專利名稱：光電子器件和光子器件的制作方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及光學(xué)或光子元器件，更具體為涉及由聚合物形成的光電子器件。
已知集成的光學(xué)器件(即，波導(dǎo)管、開關(guān)、連接線等)是由聚合物材料制造的，該聚合物材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)比器件的操作溫度范圍高得多。玻璃化轉(zhuǎn)變溫度是聚合物主鏈發(fā)生明顯的局部運動的溫度范圍。Tg通常被定義為大約10個主鏈單位的協(xié)同運動，或粘度為1014泊，或熱容的二級相變。體積隨溫度而變化的速率的斜率發(fā)生變化的溫度被認(rèn)為是玻璃化溫度，或軟化點。對

圖1和圖2所說明的粘彈性和特性的詳細(xì)描述見G.B.McKenna，第10章，綜合聚合物科學(xué)(Comprehensive Polymer Science)，第2卷，由C.Booth和C.Price，編寫，Permagon Press，Oxford(1989)。
當(dāng)交聯(lián)鍵之間的分子量足以允許主鏈單元的協(xié)同運動時，交聯(lián)的物質(zhì)顯示玻璃化轉(zhuǎn)變。因此，交聯(lián)度低的物質(zhì)會表現(xiàn)出玻璃化轉(zhuǎn)變；而交聯(lián)度高的物質(zhì)則不會。
在Tg以下，由于有限量的鏈段運動，聚合物質(zhì)達(dá)不到平衡。熱力學(xué)(熵)效應(yīng)仍然使變化趨于平衡，但如果溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于Tg，變化將以在所感興趣的時間范圍內(nèi)(本案中指觀察期)看不到實驗表現(xiàn)的緩慢速率發(fā)生。
過去之所以選擇具有高Tg的材料有幾方面的原因，包括與電子加工和包裝的兼容性，維持加入到材料中的生色團(tuán)的取向以及環(huán)境和性能的穩(wěn)定。使用高Tg材料(具有高于成套器件中的材料的操作溫度的Tg材料)保證器件在聚合物片段的局部運動受到明顯限制的區(qū)域工作并且材料在玻璃態(tài)使用。在最早開發(fā)的用于光電子器件的聚合物膜中，據(jù)認(rèn)為使用高Tg材料是必需的?！袄纾S多早期研究的EO聚合物，不論是客體-主體型還是側(cè)鏈型，均以熱塑性丙烯酸酯化學(xué)為基礎(chǔ)并且玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為100-150℃。這一低Tg導(dǎo)致聚合物鏈的高擴(kuò)散速率以及在環(huán)境溫度下運轉(zhuǎn)5年至少10％偏振狀態(tài)光學(xué)性質(zhì)的改變。這么快速的變化是動態(tài)過程的自然結(jié)果，通過該動態(tài)過程，玻璃態(tài)聚合物在接近Tg下運轉(zhuǎn)，發(fā)生物理老化和松弛從而降低了應(yīng)力并減少了自由體積。當(dāng)研究更高的操作溫度(125℃)時，光學(xué)性質(zhì)的穩(wěn)定性變得更差。”(摘自R.Lytel等人的評論論文，用于光波和集成光學(xué)器件的聚合物(Polymers for Lightwave and IntegratedOptics)，L.A.Hornak編著，Marcel Dekker 1992，460頁)。
為集成光電子設(shè)備所開發(fā)的高玻璃化轉(zhuǎn)變溫度材料包括由Hoechst，杜邦(DuPont)，阿莫科(Amoco)及其他公司開發(fā)的聚酰亞胺材料(玻璃化轉(zhuǎn)變范圍為250℃至適當(dāng)高于350℃)以及由日立化學(xué)(Hitachi Chemical)開發(fā)的聚喹啉(Tg高于250℃)。指導(dǎo)研究者的假設(shè)是“此類波導(dǎo)管的優(yōu)先性質(zhì)是具有高度的熱穩(wěn)定性以與高性能的電子器件構(gòu)造兼容。氟化的聚酰亞胺具有高于335℃的高玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，并且對包括焊接(約270℃)在內(nèi)的集成電路加工過程具有熱穩(wěn)定性。(T.Matsuura等人，Elect.Lett.29 2107-2108(1993))。
對用于熱-光轉(zhuǎn)換開關(guān)的聚合物的要求由R.Moosburger等人報道(Proc.21stEur.Conf.On Opt.Comm.(ECOC95-Brussels)1063-1066頁)?！坝捎谄涔逃械牡凸鈸p失，在高于350℃下熱穩(wěn)定，低吸濕性以及優(yōu)良的平面化性能，選擇用可購買到的高溫(Tg＞350℃)穩(wěn)定的聚合物CYCLOTENETM....CYCLOTENETM制造在1.3μm波長下的低損失開關(guān)?！睂Ρ粍邮焦鈱W(xué)互連聚合物的要求由DuPont為其PolyguideTM材料體系在R.T.Chen等人的SPIE Vol.3005(1997)238-251頁中報道，“高Tg和低熱膨脹系數(shù)(CTE)聚合物通過其完全控制PoluguideTM的結(jié)構(gòu)性質(zhì)而提供熱-力學(xué)和環(huán)境穩(wěn)定性以及性能的穩(wěn)定。”DuPont使用乙酸丁酸纖維素(CAB)材料，如美國專利5,292,620和5,098,804的描述。
除上述丙烯酸酯、聚酰亞胺、聚喹啉、苯并環(huán)丁烯和CAB材料體系外，用于制造集成光學(xué)器件的其他材料系包括軸節(jié)聚合物(C.Wu等，in Polymer for Second-Order Nonlinear Optics，ACS SymposiumSeries 601，356-367頁，1995)，環(huán)氧化合物(C.Olsen等，IEEE Phot.Tech.Lett.4，145-148頁，1992)，polyalkylsilyne和polysilyne(T.Weidman等，inPolymers for Lightwave and Integrated Optics，Op.Cit.195-205頁，1992)，聚碳酸酯和聚苯乙烯(T.Kaino，in Polymers for Lightwave and IntegratedOptics，Op.Cit.，1-38，1992頁)，聚酯(A.Nahate等，Appl.Phys.Lett.64，3371，1994)，聚硅氧烷(M.Usui等，J.Lightwave Technol.142338，1996)以及硅酮(T.Watanable et al.J.Lightwave Technol.16 1049-1055，1998)。聚甲基丙烯酸甲酯，聚苯乙烯和聚碳酸酯也被用于聚合物光學(xué)纖維(POFs)。聚碳酸酯被用做只讀光盤的基片，也被用于塑料的眼鏡鏡片、硬質(zhì)隱形眼鏡及相關(guān)應(yīng)用。硅酮被用于柔性隱形眼鏡。
幾位研究人員利用聚合物的熱效應(yīng)設(shè)計了光學(xué)開關(guān)器件。除R.Moosburger，Op.Cit.，的研究工作外，一個小組一直努力使一種使用數(shù)字光波導(dǎo)開關(guān)構(gòu)造的熱-光開關(guān)商品化(G.R.Mohlmann等，SPIEVol.1560 Nonlinear Optical Propertiea of Organic Materials Iv，426-433頁，1991)。在這一工作中，一種耐熱成分沉積在高玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的帶有一個波導(dǎo)y分支分流器的熱光聚合物層。加熱器電極的活化使在活化電極下折射率降低并導(dǎo)致光轉(zhuǎn)化為未活化的波導(dǎo)分支(branch)。
在針對用于熱-光集成的光學(xué)器件的聚合物的研究中獲得了本發(fā)明，觀察到由于材料的粘彈性行為而產(chǎn)生的非線性反應(yīng)。在熱-光器件反復(fù)轉(zhuǎn)換后，例如，聚合物在被加熱處開始表現(xiàn)出折射率的局部變化，干擾了開關(guān)的“關(guān)閉”狀態(tài)及其反應(yīng)時間。聚合物的粘彈性決定了材料對所應(yīng)用的熱或其他干擾的反應(yīng)的機(jī)械性能。這些性能決定了所施加的變化(例如熱、應(yīng)力、聲音激發(fā)等)在材料性質(zhì)(例如折射率、機(jī)械應(yīng)力等的變化)中所產(chǎn)生的的時間依賴型響應(yīng)的比例。任何真正的彈性作用通常都是線性的并且在停止所施加的變化時，彈性消失。然而，材料響應(yīng)的時間依賴型因素在移去所施加的變化后仍然滯留在材料中并且可能需要數(shù)分鐘至很長的時間恢復(fù)。如果材料的響應(yīng)導(dǎo)致器件運轉(zhuǎn)性能的退化，則退化可能會隨著時間而累積并導(dǎo)致器件不能滿足性能規(guī)格。
對于在通訊中使用的光學(xué)器件，此類行為是不受歡迎的，因為它可能降低介入損耗、抗串音以及其他對系統(tǒng)的誤碼率具有重要意義的性能措施。任何此類隨時間變化的因素都是電訊應(yīng)用中的問題，在電訊應(yīng)用中，可靠性和重復(fù)性是重要的并且在服務(wù)期間將遇到寬范圍的環(huán)境條件。為使熱-光轉(zhuǎn)換器件有效，材料在光學(xué)性質(zhì)上不應(yīng)表現(xiàn)出任何此類緩慢的改變。
本發(fā)明包括在操作溫度范圍高于Tg的一種光學(xué)器件中使用聚合物，其中，聚合物交聯(lián)鍵之間的片段允許局部的自由運動；然而，聚合物材料的交聯(lián)結(jié)構(gòu)可能限制材料的大規(guī)模運動。因此，按照本發(fā)明器件構(gòu)造的器件的操作溫度優(yōu)選遠(yuǎn)離Tg附近的粘彈區(qū)和低于Tg的玻璃化區(qū)；從而使得器件在粘彈效應(yīng)不會明顯影響材料體系以及降低或排除聚合物的時間依賴型反應(yīng)的范圍運轉(zhuǎn)。這樣，器件的運轉(zhuǎn)能夠?qū)崿F(xiàn)最低的退化并且表現(xiàn)出提高的性能特征。
參考下文的詳細(xì)描述并結(jié)合附圖能夠更好地理解本發(fā)明。
對附圖的簡單說明圖1是一種無定形聚合物材料的作為溫度函數(shù)的體積變化示意圖。
圖2是有效的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度概念示意圖，其中Tg值是測量速率的函數(shù)。
圖3是按照本發(fā)明的全內(nèi)反射(TIR)開關(guān)的透視圖。
圖4是沿軸線16-18表示圖3的TIR開關(guān)的核心層的橫斷面圖。
圖5表示TIR開關(guān)在一定時間內(nèi)的通量響應(yīng)的時間曲線，在該時間范圍內(nèi)開關(guān)被激活。
圖6表示現(xiàn)有技術(shù)中的TIR開關(guān)驅(qū)動響應(yīng)的時間曲線，該TIR開關(guān)由第一次脈沖和第30,000次激發(fā)后的脈沖的第一個激發(fā)能量激活。
圖7表示現(xiàn)有技術(shù)中的TIR開關(guān)驅(qū)動響應(yīng)的時間曲線，該TIR開關(guān)由第一次脈沖和第30,000次激發(fā)后的脈沖的第二個、更高的激發(fā)能量激活。
圖8表示現(xiàn)有技術(shù)中的TIR開關(guān)驅(qū)動響應(yīng)的時間曲線，該TIR開關(guān)由第一次脈沖和第30,000次激發(fā)后的脈沖的第三個、仍然是更高的激發(fā)能量激活。
圖9表示圖6-8的現(xiàn)有技術(shù)的TIR開關(guān)以及按照本發(fā)明的TIR開關(guān)所發(fā)生的介入損失曲線。
圖10表示按照本發(fā)明的TIR開關(guān)與傳統(tǒng)的TIR開關(guān)對比，其激活所要求的溫度曲線。
圖11是按照本發(fā)明的Mach-Zehnder調(diào)制器的透視圖。
圖12表示特殊形式的粘彈性外觀如何影響器件性能的退化。
圖13是按照本發(fā)明的Y形分支分流器的透視圖。
圖14是表示經(jīng)一定數(shù)量的運轉(zhuǎn)周期后，現(xiàn)有技術(shù)器件與圖13的器件的能量輸出曲線。
圖15是按照本發(fā)明的熱光光柵器件的透視圖。
按照本發(fā)明，利用了體積-溫度曲線中高于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的區(qū)域(圖1中的B區(qū))。在這一區(qū)域中，允許聚合物片段的局部自由運動。相應(yīng)地，重復(fù)運轉(zhuǎn)使得器件能夠以最低的或可以忽略的粘彈性效應(yīng)發(fā)揮功能，該粘彈性效應(yīng)對器件性能的過早損壞/退化具有影響。在優(yōu)選的實施方案中，聚合物材料的交聯(lián)結(jié)構(gòu)限制了大規(guī)模的運動。
在高于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)的區(qū)域運轉(zhuǎn)的原因是避免例如引發(fā)與在粘彈區(qū)(如上文描述)運轉(zhuǎn)相關(guān)的介入損失等負(fù)面效應(yīng)。然而，在諸如集成光學(xué)中的應(yīng)用，必須經(jīng)常對微觀區(qū)域進(jìn)行局部加熱以實現(xiàn)轉(zhuǎn)換和其他功能。對材料加熱，即使溫度升高凈值沒有超過Tg，也發(fā)現(xiàn)了會導(dǎo)致諸如折光率等材料性能的長期改變。例如，在諸如光學(xué)開關(guān)中多次循環(huán)施加熱脈沖后，這些變化會變得十分明顯。如果加熱是局部的，則折光率的改變也是局部的，從而產(chǎn)生不受歡迎的光學(xué)效應(yīng)，例如增加器件的介入損失。
按照本發(fā)明，公開了一類新型的光學(xué)器件，其物理性能與在先已知的性能存在著質(zhì)量上的區(qū)別，其中使用了聚合的光學(xué)材料，該器件的特征在于Tg與所預(yù)期運轉(zhuǎn)的溫度范圍的關(guān)系，特別在于其操作溫度接近或高于光學(xué)材料的Tg。通過在接近或高于光學(xué)材料Tg的溫度運轉(zhuǎn)器件，可能減少或甚至消除粘彈性的影響。如果操作溫度接近(稍微低于或等于)Tg，可能會減少粘彈性問題，如果操作溫度高于Tg，應(yīng)該不會發(fā)生由于粘彈性而引起的退化效應(yīng)的累積。這種新型的器件也表現(xiàn)出提高的性能以及允許更寬的運轉(zhuǎn)范圍。
在測量玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg以及與作為溫度函數(shù)的Tg相關(guān)的材料性能的實驗中，觀察到在測量中溫度變化的速率改變了結(jié)果。如圖2所表明，使用緩慢的溫度斜坡(速率2)所測量的Tg比以快速斜坡(速率1)所測量的Tg低。這種速率依賴型的Tg有時被稱為有效Tg。出于這些目的，Tg應(yīng)被視為以每分鐘10℃的速率在一個典型的商用DSC(差動掃描熱計)儀器上的測量值。然而，圖3熱-光開關(guān)的加熱速率在運轉(zhuǎn)中要比每分鐘10℃高得多。用于器件運轉(zhuǎn)的Tg是在器件運轉(zhuǎn)的速率下的有效Tg。
在圖2中，說明了速率依賴型的Tg概念。首先看上面的曲線，有效玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，Tg有效，被定義為在交點11的溫度，體積-溫度曲線斜率的13。在真正的材料(非理想化)中，如虛線15，16所表示，轉(zhuǎn)折并不明顯。觀察到轉(zhuǎn)折的位點是溫度變化速率的函數(shù)；速率1的曲線代表更快速的加熱或冷卻速；因此轉(zhuǎn)折點，或Tg1有效，在更高的溫度發(fā)生(即，如果速率1＞速率2，則Tg1有效＞Tg2有效)。對于溫度變化速率每個數(shù)量級的變化，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度大約變化3℃(McKenna，1989；或Viscoelastic Properties of Polymers by J.D.Ferry，第三版，Wiley，New York，1980)，這是一個很好的經(jīng)驗規(guī)則(例如，見T.A.Osswald和G.Mengens所著Materials Science of Polymers forEngineers，Hanser出版社，Munich 1995)。當(dāng)將在1毫秒內(nèi)可能變化高于10℃的熱-光器件與使用DSC在1℃/min下所測量的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度對比時，速率是十分重要的因素。在本案中，速率的差異約為6個數(shù)量級。根據(jù)經(jīng)驗規(guī)則，此類熱-光器件的有效Tg大約比使用DSC所測量的同等材料的Tg高18℃。一個非常快速的熱-光開關(guān)可能具有有效Tg比Tg高24℃。即使是在100毫秒內(nèi)溫度變動3℃的緩慢升高的熱-光開關(guān)，其有效Tg仍然比使用DSC在每分鐘1℃下所測量的Tg高大約9℃。
本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方案是如圖3所示的一個熱-光控制的光學(xué)聚合物波導(dǎo)TIR(全內(nèi)反射)器件100。作為一種熱-光器件，或者一種受溫度手段控制的輸送光能量的器件，其作為一種可轉(zhuǎn)換的光輻射偏轉(zhuǎn)器而發(fā)揮作用。使用透明的聚合物引導(dǎo)光線，即光線在該聚合物中以預(yù)期的運轉(zhuǎn)波長下以預(yù)定的最低衰減量傳播。
在圖3中，構(gòu)建了一種多層堆棧，即多層結(jié)構(gòu)由一層疊加在另一層上面形成，其中一種光學(xué)透明的聚合物下層的包層，2位于基片4上面。優(yōu)選下層的包層為通過旋涂沉積的聚合物?；蛘哒f，層2可以是一種無機(jī)材料或未交聯(lián)的有機(jī)材料。任何本領(lǐng)域的技術(shù)人員所熟知的沉降方法都可以被適當(dāng)?shù)剡x擇用于不同層的沉積?，F(xiàn)有技術(shù)中已知的光致抗蝕劑的平板印刷和RIE(活性離子蝕刻)過程的結(jié)合工藝可以被用于制作通過下面的包層2的溝槽5。核心層6，也旋壓在位于下面的包層之上并填充溝槽5。旋壓過程易于使表面平面化，填充溝槽5。第三個光學(xué)層，上面的包層10也是旋壓而成的。正如本技術(shù)領(lǐng)域已知，每層的厚度通過選擇旋壓速度而調(diào)整。層厚度分別為大約5μm，1.2μm，和1.4μm。加工完成后，實驗結(jié)構(gòu)中的三層4、6、10所使用的材料的折光率分別為1.488，1.522和1.422。溝槽深度為大約0.06μm，寬度為6μm，實現(xiàn)了在980nm單一模式的引導(dǎo)。
所使用的材料是Corning 1734玻璃基片4；Gelest UMS-992聚丙烯酸酯(Tg約為45℃)，下面的包層2；Norland Optical Adhesive(光學(xué)粘合劑)68(Tg＝35℃)，核心層6；Gelest UMS-182聚丙烯酸酯(Tg低于0℃)，上面的包層10。所有三種聚合物材料均按照制造商的指示使用UV固化步驟交聯(lián)。三種材料被選擇用于提高總體的立體穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性。然而，沒有發(fā)現(xiàn)如此構(gòu)建的器件的明顯的立體或化學(xué)不穩(wěn)定性的證據(jù)。
波導(dǎo)管是允許光波沿著一種光程傳播，不論衍射效應(yīng)及導(dǎo)管結(jié)構(gòu)的彎曲情況如何均通過其全長的任何結(jié)構(gòu)。雖然圖3中所表示的波導(dǎo)管片段(波導(dǎo)管12的預(yù)定部分)是直的，如果需要，波導(dǎo)管的形狀可以輕易地被限定成復(fù)雜得多的結(jié)構(gòu)。通過適當(dāng)?shù)貥?gòu)建用于限定蝕刻步驟中的光致抗蝕劑的掩模，包括曲線X和Y分支的波導(dǎo)管結(jié)構(gòu)，可以引入平行的耦合器。光學(xué)的波導(dǎo)管被定義為相對于周圍介質(zhì)而提高了折射率的所延伸的限定區(qū)長度。對光波引導(dǎo)或限制的強(qiáng)度依賴于波長、折射率差以及波導(dǎo)管的寬度。越強(qiáng)的限制通常會導(dǎo)致越窄的模式。波導(dǎo)管可能支持多種光模式或單一光模式，取決于限制的強(qiáng)度。通常，光模式由其偏振狀態(tài)的二維電磁幾何范圍及其波長所區(qū)分。如果光模式折射率的變化足夠低(例如n＝0.003)并且波導(dǎo)管足夠細(xì)(例如5.0μm)，則波導(dǎo)管在一定的波長范圍內(nèi)將僅含有一個單一的橫向模式(最低級的模式)。對于更大的折射率差異和/或更大的波導(dǎo)管物理尺寸，光模式的數(shù)量將增加。
這種性質(zhì)的波導(dǎo)管通常被稱為肋狀波導(dǎo)管。仔細(xì)地沿著核心層的厚度控制蝕刻溝槽的尺寸(肋深度和寬度)以控制傳輸模式的數(shù)量和形狀。優(yōu)選將波導(dǎo)管設(shè)計為僅支持一種單一的最低級的模式，消除與更高級的模式相關(guān)的復(fù)雜性。更高級的模式比更低級的模式具有不同的傳輸常數(shù)和更高的散射損耗，散射損耗在有些應(yīng)用中可能會成為問題所在。在其他要求更高能量的應(yīng)用中，更高級的模式可能更為有益。
在特殊的實施方案中，80/20NiCr的100nm層被真空噴鍍到最上面的包被層上，然后使用本領(lǐng)域中已知的標(biāo)準(zhǔn)平版印刷方法蝕刻，形成圖案式結(jié)構(gòu)，例如加熱器帶8。控制系統(tǒng)19，在本實施例中是溫度控制系統(tǒng)(電源)，控制熱激發(fā)元件，該元件是耐熱元件8。耐熱元件的取向與其下面的波導(dǎo)管通道5形成一個傾斜的角度(大約幾度)?？刂圃ㄟ^高頻發(fā)熱電極9向加熱元件提供足量的電流，高頻發(fā)熱電極在加熱元件8末端的一個擴(kuò)大的區(qū)域上方被制成一個薄的鍍金層，從而可以實現(xiàn)所要求的操作溫度。耐熱元件8是一個激發(fā)器，因為其對所施加的電流的反應(yīng)產(chǎn)生了器件溫度的變化。從控制系統(tǒng)產(chǎn)生并控制引起器件運轉(zhuǎn)的電流的意義上說，控制系統(tǒng)19是激發(fā)器的重要部分。由于熱能量在一個很短的脈沖內(nèi)施加，在開關(guān)100中所實現(xiàn)的作為時間函數(shù)的溫度升高實質(zhì)上獨立于諸如器件溫度等外部因素；其時間依賴性由其在器件中的擴(kuò)散所決定。耐熱元件8是一種導(dǎo)電材料，例如金屬(在優(yōu)選實施方案中是鎳-鉻合金)或其他沉積于上面的包層的適當(dāng)?shù)膶?dǎo)電材料。也可以通過化學(xué)氣相沉積或其他涂敷此類材料的適當(dāng)?shù)募夹g(shù)實現(xiàn)沉積。在金屬電極的情況下，最好是在電極下面加入一種額外的包層以減少光學(xué)損失，當(dāng)一部分制導(dǎo)的波型(guidedwave mode)延伸至金屬電極以外時發(fā)生該光學(xué)損失。
將加熱元件的長度制成800μm是為了充分地延伸至加熱元件通過波導(dǎo)管的區(qū)域之前或之后，因此，加熱元件的活化會在聚合物中產(chǎn)生溫度變化，該溫度變化能夠在波導(dǎo)管中以漸逝場的模式被感受到。
選擇加熱元件的寬度大約為20μm是為了防止或顯著減少通過波導(dǎo)管的加熱區(qū)的光輻射的光隧道效應(yīng)。光隧道效應(yīng)是來自高折射率區(qū)域的光在通過低折射率區(qū)進(jìn)入高折射率區(qū)時的光耦合。通常，光隧道效應(yīng)的長度取決于制導(dǎo)光線的波長、在加熱區(qū)域中折射率的變化量以及加熱波導(dǎo)管區(qū)域的長度。
使用一種冷卻元件實現(xiàn)向平衡溫度的回歸。冷卻元件可以是通過對流、傳導(dǎo)或輻射(例如熱-電冷卻器，散熱器、熱導(dǎo)管)幫助轉(zhuǎn)移熱能的任何元件。冷卻元件調(diào)節(jié)附加在熱-光器件的任何元件的額定操作溫度。在優(yōu)選實施方案中，由于較低的熱負(fù)載，我們使用一種玻璃基片作為冷卻元件。根據(jù)應(yīng)用情況，可以使用諸如陶瓷、硅或甚至金剛石等具有更高熱傳導(dǎo)率的基片，也可以使用有源的散熱方法，例如Peltier效應(yīng)(TE)冷卻器，蒸汽芯冷卻器或水冷卻器或強(qiáng)制通風(fēng)熱交換器。這些冷卻元件的效果是提供熱能量的散熱通道，從而器件可以連續(xù)運轉(zhuǎn)或按照要求間歇運轉(zhuǎn)，但仍然保持在操作溫度范圍內(nèi)。
操作溫度是在由光學(xué)通道通過的區(qū)域中的聚合物層的溫度，是在長于熱激發(fā)元件的光學(xué)響應(yīng)時間而短于器件以外的環(huán)境發(fā)生變化時間的時間范圍內(nèi)的平均值。優(yōu)選將操作溫度控制在所要求的范圍內(nèi)，該范圍是由帶有反饋回路的傳感器通過調(diào)整加熱器或冷卻器的運轉(zhuǎn)而維持傳感器中所要求溫度(例如，降低操作溫度)而確定，這是本領(lǐng)域已知的技術(shù)?？刂苹芈房梢园槊}沖率等發(fā)生變化的效應(yīng)而作出準(zhǔn)備的前饋。最低操作溫度是包括任何熱控制回路在內(nèi)的器件適當(dāng)運行所允許的最低操作溫度，當(dāng)周圍環(huán)境在溫度、濕度等范圍內(nèi)變化時，是器件運轉(zhuǎn)所指定的值。
當(dāng)加熱元件被激活時，來自加熱元件的熱能擴(kuò)散至周圍的聚合物層中并提高聚合物的溫度，同時通過熱-光效應(yīng)降低受熱聚合物的折光率。鄰近加熱元件的聚合物區(qū)域由于單位面積從加熱元件所吸收的熱能高于遠(yuǎn)離加熱元件的區(qū)域，因此，其溫度升高更多。圖4示意性地表示在開關(guān)活化期間，聚合物核心層折射率空間變化的俯視圖。如圖所示，以區(qū)域22為例，該區(qū)域鄰近加熱元件(未標(biāo)明)，其折射率比遠(yuǎn)離加熱元件的區(qū)域24低。
如果受熱聚合物的折射率變化足夠大并且在加熱元件與波導(dǎo)管之間的角度14足夠小，則在波導(dǎo)管中傳播的光輻射為在界面20的全內(nèi)反射，稱為TIR界面并且如光束17所表示的光輻射從肋式波導(dǎo)管上偏離。雖然光線17在由溝槽5所限定的區(qū)域以外的核心層所形成的平面波導(dǎo)中傳播，偏離的光線17大部分在光學(xué)上被垂直限定在核心層6中。經(jīng)轉(zhuǎn)化活化而偏離波導(dǎo)管的光線可以被利用、收集或使用光柵、鏡子、透鏡或任何其他本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的方法改變路線，該路線在層6(圖3)所限定的平面內(nèi)或外傳播。
偏離的光線17可以進(jìn)行多項應(yīng)用，例如光線路由器、傳感器和調(diào)制器?？梢匝刂鴨我坏牟▽?dǎo)管安裝多個加熱元件，以在任何波導(dǎo)管-加熱元件鄰近的區(qū)域使光線偏離波導(dǎo)管。此外，可以根據(jù)討論中的應(yīng)用，在一排波導(dǎo)管上下安裝一個或一排加熱元件。
光通量作為光線18的光強(qiáng)度的度量，光線18在經(jīng)過TIR開關(guān)100后從波導(dǎo)管中出現(xiàn)。作為TIR反射的結(jié)果，光通量由于加熱元件的活化而降低。由于肋狀波導(dǎo)TIR開關(guān)的反射光線必須克服橫向波導(dǎo)管的限制，在同等水平的激發(fā)下，肋狀波導(dǎo)TIR開關(guān)的效率可能不如平面波導(dǎo)開關(guān)的效率高。(平面波導(dǎo)開關(guān)按照如上述圖3所描述的同樣的方法制造，但不制造溝槽；輸入光線僅限定在與層6的平面垂直的一維)。
圖5a是對作為時間函數(shù)的波導(dǎo)管通量的描述。圖5b表示開關(guān)由電流脈沖92所控制，電流脈沖在時間t9提供最大電流并持續(xù)至?xí)r間t10，然后恢復(fù)到初始狀態(tài)。如圖5b所示，控制電流脈沖在時間t9開始，在時間t10結(jié)束，但開關(guān)的光響應(yīng)(通量)不是即時的。圖5c表示在一個低于加熱元件的指定深度通過一個單一熱能脈沖的傳輸而引發(fā)的折射率的變化。作為施加電流脈沖92的結(jié)果，聚合物材料的折射率分布94作為時間的函數(shù)變化。當(dāng)光模式所發(fā)生的折射率中斷向全內(nèi)反射(TIR)所要求的水平或高于該水平發(fā)展，則光線將由于該中斷而發(fā)生偏離，如圖5a所示通量下降?？梢钥吹?，要求預(yù)先確定的時間允許開關(guān)對通過電流脈沖的方式向其所提供的熱量作出響應(yīng)，因此指數(shù)的變化將使得轉(zhuǎn)換在時間t11時發(fā)生，引發(fā)波導(dǎo)管的通量從TP值下降到TA值。還可以看到，要求預(yù)先確定的時間允許開關(guān)在散熱后得到松弛，從而使聚合物材料指數(shù)的變化使反射下降，波導(dǎo)管的通量在時間t12時又一次升高(或?qū)嶋H上接近)其起始值TP。如圖所示，聚合物材料要求更長的時間對移去熱源作出響應(yīng)，因而也需要更長的時間將其折射率恢復(fù)到起始狀態(tài)。光通量回復(fù)到平衡所需的時間被稱為衰變時間。在這里，衰變時間(t12-t11)比控制脈沖的時間(t10-t9)長。
當(dāng)僅有設(shè)定的最低量的光線從波導(dǎo)管中偏離時，此時所設(shè)計的開關(guān)條件為“關(guān)閉”狀態(tài)。當(dāng)開關(guān)處于“關(guān)閉”狀態(tài)時，光線在波導(dǎo)管的全長傳播，沒有受到實際干擾。這一條件在開關(guān)被活化之前和去活化之后發(fā)生。通常，材料對加熱元件所輸送的熱能的響應(yīng)受到熱量通過聚合物的熱速率的限制。這意味著所觀察到的開關(guān)的光線在時間上相對于電流通過加熱元件的流動而被延遲，該延遲取決于聚合物層的熱穩(wěn)定性和多層堆棧元件的實際厚度。當(dāng)最初活化的開關(guān)被去活化時，光響應(yīng)的時間相對于電流停止通過加熱元件的時間被延遲。
開關(guān)的保真度為理解本發(fā)明，評述聚合材料的特定性質(zhì)是有幫助的。在線性系統(tǒng)中，系統(tǒng)對隨機(jī)的輸入信號的響應(yīng)由輸入信號與系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)共同作出。這一系統(tǒng)脈沖響應(yīng)允許精確地描述系統(tǒng)性能，而不需要在每次改變輸入激發(fā)時測量系統(tǒng)的響應(yīng)。在輸入來自熱源的聚合物系統(tǒng)中，具有來自粘彈性效應(yīng)的傳統(tǒng)的重要影響，該效應(yīng)導(dǎo)致系統(tǒng)脈沖響應(yīng)的變化，因此改變了對特定輸入信號的系統(tǒng)響應(yīng)。在此種情況下，實際的系統(tǒng)響應(yīng)不等于以系統(tǒng)脈沖響應(yīng)測量為基礎(chǔ)所預(yù)測的響應(yīng)，可以說，預(yù)期信號重復(fù)性的保真度受到了損害，或者系統(tǒng)響應(yīng)失真。圖6至圖8所表示的數(shù)據(jù)表明由于粘彈性行為而導(dǎo)致的響應(yīng)變化，并且如下文將要說明的，是一種介入損失的跡象。圖6特別表示通過一個含有2-度熱-光TIR開關(guān)的波導(dǎo)管的光傳輸，其中施加于加熱器的熱脈沖為200pJ/μm2，加熱器帶的尺寸為16μm寬，1300μm長，其中的材料是Ablestick L4092環(huán)氧樹脂，Epoxy-lite R46聚氨酯以及EpotekUV0134環(huán)氧樹脂，用于厚度分別為5.0μm、1.2μm和1.4μm的三層堆棧上，遠(yuǎn)離基片讀數(shù)并在室溫附近運轉(zhuǎn)。熱脈沖持續(xù)20微秒，在100微秒開始。由于熱脈沖與開關(guān)的通量響應(yīng)相比很短，所測量的響應(yīng)實際上等于系統(tǒng)的驅(qū)動響應(yīng)。在這一能量水平上，在10分鐘頻率為50Hz的脈沖(30,000次脈沖)后的脈沖響應(yīng)與第一次脈沖后的脈沖響應(yīng)是一樣的。因此，圖6表示一種具有優(yōu)良的保真度和低失真度的線性系統(tǒng)的實施例。在與圖6同樣的條件，但使用更高的熱脈沖能量密度水平350pJ/μm2，圖7表示在30,000次脈沖后，脈沖響應(yīng)退化(退化)。波導(dǎo)管傳輸(見開關(guān)響應(yīng)之前)被減少到其在先值的大約90％(介入損失大約為0.5dB)，并且衰減時間被退化到更長。為啟動強(qiáng)粘彈性響應(yīng)，其中的聚合物材料被在高于閾值的條件下驅(qū)動。因此，在本波導(dǎo)管堆棧中的閾值為200pJ/μm2和350pJ/μm2之間。如在此范圍使用，閾值是指就所關(guān)心的數(shù)量，在低于閾值時沒有明顯變化，而在高于閾值時觀察到變化。作為材料粘彈性響應(yīng)的結(jié)果，在開關(guān)加熱器帶附近的聚合物獲得了折射率的變化或“集”，其持續(xù)的時間比轉(zhuǎn)換脈沖的時間(20毫秒)長。該指數(shù)集使得開關(guān)在以前完全“關(guān)閉”的狀態(tài)下被部分“開啟”，即使在“關(guān)閉”狀態(tài)下將大約10％的光反射出波導(dǎo)管。此外，聚合物的衰減時間由對高于閾值激發(fā)的粘彈性響應(yīng)所減緩。使用更高的激發(fā)水平480pJ/μm2，圖8表示一個由更明確的粘彈性行為所控制的響應(yīng)實施例?，F(xiàn)在的介入損失大約為1.5dB，信號失真表明了一種包括響應(yīng)時間減慢和多時間響應(yīng)的復(fù)雜行為。
在圖8的極端案例中，在脈沖響應(yīng)中出現(xiàn)的多峰表明，與如圖6所示在低于閾值運轉(zhuǎn)的器件相比，存在額外頻率成分被引入到對隨機(jī)信號的開關(guān)響應(yīng)中。這些額外的頻率成分向轉(zhuǎn)換反應(yīng)中引入了一種不希望的失真。
根據(jù)本發(fā)明，可以通過維持材料的溫度高于Tg而明顯減少或消除不受歡迎的行為，因為此類行為依賴于材料的粘彈性響應(yīng)。方法是選擇具有低于操作溫度的Tg的光學(xué)波導(dǎo)管材料或者將操作溫度提高到高于材料的Tg。
在實質(zhì)上類似的運轉(zhuǎn)條件下重復(fù)運轉(zhuǎn)周期，關(guān)于開關(guān)響應(yīng)保真性的其他性質(zhì)(例如圖5a中所表示的上升時間t5，下降時間t7，活化溫度以及轉(zhuǎn)換延遲時間t8)可以保持實際上不發(fā)生變化。
開關(guān)的介入損失按照本發(fā)明，使用一種或多種材料制造圖3的三層堆棧，在高于Tg的溫度消除或明顯減少幾種與聚合物材料的粘彈性行為相關(guān)的性能問題。
在低于材料的Tg或有效Tg的溫度，熱激發(fā)導(dǎo)致加熱元件附近的聚合物相對于轉(zhuǎn)換周期發(fā)生持久的折射率改變。這一不需要的折射率改變會產(chǎn)生一系列不受歡迎的效果。這一問題是由于時間依賴型的片段運動所引起的。熱輸入能量激發(fā)聚合物鏈遠(yuǎn)離其最初的狀態(tài)。然而，在一個很短的時間后，隨著溫度的降低，聚合物鏈達(dá)到準(zhǔn)平衡(低運動狀態(tài))，但處于與先前相比潛在的不同構(gòu)型狀態(tài)。這一鏈構(gòu)型的變化可能導(dǎo)致密度的變化并進(jìn)一步導(dǎo)致折射率和其他材料性能的變化。大的單一脈沖或多級小脈沖可能導(dǎo)致材料折射率的明顯改變。然而，我們還發(fā)現(xiàn)在材料的粘彈性響應(yīng)中存在著有利的變化，由于操作溫度接近或高于Tg，從而減少(或消除，即減少到在器件的使用期內(nèi)看不到任何影響)長期恒定的折射率變化的數(shù)值。有些粘彈性性質(zhì)在高于交聯(lián)的聚合物材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時消失。
在橫穿集成光學(xué)器件中所觀察到的額外損失與同等長度的未受干擾的波導(dǎo)管相比被稱為器件的活性介入損失。特別地，參照圖4，當(dāng)開關(guān)開啟時，沿被耦合到波導(dǎo)管通道5的軸線16的輸入光線反射出TIR界面20并在波導(dǎo)管外傳輸，形成了沿軸線17的偏離的輸出光線。當(dāng)開關(guān)關(guān)閉時，軸線16的輸入光線應(yīng)通過界面?zhèn)鬏敳⒗^續(xù)沿著波導(dǎo)管前進(jìn)，形成沿軸線18的未偏離的輸出光線。在開關(guān)活化前，由于TIR界面的折光率差別低，優(yōu)選在關(guān)閉狀態(tài)下的反射很低。優(yōu)選“關(guān)閉”開關(guān)實際上看不到光線在波導(dǎo)管中的傳輸，在輸入導(dǎo)向中產(chǎn)生極低的損失。當(dāng)輸入波導(dǎo)管是許多開關(guān)的總線時，特別需要低的介入損失。在關(guān)閉狀態(tài)下的TIR開關(guān)區(qū)當(dāng)首次建造時，可能具有可以忽略的介入損失，但作為熱激發(fā)結(jié)果的長期恒定的折光率改變能夠明顯地提高介入損失。
在一項實驗中，使用了一種具有比操作溫度幾乎高出120℃的Tg的核心材料。TIR開關(guān)與波導(dǎo)管軸線的角度為2度。TIR開關(guān)的制造材料為下面的包被層使用Ablestick L4092環(huán)氧樹脂(Tg＝53℃)，核心層使用Epoxy-lite R46聚氨酯(Tg＝150℃)，頂部包被層使用Epo-tekUV0134環(huán)氧樹脂(Tg＝148℃)，厚度分別為5μm，1.2μm，1.4μm，玻璃基片。圖6-8表示分別以200，350和480pJ/μm2的能量激活該開關(guān)，所測量的作為時間函數(shù)的通量變化。
圖6特別表示使用200pJ/μm2能量激活的開關(guān)第一個周期運轉(zhuǎn)的波導(dǎo)管通量以及在以50Hz頻率循環(huán)10分鐘后(30,000次脈沖)同一開關(guān)的波導(dǎo)管通量。經(jīng)過10分鐘的脈沖后，TIR轉(zhuǎn)換的波導(dǎo)管的響應(yīng)實際上等于其第一次運轉(zhuǎn)周期的響應(yīng)。從這一數(shù)據(jù)，我們得出該能量密度低于由材料的粘彈性響應(yīng)所引起的退化的閾值這一結(jié)論。
圖7表示使用350pJ/μm2能量激活的TIR開關(guān)的波導(dǎo)管的波導(dǎo)管通量，由粘彈性響應(yīng)所引起的退化在該能量水平開始發(fā)生。以50Hz循環(huán)10分鐘后，波導(dǎo)管通量TPK(大約在開關(guān)激活前的100微秒測量)與首次脈沖前所測量的通量TPJ相比降低了。這一波導(dǎo)管通量的差異為由熱循環(huán)所引發(fā)的介入損失。額外的損失是因為由加熱元件區(qū)域所引發(fā)的折光率的長期改變而發(fā)生，我們將其歸因于聚合物的粘彈性響應(yīng)。圖8表示使用更高的能量，480pJ/μm2激活的類似TIR開關(guān)的波導(dǎo)管通量，該能量相應(yīng)地導(dǎo)致更大的介入損失(在30,000次脈沖后，約損失26％)。
圖9是將圖6-8計算出的介入損失作為開關(guān)能量密度的函數(shù)重新繪制的曲線。如圖所示，在以一定的能量激活開關(guān)前，介入損失可以忽略。高于200pJ/μm2附近的M點的一定的開關(guān)能量密度，所觀察到的介入損失隨開關(guān)激活能量的增加而增加?？捎^察到介入損失隨開關(guān)激活而增加的能量是由粘彈性效應(yīng)所引起的退化的起點或閾值M。由粘彈性響應(yīng)所引起退化的閾值至少與時間、溫度和能量值有關(guān)。
圖9的曲線K表示所測量的TIR開關(guān)的介入損失，該開關(guān)使用了如上文涉及圖3所描述的優(yōu)選的低Tg聚合物。由粘彈性效應(yīng)所引起的退化閾值的起點在實際上更高的能量點N，400pJ/μm2附近發(fā)生。圖9的更高的閾值導(dǎo)致在以明顯低于閾值的點，如250pJ/μm2運行器件時，在器件的運轉(zhuǎn)期內(nèi)可以忽略折光率的變化。在這一運行點上，不能使用高Tg材料制造的傳統(tǒng)器件(即，在運轉(zhuǎn)期內(nèi)表現(xiàn)出可以測量的折光率變化)。我們通過將上面的包被層的Tg降低至明顯低于器件的操作溫度以及將核心層的Tg降低至接近操作溫度而實現(xiàn)了器件性能的改進(jìn)。在我們的單脈沖數(shù)據(jù)中，應(yīng)當(dāng)注意到操作溫度是室溫，23℃。在我們的多脈沖數(shù)據(jù)中，操作溫度被提升至高于室溫，降低對所觀察響應(yīng)的時間依賴型的粘彈性貢獻(xiàn)，減少折光率的長期恒定改變。據(jù)預(yù)計，對于50Hz的運轉(zhuǎn)，脈沖能量密度從200pJ/μm2升至1000pJ/μm2，溫度升高的范圍是高于室溫0-50℃。在多脈沖數(shù)據(jù)中，因此，我們在至少高于其Tg33℃的溫度運轉(zhuǎn)上面的包被層。根據(jù)我們開關(guān)響應(yīng)的時間依賴性，我們的有效Tg是高于Tg約21℃，因此包被層在至少高于其有效Tg11℃的溫度運轉(zhuǎn)。我們在低于Tg大約2℃和低于其有效Tg大約23℃的溫度運轉(zhuǎn)核心層。下面的包被層在低于Tg大約12℃和低于其有效Tg大約33℃的溫度運轉(zhuǎn)。
在本發(fā)明的器件中，與加熱器帶直接相鄰的上面包被層的材料經(jīng)歷了最大的溫度變化。由于熱輻射，核心層和下面的包被層經(jīng)歷的溫度變化較低。出于這一原因，上面的包被層的Tg應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于操作溫度。做到這一點，產(chǎn)生了圖9所表示的明顯改進(jìn)。通過降低核心層和下面的包被層材料的Tg，可以獲得進(jìn)一步的改進(jìn)。由于材料在高于Tg的操作溫度不表現(xiàn)或表現(xiàn)出很少的粘彈性響應(yīng)，據(jù)預(yù)計，上面的包被層的長期恒定的指數(shù)變化能夠被避免或降低。在圖9中所觀察到的閾值與核心和/或底部包被層的貢獻(xiàn)也有關(guān)。最好的方式是提供具有有效Tg低于器件的操作溫度的核心和下面的包被層材料。使用下面所描述的經(jīng)驗規(guī)則，如果保持操作溫度高于Tg或有效Tg20℃，可以預(yù)期將不會出現(xiàn)粘彈性效應(yīng)。
優(yōu)選上面的包被層材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度最低，下面的包被層最高。這一安排允許由熱轉(zhuǎn)換脈沖所產(chǎn)生的任何應(yīng)力(與機(jī)械或裝配相關(guān))或相關(guān)的干擾被輕易地通過堆棧轉(zhuǎn)移并被轉(zhuǎn)移至轉(zhuǎn)換發(fā)生和光線被制導(dǎo)的區(qū)域。能量被很有效地消耗在具有高流動性(和低玻璃化轉(zhuǎn)變溫度)的材料中，因此，正如干擾通過堆棧傳輸，應(yīng)力和其他力也被驅(qū)向下面的包被層。
圖1中的粘彈區(qū)(C)位于彈性區(qū)(B)和可塑區(qū)(A)之間。粘彈性是指聚合物樣品的變形，該變形依賴時間全部或部分可逆，該變形與聚合物鏈的扭曲或相關(guān)的現(xiàn)象有關(guān)，聚合物鏈的扭曲是通過包括圍繞化學(xué)鍵的旋轉(zhuǎn)在內(nèi)的活化的局部運動而發(fā)生的。粘彈性效應(yīng)通常在Tg附近或低于Tg的溫度范圍被觀察到，并被證實是聚合物材料的一種時間依賴型的響應(yīng)。材料明顯地受到應(yīng)力速率或加熱速率的影響。例如，以一個恒定的應(yīng)力速率達(dá)到最終應(yīng)力值的時間越長，則相應(yīng)的應(yīng)力越大。粘彈性區(qū)域的確切界限難以定義并且與具體應(yīng)用有關(guān)。一個普通的經(jīng)驗規(guī)則是在一個普通的實驗時間標(biāo)度內(nèi)，在低于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度20℃和高于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度20℃的范圍觀察到了粘彈性效應(yīng)。確切的溫度范圍是聚合物的化學(xué)性質(zhì)、樣品的幾何形狀以及實驗或運轉(zhuǎn)中的溫度變化率的函數(shù)。曾在低于Tg120℃的溫度觀察到粘彈性效應(yīng)。詳細(xì)的討論見上文所引用的Ferry的著作。在本文件范圍內(nèi)，術(shù)語粘彈性包括涉及分子運動的材料的線性和非線性響應(yīng)。由于熱激發(fā)引發(fā)分子運動，粘彈性響應(yīng)是熱-光器件所特別關(guān)注的。
在選擇構(gòu)建熱光器件的材料時，應(yīng)按照圖2的描述觀察敏感率。對于迅速循環(huán)的器件而言，為使材料不受粘彈性作用影響，其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度需要處于低于Tg的額外數(shù)值。因此，器件運轉(zhuǎn)的速度越快或者活化或“開啟”的時間越短，這一效果就會越重要。例如，一個納秒脈沖的器件大約具有10個數(shù)量級的速率效應(yīng)，或者其有效的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度比Tg高30℃。術(shù)語“整體”或“大規(guī)模(宏觀)”玻璃化轉(zhuǎn)變溫度被用于描述使用緩慢的方式(例如膨脹測定法)所測量的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。這是在手冊和文獻(xiàn)中經(jīng)常看到的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度；通常，如果玻璃化轉(zhuǎn)變數(shù)據(jù)沒有提供速率信息，則表示該數(shù)據(jù)是在反應(yīng)整體或平衡類似性質(zhì)的足夠緩慢的條件下測量的。
如果一個器件使用了一種整體或準(zhǔn)平衡的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為60℃的聚合物并且在微秒的時間量級上進(jìn)行轉(zhuǎn)換(7個數(shù)量級的速率效應(yīng)變化)，則有效玻璃化轉(zhuǎn)變溫度應(yīng)為80℃。使用準(zhǔn)平衡方法測量的dn/dT表明dn/dT提高了大約60℃(如圖1所示)，因此，我們可以得出結(jié)論高于60℃運轉(zhuǎn)的器件應(yīng)表現(xiàn)出提高的熱-光效應(yīng)。然而，在一個迅速轉(zhuǎn)換的器件中，器件的操作溫度不得不提高大約80℃才能看到此種性能的提高。
在高于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度下運轉(zhuǎn)器件是一個潛在的問題。未交聯(lián)的材料在高于Tg下失去形狀的穩(wěn)定性并發(fā)生流動。這一問題在實踐中可以通過使用含有剛性結(jié)構(gòu)材料的物質(zhì)環(huán)繞在材料周圍解決，維持其形狀并防止其流動。或者，可以在不使用環(huán)繞結(jié)構(gòu)，而是通過材料的交聯(lián)，例如溶膠-凝膠，交聯(lián)的聚合物等解決此問題。交聯(lián)的聚合物是由多官能團(tuán)的單體/聚合物形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。在一種松散交聯(lián)的材料中，與鏈段鏈運動的小規(guī)模運動相關(guān)的局部自由運動被保留下來，但大規(guī)模的運動(流動)由發(fā)散的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的限制所防止。延伸至整個最終制品的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)是熱穩(wěn)定的，并且在線性聚合物發(fā)生流動或熔化的條件下不會流動或熔化。在交聯(lián)體系中很容易達(dá)到在低至零下100℃才發(fā)生玻璃化轉(zhuǎn)變；玻璃化轉(zhuǎn)變的存在表示聚合物鏈保留了中等至高度的局部運動同時交聯(lián)阻止了流動。通過運轉(zhuǎn)由本方案中的交聯(lián)的聚合物材料所制成的光學(xué)器件，可以利用有利的粘彈性行為而不損失形狀穩(wěn)性。交聯(lián)材料的化學(xué)穩(wěn)定性也比相對于未交聯(lián)的材料得到了提高。例如，較低的溶劑穿透性降低了溶解性，較高的官能度限制了在使用中可能引起分解或退化的殘基反應(yīng)位點，并且環(huán)狀材料具有穩(wěn)定的吸水和吸溶劑性。
粘彈性效應(yīng)通過例如，如上文所描述的引起波導(dǎo)管中的光通量隨時間而改變，和/或影響開關(guān)的上升、下降和停留時間而對光學(xué)轉(zhuǎn)換器件的退化產(chǎn)生影響。粘彈性效應(yīng)能夠限制器件的運轉(zhuǎn)范圍以及限制使用規(guī)格并進(jìn)一步限制器件的穩(wěn)定性和使用壽命。為了制造和運轉(zhuǎn)成功的光學(xué)器件，必須降低或消除器件運轉(zhuǎn)條件下的粘彈性效應(yīng)。導(dǎo)致核心層和包被層材料性質(zhì)的長期(持續(xù))變化的粘彈性效應(yīng)也可能對失敗的模式，例如介入損失，產(chǎn)生影響。其他需要考慮的退化機(jī)理包括疲勞、頻率漂移和老化。
疲勞在遭受動力應(yīng)力和脈動應(yīng)力的結(jié)構(gòu)中發(fā)生(類似熱-光聚合物器件中的反復(fù)熱循環(huán)所發(fā)生的情況)。與那些未交聯(lián)的聚合物相比，交聯(lián)聚合物的疲勞極限和疲勞壽命更大。在彈性、交聯(lián)聚合物中，疲勞和頻率漂移(緩慢的連續(xù)失真)都被降低或消除。
熱過程在確定粘彈性和熱機(jī)械行為中是一項重要的參數(shù)。例如，在將無定形聚合物從高于Tg淬火的過程中，自由體積或局部運動增加，這一點促進(jìn)了松弛和恢復(fù)。聚合物低于Tg的退火減少了自由體積和焓，增加了屈服應(yīng)力并降低了斷裂韌性。(這種被稱為老化的現(xiàn)象在聚合物研究的文獻(xiàn)中有詳細(xì)的描述；例如參見Physical Aging ofPolymers by John M.Hutchinson，Prog.Polym.Sci.，Vol.20，703-760，1995)。老化是指聚合物的性質(zhì)隨時間變化，包括脆化、指數(shù)變化、密度變化以及能夠引起光學(xué)器件退化的因素。
引起性能退化的其他因素包括機(jī)械應(yīng)力松弛和加工過程引發(fā)的殘余應(yīng)力，該殘余應(yīng)力能夠引起材料中可能降低器件的性能效率，例如轉(zhuǎn)換效率的折射率發(fā)生變化。當(dāng)聚合物膜被涂敷在基片上時，沉積過程可能向膜中引入應(yīng)力，該應(yīng)力在制造零件的全部步驟完成后仍然作為殘余應(yīng)力在一定程度上保留下來。這些應(yīng)力在基片表面的方向與基片表面的垂直方向相比有偏差。由于應(yīng)力通常會產(chǎn)生光學(xué)上折光率的變化，這種有差別的應(yīng)力會產(chǎn)生TE和TM光偏振(分別在表面和表面的垂直方向)指標(biāo)值的輕微偏差。結(jié)果，聚合物膜是雙折射的。通過在高于一種或多種膜的Tg下運轉(zhuǎn)器件，這種雙折射被減少。高于Tg，聚合物鏈獲得了一定程度的自由運動(由其粘彈性性質(zhì)限制，所允許的運動量取決于聚合物的性質(zhì)，例如鏈條剛性和交聯(lián)密度)，該自由運動允許材料在所施加的應(yīng)力下松弛。松弛有效地減少了雙折射。雙折射的減少是許多光學(xué)器件所要求的。
將在下文詳細(xì)討論的光柵對雙折射特別敏感，因為可能在穿過光柵的波導(dǎo)管中傳輸?shù)钠窆饨?jīng)歷不同的折射率。光柵的共振頻率(光柵光譜的最高峰)取決于折射率，因此在雙折射膜中所制造的光柵會表現(xiàn)出對兩個偏振光不同的頻率依賴性。因此在高于Tg下運轉(zhuǎn)該器件，利用高活動松弛，能夠顯著提高器件的性能特征(減少其偏振依賴性)。
通常，使用帶有至少一種有效玻璃化轉(zhuǎn)變溫度低于操作溫度的交聯(lián)透明聚合物的光學(xué)材料系統(tǒng)的優(yōu)點可以舉例說明如下通過在高于粘彈性區(qū)運轉(zhuǎn)，熱周期不會導(dǎo)致時間依賴型的響應(yīng)，例如提高了周期時間以及由諸如密度漂移、折射率變化、體積變化以及熱應(yīng)力的累積等熱引發(fā)的材料變化而導(dǎo)致的開關(guān)介入損失。此外，器件可以在一個明顯增寬的應(yīng)用溫度/服務(wù)溫度范圍運轉(zhuǎn)，而不會出現(xiàn)疲勞、脆裂、破裂或微裂。這些都提高了器件的性能以及特定器件技術(shù)的商業(yè)應(yīng)用。因為降低或消除了時間依賴型的效應(yīng)，從作為本發(fā)明的實施例的器件所獲得的信息的重復(fù)性也得到了提高。
如上文所表明的，粘彈性效應(yīng)能夠限制器件的操作溫度范圍，并限制器件的應(yīng)用規(guī)格、穩(wěn)定性和使用壽命。如果在所感興趣的所有時間標(biāo)度，器件的粘彈性效應(yīng)在器件的運轉(zhuǎn)和使用中都能夠避免，將可以提供一種無時間依賴的器件，該器件的運轉(zhuǎn)是可重復(fù)的、穩(wěn)定的和堅固的。本發(fā)明闡述了提供較少受到粘彈性效應(yīng)影響的光電子器件和光器件。
由于粘彈性效應(yīng)而使材料性能退化可能導(dǎo)致一系列失敗的機(jī)制。粘彈性效應(yīng)是時間依賴的聚合物片段重整的結(jié)果，該重整在施加干擾的時間標(biāo)度上是長期的。為了在市場上有效地競爭，必須實現(xiàn)性能和可靠性的改進(jìn)。由于粘彈性效應(yīng)使材料性質(zhì)退化包括與密度、體積、熱(熱傳導(dǎo)率、熱膨脹系數(shù))、機(jī)械(應(yīng)力松弛、模數(shù))、電(介電常數(shù))、磁(磁化系數(shù))、光(折光率、損失)、化學(xué)(溶劑穩(wěn)定性、環(huán)境穩(wěn)定性)以及工藝(殘余應(yīng)力、可制造性)性質(zhì)變化相關(guān)的失敗機(jī)制。需要注意的是上面所列舉的由粘彈性效應(yīng)所引起的退化可以單獨發(fā)生、相繼發(fā)生或共同發(fā)生，不論其在測量的時間標(biāo)度內(nèi)是否被觀察到。
在本實施方案中，使用上文所述材料制造的器件將具有多種優(yōu)點，這些優(yōu)點可以通過利用材料高于Tg的粘彈性性質(zhì)獲得。這些優(yōu)點包括但不限于提高熱-光系數(shù)，提高轉(zhuǎn)換效率、降低能量消耗、快速的開關(guān)響應(yīng)時間、提高循環(huán)時間、延長運轉(zhuǎn)壽命以及開關(guān)保真度、降低頻率漂移、作為溫度函數(shù)的折射率的線性以及減少了雙折射。增大的熱-光系數(shù)更大的dn/dT值，特別是用于TIR開關(guān)的值使得可以應(yīng)用較低的操作溫度。因此，為利用較低的設(shè)計溫度，理想的做法是使用具有較大的熱-光系數(shù)的聚合物來制造器件。圖1的縱軸通過一個乘性常數(shù)與材料的折射率數(shù)相關(guān)聯(lián)。然后通過在Tg以上運轉(zhuǎn)就能夠獲得更大的dn/dT值。我們測量了幾種聚合物作為Tg函數(shù)的dn/dT值。在下表1中，列出了幾種聚合物的dn/dT值，這些結(jié)果或者通過發(fā)明人獲得或者是發(fā)表在R.S.Moshrefzadeh.J.Lightwave Technol.，第10卷，1992年4月，第423-425頁中。聚苯乙烯(PS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)、聚酰亞胺(PI)和聚氨酯為具有較高Tg(Tg＞100℃)的線型聚合物(熱塑性塑料)，而Norland61和Norland68為交聯(lián)環(huán)氧樹脂，其Tg分別為約100℃和35℃。我們觀察到，與較高Tg的線型和交聯(lián)材料相比，輕度交聯(lián)的具有較低Tg的材料的熱-光系數(shù)要高2到3倍。表1材料 dn/dT(×10-4)[1/℃]Tg[/℃]聚酰亞胺 -1.5 250聚氨酯-1.4 150PC/MA -1.3 130PS-0.83 100PMMA -1.1 100Norland 61-2.6 80Norland 68-3.1 35使用Norland型交聯(lián)聚合物，由于在運轉(zhuǎn)條件下增強(qiáng)了聚合物鏈的局部遷移率而獲得更高的dn/dT值；更低的玻璃化轉(zhuǎn)變對本實驗意味著更高的遷移率。表1中的數(shù)據(jù)說明通過在操作溫度以下進(jìn)一步降低聚合物的Tg可以進(jìn)一步增大熱-光系數(shù)。轉(zhuǎn)換效率相比于使用具有較高Tg的材料制造的在相同條件(相同的波長、轉(zhuǎn)換能量等)下運轉(zhuǎn)的器件，使用上述一類材料可以增大轉(zhuǎn)換效率。轉(zhuǎn)換效率增大由所需的用于在TIR界面產(chǎn)生相同的折射系數(shù)差的更低的轉(zhuǎn)換活化能引起。
在上述實施例中，設(shè)計TIR開關(guān)在一定的溫度范圍內(nèi)工作，以使得根據(jù)應(yīng)用以及應(yīng)用領(lǐng)域，預(yù)先確定的最低光輻射量偏離波導(dǎo)管。轉(zhuǎn)換效率通過在器件被激活前首先測量波導(dǎo)管通量(Tp)，然后在開關(guān)被激活過程中測量TA而確定。轉(zhuǎn)換效率通過使用表達(dá)式eff＝1-TA/Tp進(jìn)行計算。開關(guān)效率是指當(dāng)在50Hz的重復(fù)脈沖下激活開關(guān)時，與當(dāng)開關(guān)處于“關(guān)閉”狀態(tài)時的波導(dǎo)管通量相比，偏離波導(dǎo)管的最大光輻射量。
表2列出了測量包含熱-光TIR開關(guān)的器件的轉(zhuǎn)換效率的結(jié)果，測量在接近23℃的溫度下進(jìn)行。器件1為含有在玻璃基片上的上述具有較高Tg的材料組(Epo-tek/Epoxy-lite/Ablestick)的2級熱-光開關(guān)。器件2為在具有標(biāo)稱相同的開關(guān)幾何形狀以及層厚度的玻璃基片上使用具有較低Tg的材料(Gelest/Norland/Gelest)制造的優(yōu)選實施方案。所有的測量過程中都使用電流脈沖激活實際上類似的TIR開關(guān)，該脈沖把200pJ/μm2的能量傳遞到加熱元件，并且如前述測量轉(zhuǎn)換效率。如表2所示，加入我們的具有較低Tg的材料的器件其轉(zhuǎn)換效率明顯提高。當(dāng)核心層的熱-光系數(shù)從-1.4×10-4[1/℃]變化到-3.3×10-4[1/℃]時，轉(zhuǎn)換效率從近乎0％增加到大約80％。這些結(jié)果表明通過在接近或高于在光學(xué)波導(dǎo)管中使用的聚合物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度下運轉(zhuǎn)器件，轉(zhuǎn)換效率能夠得到提高。表2核心層 Tg 200pJ/μm2時的轉(zhuǎn)換效率器件1Epoxy-Lite R46 +150℃ ～0％器件2Norland 68 +35℃80％盡管我們使用室溫器件，但通過加熱器件以在標(biāo)稱操作溫度下運轉(zhuǎn)，使用具有較低的Tg/更高遷移率的聚合物與使用具有較高Tg的材料能夠取得相同的效果，標(biāo)稱操作溫度等于或高于Tg或有效Tg。轉(zhuǎn)換能量消耗在本實施方案中制造的器件需要控制元件將較低的電能傳遞到轉(zhuǎn)換元件，因為較大的熱-光系數(shù)使得可以在更低的操作溫度下能夠獲得與使用具有較高的Tg的材料制造的類似器件相同或可能更好的轉(zhuǎn)換效率。為進(jìn)一步驗證這一點，我們通過測量每個器件中產(chǎn)生預(yù)先確定的～80％的轉(zhuǎn)換效率所需電能的量，對上述器件1和器件2進(jìn)行了測試。表3列出了應(yīng)用于TIR加熱元件產(chǎn)生接近80％的轉(zhuǎn)換效率的電能。表3中的數(shù)據(jù)表明加入具有較大的熱-光系數(shù)的材料層的器件為獲得與含有更高Tg材料的器件類似的轉(zhuǎn)換效率，需要更低的電能。另外，這些結(jié)果也表明通過在接近或高于用在光學(xué)波導(dǎo)管中的聚合物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度下運轉(zhuǎn)器件，能夠減少轉(zhuǎn)換能消耗。表3核心層 Tg 80％轉(zhuǎn)換效率所需的電能器件1Epoxy-Lite R46 +150℃ ＞450pJ/μm2器件2Norland 68 +35℃ 200pJ/μm2轉(zhuǎn)換周期時間在本實施方案中制造的器件在給定的加熱速率下產(chǎn)生更快的轉(zhuǎn)換，原因是要獲得激活TIR開關(guān)的折射指數(shù)差值需要更低的最低操作溫度。圖10顯示對兩種不同的聚合物TIR開關(guān)的溫度響應(yīng)。曲線A表示加入一種具有高遷移率/較低的Tg/較大的dn/dT值的聚合物的器件在激活TIR開關(guān)的溫度下運轉(zhuǎn)時的溫度響應(yīng)。該開關(guān)到達(dá)激活溫度TA，使得在時間t1發(fā)生TIR轉(zhuǎn)換。該器件在失活以后溫度返回平衡值TE，在時間t2TE接近器件的起始溫度。這種具有高遷移率/較低的Tg/較大的dn/dT值的聚合物開關(guān)的轉(zhuǎn)換“周期時間”為(t2-t0)。
曲線B表示一種加入具有較高Tg的聚合物的開關(guān)，其在達(dá)到TIR的溫度下運轉(zhuǎn)。在使用了比曲線A的開關(guān)更大的熱能后，曲線B的開關(guān)達(dá)到激活溫度TB，使得在時間t3發(fā)生TIR轉(zhuǎn)換，比時間t1要晚。當(dāng)開關(guān)失活后，溫度返回平衡值TE，此溫度在時間t4接近其起始溫度，相應(yīng)地，聚合物材料的折射指數(shù)恢復(fù)到平衡狀態(tài)。具有較高Tg的聚合物開關(guān)的轉(zhuǎn)換周期時間為(t4-t0)。請注意它從較高的溫度返回到接近平衡的溫度比從較低的溫度返回到接近平衡的溫度需要更長的時間，因此延長了轉(zhuǎn)換周期時間。通過在接近或高于用在光學(xué)波導(dǎo)管中的聚合物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度下運轉(zhuǎn)器件，轉(zhuǎn)換周期時間可以提高。
請注意上述的優(yōu)點可以單獨、相繼或結(jié)合出現(xiàn)，無論它們在特定的器件中能否觀察到。
在實踐中，可以對本發(fā)明進(jìn)行多種變化。最重要的是，本領(lǐng)域中已知的任何具有玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的材料都可以用作波導(dǎo)管材料，包括聚氨酯、聚硅氧烷、聚丙烯酸酯、氟橡膠、聚烯烴、聚二烯、ayrlates、聚甲基丙烯酸、聚甲基丙烯酸酯、聚乙烯醚、聚乙烯酯、聚氧化物和聚酯或者可能是其它具有可調(diào)整的Tg以及光學(xué)透明性的聚合物。如果波導(dǎo)管結(jié)構(gòu)中至少一種材料(即至少被一個光學(xué)輻射漸逝場穿過)為在高于Tg運轉(zhuǎn)的聚合物，這些材料可以與本領(lǐng)域中其它已知的材料結(jié)合使用，包括玻璃、聚合物、半導(dǎo)體、溶膠-凝膠、氣凝膠和/或金屬，以形成所需要的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
只要能在所需要的制導(dǎo)模式的邊界范圍內(nèi)產(chǎn)生局部指數(shù)增加，也可以使用本領(lǐng)域中已知的其它類型的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，包括制造在核心層而非下部包層的脊?fàn)畈▽?dǎo)管、由四層(或以上)堆棧形成的模式波導(dǎo)管、加有覆層的波導(dǎo)管、嵌入式波導(dǎo)管、擴(kuò)散式波導(dǎo)管、光限定的波導(dǎo)管、漂白的或接入的波導(dǎo)管、連續(xù)接合的引導(dǎo)結(jié)構(gòu)等。相對于波導(dǎo)管的中心，局部指數(shù)增加可以是對稱的或不對稱的，并且如本領(lǐng)域中眾所周知的，可以使用折射指數(shù)的不同的組合。本領(lǐng)域已知的可以使用的圖案形成技術(shù)包括濕法蝕刻、內(nèi)擴(kuò)散或外擴(kuò)散、升離、激光切割、聚焦離子束加工等。本領(lǐng)域已知的可以使用的包覆技術(shù)包括旋壓、擠出、縫口模頭、蒸發(fā)或氣相沉積、彎月面包覆、層壓等?；梢赃x自許多本領(lǐng)域公知的材料，包括玻璃、硅、金屬、半導(dǎo)體、聚合物等等。
也可以選用本領(lǐng)域公知的其它阻抗膜，包括NiCr、WSi、SiN、其它金屬和化合物，以及各種形式的硅如無定形硅，并且所有這些膜都可以涂上其它物質(zhì)以提高其性能，只要該膜所獲得的阻抗性適于在熱-光區(qū)域加熱波導(dǎo)管就可。阻抗膜的結(jié)構(gòu)可以包括或不包括由其它材料如導(dǎo)電性聚合物、金屬，包括Al、Cu、Pd、焊錫等制造的電極結(jié)構(gòu)，但這些連接結(jié)構(gòu)優(yōu)選由具有高導(dǎo)電率的材料制造，這些材料能夠增強(qiáng)與外層電導(dǎo)線的連接過程，外層電導(dǎo)線應(yīng)該以低接觸電阻連接到控制元件上。
也可能使用其它轉(zhuǎn)換元件(包括Y形分支開關(guān)、十字形波導(dǎo)管、平行耦合器、光柵、電-光和電致收縮器件等)代替TIR開關(guān)。對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，有一點非常明顯，就是需要進(jìn)行本領(lǐng)域公知的一定的修飾以使各種替代器件能夠按照人們的需要工作。例如，在一個需要使用一種電光聚合物層(與上述實施例中的熱-光聚合物層相比)的電-光光柵中，控制元件會是電源電壓的形式。以與上述阻抗性加熱元件類似的方式，為一個置于波導(dǎo)管上面的電極提供電壓，就會在電-光聚合物層中產(chǎn)生一個電場，并且通過電-光效應(yīng)改變其折射指數(shù)。最終轉(zhuǎn)換激活將使從波導(dǎo)管發(fā)出的光發(fā)生偏離，這與前述實施例一樣。但是，當(dāng)在高于材料的Tg運轉(zhuǎn)材料以利用其良好的粘彈性時，生色團(tuán)的雙交聯(lián)保持的取向性是所要求的。在某些應(yīng)用中，當(dāng)器件和材料的要求需要時，沉積另外的層(例如用于加熱器、用于密封層、不透明層等)可能會有好處。
TIR開關(guān)是一個控制在透明材料中的光輻射傳播的控制器的例子。其它例子包括Mach-Zehnder調(diào)制器、Y形分支分裂器、光柵、平行耦合器，以及包括通常的熱-光、電-光和聲-光器件以及由外加應(yīng)力或張力啟動的器件等許多其它例子。
這些替代器件可以與本文所述的本發(fā)明的任何器件或工具結(jié)合，可以制造重復(fù)單元，并且在此所述器件的某些部分可以與在此所述的或本領(lǐng)域公知的其它器件的全部或部分組合。Mach-Zehnder調(diào)制器圖11所示為一個熱光Mach-Zehnder調(diào)制器的示例。圖中顯示了一個多層堆棧的三維透視圖，多層堆棧由下部包層32、交聯(lián)聚合物波導(dǎo)管核心層34和交聯(lián)聚合物上部包層36組成，在核心層中由前述的多種方法中的一種限定了一種波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。核心層包括輸入和輸出波導(dǎo)管，分別為38和40，輸入和輸出Y形分支，分別為42和44，偏置和信號波導(dǎo)管，臂46和48。位于偏置和信號波導(dǎo)管上方在多層堆棧上面的是兩個阻抗性加熱元件，其中的一個作為偏置加熱元件50，另一個為調(diào)制加熱元件52?？刂圃?6和54各自獨立地分別為偏置加熱元件和調(diào)制加熱元件提供電流。
在該光學(xué)器件中，光通過輸入波導(dǎo)管38進(jìn)入，在那里光在輸入Y形分支中被分裂，并傳播到偏置和信號波導(dǎo)管。在沒有任何控制電流到加熱元件的情況下，在偏置和信號波導(dǎo)管中傳播的光會在輸出Y形分支處重新結(jié)合，并按照相對相位發(fā)生相長或相消干涉，并最終通過輸出波導(dǎo)管40離開器件。
調(diào)節(jié)輸送到偏置加熱元件的控制電流以改變溫度Tbias并因此改變在偏置加熱元件n1(Tbias)附近處的聚合物穩(wěn)態(tài)折射指數(shù)。由熱-光效應(yīng)引起的折射指數(shù)的變化改變鄰近偏置加熱元件的光程長度，這樣干涉計兩臂之間的光相位差接近+/-π/4，并且在輸出波導(dǎo)管處能夠觀察到半最大光強(qiáng)度。然后將已調(diào)制的電流應(yīng)用到調(diào)制加熱元件上。因為器件在半最大強(qiáng)度位置處發(fā)生偏置，對于小的調(diào)制電流來說，隨后的器件輸出就會與應(yīng)用的激勵電流成比例?？刂齐娏鞯淖兓瘯?dǎo)致隨時間變化的光學(xué)響應(yīng)。
要使在重復(fù)循環(huán)調(diào)制電流的情況下使器件的性能達(dá)到最佳，就需要控制當(dāng)調(diào)制電流斷開時能夠返回平衡或接近平衡的聚合物材料以及接近偏置加熱元件的聚合物折射指數(shù)漂移最小。如果聚合物的材料性能如接近加熱元件的折射指數(shù)、密度或體積隨時間而變化，所需的用于獲得π/4光相位位移的偏置溫度就會與早先設(shè)計的溫度有所不同。當(dāng)如同在先技術(shù)以低于光學(xué)材料的Tg運轉(zhuǎn)該器件時，則折射指數(shù)差的變化會增進(jìn)輸出端40中兩束光的相位失衡，器件的性能也會降低。這種退化可以通過改變由加熱和控制元件50和56所控制的偏置溫度而得到部分補(bǔ)償，但在實際應(yīng)用中，偏置溫度的偏移通常需要額外的混合線圈反饋或跟蹤儀器。出于器件簡化和成本的考慮，使器件正常工作而不需要另外的控制電器是比較理想的。
圖12說明了偏置溫度的變化如何影響輸出光的強(qiáng)度。圖中顯示了以實線劃出的作為偏置波導(dǎo)管溫度(Tbias)函數(shù)的輸出信號強(qiáng)度，并顯示了干涉計最初在T1偏置的溫度。如果材料性能由于粘彈性材料響應(yīng)而發(fā)生變化，那么器件的光學(xué)響應(yīng)也會變化，因此現(xiàn)在要想達(dá)到相同的π/4相位位移(圖中的點劃線)就需要一個不同的溫度T2。一個設(shè)計在偏置溫度T1運轉(zhuǎn)的器件不再按人們的計劃工作。另外，如果干涉計的任何一條臂的導(dǎo)向性能相對于另外一條發(fā)生變化(就如同由于粘彈性響應(yīng)而引起密度變化)，那么在輸入Y形分支處光的分裂就會失去平衡，并且干涉計的反差比會隨時間下降。
對于以可忽略的反差比下降及預(yù)期的溫度運轉(zhuǎn)，并且不需要另外的控制電器的器件，使用具有可忽略的粘彈性響應(yīng)的材料是理想的。一個由具有較低的Tg的材料構(gòu)成的器件會較少地受到粘彈性效應(yīng)的影響，并且因此比表現(xiàn)出明顯的粘彈性響應(yīng)的材料所構(gòu)成的器件具有更可靠的工件性能。Y形分支分裂器圖13顯示了一個包含一個下部的包層60、一個交聯(lián)聚合物波導(dǎo)管核心層62(使用前述方法將波導(dǎo)管結(jié)構(gòu)限定在其中)和一個交聯(lián)聚合物上部包層64的三層堆棧的俯視圖。該核心層包括一個輸入波導(dǎo)管66和兩個輸出波導(dǎo)管68和70，在兩個輸出波導(dǎo)管之間存在一個分離角72。位于該堆棧之上的是兩個阻抗性加熱元件74和76，它們大約位于輸出波導(dǎo)管之上，并具有幾乎相同的寬度。每個轉(zhuǎn)換元件由電源80和82供電，這樣任何一個電極都可以各自獨立地被激活。圖中還顯示了一個波導(dǎo)管分支，其中，單一的輸入波導(dǎo)管在78處分裂成兩個輸出波導(dǎo)管。加熱元件從分支區(qū)得到補(bǔ)償以允許漸進(jìn)加熱(沿波導(dǎo)管與另外的一個分支(減活側(cè))相對的一個分支的軸考察。
加熱元件會提高靠近它的聚合物材料的溫度，并且與未加熱的輸出波導(dǎo)管相比，激活的加熱元件會降低輸出波導(dǎo)管的有效折射指數(shù)，這是由熱-光效應(yīng)引起的。如本領(lǐng)域已知的，光會優(yōu)先被耦合至具有更高的有效折射率的輸出波導(dǎo)管。這樣的設(shè)計就會對鄰近激活的加熱元件的區(qū)域進(jìn)行隔熱的加熱。不需使用任何電流，從輸入波導(dǎo)管進(jìn)入分支的光在輸出波導(dǎo)管之間分裂。
這種在接近或低于有效Tg的溫度下運轉(zhuǎn)的器件本質(zhì)上很容易受到由于粘彈性效應(yīng)而使材料性能發(fā)生變化的影響。例如，把與另一個輸出波導(dǎo)管相比，一個輸出波導(dǎo)管的聚合物材料的折射率的永久變化看作是粘彈性效應(yīng)的結(jié)果。如果在任何一個波導(dǎo)管加熱元件下面的聚合物材料的折射系數(shù)隨重復(fù)的轉(zhuǎn)換操作發(fā)生變化，那么以最佳路線形式的光就不能進(jìn)入具有較高折射系數(shù)的波導(dǎo)管中，甚至在控制電流沒有進(jìn)入加熱元件中時。
圖14說明了使用較高Tg的聚合物材料的分裂器的Y形分支退化模式。該圖顯示了在完成了開關(guān)76給定數(shù)目的運轉(zhuǎn)周期后，在每個輸出波導(dǎo)管中的光強(qiáng)度的例子。最初，Y形分支的設(shè)計是讓強(qiáng)度在兩個輸出波導(dǎo)管之間平等分配。隨著周期增加，粘彈性效應(yīng)引起了長期恒定的折射系數(shù)變化，并且對稱分支被打破。當(dāng)光以極高的不對稱性分裂進(jìn)入輸出波導(dǎo)管時，可能最終會在不激活任何一個加熱元件時達(dá)到一個狀態(tài)，并且該器件不再起到所需要的在關(guān)閉狀態(tài)下EDB分裂器的作用。我們把其發(fā)展過程表示為線性，但在確定的應(yīng)用中，詳細(xì)的暫時的通量變化取決于所使用的兩種材料，實現(xiàn)轉(zhuǎn)換的形式控制著信號。
如前所述，如果在加熱元件(76)下面的聚合物材料中發(fā)生實際上永久的折射系數(shù)變化，那么光會優(yōu)先進(jìn)入具有更高折射指數(shù)(68)的波導(dǎo)管。為了讓光進(jìn)入輸出波導(dǎo)管(70)，就需要更高的電流以克服由對輸出波導(dǎo)管(70)的損害(材料性能的退化)引起的優(yōu)先路線。如果重復(fù)周期，那么在每個周期內(nèi)都會引起過多的損害。如果器件由使用具有較低Tg的聚合物制成并能夠在高于聚合物材料Tg的溫度下運轉(zhuǎn)，上述故障機(jī)理就會減少或消除。熱光光柵器件在實際的器件中，人們希望器件對控制信號的應(yīng)用作出線性響應(yīng)。這種性能是所要求的，因為它與具有非線性響應(yīng)的系統(tǒng)相比簡化了控制和監(jiān)視性能的器件電子設(shè)備，非線性響應(yīng)系統(tǒng)需要復(fù)雜的算法以將器件控制信號與器件響應(yīng)相關(guān)聯(lián)。另外，響應(yīng)的線性允許簡單的調(diào)整、調(diào)諧以及對器件運轉(zhuǎn)的控制，因為信號和響應(yīng)通過一個簡單的導(dǎo)出關(guān)系相關(guān)聯(lián)，并且如果控制信號已知，器件的性能能夠進(jìn)行預(yù)測。
按本發(fā)明的精神運轉(zhuǎn)的熱-光器件含有具有低于器件的操作溫度的Tg的材料，因此它當(dāng)然能在一個范圍中運轉(zhuǎn)，在該范圍中聚合物材料的折射系數(shù)合理地隨溫度發(fā)生線性變化(請參見圖1的B區(qū))。
相反，包含具有高于操作溫度的Tg的材料的器件隨著器件的溫度升高至高于Tg，熱-光系數(shù)的斜率會發(fā)生變化。這種斜率的變化會產(chǎn)生一個折射率對應(yīng)用的控制信號(溫度)的非線性響應(yīng)。請注意在遠(yuǎn)低于Tg的溫度下運轉(zhuǎn)時，器件也會在折射指數(shù)和溫度之間表現(xiàn)出線性關(guān)系(見圖1的A區(qū))，但這些器件在運轉(zhuǎn)時比在高于Tg的溫度下運轉(zhuǎn)的器件的熱-光系數(shù)低，并且它們還會受到上述不利的粘彈效應(yīng)的影響，如折射系數(shù)長時間恒定的變化，這可能會使器件失衡或增加其介入損失。
能夠被調(diào)節(jié)而達(dá)到所需要的溫度或折射指數(shù)的元件包括例如圖15所示的光柵這樣的器件。聚合物熱-光光柵器件可以用作濾光器、增加/減少多路器或更通常用作熱-光學(xué)可調(diào)的Bragg光柵。理想的性能包括折射指數(shù)的長期穩(wěn)定性、較大的材料熱-光系數(shù)、作為溫度函數(shù)的響應(yīng)的線性以及沒有雙折射。所有這些性能都是聚合物波導(dǎo)管材料在高于其Tg的溫度并優(yōu)選高于其有效Tg下運轉(zhuǎn)時所神奇地獲得的。
現(xiàn)在來考慮一下通過在基片96上制造一個包含下部包層94、核心層100以及上部包層92的聚合物多層堆棧形成的Bragg光柵。核心層包含一個波導(dǎo)管(如前述)，這里的波導(dǎo)管102的光模式在此處與包含光柵104的區(qū)域重疊。該光柵可以使用本領(lǐng)域公知的一種技術(shù)制造，包括蝕刻、切割、模壓、壓紋、層壓、電子束寫入、全息曝光等，只要該方法能夠?qū)哂兴枰闹芷谛缘恼凵渲笖?shù)進(jìn)行合適的調(diào)制就行。選定光柵周期(通常相當(dāng)于光的波長)以對至少一種傳播進(jìn)入或耦合到波導(dǎo)管的具有預(yù)定波長的光98產(chǎn)生Bragg反射。具有滿足Bragg條件的波長的光被反射或耦合進(jìn)入另一條路徑。在一個優(yōu)選實施方案中，該光柵把波導(dǎo)管中的光向后反射。
通過在器件上靠近光柵元件的位置制造一個電熱電極106，能夠把Bragg波導(dǎo)管反射器制成可熱調(diào)節(jié)的。當(dāng)控制無件110把電流輸送到加熱元件時，靠近加熱元件的聚合物(光柵)的溫度就會由于熱-光效應(yīng)而發(fā)生變化。光柵折射指數(shù)的變化也會影響滿足Bragg條件的光的波長，因此，此時在波導(dǎo)管中發(fā)生不同波長的Bragg反射。如果在另一個溫度下重復(fù)該過程，另一個波長就會滿足Bragg反射條件。照這樣，因為可以選定溫度以在許多預(yù)定的波長處獲得Bragg反射，該器件就是可調(diào)的。應(yīng)該注意到器件通常都是在一個穩(wěn)態(tài)溫度下工作，因此在一個給定時間間隔內(nèi)，單一波長就可以滿足Bragg反射條件。然后本發(fā)明構(gòu)成該光柵的聚合物材料的線性溫度變化就會產(chǎn)生光柵的共振波長相對于溫度的線性響應(yīng)，因此就提供了線性可調(diào)性。此外，由于增大了熱-光系數(shù)，本發(fā)明中的光柵器件會具有較寬的共振波長調(diào)節(jié)能力(帶寬)。
到現(xiàn)在，已經(jīng)參考特定的實施方案對本發(fā)明進(jìn)行了闡釋。對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來講，其它的實施方案也是顯而易見的。因此，后附的權(quán)利要求除明確指出外，并不企圖限制本發(fā)明，后附的權(quán)利要求構(gòu)成本發(fā)明說明的一部分。
權(quán)利要求
1.一種熱循環(huán)的熱-光裝置，包括一種聚合物，其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度不超過沿著光通路的該聚合物最低操作溫度，因此該元件以允許聚合物鏈保持較高的局部遷移率的方式發(fā)揮功能。
2.權(quán)利要求1所述的裝置，其還包括一種熱耦合到元件的光傳輸區(qū)的熱激活元件，其作用是在所感興趣的期間內(nèi)可控制地影響作為溫度變化響應(yīng)的折射率的變化。
3.權(quán)利要求2所述的裝置，其中所述的激活元件為圖案式的阻抗層。
4.權(quán)利要求2所述的裝置，其作為偏轉(zhuǎn)儀而形成。
5.權(quán)利要求4所述的裝置，其中所述的偏轉(zhuǎn)儀為全內(nèi)反射開關(guān)。
6.權(quán)利要求2所述的裝置，其作為能夠調(diào)制到所需要的折射率的控制器而形成。
7.權(quán)利要求6所述的裝置，其中所述的控制器為光柵。
8.權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度至少低于所述的聚合物的最低操作溫度20℃。
9.權(quán)利要求1所述的裝置，其還包括一種維持最低操作溫度的加熱元件。
10.權(quán)利要求1所述的裝置，其還包括一種調(diào)節(jié)標(biāo)稱操作溫度的冷卻元件。
11.權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述的光通路為光學(xué)波導(dǎo)管的一個部分。
12.權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述的聚合物為交聯(lián)聚合物。
13.權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述的聚合物的有效玻璃化轉(zhuǎn)變溫度不超過沿光通路的聚合物的最低操作溫度，這樣該元件以允許聚合物鏈保持較高的局部遷移率的方式發(fā)揮功能。
14.權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述的聚合物包含至少一個位于基片上的層。
15.一種光學(xué)器件，包括至少一種光學(xué)上透明的聚合物元件，其具有出現(xiàn)粘彈性效應(yīng)的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和溫度依賴型激發(fā)閾值；一種靠近所述的聚合物元件放置的熱激發(fā)器，用于激活所述的聚合物元件；和一種溫度控制系統(tǒng)用于將標(biāo)稱操作溫度調(diào)節(jié)到接近設(shè)計溫度的范圍，這樣，為了利用在高于所述的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時的粘彈性效應(yīng)，將所述的操作溫度保持高于所述的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。
16.權(quán)利要求15所述的光學(xué)器件，其中所述的熱激發(fā)器能夠有效改變該光學(xué)元件的折射率。
17.權(quán)利要求16所述的光學(xué)器件，其中所述的指數(shù)的變化為周期性的。
18.權(quán)利要求15所述的光學(xué)器件，其還包括一種光耦合到所述的聚合物元件上的光學(xué)波導(dǎo)管。
19.權(quán)利要求15所述的光學(xué)器件，其還包括形成所述的熱激發(fā)器一部分的電極。
20.權(quán)利要求15所述的光學(xué)器件，其中所述的聚合物元件作為一個光學(xué)開關(guān)置于光通路上，所述的光學(xué)開關(guān)響應(yīng)于所述的熱激發(fā)器而改變傳輸狀態(tài)。
21.權(quán)利要求20所述的光學(xué)器件，其中所述的光學(xué)開關(guān)為全內(nèi)反射開關(guān)。
22.權(quán)利要求15所述的光學(xué)器件，其中所述的聚合物元件作為能夠調(diào)節(jié)到所需的折射率的控制器而置于一條光通路上。
23.權(quán)利要求22所述的光學(xué)器件，其中所述的控制器為響應(yīng)于所述的熱激發(fā)器的可調(diào)光柵。
24.權(quán)利要求15所述的光學(xué)器件，其中所述的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度至少低于聚合物的標(biāo)稱操作溫度20℃。
25.權(quán)利要求15所述的光學(xué)器件，其還包括一種調(diào)節(jié)標(biāo)稱操作溫度的冷卻元件。
26.權(quán)利要求15所述的光學(xué)器件，其中激發(fā)閾值為在所述的聚合物中發(fā)生折射率緩慢變化的閾值，所述的折射率的緩慢變化的變化速率小于由所述的熱激發(fā)器所施加的熱激發(fā)的變化速率。
27.權(quán)利要求15所述的光學(xué)器件，其中所述的聚合物為交聯(lián)聚合物。
28.權(quán)利要求27所述的光學(xué)器件，其中激發(fā)閾值為在所述的交聯(lián)聚合物中發(fā)生折射率緩慢變化的閾值，并且其中所述的溫度控制系統(tǒng)能夠有效地維持所述的標(biāo)稱操作溫度，使相對于每單位面積上的熱脈沖能量的該閾值明顯高于由所述的熱激發(fā)器所施加的每單位上的熱脈沖能量。
29.權(quán)利要求27所述的光學(xué)器件，其中激發(fā)閾值為在所述的交聯(lián)聚合物中發(fā)生折射率緩慢變化的閾值，并且其中所述的溫度控制系統(tǒng)能夠有效地維持所述的標(biāo)稱操作溫度，使相對于每單位面積上的熱能的閾值明顯高于由所述的熱激發(fā)器所施加的每單位面積上的熱能。
30.權(quán)利要求15所述的光學(xué)器件，其中所述的聚合物具有有效玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，并且所述的溫度控制系統(tǒng)把標(biāo)稱操作溫度調(diào)節(jié)到設(shè)計溫度的范圍，這樣，為了利用在高于所述的有效玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時的粘彈性效應(yīng)，所述的操作溫度就維持在高于所述的有效玻璃化轉(zhuǎn)變溫度水平。
31.一種光學(xué)器件，包括至少一個光學(xué)上透明的聚合物元件層，其特征是玻璃化轉(zhuǎn)變溫度低于所述的光學(xué)器件的標(biāo)稱操作溫度；一個用以包含所述的聚合物元件的光學(xué)波導(dǎo)管；和一個用于調(diào)節(jié)操作溫度的溫度控制系統(tǒng)，這樣，為了利用在所述的標(biāo)稱操作溫度下所述聚合物的至少一種特性，所述的操作溫度被維持高于所述的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。
32.權(quán)利要求31所述的光學(xué)器件，其中所述的特性為折射率隨時間變化的速率。
33.權(quán)利要求31所述的光學(xué)器件，其中所述的特性為減少所需的用于激活所述聚合物元件的動力要求。
34.權(quán)利要求33所述的光學(xué)器件，其中所述的特性為減少所需的用于激活所述聚合物元件的熱能要求。
35.權(quán)利要求31所述的光學(xué)器件，其中所述的特性為具有最小失真的預(yù)測的響應(yīng)重復(fù)的保真性，其中所述的預(yù)測的響應(yīng)的形式為折射率對時間的變化速率。
36.權(quán)利要求31所述的光學(xué)器件，其中所述的特性為相對于預(yù)測的信號，輸出信號中額外頻率成分的產(chǎn)生最小化，所述的輸出信號的形式為折射率對時間的變化速率。
37.權(quán)利要求31所述的光學(xué)器件，其中所述的特性為減少所述元件的光學(xué)介入損失。
38.權(quán)利要求31所述的光學(xué)器件，其中所述的特性為增加的使用壽命，包括對熱循環(huán)的耐受力。
39.權(quán)利要求31所述的光學(xué)器件，其中所述的特性為與制作相關(guān)的較低的殘余應(yīng)力。
40.權(quán)利要求31所述的光學(xué)器件，其中所述的特性為較低的雙折射。
41.權(quán)利要求31所述的光學(xué)器件，其中所述的特性為作為溫度函數(shù)的折射率實質(zhì)上恒定的變化率。
42.權(quán)利要求31所述的光學(xué)器件，其中所述的器件為光柵。
43.權(quán)利要求42所述的光學(xué)器件，其中所述的特性為所述光柵的共振波長與溫度之間為線性關(guān)系。
44.權(quán)利要求31所述的光學(xué)器件，其作為光學(xué)開關(guān)而形成。
45.權(quán)利要求31所述的光學(xué)器件，其還包括一個高頻發(fā)熱電極，用于熱激發(fā)所述元件的折射率的變化。
46.權(quán)利要求31所述的光學(xué)器件，其中所述的聚合物為交聯(lián)聚合物。
47.權(quán)利要求46所述的光學(xué)器件，其中所述的特性為減少所述元件的長期物理變形(蠕變)。
48.權(quán)利要求46所述的光學(xué)器件，其中所述的特性為與熱循環(huán)相關(guān)的較低的殘余應(yīng)力。
49.權(quán)利要求31所述的光學(xué)器件，其中所述的聚合物為聚丙烯酸酯。
50.權(quán)利要求15所述的光學(xué)器件，其中所述的聚合物為聚丙烯酸酯。
51.權(quán)利要求1所述的光學(xué)器件，其中所述的聚合物為聚丙烯酸酯。
52.權(quán)利要求31所述的光學(xué)器件，其中所述的聚合物為聚氨酯。
53.權(quán)利要求15所述的光學(xué)器件，其中所述的聚合物為聚氨酯。
54.權(quán)利要求1所述的光學(xué)器件，其中所述的聚合物為聚氨酯。
55.一種集成光學(xué)開關(guān)，包括一個基片；一個置于基片上的波導(dǎo)管，該波導(dǎo)管具有一個輸出端；一個置于基片上并靠近波導(dǎo)管輸出端以光學(xué)耦合到波導(dǎo)管上的聚合物元件，該聚合物元件是光學(xué)上可透射的并且具有選定的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度；和一個熱耦合到聚合物元件上以維持聚合物元件的操作溫度高于選定的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的加熱元件。
56.權(quán)利要求55所述的集成光學(xué)開關(guān)，其中構(gòu)成所述的加熱元件以進(jìn)一步為所述的聚合物元件提供瞬時熱能，以改變所述聚合物元件的光學(xué)性質(zhì)并激活所述的集成光學(xué)開關(guān)。
57.權(quán)利要求55所述的集成光學(xué)開關(guān)，其還包括一個熱耦合到所述的聚合物元件上的第二個加熱元件，以進(jìn)一步為所述的聚合物元件提供瞬時熱能，以改變所述聚合物元件的光學(xué)性質(zhì)并激活所述的集成光學(xué)開關(guān)。
58.一個光學(xué)器件，包括一個耦合到該光學(xué)器件輸入端的輸入波導(dǎo)管，該輸入波導(dǎo)管具有傳輸軸線；一個光耦合到輸入波導(dǎo)管上并形成與輸入波導(dǎo)管的傳輸軸線之間的第一個夾角的第一輸出波導(dǎo)管，該第一輸出波導(dǎo)管包括一個具有選定的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的聚合物材料部分；一個光耦合到輸入波導(dǎo)管上并形成與輸入波導(dǎo)管的傳輸軸線之間的第二個夾角的第二輸出波導(dǎo)管，這樣，被輸入波導(dǎo)管傳輸?shù)墓饩湍苣軌蛟诘谝惠敵霾▽?dǎo)管和第二輸出波導(dǎo)管之間發(fā)生分裂；和一個加熱元件，其至少熱耦合到第一輸出波導(dǎo)管上，以維持聚合物材料的操作溫度高于選定的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。
59.權(quán)利要求58所述的光學(xué)器件，其中第二輸出波導(dǎo)管包括具有第二選定的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的第二聚合物材料部分，并進(jìn)一步包括熱耦合到第二輸出波導(dǎo)管上的第二加熱元件。
60.權(quán)利要求58所述的光學(xué)器件，其中所述的第一夾角為零度，并且所述的第一輸出波導(dǎo)管為所述輸入波導(dǎo)管的延續(xù)。
61.一種全內(nèi)反射(TIR)光學(xué)開關(guān)，其包括第一光學(xué)材料制成的核，所述的核形成一個主波導(dǎo)管；至少一個第二光學(xué)材料制成的包層，所述的包層與所述的核相鄰放置，并具有比所述的核更低的折射率；所述第一光學(xué)材料和第二光學(xué)材料的至少一種為具有玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的具有光學(xué)透射性的交聯(lián)聚合物；一個置于所述的包層上并與所述的主波導(dǎo)管跨接的圖案式的阻抗性主加熱元件，這樣，電極的一邊與所述的波導(dǎo)管成斜角，當(dāng)激活所述的電極時，能夠影響所述的聚合物的折射率的變化以使從所述的主波導(dǎo)管出來的光改變方向，所述的元件能夠耦合到一個控制激發(fā)器上，所述的光學(xué)開關(guān)適于在高于所述的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的溫度環(huán)境下工作。
62.權(quán)利要求61所述的TIR光學(xué)開關(guān)，其還包括一個次級加熱元件以維持所述的溫度高于所述的第一和第二玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的環(huán)境。
63.權(quán)利要求61所述的TIR光學(xué)開關(guān)，其中所述的主加熱元件還能夠額外有效地維持溫度高于所述的第一和第二玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的所述的環(huán)境。
64.一種用于操作一種光學(xué)器件的方法，該光學(xué)器件包括一個光學(xué)結(jié)構(gòu)，其由具有光學(xué)上可透射的聚合物材料制成，該材料的特征為具有表現(xiàn)出粘彈性效應(yīng)的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以及依賴溫度的閾值，所述的方法包括維持操作溫度高于所述的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度；同時把光能導(dǎo)向進(jìn)入所述的聚合物元件；同時選擇性地把熱能施加到所述的聚合物元件上以選擇性地控制所述光能的傳輸。
65.權(quán)利要求64所述的方法，其中所述選擇性施加的步驟包括選擇性地把熱能脈沖施加到所述的聚合物元件的選定區(qū)域，以可控的變化速率影響折射率的局部變化。
66.權(quán)利要求65所述的方法，其還包括以下后續(xù)步驟；使所述的折射率基本上復(fù)原；并且在其后選擇性地再次把熱能施加到所述的聚合物元件上，以可控的變化速率再次影響折射率的變化。
67.權(quán)利要求66所述的方法，其還包括在施加了所述的熱能后，從所述的聚合物元件中積極地排出熱能。
68.一種使用聚合物材料的方法，包括建立高于聚合物的特征玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的最低操作溫度；此后；為了控制電磁能的傳輸，當(dāng)把電磁能導(dǎo)向進(jìn)入聚合物以使聚合物的折射率發(fā)生變化時，在高于最低操作溫度下瞬時激活聚合物。
69.一種用于操作光學(xué)開關(guān)的方法，該光學(xué)開關(guān)包含一個由具有第一玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的交聯(lián)聚合物制成的具有光學(xué)上的可透射的核，至少一個由具有第二玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的交聯(lián)聚合物制成的具有光學(xué)上的可透射性的包層，以及一個用于引起所述聚合物折射率變化的高頻發(fā)熱電極，所述的高頻發(fā)熱電極耦合到激發(fā)器上，所述的光學(xué)開關(guān)在高于所述的第二玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的溫度環(huán)境下運轉(zhuǎn)，所述的方法包括維持操作溫度高于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度；同時把光能導(dǎo)向進(jìn)入所述的核；同時為了選擇性地重新引導(dǎo)所述的光能，選擇性地把熱能通過所述的高頻發(fā)熱電極施加于所述核的一個區(qū)域，以改變所述區(qū)域的折射率。
70.一種用于操作光學(xué)開關(guān)的方法，該光學(xué)開關(guān)包含一個由具有第一玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的交聯(lián)聚合物制成的具有光學(xué)上的可透射的核，至少一個由具有第二玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的交聯(lián)聚合物制成的具有光學(xué)上的可透射性的包層，以及一個用于引起所述聚合物折射率變化的高頻發(fā)熱電極的所述的高頻發(fā)熱電極耦合到激發(fā)器上，所述的光學(xué)開關(guān)在高于所述的第一和第二玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的溫度環(huán)境下運轉(zhuǎn)，所述的方法包括維持操作溫度高于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度；同時把光能導(dǎo)向進(jìn)入所述的核；同時為了選擇性地重新引導(dǎo)所述的光能，選擇性地把熱能通過所述的高頻發(fā)熱電極施加于所述核的一個區(qū)域，以改變所述區(qū)域的折射率。
全文摘要
通過使用具有低于標(biāo)稱操作溫度的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)的聚合物材料制造光電子和光子器件(100)。通過使用此類材料,提高了局部或片段遷移率,因此聚合物材料的局部應(yīng)力被消除或最低化,使得聚合物性能更加穩(wěn)定。本發(fā)明涉及在高于Tg的操作溫度范圍內(nèi)把聚合物用于光子器件(100),此時聚合物交聯(lián)鍵之間的片段能夠進(jìn)行局部的自由運動;然而材料的大規(guī)模運動受到聚合物材料交聯(lián)結(jié)構(gòu)的限制。因此,按照本發(fā)明制造的器件的操作溫度優(yōu)選遠(yuǎn)離Tg附近的粘彈性區(qū)和遠(yuǎn)離低于Tg的玻璃態(tài)區(qū)。
文檔編號G02F1/313GK1345421SQ00805412
公開日2002年4月17日 申請日期2000年3月22日 優(yōu)先權(quán)日1999年3月22日
發(fā)明者希拉里·S·拉克瑞茨, 托尼·C·科瓦爾奇克, 李永正, 戴維·A·G·迪肯 申請人:杰姆法爾公司