專利名稱：光學(xué)元件和該光學(xué)元件的傳遞函數(shù)的控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學(xué)物理領(lǐng)域，即屬于光學(xué)射線的光譜濾波的光學(xué)方法 和裝置。所述裝置和方法基于電光晶體，用于制造具有波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換的寬波 鐠的電控窄帶濾波器，以及用于制造選擇性光學(xué)衰減器和光調(diào)制器以及 光學(xué)均衡器。
背景技術(shù)：
目前，要傳遞的信息容量隨著時(shí)間超比例地增長(zhǎng)，導(dǎo)致了能夠提高電 信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)男录夹g(shù)的開(kāi)發(fā)。這里最具前瞻性的方法之一是將信號(hào)
壓縮到基于玻璃纖維的數(shù)據(jù)傳輸光學(xué)網(wǎng)絡(luò)的通道中(WDM-波分復(fù)用)。 不久將實(shí)現(xiàn)最多80個(gè)光鐠通道的傳輸，其中在1530nm至1600nm的光譜 中產(chǎn)生等間距的波長(zhǎng)，在光學(xué)網(wǎng)絡(luò)中達(dá)到每秒數(shù)太位(兆兆位)的傳輸速 度。
只有當(dāng)存在許多光學(xué)元件，如分解器、路由器、濾波器、調(diào)制器、放 大器等的時(shí)候，才可以在實(shí)踐中有效地利用WDM。此外為了有效地利用 新方法，需要實(shí)現(xiàn)控制和轉(zhuǎn)換光學(xué)信號(hào)以及以電子方式來(lái)轉(zhuǎn)換光學(xué)信號(hào)。 這樣，受控光學(xué)元件(例如光學(xué)開(kāi)關(guān)和可控的光學(xué)濾波器)的重要性日益 增加。光學(xué)射線的光鐠濾波的所有已知方法都基于射線在布拉格(Braggs ) 相衍射光柵("phase grating")中的衍射，該光柵事先固定并寫(xiě)入光折變 晶體中G. A. Rakuljic, V. Leyva 一 "Volume holographic narrow-band optical filter"-Opt. Lett, 1993, Vol. 18, N 6 p.p. 459 — 461。布拉格相衍 射光柵的容量以及波導(dǎo)設(shè)計(jì)都能夠被利用[J. Hukriede， I. Nee， D. Kip， E. Kraetzig - "Thermally fixed reflection gratings for infrared light in LiNb03:Ti:Fe channel waveguides"畫(huà)Opt丄ett. - 1998， Vol. 23， N17， p.p.1405-1407。
實(shí)際的光鐠濾波由以下方式實(shí)現(xiàn)。當(dāng)在實(shí)際上與相衍射光柵矢量方向 平行的方向上用光射線照射晶體時(shí)，在相反的方向上只反射波長(zhǎng)滿足該相 衍射光柵中的布拉格條件的光。其余的波譜的光不改變地穿過(guò)透光晶體。 準(zhǔn)確地說(shuō)，此處，在相衍射光柵上在確定的窄波長(zhǎng)的波鐠中反射光。光的 中心波長(zhǎng))uB對(duì)應(yīng)于下式
入b = 2nA (1)
其中
n-晶體的平均折射率
A-布拉格相衍射光柵的周期
這種濾波器的光鐠選擇性取決于布拉格相衍射光柵的長(zhǎng)度，并且對(duì)應(yīng)
于下式<formula>formula see original document page 5</formula>
其中
d-選擇性反射光的波范圍
ni -布拉格相衍射光柵折射率的變化幅度
T-相^t射光柵的長(zhǎng)度
為了改變選擇的波長(zhǎng)k，可以橫向于光的射線傳播方向施加場(chǎng)強(qiáng)為E 的電場(chǎng)[R. Muller， J. V. Alvarez-Bravo， L Arizmendi， J. M. Cabrea. -"Tuning of photorefractive interference filters in LiNb03.，，- J. Phys. D: Apll. Phys. -1994， Vol. 27， p.p. 1628-1632。由于線性電光效應(yīng)(Pokkds效 應(yīng))，在光折變晶體中晶體的平均折射率n如下式取決于電場(chǎng)E的電壓
5其中
An-晶體折射率的變化 no-在E-O的條件下，晶體的平均折射率 r-有效的電光系數(shù)，該系數(shù)取決于電場(chǎng)相對(duì)于晶軸的方向。 在電場(chǎng)強(qiáng)度E變化時(shí)，通過(guò)選擇待濾波的射線的確定的波長(zhǎng)^來(lái)轉(zhuǎn)換 濾波器。由于電極之間的間距(10nm)非常小，所以波導(dǎo)設(shè)計(jì)能夠在施加 較小的電壓的情況下產(chǎn)生控制場(chǎng)。
已知 一 種實(shí)現(xiàn)窄帶光學(xué)濾波器的功能的全息光學(xué)元件[US 005440669A1。該元件由光折變晶體組成，在該晶體中寫(xiě)入并固定布拉格相 衍射光柵。該元件具有非常高的光鐠選擇性(能夠?qū)崿F(xiàn)光鐠傳遞函數(shù)寬度 至少為10pm的濾波器)。該元件可以用于以輸入的波面曲率平均度 (Kriimmelmittelgrad )進(jìn)行光濾波，以及用于多個(gè)波長(zhǎng)的同時(shí)濾波。當(dāng) 在光學(xué)纖維網(wǎng)絡(luò)中使用已知的全息元件時(shí)，需要設(shè)計(jì)容量和另外的校準(zhǔn)光 學(xué)裝置。該光學(xué)裝置還需要精確的調(diào)整。這是特別昂貴的，因此不適用于 批量生產(chǎn)。
已知一種電轉(zhuǎn)換光折變晶體中的全息光學(xué)濾波器的方法[M. P. Petrov， V. M. Petrov， A. V. Chamrai， C Denz， T. Tschudi. -"Electrically controlled holographic optical filter". -Proc. 27th Eur. Conf. on Opt. Comm. (ECOC，Ol-Amsterdam). -Th.F.3.4， p.p. 628-629(2001)],其中在晶體中通過(guò) 在晶體上施加恒定的電壓實(shí)現(xiàn)空間上均勻的電場(chǎng)。在施加的電壓變化以及 電場(chǎng)強(qiáng)度E與此相關(guān)地改變時(shí)，通過(guò)選^^要濾波射線的確定波長(zhǎng)3tB來(lái)轉(zhuǎn)換 濾波器。這種方法的缺陷是，必須使用相當(dāng)高的控制電壓，這種高電壓是 由所使用的光折變材料的較小的電光系數(shù)確定的。另一缺陷是，由放電使 轉(zhuǎn)換波范圍被限制成對(duì)于LiNM)3最大lnm的大小。
已知一種電多路復(fù)用的方法[M. P. Petrov， S. I. St印anov， A. A.
Kamshilin. -Light diffraction from the volume holograms in electrooptic birefringent crystals"-Opt. Commun. -1979， No. 29， p.p. 44-48，該方法是， 對(duì)于不同的電場(chǎng)強(qiáng)度值，在光折變晶體的同一容積中寫(xiě)入幾個(gè)布拉格相衍 射光柵。該方法能夠使濾波器電轉(zhuǎn)換的波長(zhǎng)范圍加寬。但是在應(yīng)用所述方法時(shí)，會(huì)出現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)換光謙通道的數(shù)量(所述通道取 決于最大數(shù)量的電多路全息圖)以及相鄰?fù)ǖ乐g的間距的限制。所述限 制由于在串?dāng)_方面對(duì)現(xiàn)代數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的極高的要求而出現(xiàn)。在電路中， 使對(duì)于所有寫(xiě)入晶體中的光柵的中心波長(zhǎng)進(jìn)行簡(jiǎn)單的偏移。這里，光柵的 中心波長(zhǎng)范圍對(duì)應(yīng)于當(dāng)前接通的光鐠通道的中心波長(zhǎng)范圍。其余的光柵同 時(shí)引起另外的噪聲。
已知一種包括順電的光折變材料的電開(kāi)關(guān)(WO 00/02098),在所述 材料中形成至少一個(gè)全息光柵，所述電開(kāi)關(guān)具有設(shè)置在材料的相對(duì)邊緣的 兩個(gè)電極以利用外部電場(chǎng)。
但在這種開(kāi)關(guān)中，在作用于相通道附近的順電相位中使用晶體KLTN。 這明顯提高了對(duì)這個(gè)結(jié)構(gòu)的溫度穩(wěn)定性的要求，并限制了工作溫度范圍。
目前還不知道利用晶體KLTN來(lái)制造高質(zhì)量波導(dǎo)體的方法。因此，基 于已知的光全息方法的結(jié)構(gòu)只能按體積設(shè)計(jì)制造，不僅需要高轉(zhuǎn)換電壓而 且需要復(fù)雜的光協(xié)調(diào)性。這導(dǎo)致轉(zhuǎn)換時(shí)間較長(zhǎng)。
此外，已知一種光學(xué)開(kāi)關(guān)的方法(US 004039249A)。該方法基于平 方電光效應(yīng)。該方法使得能夠電接通在順電晶體中寫(xiě)入的全息光柵。該接 通通過(guò)在晶體內(nèi)部形成全息光柵的空間調(diào)制的電場(chǎng)分布以及空間均勻的外 部電場(chǎng)的影響的共同作用產(chǎn)生。該已知方法使得能夠執(zhí)行光轉(zhuǎn)換，更確切 地說(shuō)在傳播方向上并且根據(jù)波長(zhǎng)執(zhí)行所述光轉(zhuǎn)換。但是該已知方法需要高 的轉(zhuǎn)換電壓和進(jìn)行復(fù)雜的光學(xué)協(xié)調(diào)。這導(dǎo)致轉(zhuǎn)換時(shí)間較長(zhǎng)。
在[US 005832148A]中描迷的光學(xué)元件是與本申請(qǐng)的元件在多個(gè)主要 特征上最接近的結(jié)構(gòu)部件。該光學(xué)元件基于襯底，在該襯底上設(shè)置有電光 材料的薄膜，該材料具有比襯底本身的折射率大的折射率。位于上面的膜 用作光波導(dǎo)體。在該元件的改進(jìn)方案中利用 一種特殊的電光材料(LiNb03 ) 作為襯底，光波導(dǎo)體通過(guò)鈦離子中間層的擴(kuò)散形成。在電光層的表面上設(shè) 置細(xì)長(zhǎng)的電極，在該電極上連接起控制作用的電壓源。在波導(dǎo)體層中寫(xiě)入 布拉格相衍射光柵。
所述濾波器具有非常高的光鐠選擇性，并實(shí)現(xiàn)了可電調(diào)諧的窄帶光學(xué) 濾波器的功能(能夠?qū)崿F(xiàn)光譜選擇性小于10pm的濾波器)。由于電極之間的間距(10nm)非常小，所以這種波導(dǎo)體的設(shè)計(jì)能夠在較小的電壓下實(shí) 現(xiàn)較大的電場(chǎng)強(qiáng)度。
但是這種濾波器的可調(diào)諧性的波長(zhǎng)范圍受到電擊穿電壓的限制，對(duì)于 以LiNb03晶體為基層的濾波器的情況，所述范圍不超過(guò)lnm。
已知另一種光學(xué)濾波器傳遞函數(shù)的控制方法，作為示例說(shuō)明[aaO，該 方法在設(shè)置于電光材料的層表面的電極上引入電場(chǎng)。所施加的控制電壓在 電光材料中形成均勻的電場(chǎng)強(qiáng)度，該電場(chǎng)沿布拉格相衍射光柵的波矢量取 向。所形成的電場(chǎng)使電光材料折射率改變，由此使在波導(dǎo)體內(nèi)部的光速相 應(yīng)地改變。這導(dǎo)致在確定波長(zhǎng)上由布拉格相衍射光柵反射的光的光強(qiáng)的變 化。
但是這種濾波器可調(diào)諧性的波長(zhǎng)范圍受到電擊穿電壓的限制，對(duì)于以 晶體LiNb03為基層的濾波器的情況不超過(guò)lnm。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是，一方面用一體的光學(xué)設(shè)計(jì)來(lái)制造具有多功能的應(yīng)用 (可調(diào)諧的光學(xué)濾波器、選擇性光學(xué)衰減器和調(diào)制器、光學(xué)開(kāi)關(guān)以及光學(xué) 均衡器)的光學(xué)元件，該光學(xué)元件具有高光譜選擇性、寬可調(diào)諧性波長(zhǎng)范 圍、高動(dòng)態(tài)性和低串?dāng)_傾向。本發(fā)明的另一目的是開(kāi)發(fā)上述元件的控制方 法，在利用較低的控制電壓以及可調(diào)諧性和轉(zhuǎn)換的速度高的情況下，該方 法能夠電控制傳遞函數(shù)的形狀、傳遞函數(shù)最大值位置、可選擇的通道數(shù)量、 相位失真補(bǔ)償。上述目的由通過(guò)共同的發(fā)明構(gòu)思而彼此相關(guān)的多個(gè)發(fā)明來(lái) 實(shí)現(xiàn)。
所述目的這樣實(shí)現(xiàn)，即，基于其中形成有布拉格相衍射光柵的電光 材料構(gòu)成光學(xué)元件。同時(shí)使所迷光柵具有用于沿光射線傳播方向至少在 光柵的部分長(zhǎng)度上形成空間非均勻的、非周期的外部電場(chǎng)的裝置。
該布拉格相衍射光柵可以在電光材料的光學(xué)波導(dǎo)體中形成，而且是 以沿光波導(dǎo)體的光射線傳播方向的周期的突起和凹陷的形式形成的。該 布拉格相衍射光柵可以在電光材料的光學(xué)波導(dǎo)體中形成，而且是以沿光 波導(dǎo)體的光射線傳播方向的周期的突起和凹陷的形式形成的。另外，在光柵表面上設(shè)置材料層，該材料的折射率或者與襯底的折射率相當(dāng)或者
可以與基層的折射率最多相差40%。
所述用于形成空間非均勻的、非周期的外部電場(chǎng)的裝置可以通過(guò)設(shè) 置位于上述光柵的兩側(cè)兩個(gè)電極實(shí)現(xiàn)。
所述用于形成空間非均勻的、非周期的外部電場(chǎng)的裝置可以通過(guò)設(shè) 置位于上述光柵的兩側(cè)兩個(gè)電極實(shí)現(xiàn)。所述兩個(gè)電極之間的間距沿射線 的傳播方向線性變化。
所述用于形成空間非均勻的、非周期的外部電場(chǎng)的裝置可以通過(guò)設(shè) 置彼此絕緣的四個(gè)單個(gè)電極實(shí)現(xiàn)，所述電極成對(duì)地位于上述光柵兩側(cè)。
所述用于形成空間非均勻的、非周期的外部電場(chǎng)的裝置可以通過(guò)設(shè) 置彼此絕緣的四個(gè)單個(gè)電極實(shí)現(xiàn)，所述電極成對(duì)地位于上述光柵兩側(cè)。 各電極對(duì)之間的間距沿射線傳播方向的線性地增大或減小。
所述用于形成空間非均勻的、非周期的外部電場(chǎng)的裝置可以通過(guò)設(shè) 置彼此電絕緣的至少三個(gè)電極實(shí)現(xiàn)，所述電極位于上述光柵兩側(cè)，并確 定成用于控制沿光射線傳播方向在上述光柵的不同點(diǎn)上的電場(chǎng)強(qiáng)度。這 個(gè)結(jié)構(gòu)例如可設(shè)計(jì)成數(shù)量為N的上述電極，這里，電極數(shù)量N由下式 推導(dǎo)
<formula>formula see original document page 9</formula> ( 4 )
其中
D-濾波器電轉(zhuǎn)換的波長(zhǎng)范圍
所述目的也可以這樣實(shí)現(xiàn)，即通過(guò)至少在布拉格相衍射光柵的一部 分上的空間非均勻的、非周期的外部電場(chǎng)的影響來(lái)控制基于電光材料構(gòu) 成的濾波器的傳遞函數(shù)形狀，在所述電光材料中形成有所迷光柵，該光 柵又具有用于沿光射線傳播方向至少在光柵的部分長(zhǎng)度上形成空間非 均勻的、非周期的外部電場(chǎng)的裝置，該電場(chǎng)引起光學(xué)射線衍射的變化， 且直到最大的變化。在施加空間非均勻的、非周期的外部電場(chǎng)時(shí)，在上 述光柵的一部分上的電場(chǎng)強(qiáng)度矢量的方向以與在光柵的另一部分上的 電場(chǎng)強(qiáng)度矢量相反的方向形成。
本發(fā)明的內(nèi)容是，通過(guò)在材料內(nèi)部形成非均勻的電場(chǎng)分布，來(lái)控制形成于電光材料中的布拉格相衍射光柵上的衍射。
在實(shí)現(xiàn)所述控制方法時(shí)，可以使光射線沿光柵矢量導(dǎo)入(耦入)， 同時(shí)識(shí)別基于上述光柵上的衍射而反射的光射線以及被引導(dǎo)通過(guò)光晶 體的光射線。
另外，通過(guò)使要濾波的光射線在形成于光學(xué)晶體中的波導(dǎo)體內(nèi)部傳 播，可以通過(guò)利用這種波導(dǎo)體設(shè)計(jì)極大地降低控制電壓以及極大提高傳 遞函數(shù)速度。
另外，可以明顯改善布拉格相衍射光柵的衍射效率，該光柵包括在 波導(dǎo)體表面上沿光傳播方向周期地設(shè)置的突起和凹陷。所述突起和凹陷 可以通過(guò)在光柵上涂覆附加的光學(xué)材料層實(shí)現(xiàn)，所述材料的折射率對(duì)應(yīng)
于襯底的折射率，或者與村底的折射率最多相差40%。
另外，可以極大地提高(增加)電擊穿的大小，因此極大地提高可 調(diào)諧波長(zhǎng)范圍的大小。這通過(guò)利用電絕緣材料附加層實(shí)現(xiàn)，所述材料填 充所有電極之間的全部空間，這極大地提高了擊穿電壓，并因此能夠提 高在電極上施加的電壓。
如同在已知的方法中，通過(guò)在晶體中形成確定強(qiáng)度的電場(chǎng)來(lái)控制要 濾波的射線的衍射，由此改變晶體折射率。本申請(qǐng)的方法的具體特征是， 所述電場(chǎng)在射線傳播方向上是非均勻的。
當(dāng)在晶體中實(shí)現(xiàn)必需的電場(chǎng)空間分布時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)光學(xué)元件必需的 傳遞函數(shù)，因此產(chǎn)生了光學(xué)元件的多功能性。
因此，在使用沿射線傳播方向均勻地變化的外部電場(chǎng)時(shí)，可以明顯 地減小光柵的衍射效率，直到零。
在此基礎(chǔ)上可以實(shí)現(xiàn)電的光鐠選擇性光開(kāi)關(guān)。由于控制器的電光特 性，這種開(kāi)關(guān)的通斷速度非常高，可以為10-100GHz。
在不均勻的程度發(fā)生變化的情況下，可以控制布拉格相衍射光柵的 折射效率。在這種情況下所述元件起電控的選擇性光調(diào)制器的作用。
另外，可以電控制布拉格相衍射光柵的傳遞函數(shù)的形狀。作為示例 可以將傳遞函數(shù)從反射狀態(tài)再配置到通導(dǎo)狀態(tài)。可通過(guò)在光柵的兩個(gè)相 同的半體上施加電場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)所述再配置，所述電場(chǎng)使由光柵的兩個(gè)半體反射的光波產(chǎn)生等于71的相位移。
本申請(qǐng)的光學(xué)元件可以起具有可變數(shù)量的光鐠通道的通用光開(kāi)關(guān)的 作用。這里，以確定數(shù)量構(gòu)成的布拉格相衍射光柵位于非均勻的電場(chǎng)中， 因此不存在該光柵的衍射。在另一相衍射光柵上施加均勻電場(chǎng)。因此存 在該光柵的衍射。這種情況能夠?qū)崿F(xiàn)選擇性光鐠通道的反射。
另外，本申請(qǐng)的光學(xué)元件可以起電控光學(xué)均衡器的作用。在這種情 況下，通過(guò)外部電場(chǎng)的空間非均勻的程度來(lái)限定每一個(gè)元件的光柵衍射 效率。
另外，本申請(qǐng)的元件可以起波長(zhǎng)范圍較寬的窄帶光學(xué)濾波器的作用。 另外，本申請(qǐng)的光學(xué)元件可以起光鐠分散補(bǔ)償器的作用。


通過(guò)以下附圖來(lái)解釋本發(fā)明的內(nèi)容
圖1示出具有兩個(gè)電極的光學(xué)元件的示例。(Ui和U2表示施加在電極
上的電壓。補(bǔ)償?shù)囊约敖^緣的材料層未示出)
圖2示出具有兩個(gè)電極的光學(xué)元件。在兩個(gè)電極之間的間距沿射線傳 播方向線性減小。
圖3示出具有四個(gè)電極的光學(xué)元件。
圖4示出具有四個(gè)電極的光學(xué)元件。各電極對(duì)之間的間距沿射線傳播 方向線性變化。
圖5示出具有三個(gè)電極的光學(xué)元件。 圖6示出具有八個(gè)電極的光學(xué)元件。
圖7以縱向剖視圖示出光學(xué)元件。布拉格相衍射光柵構(gòu)成為波導(dǎo)體表 面上周期設(shè)置的 一 系列突起和凹陷，配有補(bǔ)償層和電絕緣材料層(h -波導(dǎo) 體高度。Ah-凹陷與突起之間的高度差)。剖面沿波導(dǎo)體延伸(在平面 ABC中)。
圖8示出上述光學(xué)元件的橫剖視圖。該剖面垂直于波導(dǎo)體軸線延伸(在 平面DEF中)。
圖9示出電場(chǎng)強(qiáng)度E與電極沿射線傳播方向設(shè)置在如圖2所示的光學(xué)元件上的坐標(biāo)的關(guān)系。
圖10示出電場(chǎng)強(qiáng)度E與電極沿射線傳播方向設(shè)置在如圖4所示的光學(xué) 元件上的坐標(biāo)的關(guān)系。
圖11示出布拉格相衍射光柵反射效率的光鐠特征U-光射線的波長(zhǎng)， ^-反射光射線的中心波長(zhǎng)，d-布拉格相衍射光柵的傳遞函數(shù)寬度)。
圖12示出具有相衍射光柵的光學(xué)元件示例，在該光柵上施加外部的均 勻電場(chǎng)(Ebd-電場(chǎng)強(qiáng)度，在該電場(chǎng)強(qiáng)度下產(chǎn)生光學(xué)濾波器的電擊穿，-Ebd -具有反極性的電場(chǎng)強(qiáng)度，Eo-電場(chǎng)強(qiáng)度，該電場(chǎng)強(qiáng)度用于改變?cè)诓祭?相衍射光柵傳遞函數(shù)寬度(d)的高度(峰值)上的反射射線的中心波長(zhǎng)， T-相衍射光柵的長(zhǎng)度)
圖13示出光學(xué)元件的光譜特征與所施加的外部電場(chǎng)強(qiáng)度的大小的關(guān) 系(a-沒(méi)有電場(chǎng)，b-在E-國(guó)Ebd時(shí)，c-E=E0, d-在E-Ebd時(shí))。
圖14示出施加在光學(xué)元件上的空間非均勻的外部電場(chǎng)的一種變型 (E^-在光柵笫一半體上的電場(chǎng)強(qiáng)度，該電場(chǎng)強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)光射線的附加相位 差，它等于tt/2， -E^-在光柵第二半體上的電場(chǎng)強(qiáng)度，該電場(chǎng)強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)光 射線的附加相位差，它等于-;i/2)。
圖15示出元件在施加有圖14所示的電場(chǎng)的情況下的傳遞函數(shù)(實(shí)線 -在無(wú)外部電場(chǎng)時(shí)；虛線-在有外部電場(chǎng)時(shí))。
圖16示出在光學(xué)元件上施加的空間非均勻的外部電場(chǎng)的另一可能的 變型。(Ebd-在光柵第一半體上的電場(chǎng)強(qiáng)度，-Ebd-在光柵第二半體上的 電場(chǎng)強(qiáng)度)。
圖17示出光學(xué)元件的傳遞函數(shù)，在濾波器上使用在圖16中所示的電 場(chǎng)的情況下(實(shí)線-在無(wú)外部電場(chǎng)時(shí)；虛線-在有外部電場(chǎng)時(shí))。
圖18示出施加在光學(xué)元件上的空間非均勻的外部電場(chǎng)的另一可能的 變型。(Ebd-在光柵第一八分之一體上的電場(chǎng)強(qiáng)度，其中產(chǎn)生光學(xué)濾波器 的電擊穿，-Ebd-在光柵最后一個(gè)八分之一體上施加的、具有反極性的電 場(chǎng)強(qiáng)度)。
圖19示出光學(xué)元件的傳遞函數(shù)，在濾波器上使用在圖18中所示的電 場(chǎng)的情況下(實(shí)線-在無(wú)外部電場(chǎng)時(shí)；虛線-在有外部電場(chǎng)時(shí))。
具體實(shí)施例方式
本申請(qǐng)的光學(xué)元件包括一由電光材料組成的電路板1，在該材料中可
形成光波導(dǎo)體2 (見(jiàn)圖2)。作為電光材料可以使用晶體，例如LiNb03、 KNb03、 BaTi03、 SBN。.可以在電路板1本身的材料中，也可以在光波導(dǎo) 體2中形成布拉格相衍射光柵3。所述光柵3也可以以沿光傳播方向在波 導(dǎo)體表面上設(shè)置的周期的突起6和凹陷7的形式(見(jiàn)圖7， 8)形成。在波 導(dǎo)體的周期的突起和凹陷之上設(shè)置有補(bǔ)償材料層8。所述材料層例如可以 由TK)2或Si02構(gòu)成。用于形成空間非均勻的、非周期的外部電場(chǎng)的裝置 以電極4的形式位于光柵3兩側(cè)，在電極上通過(guò)觸點(diǎn)5施加電壓仏、U2、 U3...UN (根據(jù)電極4的數(shù)量和配置，所施加的電壓可大小相同或者不同， 該電壓的極性也可不同或者相同)。
用電絕緣材料9填充電極表面、補(bǔ)償材料表面、基層的其余表面以及 在電極之間的其它剩余的空間。這個(gè)材料層可以由環(huán)氧樹(shù)脂或由其它任意 的具有高的電阻系數(shù)的塑料材料組成。
可以通過(guò)電極4形成空間非均勻的、非周期的外部電場(chǎng)，電極具有不 同的幾何尺寸。例如通過(guò)彼此的間距沿射線傳播方向線性變化的兩個(gè)電極， (見(jiàn)圖2);通過(guò)施加有不同電壓仏、U2、 113的三個(gè)矩形電極(見(jiàn)圖5); 通過(guò)施加有不同電壓Up U2、 U3、 ...Us的八個(gè)矩形電極(見(jiàn)圖6);通過(guò) N個(gè)電極，其中對(duì)應(yīng)于N^2D/d。上述示例不限制對(duì)電極數(shù)量的選擇以及 對(duì)電極的配置。
以如下所述的方式來(lái)控制本申請(qǐng)的光學(xué)元件的傳遞函數(shù)。在電光材 料1內(nèi)部形成電場(chǎng)強(qiáng)度電壓的必要分布。
該電場(chǎng)強(qiáng)度電壓的必要分布可以通過(guò)電極4的幾何形狀實(shí)現(xiàn)，在電 極上施加電壓仏、U2。在圖2中示出用于形成空間非均勻的、非周期的 電場(chǎng)的電極的配置的一個(gè)示例。電場(chǎng)的非均勻性取決于電極之間的間距的 變化。在圖9中示出在圖2中所示的電極配置的電場(chǎng)強(qiáng)度分布。該電場(chǎng)的 最大可能有效值和與此相關(guān)的最大梯度取決于電擊穿Ebd的大小。
圖4示出通過(guò)這樣的系統(tǒng)組成來(lái)提高電場(chǎng)強(qiáng)度梯度的方法，所述系統(tǒng)組成以兩個(gè)電極對(duì)的形式也形成非均勻的電場(chǎng)，所述電極對(duì)之間的間距變
化。在每個(gè)電極對(duì)上施加分別具有相反極性的電壓仏、U2。圖IO示出對(duì)
應(yīng)于電極的這種配置的電場(chǎng)強(qiáng)度在電光材料內(nèi)部的分布。用于形成空間非
均勻的、非周期的電場(chǎng)的裝置是N個(gè)電極的形式，通過(guò)觸點(diǎn)在所述電極上 施加有電壓U，所述裝置能夠形成電場(chǎng)強(qiáng)度在電光材料內(nèi)部的不同分布， 并且特別重要的是，在此可以通過(guò)改變所施加的電壓的大小來(lái)改變電場(chǎng)強(qiáng) 度分布關(guān)系的形式。
如果在位于波導(dǎo)體一側(cè)上的電極上施加相同的電壓Up并且在位于波 導(dǎo)體另 一側(cè)上的電極上施加相同的電壓U2 ，則在電光材料中形成空間均勻 的電場(chǎng)(見(jiàn)圖12)。所述場(chǎng)致使布拉格相衍射光柵的傳遞函數(shù)在形狀不變 的情況下(見(jiàn)圖13)偏移(見(jiàn)圖11)。中心波長(zhǎng)的偏移的大小取決于所產(chǎn) 生的電場(chǎng)強(qiáng)度。電場(chǎng)EO對(duì)應(yīng)于中心波長(zhǎng)的在傳遞函數(shù)的寬度d上偏移(圖 13中的曲線c)。所使用電場(chǎng)的極性決定中心波長(zhǎng)的偏移方向。對(duì)應(yīng)于施 加的均勻電場(chǎng)Ebd和-Ebd的傳遞函數(shù)的中心波長(zhǎng)之間的間距D是中心波 長(zhǎng)可調(diào)諧性的整個(gè)波長(zhǎng)范圍。在光學(xué)元件的示例(見(jiàn)圖1)中形成所述的 空間均勻的電場(chǎng)。下面描述空間分布非均勻電場(chǎng)的最簡(jiǎn)單方法。這里，在 光柵的兩個(gè)半體上施加大小相同、但極化不同的電場(chǎng)(見(jiàn)圖14， 16)。如 果U!-O、 U2=-U3，電場(chǎng)強(qiáng)度的這種分布可以通過(guò)圖5所示的電極系統(tǒng) 形成。在此將布拉格相衍射光柵分成兩個(gè)具有偏移的中心波長(zhǎng)的光柵。在 波長(zhǎng)的偏移大小遠(yuǎn)大于傳遞函數(shù)寬度d的情況下，在疊加由光柵的兩個(gè)半 體反射的光射線時(shí)可以不考慮相位關(guān)系。在這種情況下，光學(xué)元件的傳遞 函數(shù)變成布拉格相衍射光柵的兩個(gè)半體的傳遞函數(shù)的疊加。在圖17中示出 這種情況的傳遞函數(shù)。該情況的更重要的意義在于，通過(guò)施加在光柵的不 同半體上的電場(chǎng)強(qiáng)度之差形成反射的光射線相位的差，所勤目位的差之差 等于7t(見(jiàn)圖14)。在光柵幅值小(ih/no《A/T)的情況下E^尸Eo中心波 長(zhǎng)的差別僅僅在于傳遞函數(shù)的寬度d。由光柵不同半體反射的中心波長(zhǎng)的 幅值相干地疊加，即，在考慮相位的情況下疊加。在這種情況下，在傳遞 函數(shù)的中心形成局部最小值(見(jiàn)圖15)。在這種情況下，光學(xué)元件使中心 波長(zhǎng)透過(guò)，而不反射所述中心波長(zhǎng)。該示例清楚地示出傳遞函數(shù)從"反射"狀態(tài)到"透過(guò)"狀態(tài)的電光控制方法。
在圖18中示出在將布拉格相衍射光柵分成八部分的情況下的電場(chǎng)強(qiáng) 度的空間分布。電場(chǎng)的這種分布可以通過(guò)如在圖6所示的電極系統(tǒng)形成。 在這種情況下，在施加的電壓之間實(shí)現(xiàn)以下關(guān)系U產(chǎn)Us， U2=U7， U3=U6， U4=U5。這里，在光柵的具有偏移的中心波長(zhǎng)的八個(gè)相互獨(dú)立的部分上折 射光。這致使疊加的反射系數(shù)減小，以及光鐠選擇性減小，即，抵消濾波 器的傳遞函數(shù)(見(jiàn)圖19)。
施加有均勻電場(chǎng)的光柵段的長(zhǎng)度減小會(huì)致使疊加的反射系數(shù)進(jìn)一步減 小，以及光傳選擇性減小。在用于形成空間非均勻的、非周期的外部電場(chǎng) 的裝置由N個(gè)電極組成的情況下，存在這樣的可能性，在光柵的N/2個(gè)部 分上形成一個(gè)獨(dú)立的電場(chǎng)(在光柵每個(gè)部分上在波導(dǎo)體的兩側(cè)上各2個(gè)電 極)。
由關(guān)系N^2D/d來(lái)選擇電極的最佳數(shù)量，即，為有效抵消衍射(減 小疊加的反射系數(shù)以及為減小光鐠選擇性)必需的是，使光柵分成N/2 個(gè)獨(dú)立部分。數(shù)量N取決于必需的選擇性通道數(shù)。
上面示出了如何通過(guò)施加空間非均勻的外部電場(chǎng)來(lái)改變光學(xué)元件 的傳遞函數(shù)形式。此外，示出了通過(guò)減小疊加的反射系數(shù)以及減小光鐠 選擇性來(lái)抵消布拉格相衍射光柵上的衍射的示例?？梢栽谡瓗Ч鈱W(xué)濾波 器、光學(xué)衰減器、光學(xué)調(diào)制器以及在相位分散補(bǔ)償器中使用本申請(qǐng)的光 學(xué)元件的傳遞函數(shù)的控制方法。但是上述的示例不限制傳遞函數(shù)控制的 可能應(yīng)用領(lǐng)域。附圖標(biāo)記列表
1 電路板
2 光波導(dǎo)體
3 布拉格相衍射光柵
4 電極
6 突起
7 凹陷
8 材料補(bǔ)償層
9 電絕緣材料
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)元件，該光學(xué)元件包括電光材料以及在該電光材料中形成的布拉格相衍射光柵，其特征在于，所述布拉格相衍射光柵(3)具有用于至少在所述光柵的部分長(zhǎng)度上沿光射線的傳播方向形成空間非均勻的、非周期的外部電場(chǎng)的裝置。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的光學(xué)元件，其特征在于，所述布拉格相衍 射光柵(3)形成于電光材料的光學(xué)波導(dǎo)體(2)中。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光學(xué)元件，其特征在于，所述布拉格 相衍射光柵(3)作為為沿光波導(dǎo)體(2)的光射線傳播方向的周期性的 突起(6)和凹陷(7)形成。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的光學(xué)元件，其特征在 于，所述布拉格相衍射光柵(3)具有包括補(bǔ)償光學(xué)材料(8)附加的層， 所述附加層的折射率或者與所使用的襯底的折射率相當(dāng)，或者與所述襯 底的折射率最多相差40%。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的光學(xué)元件，其特征在 于，所述用于形成空間非均勻的、非周期的外部電場(chǎng)的裝置設(shè)計(jì)成位于 布拉格相衍射光柵(3)兩側(cè)的兩個(gè)電極(4)的形式。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)或幾項(xiàng)所述的光學(xué)元件，其特征在 于，所述用于形成空間非均勻的、非周期的外部電場(chǎng)的裝置設(shè)計(jì)成位于 所述光柵兩側(cè)的兩個(gè)電極(4)的形式，其中所述兩個(gè)電極(4)之間的 間距沿射線傳播方向線性變化。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)或幾項(xiàng)所述的光學(xué)元件，其特征在 于，所述用于形成空間非均勻的、非周期的外部電場(chǎng)的裝置設(shè)計(jì)成彼此 電絕緣的四個(gè)電極(4)的形式，所述電極(4)成對(duì)地設(shè)置在所述光柵(3)的兩側(cè)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)或幾項(xiàng)所述的光學(xué)元件，其特征在 于，所述用于形成空間非均勻的、非周期的外部電場(chǎng)的裝置設(shè)計(jì)成彼此電絕緣的四個(gè)電極(4)的形式，所述電極(4)成對(duì)地設(shè)置在所述光柵 (3)的兩側(cè)，其中各電極對(duì)之間的間距沿射線傳播方向線性變化。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)或幾項(xiàng)所述的光學(xué)元件，其特征在 于，所述用于形成空間非均勻的、非周期的外部電場(chǎng)的裝置設(shè)計(jì)成彼此 電絕緣的至少三個(gè)電極(4)的形式，所述電極(4)設(shè)置在所述光柵(3) 的兩側(cè)，并設(shè)計(jì)成用于控制沿光射線傳播方向在所述光柵(3)的不同 位置上的電場(chǎng)強(qiáng)度。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)或幾項(xiàng)所述的光學(xué)元件，其特征 在于，所述用于形成空間非均勻的、非周期的外部電場(chǎng)的裝置設(shè)計(jì)成N 個(gè)電極(4)的形式，其中所述電極(4)的數(shù)量與式N^2D/d相一致。
11. 根據(jù)權(quán)利要求5、 6、 7、 8、 9、 IO所述的光學(xué)元件，其特征在 于，所述用于形成空間非均勻的、非周期的外部電場(chǎng)的裝置具有電絕緣 材料(9)層，所述電絕緣材料填充所有電極(4)之間的空間，該材料(9)用于加強(qiáng)施加在電極(4)上的電壓。
12. —種用于控制根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)元件的傳遞函數(shù)的方 法，該傳遞函數(shù)受到在所述光柵(3)的一部分上沿光射線傳播方向的 空間非均勻的、非周期的外部電場(chǎng)的影響，用以控制所述光柵的衍射效 率。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的用于控制光學(xué)元件傳遞函數(shù)的方法，其 特征在于，受到在所述光柵(3)的一部分上沿光射線傳播方向?qū)臻g 非均勻的、非周期的外部電場(chǎng)的影響，用以改變光柵的最大可能的衍射 效率。
14. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的用于控制用于光學(xué)元件傳遞函數(shù)的方 法，其特征在于，在所述光柵(3)的一部分上的電場(chǎng)強(qiáng)度矢量的方向 形成為與在所述光柵(3)的另一部分上的電場(chǎng)強(qiáng)度矢量方向相反。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種光學(xué)元件和該元件的傳遞函數(shù)的控制方法。應(yīng)用領(lǐng)域光學(xué)。光學(xué)元件具有由電光材料形成的或者嵌入附加層中的布拉格相衍射光柵(3)。沿光傳播方向該布拉格相衍射光柵(3)構(gòu)成為在波導(dǎo)體(2)的表面上的一系列的周期設(shè)置的突起(6)和凹陷(7)，配有補(bǔ)償層(8)和電絕緣材料層(9)。所述相衍射光柵(3)配有用于形成非均勻的、非周期的外部電場(chǎng)的裝置。
文檔編號(hào)G02B6/34GK101292185SQ200680038828
公開(kāi)日2008年10月22日 申請(qǐng)日期2006年9月16日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月19日
發(fā)明者M·彼得羅夫 申請(qǐng)人:斯韋特光學(xué)有限公司