimiseksi.

Nyt esillä olevan keksinnön päätarkoituksena on saada aikaan optista kytkentää varten uusi laite, joka perustuu sähköisesti muotoaan muuttavan viskoelastisen kerroksen käyttöön mainitun viskoelastisen kerroksen läpi kulkevan valon käsittelemiseksi, mutta joka ei perustu viskoelastisen kerroksen käyttöön hilamaisena rakenteena. Tämän keksinnön ansiosta viskoelastista kerrosta voidaan käsitellä täysin uudella tavalla, mikä laajentaa merkittävästi mahdollisuuksia käyttää sähköisesti ohjattavia viskoelastisia materiaaleja optisissa kytkentä-sovelluksissa.

Tämän tarkoituksen saavuttamiseksi keksinnön mukaiselle laitteelle on pääasiassa tunnusomaista se, mitä on esitetty itsenäisen patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa.

Keksintö koskee myös menetelmää sähköisesti kytkettävien optisten laitteiden muodostamiseksi. Keksinnön mukaiselle menetelmälle on pääasiassa tunnusomaista se, mitä on esitetty itsenäisen patenttivaatimuksen 9 tunnusmerkkiosassa.

Keksinnön perusajatuksena on saada aikaan laite, jossa vastakkaisten läpinäkyvien elektrodirakenteiden väliin sijoitetun läpinäkyvän viskoelastisen kerroksen muotoa voidaan muuttaa siten, että mainitun viskoelastisen kerroksen paksuutta voidaan muuttaa sähköisesti ja samalla ylläpitää tietyn, elektrodirakenteiden määrittämän alueen sisäpuolella mainitun viskoelastisen kerroksen pinta oleellisesti tasaisena.. Koska viskoelastisella materiaalilla on eri taitekerroin kuin väliaineella, joka muodostaa välttämättömän raon viskoelastisen kerroksen ja ainakin yhden vastakkaisista elektrodirakenteista väliin, viskoelastisen kerroksen ja mainitun raon kautta kulkeva valo kulkee eripituisen optisen reitin riippuen viskoelastisen kerroksen paksuudesta. Näin ollen keksinnön mukaista optista laitetta voidaan käyttää yleiskäyttöisenä sähköi- 7 sesti ohjattavana paksuudeltaan muunneltavana levynä, jota voidaan käyttää laitteen läpi kulkevan valon vaiheen muuttamiseen.

Keksinnön yhdessä erityisessä suoritusmuodossa paksuudeltaan muunneltavassa levyssä olevat vastakkaiset elektrodirakenteet ja/tai mainittuja rakenteita tukevat alustamateriaalit on toteutettu valoa heijastavina rakenteina. Tämän ansiosta laitteeseen tuleva valo kulkee viskoelastisen kerroksen läpi useammin kuin kerran, jolloin voidaan muodostaa sähköisesti ohjattava Fabry-Perot-interferometri.

Keksinnön erään suoritusmuodon mukaan paksuudeltaan muunneltava levye sijoitetaan Mach-Zehnder-interferometrin toisen optisen haaran optiselle reitille. Näin ollen on mahdollista muodostaa sähköisesti ohjattava Mach-Zehnder-interferometrin kaltainen optinen kytkentälaite. Sopivimmin, ja päinvastoin kuin edellämainitussa Fabry-Perot-kytkimen tapauksessa, paksuudeltaan muunneltavan levyn kaikki kiinteät optiset pinnat varustetaan heijastuksenestopinnoitteilla.

Sähköisesti ohjattavaa paksuudeltaan muunneltavaa levyä ja sitä hyödyntäviä eri sovelluksia voidaan käyttää monentyyppisiin optisiin kyt-kentätarkoituksiin. Keksinnön mukaisia laitteita voidaan käyttää esimerkiksi tietyn aallonpituuden λ omaavan valonsädekimpun kytkemiseksi päälle tai pois, tai niitä voidaan käyttää voimakkuudeltaan vaih-televina suodattimina lähetetyn sädekimpun intensiteetin säätämiseksi. Mach-Zehnder-interferometrikytkimen ansiosta optinen signaali voidaan kytkeä useiden kohteiden välille ja/tai mainittuihin kohteisiin voidaan muodostaa mikä tahansa haluttu optisten signaalien suhde.

Keksinnön mukaisilla laitteilla saadaan merkittävästi edullisemmin kuin tunnetun tekniikan mukaisilla laitteilla aikaan paljon laajempia mahdollisuuksia valmistaa sähköisesti ohjattavia optisia kytkentälaitteita. Tällaisten laitteiden valmistus tuntuisi myös olevan tunnettuun tekniikkaan verrattuna suhteellisen helppoa ja hinnaltaan edullista, sillä siinä voidaan käyttää esimerkiksi laajempaa valikoimaa alustamateriaaleja ja yksinkertaisempia valmistusprosesseja. Keksinnön mukaisten laitteiden valmistukseen ei liity esimerkiksi ympäristölle haitallisten nestekide-materiaalien käyttöä, eikä siinä vaadita syväsyövytystä. Lisäksi keksin- 8 nön mukaiset optiset kytkentälaitteet ovat riippumattomia polarisaatiosta.

Keksinnön edulliset suoritusmuodot ja niiden edut käyvät alan asiantuntijalle paremmin selville jäljempänä seuraavasta selityksestä ja esimerkeistä sekä oheisista patenttivaatimuksista.

Seuraavassa keksintöä selostetaan tarkemmin viitaten samalla oheisiin piirustuksiin, joissa kuvat 1a, 1b esittävät tekniikan tason mukaisia valomodulaattoriraken-teita, joissa käytetään sähköisesti ohjattavaa läpinäkyvää viskoelastista kerrosta sinimuotoisesti vaihtelevien hilojen muodostamiseen, kuva 2 esittää dielektrisen nesteen käyttäytymistä sähkökentässä kenttäkondensaattorin elektrodilevyjen välissä, kuva 3 esittää kaaviona keksinnön mukaista yleiskäyttöistä paksuudeltaan muunneltavaa levyä, kuva 4 esittää kaaviona keksinnön mukaista Fabry-Perot-interfero-metriä, ja kuva 5 esittää kaaviona keksinnön mukaista Mach-Zehnder-inter-ferometrin tyyppistä kytkintä.

On huomattava, että oheiset piirustukset on laadittu pelkästään havainnollistamistarkoituksessa eikä niissä esimerkiksi esitetä laitteiden eri komponentteja niiden oikeassa suhteellisessa mittakaavassa ja/tai muodossa. Selvyyden vuoksi piirustuksista on myös jätetty pois ne komponentit ja yksityiskohdat, jotka eivät ole oleellisia keksinnön ajatuksen selittämiseksi.

Kuvassa 2 on esitetty se fysiikan yleisperiaate, joka voidaan havaita di-elektrisissä aineissa. Dielektrinen (eristävä) aine voidaan määritellä aineeksi, jossa sähkökenttää voidaan ylläpitää nollassa tai lähes nol- 9 lassa olevalla tehonkulutuksella, eli sähkönjohtokyky on nolla tai lähes nolla. Tiedetään, että sähkökentässä eri dielektrisyysvakion omaavien kahden eristeen pintaan kohdistuu voima, joka on verrannollinen sähkökentän voimakkuuden neliöön. Kuvassa 2, jossa kenttäkondensaat-torin elektrodilevyjen 20 ja 21 väliin muodostetaan sähkökenttä johtamalla mainittuihin elektrodeihin sopivat jännitteet \A ja V2, elektrodi-levyjen väliin pusertuu dielektristä nestettä 22 edellä mainitun voiman vaikutuksesta.

Kuvassa 3 on esitetty kaaviomaisesti keksinnön mukaista yleiskäyttöistä paksuudeltaan muunneltavaa levyä 30. Kerros dielektristä ja viskoelastista läpinäkyvää materiaalia G muodostetaan ensimmäisen läpinäkyvän elektrodirakenteen ES1 päälle, joka puolestaan on muodostettu ensimmäisen läpinäkyvän alustamateriaalin SM1 päälle. Mainittu ensimmäinen elektrodirakenne ES1 koostuu yksittäisestä elektro-divyöhykkeestä, jonka vaikuttava kokonaispinta-ala on Ai ja joka peittää oleellisesti ensimmäisen alustamateriaalin SM1 koko pinta-alan (~ Ai). Toisen läpinäkyvän alustamateriaalin SM2 päälle muodostetaan toinen läpinäkyvä elektrodirakenne ES2, jonka vaikuttava kokonaispinta-ala on A2. Mainittu toinen elektrodirakenne ES2 on sijoitettu etäisyyden päähän viskoelastisesta kerroksesta G siten, että viskoelasti-nen kerros G on ensimmäisen ES1 ja toisen ES2 elektrodirakenteen välissä. Myös toinen elektrodirakenne ES2 muodostuu yhdestä elek-trodivyöhykkeestä, mutta se ei peitä toisen alustamateriaalin SM2 (ja viskoelastisen materiaalin G) koko pinta-alaa, vaan toinen elektrodi-rakenne/-vyöhyke ES2 on järjestetty peittämään vain osan mainitusta pinta-alasta. Tämän ansiosta on mahdollista muuttaa toisen elektrodi-rakenteen/-vyöhykkeen ES2 alla olevan viskoelastisen kerroksen G paksuutta ensimmäisen ja toisen elektrodirakenteen välille johdetun jännitteen funktiona siten, että viskoelastinen kerros G säilyttää oleellisesti tasaisen pintansa ja näin ollen tasaisen paksuuden toisen elek-trodirakenteen/-vyöhykkeen ES2 alla. Jotta viskoelastinen kerros G voisi muuttaa muotoaan koskettamatta vastakkaista elektrodiraken-netta ES2, viskoelastisen kerroksen G pinnan ja mainitun elektrodi-rakenteen ES2 väliin on jätetty rako A.

10

Koska viskoelastisella materiaalilla G on eri taitekerroin kuin edellä mainitun raon A muodostavalla väliaineella, valo, joka kulkee paksuudeltaan muunneltavan levyn 30 läpi alalla (= A2), joka on toisen elek-trodirakenteen ES2 projektio ensimmäiselle elektrodirakenteelle ES1, kulkee eripituista optista reittiä riippuen viskoelastisen kerroksen G paksuudesta.

Sopiva läpinäkyvä viskoelastinen materiaali G voi olla esimerkiksi sili-konigeeliä, öljyä, erilaisia polymeerimateriaaleja tai muita viskooseja aineita, joilla on taipumus muuttaa muotoaan joutuessaan sähkökenttään ja jotka palautuvat alkuperäiseen muotoonsa, kun edellä mainittu vaikutus lakkaa.

Viskoelastisen kerroksen G ja ainakin yhden vastakkaisen elektrodi-rakenteen ES1, ES2 välinen rako A voi olla esimerkiksi ilmaa, kaasua tai tyhjiö.

Jotta viskoelastisen materiaalin G tiheys ei merkittävästi muutu, kun ensimmäisen ES1 ja toisen ES2 elektrodirakenteen välisen materiaalin kerroksen paksuus muuttuu, pienemmän elektrodirakenteen (ES2, jonka vaikuttava kokonaispinta-ala on A2) projektio suuremmalle elektrodirakenteelle (ES1, jonka vaikuttava kokonaispinta-ala on An) on järjestetty pienemmäksi kuin viskoelastisen kerroksen G vapaan pinnan ala. Toisin sanoen mainittujen elektrodien välisessä sähkökentässä viskoelastinen kerros G ohenee mainitun projektioalan ulkopuolella, kun viskoelastisen materiaalin määrä tällä alueella vähenee, ja vastaavasti viskoelastinen kerros G paksunee mainitulla projektioalueella (~ A2), kun viskoelastisen materiaalin määrä kasvaa.

Läpinäkyvä elektrodirakenne ES1 ja/tai ES2 on sopivimmin indiumtina-oksidia (ITO), kuten alalla on tunnettua, ja mainittuja elektrodirakenteita tukevat läpinäkyvät alustat SM1, SM2 ovat sopivimmin lasia. Nyt esillä olevan keksinnön puitteissa voidaan myös käyttää muita menetelmiä oleellisesti läpinäkyvien elektrodirakenteiden muodostamiseksi mille tahansa oleellisesti läpinäkyvälle alustamateriaalille.

11

On myös mahdollista, että viskoelastisen kerroksen G jommallakummalla puolella olevat alustakerrokset SM1, SM2 ja/tai elektrodi-rakenteet ES1, ES2 eivät ole kokonaan läpinäkyviä, vaan ne on järjestetty suodattamaan lähetettyä valoa spektrisesti.

On selvää, että paksuudeltaan muunneltavalle levylle 30 tuleva valo B voi tulla laitteeseen kummaltakin puolelta, esimerkiksi ensimmäisen alustamateriaalin SM1 tai toisen alustamateriaalin SM2 kautta.

Seuraavassa selostetaan joitakin erityisiä esimerkkejä erityyppisistä interferometrisistä optisista kytkentälaitteista, joissa käytetään keksinnön mukaista paksuudeltaan muunneltavaa levyä 30. On huomattava, että ei pidä tulkita näiden esimerkkien rajoittavan keksintöä. Keksinnön mukaan ja oheisten patenttivaatimusten puitteissa voidaan myös toteuttaa erilaisia muita optisia rakenteita soveltamalla alan asiantuntijan normaalia suunnittelukykyä.

Fabrv-Perot-interferometri

Fabry-Perot-interferometri (FPI) on alalla hyvin tunnettu laite. Periaatteessa ja yksinkertaisimmassa muodossaan laite koostuu kahdesta tasomaisesta, samansuuntaisesta, voimakkaasti heijastavasta pinnasta, jotka ovat etäisyyden d päässä toisistaan siten, että näiden hei-jastuspintojen (peilien) väliin muodostuu kaviteetti. Kun FPI-kaviteettia valaistaan normaalitulokulmassa kumman tahansa mainitun pinnan (päätypeilin) kautta valolla, jonka aallonpituus on λ, Fabry-Perot-interferometri päästää valon läpi vain, jos suoraan lähetetyn sädekimpun (jonka tehollinen reitin pituus on d) ja edestakaisin em. heijastuspinto-jen välillä heijastetun sädekimpun (jonka tehollinen reitin pituus on 2d, 4d, 6d ... ) välinen optinen matkaero (optical path difference, OPD) = η?λ, jossa m on kokonaisluku. Toisin sanoen jotta valo voisi kulkea Fabry-Perot-interferometrin läpi, mainitun suoraan lähetetyn säde-kimpun ja mainitun heijastuneen sädekimpun on interferoitava keskenään konstruktiivisesti. Optisen matkaeron virittäminen hieman sivuun johtaa FPI-kaviteetin läpi lähetetyn valon vaimenemiseen kertoimella, joka määräytyy FPI-kaviteetin ns. finessin mukaan. Edellä mainittu 12 ilmiö on alalla hyvin tunnettu, ja sitä käytetään hyväksi erityyppisissä spektroskooppisissa sovelluksissa.

Käyttämällä keksinnön mukaista ja kuvassa 3 esitettyä paksuudeltaan muunneltavaa levyä 30 voidaan toteuttaa FPI-kaviteetti, jolla voidaan säätää kaviteetin OPD-arvoa yksinkertaisesti vaihtelemalla ensimmäisen ES1 ja toisen ES2 elektrodirakenteen kautta kulkevaa jännitettä ja muuttamalla näin viskoelastisen kerroksen G paksuutta. Yksi esimerkki tämän periaatteen mukaisesta Fabry-Perot-kaviteetista 40 on esitetty kaaviomaisesti kuvassa 4.

Heijastuspintojen muodostamiseksi FPI-kaviteettia varten järjestetään, että ensimmäinen SM1 ja toinen SM2 alustamateriaali ja/tai ensimmäinen ES1 ja toinen ES2 elektrodirakenne ovat heijastavia. Yksi mahdollisuus on päällystää ensimmäisen SM1 ja toisen SM2 alustamateriaalin pinnat vastaavilla voimakkaasti heijastavilla optisilla päällysteillä RC1 ja RC2. Menetelmät tällaisten päällysteiden muodostamiseksi läpinäkyviin materiaaleihin ovat alalla hyvin tunnettuja.

FPI-kaviteetti voidaan myös muodostaa sijoittamalla paksuudeltaan muunneltava levyrakenne 30 kahden ulkoisen peilin väliin.

Edellä mainitulla tavalla toteutettua Fabry-Perot-kaviteettia 40 voidaan käyttää tietyn aallonpituuden λ omaavan valonsädekimpun kytkemiseksi päälle tai pois (optinen matkaero on viritetty merkittävästi sivuun), tai sitä voidaan käyttää voimakkuudeltaan vaihtelevana suodattimena lähetetyn valonsädekimpun intensiteetin säätämiseksi (optinen matka-ero on viritetty vain jonkin verran sivuun). Fabry-Perot-kaviteettia 40 voidaan lisäksi käyttää aallonpituuden suodattamiseen, jos sitä valaistaan valolla B, joka sisältää eri aallonpituuksia, esimerkiksi tiettyjä laserilla muodostettuja aallonpituuskaistoja, tai jopa jatkuvamman spektrin. Tässä tapauksessa Fabry-Perot-kaviteetin 40 kautta voidaan lähettää ainoastaan niitä aallonpituuksia, jotka täyttävät edellä mainitun OPD-ehdon.

13

Mach-Zehnder-interferometrin tyyppinen kytkin

Keksinnön mukaista ja kuvassa 3 esitettyä paksuudeltaan muunneltavaa levyä 30 voidaan käyttää hyväksi myös muuntyyppisissä interfero-metrilaitteissa kuin edellä mainitussa Fabry-Perot-kaviteetissa 40.

Kuvassa 5 on esitetty optinen kytkin 50, joka perustuu Mach-Zehnder-interferometriin (MZI). Ensimmäisen säteenjakoelimen 53 avulla jaetaan MZI-laitteeseen tuleva valonsädekimppu B erillisiksi ensimmäiseksi 51 ja toiseksi 52 sädekimpuksi, jotka suunnataan MZI-laitteen vastaaviin erillisiin optisiin haaroihin. Peilit 54 ja 55 on järjestetty suuntaamaan vastaavat ensimmäinen 51 ja toinen 52 sädekimppu toiseen säteenjakoelimeen 56. Toisessa säteenjakoelimessä 56 ensimmäinen sädekimppu 51 jakautuu edelleen kahdeksi sädekimpuksi, joista toinen suuntautuu kohteeseen 57 ja toinen kohteeseen 58. Vastaavasti toinen sädekimppu 52 jakautuu toisessa säteenjakoelimessä 56 kahdeksi sädekimpuksi, joista toinen suuntautuu kohteeseen 57 ja toinen kohteeseen 58.

Riippuen Mach-Zehnder-interferometrin eri haarojen kautta kulkeneiden ensimmäisen 51 ja toisen 52 sädekimpun välisestä optisesta mat-kaerosta, sekä tapauksissa, joissa mainittu optinen matkaero = mA/2 (m on kokonaisluku), mainittujen sädekimppujen välillä voi esiintyä konstruktiivista interferenssiä kohteessa 57 (valo kulkee) ja destruktiivista interferenssiä kohteessa 58 (valoa ei kulje) tai päinvastoin. Siinä tapauksessa, että optinen matkaero poikkeaa arvosta mÄ/2, havaitaan jokin valon väli-intensiteetti kummassakin kohteessa 57 ja 58.

Tekniikan tason mukaisissa Mach-Zehnder-interferometrilaitteissa muunneltava vaiheviive, eli muutos ensimmäisen 51 ja toisen 52 säde-kimpun välisessä optisessa matkaerossa, on tyypillisesti toteutettu siirtämällä toista interferometrilaitteiston kahteen optiseen haaraan kuuluvista peileistä 54, 55.

Keksinnön mukaisessa Mach-Zehnder-kytkimessä 50 muutos optisessa matkaerossa toteutetaan viemällä paksuudeltaan muunneltava levy 30 (kuva 3) Mach-Zehnder-interferometrilaitteen toiseen haaraan.

14

Kuvassa 5 on esitetty paksuudeltaan muunneltava levy 30 vietynä ensimmäisen säteenjakoelimen 53 jälkeiseen ensimmäiseen säde-kimppuun 51. Vaihtoehtoisesti paksuudeltaan muunneltava levy 30 voitaisiin viedä mihin tahansa kohtaan ensimmäisen 53 ja toisen 56 säteenjakoelimen välisessä ensimmäisessä 51 tai toisessa 52 säde-kimpussa. Sopivimmin, ja päinvastoin kuin edellämainitussa Fabry-Perot-kaviteetin 40 tapauksessa, paksuudeltaan muunneltavan levyn 40 kaikki kiinteät optiset pinnat on varustettu heijastuksenesto-pinnoitteilla.

Keksinnön mukaisen Mach-Zehnder-kytkimen 50 ansiosta voidaan signaalia kytkeä kohteiden 57 ja 58 välillä ja/tai muodostaa mainittuihin kohteisiin mikä tahansa haluttu signaalien suhde. Tämä saadaan aikaan yksinkertaisesti johtamalla sopiva jännite paksuudeltaan muunneltavan levyn 30 (kuva 3) ensimmäiseen ES1 ja toiseen ES2 elektrodirakenteeseen. Alan asiantuntijalle on myös selvää, että samoin kuin edellä mainittua Fabry-Perot-kytkintä 40 voidaan myös Mach-Zehnder-kytkintä 50 käyttää aallonpituuden suodatustarkoituk-siin. Kohteet 57 ja 58 voivat olla esimerkiksi ilmaisimia tai optisten johtimien tai muiden optisten järjestelmien tuloaukkoja.

Vaikka keksintöä on esitetty ja kuvattu edellä viittaamalla valittuihin optisiin kytkinlaitetyyppeihin, on huomattava, että nämä laitteet ovat vain esimerkkejä ja että alan asiantuntija voisi nyt esillä olevan keksinnön hengessä ja puitteissa rakentaa muitakin optisia kytkentälaitteita käyttäen muuta tekniikkaa kuin tässä on erityisesti esitetty. Näin ollen on huomattava, että alan asiantuntijalle on mahdollista tehdä esitettyjen kytkentälaitteiden muodossa ja yksityiskohdissa samoin kuin niiden toiminnassa erilaisia poistoja, korvauksia ja muutoksia poikkeamatta keksinnön ajatuksesta. On nimenomaan tarkoitettu, että keksinnön piiriin kuuluvat esimerkiksi kaikki sellaisten osien yhdistelmät, jotka suorittavat oleellisesti samaa tehtävää oleellisesti samalla tavalla samojen tulosten aikaansaamiseksi. Lisäksi on huomattava, että rakenteita ja/tai osia, jotka on esitetty ja/tai kuvattu keksinnön minkä tahansa esitetyn suoritusmuodon yhteydessä, voidaan normaalin konstruoinnin puitteissa yleisesti liittää mihin tahansa muuhun esitettyyn tai kuvattuun suo- ritusmuotoon. Tarkoituksena on tällöin rajoittaa keksintöä ainoastaan siten, kuin oheisten patenttivaatimusten puitteissa on esitetty.

15

Esimerkiksi keksinnön suoritusmuotoja voidaan laajentaa kattamaan laitteita, joissa jompikumpi tai molemmat ensimmäinen ES1 ja/tai toinen ES2 elektrodirakenne sisältävät enemmän kuin yhden elektrodi-vyöhykkeen muotoaan muuttavan viskoelastisen kerroksen G tasaisen paksuuden takaamiseksi myös ensimmäisen ES1 ja toisen ES2 elektrodin välisen projektioalueen laidoilla. Mainituilla laidoilla viskoelastisen kerroksen G paksuus pyrkii sähkökentän epätasaisesta voimakkuudesta johtuen olemaan erilainen kuin projektioalueen keskellä, jos käytetään sellaista ensimmäistä ES1 ja toista ES2 elektrodirakennetta, joissa on vain yksi elektrodivyöhyke.

Jos elektrodirakenne (ES1 ja/tai ES2) koostuu useammasta kuin yhdestä elektrodivyöhykkeestä, edellä ja oheisissa patenttivaatimuksissa käytetty ilmaisu "vaikuttava kokonaispinta-ala" viittaa ennemminkin elektrodirakenteen ulkomittojen rajaamaan alueeseen kuin pelkästään yksittäisten elektrodivyöhykkeiden yhtenäiseen alueeseen.

Alan asiantuntijalle on myös selvää, että keksinnön mukaisten optisten laitteiden toiminta tietyissä sovelluksissa perustuu optiseen interferenssiin ja näin ollen edellyttää käsiteltävän optisen signaalin/sädekimpun tietyntasoista koherenssia ja/tai kollimointia.

Claims (16)

1. Valoa läpäisevä optinen kytkentälaite, jota käytetään mainitun laitteen läpi kulkevan tulevan valoaallon tai valoaaltojen (B) käsittelemiseksi, joka laite käsittää ainakin — ensimmäisen läpinäkyvän elektrodirakenteen (ES1), joka koostuu yhdestä tai useammasta elektrodivyöhykkeestä, joiden vaikuttava kokonaispinta-ala on A·, ja jotka on järjestetty siten, että mainitut elektrodivyöhykkeet voivat vastaanottaa jännitteen tai jännitteitä, — toisen läpinäkyvän elektrodirakenteen (ES2), joka koostuu yhdestä tai useammasta elektrodivyöhykkeestä, joiden vaikuttava kokonaispinta-ala on A2 ja jotka on järjestetty siten, että mainitut elektrodivyöhykkeet voivat vastaanottaa jännitteen tai jännitteitä, ja — mainittujen ensimmäisen (ES1) ja toisen (ES2) elektrodirakenteen väliin sijoitetun dielektrisen ja läpinäkyvän viskoelastisen materiaalin (G) kerroksen, joka voi muuttaa muotoaan paikallisen paksuuden suhteen vasteena mainittujen ensimmäisen (ES1) ja toisen (ES2) elektrodirakenteen muodostamaan sähkökent-tään/-kenttiin, kun mainittu sähkökenttä/-kentät kulkee/kulkevat mainitun viskoelastisen materiaalin (G) läpi, tunnettu siitä, että mainitut ensimmäinen (ES1) ja toinen (ES2) elekt-rodirakenne on järjestetty siten, että — mainitun ensimmäisen elektrodirakenteen (ES1) vaikuttava kokonaispinta-ala A^ on oleellisesti suurempi kuin mainitun toisen elektrodirakenteen (ES2) vaikuttava kokonaispinta-ala A2, ja — alalla, joka vastaa oleellisesti mainitun alan A2 projektiota mainitulle alalle A1( viskoelastisen materiaalin (G) kerroksen paksuutta voidaan muuttaa sähköisesti siten, että mainitun kerroksen paksuus mainitun projektioalan eri osissa pysyy oleellisesti yhtä-suurena, sähköisesti ohjatun paksuudeltaan muunneltavan levyn (30) toteuttamiseksi, jolloin mainittu paksuudeltaan muunneltava levy (30) soveltuu välitetyn valon (B) optisen reitin pituuden muuttamiseen interferometriaan perustuvan optisen kytkennän suorittamiseksi.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen laite, tunnettu siitä, että mainitut ensimmäinen (ES1) ja toinen (ES2) elektrodirakenne koostuvat kumpi- kin yksittäisestä suorakaiteen muotoisesta elektrodivyöhykkeestä, ja mainitut elektrodivyöhykkeet on järjestetty siten, että niiden tasot ovat keskenään samansuuntaiset.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen laite, tunnettu siitä, että mainittua ensimmäistä elektrodirakennetta (ES1) tukeva alustamateri-aali (SM1) ja/tai mainittua toista elektrodirakennetta (ES2) tukeva alustamateriaali (SM2) on järjestetty saamaan aikaan valoaallon (B) spektrinen suodatus.

4. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen 1-3 mukainen laite, tunnettu siitä, että mainittu ensimmäinen (ES1) ja/tai toinen (ES2) elektrodi-rakenne on indiumtinaoksidi (ITO) -rakenne.

5. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen 1-4 mukainen laite, tunnettu siitä, että mainitun laitteen (30) kaikki kiinteät optiset pinnat (ES1, ES2, SM1, SM2) on varustettu heijastuksenestopinnoitteilla.

6. Jonkin patenttivaatimuksista 1-4 mukainen laite, tunnettu siitä, että mainittu laite (30) on sijoitettu kahden ulkoisen voimakkaasti heijastavan peilin väliin interferometrisen optisen kaviteetin muodostamiseksi.

7. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen 1-4 mukainen laite, tunnettu siitä, että mainittuja ensimmäistä (ES1) ja toista (ES2) elektrodirakennetta tukevat alustamateriaalit (SM1, SM2) ja/tai mainitut ensimmäinen (ES1) ja toinen (ES2) elektrodirakenne on järjestetty valoa heijastaviksi (RC1, RC2) interferometrisen optisen kaviteetin muodostamiseksi ja sähköisesti ohjattavan Fabry-Perot-interferometrin toteuttamiseksi.

8. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen 1-5 mukainen laite, tunnettu siitä, että mainittu laite (30) on sijoitettu Mach-Zehnder-interferometrin ainakin yhden optisen haaran (51, 52) optiselle reitille sähköisesti ohjattavan Mach-Zehnder-interferometrin tyyppisen kytkimen (50) toteuttamiseksi.

9. Menetelmä valoa läpäisevän optisen kytkentälaitteen muodostamiseksi, jota käytetään mainitun laitteen läpi kulkevan tulevan valoaallon tai valoaaltojen (B) käsittelemiseksi, joka menetelmä käsittää ainakin seuraavat vaiheet: — muodostetaan ensimmäinen läpinäkyvä elektrodirakenne (ES1), joka koostuu yhdestä tai useammasta elektrodivyöhykkeestä, joiden vaikuttava kokonaispinta-ala on A^ ja jotka on järjestetty siten, että mainitut elektrodivyöhykkeet voivat vastaanottaa jännitteen tai jännitteitä, — muodostetaan toinen läpinäkyvä elektrodirakenne (ES2), joka koostuu yhdestä tai useammasta elektrodivyöhykkeestä, joiden vaikuttava kokonaispinta-ala on A2 ja jotka on järjestetty siten, että mainitut elektrodivyöhykkeet voivat vastaanottaa jännitteen tai jännitteitä, ja — muodostetaan mainittujen ensimmäisen (ES1) ja toisen (ES2) elektrodirakenteen väliin dielektrisen ja läpinäkyvän viskoelastisen materiaalin (G) kerros, joka voi muuttaa muotoaan paikallisen paksuuden suhteen vasteena mainittujen ensimmäisen (ES1) ja toisen (ES2) elektrodirakenteen muodostamaan sähkökent-tään/-kenttiin, kun mainittu sähkökenttä/-kentät kulkee/kulkevat mainitun viskoelastisen materiaalin (G) läpi, tunnettu siitä, että mainitut ensimmäinen (ES1) ja toinen (ES2) elektrodirakenne järjestetään siten, että — mainitun ensimmäisen elektrodirakenteen (ES1) vaikuttava kokonaispinta-ala A^ on oleellisesti suurempi kuin mainitun toisen elektrodirakenteen (ES2) vaikuttava kokonaispinta-ala A2, ja — alalla, joka vastaa oleellisesti mainitun alan A2 projektiota mainitulle alalle A1; viskoelastisen materiaalin (G) kerroksen paksuutta voidaan muuttaa sähköisesti siten, että mainitun kerroksen paksuus mainitun projektioalan eri osissa pysyy oleellisesti yhtä-suurena, sähköisesti ohjatun paksuudeltaan muunneltavan (30) toteuttamiseksi, jolloin mainittu paksuudeltaan muunneltava levy (30) soveltuu välitetyn valon (B) optisen reitin pituuden muuttamiseen interferometriaan perustuvan optisen kytkennän suorittamiseksi.

10. Patenttivaatimuksen 9 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainitut ensimmäinen (ES1) ja toinen (ES2) elektrodirakenne koostuvat kumpikin yksittäisestä suorakaiteen muotoisesta elektrodi-vyöhykkeestä, ja mainitut elektrodivyöhykkeet järjestetään siten, että niiden tasot ovat keskenään samansuuntaiset.

11. Patenttivaatimuksen 9 tai 10 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainittua ensimmäistä elektrodirakennetta (ES1) tukeva alusta-materiaali (SM1) ja/tai mainittua toista elektrodirakennetta (ES2) tukeva alustamateriaali (SM2) järjestetään saamaan aikaan valoaallon (B) spektrinen suodatus.

12. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen 9-11 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainittu ensimmäinen (ES1) ja/tai toinen (ES2) elektrodirakenne muodostetaan indiumtinaoksidi (ITO) -rakenteena.

13. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen 9-12 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainitun laitteen (30) kaikki kiinteät optiset pinnat (ES1, ES2, SM1, SM2) varustetaan heijatuksenestopinnoitteilla.

14. Jonkin patenttivaatimuksista 9-12 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainittu laite (30) sijoitetaan kahden ulkoisen voimakkaasti heijastavan peilin väliin interferometrisen optisen kaviteetin muodostamiseksi.

15. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen 9-12 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainittuja ensimmäistä (ES1) ja toista (ES2) elektrodirakennetta tukevat alustamateriaalit (SM1, SM2) ja/tai mainitut ensimmäinen (ES1) ja toinen (ES2) elektrodirakenne järjestetään valoa heijastaviksi (RC1, RC2) interferometrisen optisen kaviteetin muodostamiseksi ja sähköisesti ohjattavan Fabry-Perot-interferometrin toteuttamiseksi.

16. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen 9 tai 13 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainittu laite (30) sijoitetaan Mach-Zehnder-interferometrin ainakin yhden optisen haaran (51, 52) optiselle reitille sähköisesti ohjattavan Mach-Zehnder-interferometrin tyyppisen kytkimen (50) toteuttamiseksi.