專利名稱：：控制以光束形式傳送的信號的偏振的裝置和相應(yīng)的應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明的范圍是利用光纖的信號傳輸。更精確對說，本發(fā)明涉及用于控制光纖傳送光束形式的信號偏振的裝置。理想的偏振控制器是雙折射板，它可以控制其軸的方向和相位偏移，而且還有循環(huán)控制。這種偏振控制器可用于補(bǔ)償偏振模色散的系統(tǒng)，但并不受此限制。
背景技術(shù)：
：應(yīng)當(dāng)記住，增大光纖中的流速意味著，至今需要考慮的現(xiàn)象過去被認(rèn)為是可以忽略的現(xiàn)象。這是偏振模色散(PMD)的情況，特別是在以前生產(chǎn)的光纖中。我們指出，偏振模色散是光脈沖在傳輸期間變成兩個偏振狀態(tài)。眾所周知，為了補(bǔ)償這種色散，在光傳輸光纖與光電檢測器之間串聯(lián)一個補(bǔ)償系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括偏振控制器，保偏光纖和用于測量保偏光纖偏振度的設(shè)備。換句話說，如圖1所示，光傳輸光纖1連接到偏振控制器輸入端2，而偏振控制器輸出端連接到保偏光纖3的一端，保偏光纖3的另一端連接到光電檢測器4。這種補(bǔ)償系統(tǒng)的工作如以下所示利用合適的測量裝置5，測量保偏光纖的偏振度，為了使偏振度定量化，和改變偏振控制器以便使色散最小。若我們認(rèn)為偏振模色散現(xiàn)象是從10％的位時間開始出現(xiàn)，則10ps色散是10Gbit/s流速的可接受極限。偏振模色散補(bǔ)償對偏振控制器施加的嚴(yán)格約束是快速控制(約10μm)，動態(tài)和循環(huán)式。滿足這些約束的第一個已知的偏振控制器技術(shù)是鈮酸鋰(LiNbO3)技術(shù)。在標(biāo)題為“Endlesspolarizationcontrolusingintegratedopticlithiumniobatedevice”的文件中給予詳細(xì)描述，作者是N.Walker和G.Walker，Electron.LettersVol.24，pp.266-268，1988，JLT，Vol.8，pp.438-458，1988。它涉及集成光學(xué)元件，其中波導(dǎo)上不同位置處的電極允許TE/TM模式變換與相位偏移交替進(jìn)行。三個獨(dú)立電勢可以形成動態(tài)循環(huán)控制器。這種第一個技術(shù)有幾個缺點(diǎn)，具體地說高命令電壓(超過100V)，剩余雙折射，插入損耗(通常為3-4dB)和高制造成本。第二個已知的偏振控制器技術(shù)是另一個最重要的方案，它包括具有可變軸相移片(兩個1/4波片和一個1/2波片)的經(jīng)典組合。具體地說，我們可以參照Z.Zhuangetal.的文章，其標(biāo)題為“Polarizationcontrollerusingnematicliquidcrystal”，OpticsLetters，Vol.24，pp694-696，1999。理論上，具有可變軸和相位偏移的單個相移片是足夠的。在這個方法中，液晶(向列型或近晶型)解決方案是最經(jīng)常使用的，因為它們在短距離上有強(qiáng)的電光效應(yīng)，并允許導(dǎo)向矢量作循環(huán)式旋轉(zhuǎn)。具體地說，我們可以參照T.Chibaetal.的文章，其標(biāo)題為“Polarizationstabilizerusingliquidcrystalrotatablewaveplates”，JLTVol.17，pp885-890，1999。遺憾的是，向列型液晶解決方案運(yùn)行太慢(約10ms)。所以，人們建議采用近晶型液晶解決方案。具體地說，我們可以參照L.Dupontetal.的文章，其標(biāo)題為“Principleofpolarizationmodedispersioncontrollerusinghomeotropicelectroclinicliquidcrystalconfinedsinglemodefibredevice”，Opticscommunications，Vol.176，pp113-119，2000和RNRTCopoldyn。我們還可以參照MarconiGECLtd.的美國專利noUS5,313,562，其標(biāo)題為“Opticaldevicewithelectrodesendtoendwithelectricfieldcausinghomeotropicalignmentofliquidcrystalisspacebetweenends”。Dupont的這個文章和MarconiGECLtd.的美國專利noUS5,313,562的文章插入在此處供參考。然而，這些近晶型液晶解決方案通常有很高的對準(zhǔn)質(zhì)量約束(需要利用對準(zhǔn)層)和低的調(diào)制角。
發(fā)明內(nèi)容具體地說，本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中的這些缺點(diǎn)。更精確地說，本發(fā)明的一個目的是提供一種偏振控制器，它允許快速控制(幾十微秒)，即，具有非常短的開關(guān)時間(也稱之為重配置時間)，它可以與光纖上新的高流速相容。本發(fā)明的目的還提供一種允許動態(tài)循環(huán)式控制的偏振控制器。本發(fā)明的另一個目的是提供一種具有低制造成本的偏振控制器，特別是與利用上述已知技術(shù)制造的偏振控制器進(jìn)行比較。本發(fā)明的另一個目的是提供一種不需要對準(zhǔn)層的偏振控制器。這些目的以及隨后可以明白的其他目的是本發(fā)明利用光束形式傳送的偏振控制裝置實現(xiàn)的，所述裝置包括-兩個基本互相平行基板構(gòu)成的單元，在兩個基板之間有分散液晶微滴的聚合物內(nèi)含物；-大致垂直于光束擴(kuò)展方向的電場第一施加裝置，它在至少部分的單元內(nèi)含物上。因此，取決于是否施加第一電場，至少部分的單元內(nèi)含物形成雙折射或各向同性介質(zhì)。有利的是，液晶的微滴尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于光束的波長，最好是，它小于光束波長的1/10。所以，本發(fā)明的普遍原理是利用聚合物基體中分散的小直徑液晶微滴構(gòu)成非均勻體系液晶代替偏振控制器。這種非均勻體系稱之為“納米PDLC”(聚合物分散液晶)。在經(jīng)典PDLC非均勻體系中，微滴的尺寸與入射光波長相當(dāng)，和存在擴(kuò)散現(xiàn)象。這種擴(kuò)散現(xiàn)象在本發(fā)明的納米PDLC非均勻體系中并不存在，因為液晶微滴的尺寸小于光的波長。具體地說，納米PDLC的優(yōu)點(diǎn)是使用方便，沒有液晶的定向?qū)?，結(jié)構(gòu)的時間穩(wěn)定性和快速響應(yīng)時間。在不施加電場時，微滴中存在導(dǎo)向矢量的統(tǒng)計分布。通過介質(zhì)擴(kuò)展的光波有平均折射率，它是液晶折射率與聚合物折射率的平均值。事實上，微滴內(nèi)部導(dǎo)向矢量的取向是由界面處聚合物與液晶之間相互作用所確定。在沒有電場的情況下，這些取向通常是隨機(jī)分布的。施加垂直于光束擴(kuò)展方向的電場使液晶微滴重新定向，它造成折射率的整體調(diào)制(統(tǒng)計特性的部分消失)。換句話說，光束看到雙折射材料。可以注意到，若所加電場與光束擴(kuò)展方向共線，則存在折射率的調(diào)制。本發(fā)明還基于所施加電場是完全新穎性的和創(chuàng)造性的配置。所施加電場(大致)垂直于光束擴(kuò)展方向，因此，光束看到雙折射材料。與此相反，應(yīng)當(dāng)記住，在利用PDLC單元的經(jīng)典配置中，電場與光束擴(kuò)展方向共線。它造成微滴中液晶導(dǎo)向矢量的重新定向。微滴中液晶導(dǎo)向矢量在統(tǒng)計上傾向于沿所施加電場排列，每個微滴中的方向是沿圓錐體擴(kuò)展，圓錐體的對稱軸是所施加電場的方向。于是，光波看到保持各向同性的介質(zhì)，與所施加電場無關(guān)。僅僅材料的折射率發(fā)生變化。研究表明，材料折射率隨所施加高UV輻射強(qiáng)度電場的變化遵從以下的定律δn＝αE2，其中α＝5×10-5μm2/V2。與向列型液晶解決方案比較，本發(fā)明偏振控制器的運(yùn)行是非?？焖俚摹４送?，與近晶型液晶解決方案比較(見上述Dupont的文章和美國專利noUS5,313,562)，它具有較高的質(zhì)量和光學(xué)均勻性(在較大厚度下沒有對準(zhǔn)問題，沒有對準(zhǔn)層)。此外，與此相反，它沒有連續(xù)電壓的問題。最后，它的開關(guān)時間與已知近晶型液晶解決方案同樣地短。有利的是，施加第一電場的第一裝置至少包括一對電極，它放置在大致平行于基板的平面上。按照一個有利的特征，施加第一電場的第一裝置包括幾對電極，它使所施加的電場有任意的方向。有利的是，幾對電極放置成星形，為的是施加連續(xù)旋轉(zhuǎn)的第一電場。在本發(fā)明第一個優(yōu)選實施例中，施加第一電場的第一施加裝置至少包括一對二維電極，它建立在兩個平板中一個平板的一個表面上。有利的是，施加第一電場的第一施加裝置包括-至少第一對二維電極，它建立在兩個平板中一個平板的內(nèi)表面上，內(nèi)表面與單元內(nèi)含物接觸，-至少第二對電極，它建立在兩個平板中另一個平板的內(nèi)表面上，內(nèi)表面與單元內(nèi)含物接觸，以及其中所述至少第一對和第二對二維電極是互補(bǔ)的，為的是增大第一電場的穿透深度。在本發(fā)明第二個優(yōu)選實施例中，第一電場的第一施加裝置至少包括一對三維電極，其厚度至少等于大部分的單元內(nèi)含物厚度。在上述具有二維(即，較薄的)電極的第一個實施例中，單元厚度中電場的穿透深度保持很低且是不均勻的。所以，很難得到重要的相位偏移。上述具有三維(即，較厚的)電極的第二個實施例的目的是克服這種缺點(diǎn)。最好是，兩個基板是在頂部，它包括有光纖末端的玻璃板。有利的是，所述第一施加裝置所施加的第一電場幅度是預(yù)定的，為的是得到預(yù)定的雙折射調(diào)制，它取決于所述第一電場。按照本發(fā)明一個有利的變化方案，所述裝置包括第二施加裝置，幅度預(yù)定的第二電場施加到所述至少部分的單元內(nèi)含物上，為的是得到預(yù)定的雙折射調(diào)制，它取決于所述第一電場與第二電場之和。在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中，所述裝置包括允許第一電場和/或第二電場的幅度被調(diào)制的裝置，為的是得到可變的雙折射調(diào)制。本發(fā)明還涉及上述偏振控制裝置的應(yīng)用，它用于偏振模色散補(bǔ)償系統(tǒng)。在閱讀以下結(jié)合非限制性例子和附圖所描述的本發(fā)明優(yōu)選實施例之后，本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點(diǎn)是顯而易見的，其中圖1表示已描述的偏振模色散補(bǔ)償系統(tǒng)的簡化圖，它包括偏振控制器，保偏光纖和用于測量保偏光纖上偏振度的裝置；圖2表示本發(fā)明一個具體實施例的偏振控制器簡化圖；圖3說明加垂直于光束擴(kuò)展方向的電場；圖4表示第一個實施例的(二維)電極簡化圖，它是本發(fā)明的部分偏振控制器；圖5表示第二個實施例的(三維)電極簡化圖，它是本發(fā)明的部分偏振控制器；圖6和7分別表示得到相位偏移π所需的電壓與本發(fā)明偏振控制器中單元厚度的關(guān)系曲線，其中電極之間的間隔等于30μm(圖6)和20μm(圖7)。具體實施例方式所以，本發(fā)明涉及偏振控制器，它可具體用作部分的偏振模色散補(bǔ)償系統(tǒng)，如以上結(jié)合圖1所描述的。如本發(fā)明具體實施例的圖2的簡化圖所示，偏振控制器20包括-兩塊基本互相平行的玻璃板6和7構(gòu)成的單元，在它們之間有納米PDLC材料。后者包括分散液晶微滴9的聚合物8，液晶微滴的尺寸(例如，幾十納米)小于光束波長的1/10；-至少一對電極(見以下結(jié)合圖4和5的詳細(xì)討論)，允許大致垂直于光束10擴(kuò)展方向D的電場E(見圖3和4)施加到部分的單元內(nèi)含物。它的工作原理如以下所述取決于是否施加電場，至少部分的單元內(nèi)含物形成雙折射或各向同性介質(zhì)。在不施加電場時，微滴中存在導(dǎo)向矢量的統(tǒng)計分布。通過納米PDLC介質(zhì)擴(kuò)展的光波看到平均折射率的各向同性介質(zhì)，平均折射率是所有微滴的平均液晶折射率與聚合物折射率的平均值。唯像表達(dá)式給出以下的關(guān)系式N＝xncl(E)+(1-x)npolymer(1)其中x表示液晶與聚合物之間的相對比例，而ncl(E)表示所有微滴的平均液晶體折射率，它取決于所加的電場E，并可以寫成以下的關(guān)系式ncl＝(2n0+ne)/3(2)其中no和ne分別是液晶的尋常折射率和非常折射率。在施加垂直于光束擴(kuò)展方向D的電場E時(如圖3所示)，納米PDLC材料中擴(kuò)展的光波看到雙折射介質(zhì)，其尋常折射率和非常折射率可以表示成以下的關(guān)系式No＝xno(E)+(1-x)npolymer(3)Ne＝xne(E)+(1-x)npolymer(4)測量結(jié)果表明，對于量級為20V/μm的電壓，在可接受的擴(kuò)散損耗下，得到0.01量級的雙折射。圖6和7中的曲線表示得到π相位偏移所要求的電壓與納米PDLC材料單元厚度之間的關(guān)系，電極之間的間隔分別是30μm(圖6)和20μm(圖7)。我們假設(shè)，在所加電場為20V/μm的情況下，最大的折射率變化是0.013。可以看出，在小厚度下可以得到相位偏移。這是很重要的一點(diǎn)，因為它可以實現(xiàn)沒有準(zhǔn)直光學(xué)元件的裝置，因光束發(fā)散造成的損耗保持非常低(例如，經(jīng)典單模光纖的損耗為0.1dB，而受拉纖芯光纖的損耗可忽略不計)。我們現(xiàn)在結(jié)合圖4和5討論兩個實施例的電極，它包含在本發(fā)明的偏振控制器中。在這兩種情況下，對于兩塊玻璃板6和7中至少一塊玻璃板，我們采用一種電極系統(tǒng)，它包括幾對(例如，3對)放置成星形的電極，形成在大致平行于玻璃板的平面上。這種電極系統(tǒng)有垂直于玻璃板的對稱軸Oy。這個對稱軸Oy與光束的擴(kuò)展方向D相同，所以，可以施加其取向完全受控的電場，而且，它可以連續(xù)和循環(huán)式旋轉(zhuǎn)。在每對電極的電極之間施加可變的電壓，可以實現(xiàn)可變的雙折射調(diào)制。在圖4所示的第一個實施例中，玻璃板6的電極系統(tǒng)包括三對二維電極(41a，41b)，(42a，42b)，(43a，43b)。這些電極建立在玻璃板的一個表面上，最好是在與單元中所含納米PDLC材料接觸的內(nèi)表面上。利用光刻法可以制成這些電極，或通過透明導(dǎo)體沉積(ITO)或金屬沉積。例如，利用包括電解生長步驟的LIGA技術(shù)。通過加偏移相位電壓到同一對電極中的每個電極(例如，圖4中的41a，41b)，產(chǎn)生平行于玻璃板的電場E。于是，傳輸通過電極系統(tǒng)中心的光束看到雙折射材料。兩塊玻璃板可以有互補(bǔ)的電極系統(tǒng)，它可以增大電場的穿透深度(沿Oy軸方向)。在圖5所示的第二個實施例中，(兩塊玻璃板共同的)電極系統(tǒng)包括三對(“立體”)三維電極(51a，51b)，(52a，52b)，(53a，53b)，電極的厚度為幾十微米。可以利用導(dǎo)電材料(金屬)或半導(dǎo)體(硅等)制成這些電極。它們可以利用基片光刻法或微型刀刻技術(shù)制成。具體地說，本發(fā)明偏振控制器的優(yōu)點(diǎn)如以下所示-所施加電場的均勻性；-利用單個電壓命令實現(xiàn)導(dǎo)向軸旋轉(zhuǎn)和折射率調(diào)制的雙重功能；-簡化的電子接口；-堅固的機(jī)械結(jié)構(gòu)；-有效的材料限定，使所需效應(yīng)作用到激活元件的薄層上(10-15μm)；-幾十微米(通常為30μm)的工作光瞳，它與利用單模光纖或受拉纖芯單模光纖相容，或包括可以利用合適電壓的外部準(zhǔn)直微光學(xué)元件。納米PDLC仍然是足夠地薄，因此，在傳輸通過材料時，來自光纖的光束并不發(fā)散。-在這種語境下，光學(xué)補(bǔ)償裝置的技術(shù)特性是以下所示任選地，本發(fā)明的偏振控制器包括-除了上述的第一裝置以外，允許所施加電場垂直于光束擴(kuò)展的方向；-施加第二電場的另一個(第二)裝置。在這種情況下，得到的雙折射調(diào)制取決于第一電場與第二電場之和。因此，通過選取這兩個電場的合適幅度，可以得到預(yù)定的雙折射調(diào)制。此外，若需要可變的雙折射調(diào)制，則可以提供這樣的裝置，它允許第一電場和/或第二電場有可變的幅度。權(quán)利要求1.一種用于控制以光束形式傳送的信號的偏振的裝置，其特征是，它包括-兩個基本互相平行的基板構(gòu)成的單元，在兩個基板之間有分散液晶微滴的聚合物內(nèi)含物；-大致垂直于光束擴(kuò)展方向的第一電場的第一施加裝置，它在至少部分的單元內(nèi)含物上，因此，取決于是否施加第一電場，至少部分的單元內(nèi)含物形成雙折射或各向同性介質(zhì)。2.按照權(quán)利要求1的裝置，其特征是，液晶微滴的尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于光束的波長。3.按照權(quán)利要求2的裝置，其特征是，液晶微滴的尺寸小于光束波長的1/10。4.按照權(quán)利要求1至3中任何一個的裝置，其特征是，第一電場的第一施加裝置至少包括一對電極，它放置在大致平行于基板的平面上。5.按照權(quán)利要求1至4中任何一個的裝置，其特征是，第一電場的第一施加裝置包括幾對電極，它可使所施加電場有任意的方向。6.按照權(quán)利要求5的裝置，其特征是，幾對電極放置成星形，因此，可以旋轉(zhuǎn)和連續(xù)地施加第一電場。7.按照權(quán)利要求1至6中任何一個的裝置，其特征是，第一電場的第一施加裝置至少包括一對二維電極，它建立在兩個平板中的一個表面上。8.按照權(quán)利要求7的裝置，其特征是，第一電場的第一施加裝置包括-兩個平板中一個平板內(nèi)表面上建立的至少第一對二維電極，該內(nèi)表面與單元內(nèi)含物接觸；-兩個平板中另一個平板內(nèi)表面上建立的至少第二對二維電極，該內(nèi)表面與單元內(nèi)含物接觸；且所述至少第一對和第二對二維電極是互補(bǔ)的，因此，它們增大第一電場的穿透深度。9.按照權(quán)利要求1至6中任何一個的裝置，其特征是，第一電場的第一施加裝置至少包括一對三維電極，且其厚度至少等于大部分的單元內(nèi)含物厚度。10.按照權(quán)利要求1至9中任何一個的裝置，其特征是，兩個基板屬于包括有光纖末端的玻璃板。11.按照權(quán)利要求1至10中任何一個的裝置，其特征是，所述第一施加裝置所施加第一電場的幅度是預(yù)先確定的，為的是得到預(yù)定的雙折射調(diào)制，它取決于所述第一電場。12.按照權(quán)利要求1至10中任何一個的裝置，其特征是，它包括幅度預(yù)定的第二電場的第二施加裝置，它施加到至少部分的單元內(nèi)含物上，為的是得到預(yù)定的雙折射調(diào)制，它取決于所述第一電場與第二電場之和。13.按照權(quán)利要求11和12中任何一個的裝置，其特征是，它包括允許第一電場和/或第二電場的幅度是可變的裝置，為的是得到可變的雙折射調(diào)制。14.按照權(quán)利要求1至13中任何一個的偏振控制裝置的應(yīng)用，它用于偏振模色散補(bǔ)償系統(tǒng)。全文摘要本發(fā)明涉及用于控制光纖傳送光束形式的信號偏振的裝置。按照本發(fā)明，這個裝置包括兩個基本互相平行的基板構(gòu)成的單元，在兩個基板之間有分散液晶微滴的聚合物內(nèi)含物；大致垂直于光束擴(kuò)展方向的第一電場的第一施加裝置，它在至少部分的單元內(nèi)含物上。因此，取決于是否加第一電場，至少部分的單元內(nèi)含物形成雙折射或各向同性介質(zhì)。文檔編號G02F1/13GK1605040SQ02825152公開日2005年4月6日申請日期2002年12月17日優(yōu)先權(quán)日2001年12月17日發(fā)明者讓·路易斯·德布格勒內(nèi)·德拉托克那耶,勞倫特·杜邦申請人:奧普托古納公司