專利名稱：具有光學(xué)晶體的偏光裝置及光學(xué)開關(guān)應(yīng)用和偏光方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有光學(xué)晶體的偏光裝置，使用該裝置的光學(xué)開關(guān)，以及使用光學(xué)晶體，通過可控角度來偏轉(zhuǎn)光束的方法。
例如，日本提前公開特許專利No.10-90634中公開了具有光學(xué)晶體1’的光學(xué)開關(guān)，光學(xué)晶體1’具有二維(dimensional)周期性結(jié)構(gòu)。如

圖17所示，該光學(xué)開關(guān)用于在ON位置(透射transmission)和OFF位置(反射reflection)間轉(zhuǎn)換。ON位置時，允許入射到晶體上的光束(即入射光束)通過光學(xué)晶體，OFF位置時，從晶體反射入射光束，防止入射光束透射。
就是說，從一對光纖12a、12b提供的光束經(jīng)準(zhǔn)直透鏡14a、14b和偏振器15a、15b入射到光學(xué)晶體1’上。光學(xué)開關(guān)包括用于經(jīng)圓形偏振器22向光學(xué)晶體1’輻照(irradiating)控制光21的裝置。輻照控制光21使得光學(xué)晶體1’的光禁帶(PGB photonic band gap)改變，所以，有可能在ON和OFF位置之間轉(zhuǎn)換。在ON位置，通過光學(xué)晶體1’的透射光束經(jīng)一對偏振器16a、16b輸出。
但是，由于上述光學(xué)開關(guān)的目的是在ON和OFF位置之間轉(zhuǎn)換，ON位置允許入射光束通過光學(xué)晶體，OFF位置從光學(xué)晶體反射入射光束，該光學(xué)開關(guān)的輸出僅僅提供有或無透射光束。這限制了光學(xué)開關(guān)的應(yīng)用領(lǐng)域。
另一方面，如果從光學(xué)晶體提供的透射光束的方向可以通過偏轉(zhuǎn)入射到光學(xué)晶體上的光束來施加以控制，那么，就會提供使用光學(xué)晶體的新的光學(xué)開關(guān)，它包括用于接收入射到光學(xué)晶體上的光束的光輸入終端和多個光輸出終端，每個光輸出終端能通過光學(xué)晶體提供透射光束。即，因為利用這種新的光學(xué)開關(guān)，可以通過控制入射光束的偏轉(zhuǎn)，從一個設(shè)定的光輸出終端中提供透射光束，所以這種光學(xué)開關(guān)會廣泛應(yīng)用。
即，該偏光裝置包括光學(xué)晶體和偏光控制器，其中光學(xué)晶體具有與入射到光學(xué)晶體光束波長不同的光禁帶波長，偏光控制器用來給光學(xué)晶體施加大量能量，以使入射在光學(xué)晶體入射側(cè)的光束偏轉(zhuǎn)，并從光學(xué)晶體入射側(cè)的另一側(cè)提供一透射光束，該透射光束與光束形成預(yù)期的角度。
光學(xué)晶體最好包括具有不同折射率的至少兩種材料，偏光控制器通過給光學(xué)晶體施加能量來控制這些材料之間的折射率比。
當(dāng)光學(xué)晶體材料的至少一種是電光材料時，偏轉(zhuǎn)控制器最好給光學(xué)晶體施加電場作為能量。這種情況下，沒有作為能量施加給光學(xué)晶體的機(jī)械外力。因此，允許偏光裝置高度可靠地長期穩(wěn)定操作。另外，由于偏光控制器電控制施加給光學(xué)晶體的電場強(qiáng)度，以改變?nèi)肷涔馐钠D(zhuǎn)角，所以就可能提供有快速反應(yīng)性的小型偏光裝置。
本發(fā)明的目的是還要提供使用上述偏光裝置的新的光學(xué)開關(guān)，它利于防止光學(xué)信號的交叉干擾(cross talk)，利于確保高傳送效率。
即，該光學(xué)開關(guān)包括本發(fā)明的偏光裝置和多個光輸出終端。其中，偏光裝置設(shè)在光學(xué)晶體入射側(cè)的光輸入終端，光學(xué)晶體通過光輸入終端接收光束(即入射光束)；多個光輸出終端設(shè)在光學(xué)晶體入射側(cè)的另一側(cè)，從光輸出終端選擇輸出所述透射光束。
尤其是，本發(fā)明的新的光學(xué)開關(guān)包括上述偏光裝置和至少兩個光輸出終端。偏光裝置設(shè)在光學(xué)晶體入射側(cè)的光輸入終端，光學(xué)晶體通過光輸入終端接收入射光束光輸出終端包括設(shè)在光學(xué)晶體入射側(cè)的另一側(cè)的和第二光輸出終端，第一光輸出終端輸出通過光學(xué)晶體的第一透射光束；第二光輸出終端輸出第二透射光束，它相對入射光束而形成預(yù)期角度，與第一透射光束的方向不同。
本發(fā)明的另一目的是還要提供一種以可控角度偏轉(zhuǎn)入射到光學(xué)晶體一側(cè)的光束、從光學(xué)晶體的另一側(cè)輸出具有預(yù)期方向的透射光束的方法。
即，該方法包括以下步驟，在光學(xué)晶體的一側(cè)提供具有光學(xué)晶體的光禁帶之外的波長的光束，通過給光學(xué)晶體施加大量能量，偏轉(zhuǎn)入射到光學(xué)晶體一側(cè)的光束，從光學(xué)晶體的另一側(cè)形成預(yù)期角度的光束。
參考下文中詳細(xì)解釋的本發(fā)明的最佳實施例，參照附圖，本發(fā)明的這些和其它的目的和優(yōu)點將很明顯。
本發(fā)明公開涉及2001年3月22日申請的日本專利特許公開No.2001-82863中包含的主旨，本發(fā)明通過完全參考施加以結(jié)合。
圖2A到2E是圖解說明可在本發(fā)明的偏光裝置中使用的光學(xué)晶體的結(jié)構(gòu)的透視圖；圖3A和3B是圖解說明圖2C的光學(xué)晶體中光路的透視圖；圖4A和4B是圖解說明圖2E的光學(xué)晶體中光路的透視圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明的另一最佳實施例使用超聲波的偏光裝置的示意性透視圖；圖6A和6B是顯示本發(fā)明的具有外力施加單元的偏光裝置的工作示意性透視圖；圖7是根據(jù)本發(fā)明的另一最佳實施例使用壓電材料的偏光裝置的示意性剖視圖；圖8是圖解說明圖7的偏光裝置的改進(jìn)型的示意性剖視圖；圖9是根據(jù)本發(fā)明的另一最佳實施例使用電磁鐵的偏光裝置的示意性透視圖；圖10是根據(jù)本發(fā)明的另一最佳實施例使用加熱器的偏光裝置的示意性剖視圖；圖11是根據(jù)本發(fā)明的另一最佳實施例使用外力施加單元的偏光裝置的示意性剖視圖；圖12是根據(jù)本發(fā)明的另一最佳實施例使用載流子注入單元的偏光裝置的示意性透視圖；圖13是根據(jù)本發(fā)明的另一最佳實施例使用發(fā)光單元的偏光裝置的示意性透視圖；圖14是用于本發(fā)明的偏光裝置的光學(xué)晶體的最佳結(jié)構(gòu)的示意性透視圖；圖15A到15C是顯示使用本發(fā)明的偏光裝置的光學(xué)開關(guān)操作的剖視圖；
圖16是使用本發(fā)明的偏光裝置的矩陣型光學(xué)開關(guān)的平面圖；和圖17是圖解說明使用光學(xué)晶體的傳統(tǒng)光學(xué)開關(guān)的示意性透視圖。
例如，如圖1A和1B，本發(fā)明的偏光裝置包括光學(xué)晶體1和偏光控制器4，其中光學(xué)晶體1設(shè)計有與光束波長不同的光禁帶波長，光束用來入射到光學(xué)晶體上；偏光控制器4用于給光學(xué)晶體施加大量能量，以偏轉(zhuǎn)在光學(xué)晶體入射側(cè)的光束5，并從光學(xué)晶體入射側(cè)之外的另一側(cè)提供透射光束，該透射光束相對光束5形成預(yù)期角度。
本發(fā)明中用的光學(xué)晶體1為多向(multi-dimensional)周期性結(jié)構(gòu)，它是通過至少兩種材料周期性排布而獲得的，該兩種材料在基本(substantially)等于光波長的間隔具有不同介電常數(shù)?；蛘?，光學(xué)晶體1以具有不同折射率的至少兩種材料形成的人工周期或準(zhǔn)周期性結(jié)構(gòu)，它們以基本等于要入射到光學(xué)晶體上的光束的波長一半的間隔周期性排布。這樣形成的光學(xué)晶體具有光禁帶結(jié)構(gòu)，通過它確定通過光學(xué)晶體的透射光束相對入射到光學(xué)晶體上的光束的角度。
例如，在本發(fā)明的偏光裝置中可以使用圖2A中顯示的光學(xué)晶體1，它是通過以所要求的間隔周期性排布第一材料的圓柱體1d獲得的二維周期性結(jié)構(gòu)。這種情況下，具有與第一材料不同的介電常數(shù)的第二材料充滿相鄰圓柱體1d之間的空隙?？墒褂每諝庾鳛榈诙牧??；蛘撸墒褂脠D2B顯示的光學(xué)晶體1，除第一和第二材料分別是空氣和固體材料之外，它與圖2A的結(jié)構(gòu)基本相同。即，圖2B的光學(xué)晶體1由第二材料的矩形固態(tài)和以矩形固態(tài)根據(jù)所要求的間隔周期性形成的圓柱空氣間隙組成。
另外，可以使用圖2C顯示的光學(xué)晶體1，它是通過以所要求的間隔周期性排布第一材料的精細(xì)球形體1c獲得的三維周期性結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)也稱人工OPAL結(jié)構(gòu)。這種情況下，具有與第一材料不同介電常數(shù)的第二材料充滿相鄰球形體1c的空隙?？捎每諝庾鞯诙牧??；蛘?，可使用圖2D顯示的光學(xué)晶體1，除了第一和第二材料分別是空氣和固體材料之外，它與圖2C的結(jié)構(gòu)基本相同。即，圖2D的光學(xué)晶體1由第二材料的立方體和以立方體根據(jù)所要求的間隔周期性形成的球形空氣空隙1h組成。
另外，可以使用圖2E顯示的光學(xué)晶體1，它是人工分層結(jié)構(gòu)，包括具有蜂房式表面的基片10(例如硅)，其中，以所要求的間隔周期性形成六邊形凹陷(未顯示)，根據(jù)所要求的數(shù)量的薄膜層迭在蜂房式表面上。每層表面由第一材料的低層1a(例如無定形硅)或第二材料的頂層1b(例如二氧化硅)組成。這樣，由于基片10的蜂房式表面中形成六邊形凹陷的2向周期性結(jié)構(gòu)，在基片的高度方向上形成底層和頂層1a，1b交替排布的周期性結(jié)構(gòu)，所以，提供了整體的三維周期性結(jié)構(gòu)。
用于本發(fā)明的偏光裝置的光學(xué)晶體1不僅限于上述光學(xué)晶體。具有其它結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)光學(xué)晶體或新結(jié)構(gòu)光學(xué)晶體可用于本發(fā)明的偏光裝置。
本發(fā)明中，用于偏光裝置的光學(xué)晶體1設(shè)計為使入射到光學(xué)晶體上的光束波長(即入射光束5)與光學(xué)鏡頭的光禁帶波長不同。因此，當(dāng)入射光束的波長預(yù)先確定時，光學(xué)晶體的結(jié)構(gòu)和材料設(shè)計為使光禁帶的波長與入射光束的波長不同。反之，當(dāng)光學(xué)晶體的結(jié)構(gòu)和材料預(yù)先確定時，具有與光學(xué)晶體的光禁帶波長不同波長的光束用作入射光束。即使當(dāng)具有光禁帶波長的光束入射到光學(xué)晶體的表面(入射表面)上時，從光學(xué)晶體的另一表面也不會獲得透射光束。換句話說，具有基本等于光禁帶波長的入射光束從入射表面反射，但是不能通過光學(xué)晶體。因此，只有當(dāng)具有與光禁帶波長不同波長的光束入射到光學(xué)晶體上時，才可能從光學(xué)晶體輸出透射光束。
此外，眾所周知，作為光學(xué)器件(property)，尤其對于光學(xué)晶體來說，當(dāng)要入射到光學(xué)晶體上的光束波長只改變1％時，入射到光學(xué)晶體上的光束的偏轉(zhuǎn)角大大改變約50度。這一現(xiàn)象是1999年發(fā)現(xiàn)的，稱超棱鏡效應(yīng)。即，該現(xiàn)象產(chǎn)生于光學(xué)散面形狀的大的改變，它是由入射光束波長的小的改變引起的。當(dāng)入射光束的波長改變1％時，入射光束通過不同光學(xué)散面，因而，獲得大的入射光束偏轉(zhuǎn)角。但是，當(dāng)使用光學(xué)晶體作為光學(xué)器件如光學(xué)開關(guān)時，要求通過以預(yù)期角度偏轉(zhuǎn)具有特殊波長的入射光束來提供輸出光束(即透射光束)。本發(fā)明通過使用下面要詳細(xì)解釋的偏轉(zhuǎn)控制器4處理這一要求。
如上所述，本發(fā)明建立在以下前提之下，通過在光學(xué)晶體上提供具有光禁帶波長之外的波長的入射光束，允許入射光束通過光學(xué)晶體而不反射。在這一前提下，本發(fā)明特征在于，通過給光學(xué)晶體施加大量的能量，偏轉(zhuǎn)入射到光學(xué)晶體一側(cè)的入射光束，從光學(xué)晶體的另一側(cè)提供透射光束，它形成與相對光束的預(yù)期角度。
下面，詳細(xì)解釋本發(fā)明的偏轉(zhuǎn)控制器的最佳實施例。
通過給光學(xué)晶體施加大量能量，偏轉(zhuǎn)控制器4可以改變光學(xué)晶體1的光波段結(jié)構(gòu)，引起入射到光學(xué)晶體上的光束的光路(或偏轉(zhuǎn)角)的改變。當(dāng)在光學(xué)晶體1的一側(cè)上提供具有特殊波長的入射光束而不操作偏轉(zhuǎn)控制器4時，入射光束5沿圖3A和4A顯示的光路A傳播，所以在光學(xué)晶體的另一側(cè)從第一位置輸出透射光束。這種情況下，入射光束5不沿虛線顯示的光路B傳播。然后，當(dāng)操作偏轉(zhuǎn)控制器4，改變光學(xué)晶體1的光禁帶結(jié)構(gòu)時，入射光束5沿圖3B和4B中實線顯示的光路B傳播，所以在光學(xué)晶體1的另一側(cè)從第二位置輸出透射光束。這種情況下，入射光束5不沿虛線顯示的光路A傳播。
換句話說，當(dāng)通過光學(xué)晶體1的光束波長具有指定波長時，光束沿光學(xué)散面的勢能梯度方向傳送。因此，當(dāng)偏轉(zhuǎn)控制器4改變光學(xué)晶體周期性結(jié)構(gòu)的間隔或構(gòu)成光學(xué)晶體1的材料之間的折射率之比時，會改變光學(xué)散而，所以可以偏轉(zhuǎn)通過光學(xué)晶體的光束。
當(dāng)光學(xué)晶體1包括具有不同折射率的至少兩種材料時，偏轉(zhuǎn)控制器4最好通過給光學(xué)晶體1施加能量來控制這些材料之間的折射率之比，從光學(xué)晶體提供透射光束，它相對入射光束形成預(yù)期角度。另外，當(dāng)材料中的至少一種是電光材料時，偏轉(zhuǎn)控制器4最好給光學(xué)晶體1施加電場(包含光引起的電場)作為能量。
例如，如圖1A和1B所示，偏轉(zhuǎn)控制器4包括一對設(shè)在光學(xué)晶體1的相對側(cè)的平面電極50，用于供應(yīng)電極間電壓的電源(未顯示)，和電壓控制器(未顯示)。圖1A中，序號41指用于支撐電極50和光學(xué)晶體1的支撐件。支撐件41和電極50最好由對于入射光束5透光的材料制成。
作為用于光學(xué)晶體的電光材料，有可能使用具有非線性光學(xué)效應(yīng)的材料，如鮑克爾效應(yīng)(Pockels effect)，即折射率與電場強(qiáng)度成比例改變，或光的刻爾效應(yīng)(Kerr effect三階非線性光效應(yīng))，即折射率與電場強(qiáng)度平方成比例改變。本實施例中，最好使用鮑克爾系數(shù)(Pockelscorefficient)為1×10-12-1000×10-12m/V的材料。例如電光材料包括KH2PO4、KDS2PO4、NH4H2PO4、RbH2PO4、CsD2AsO4(DCDA)、BaTiO3、Ba1-xSrxTiO3、LiNbO3、KNbO3、KTiOPO4(KTP)、KTiOAsO4(KTA)、PbxLa1-x(TiyZr1-y)O3(PLZT)等。
根據(jù)上述偏轉(zhuǎn)控制器4，當(dāng)所要求的電壓施加到電極50之間時，電場施加到光學(xué)晶體1上。所施加的電場改變構(gòu)成光學(xué)晶體的材料之間的折射率之比，所以引起光學(xué)晶體的光禁帶結(jié)構(gòu)的改變。本實施例的偏轉(zhuǎn)控制器4可以改變折射率之比的量級從0.1到約1％。
如上所述，本發(fā)明的偏轉(zhuǎn)控制器4可以控制要施加到光學(xué)晶體1的電場，以改變光學(xué)晶體的折射率之比。折射率之比的這一改變使光學(xué)散面改變，所以控制入射光束5的偏轉(zhuǎn)角成為可能。這樣，既然可以通過調(diào)節(jié)施加到電極50之間的電壓來控制偏轉(zhuǎn)角，就可能實現(xiàn)偏光裝置更高的響應(yīng)速度。另外，由于本實施例的偏轉(zhuǎn)控制器4不向光學(xué)晶體施加機(jī)械外力，所以利于長期容易地維持偏光裝置的操作可靠性。
作為本發(fā)明的偏轉(zhuǎn)控制器4的另一最佳實施例，當(dāng)構(gòu)成光學(xué)晶體1的材料的至少一種是聲光材料時，偏轉(zhuǎn)控制器最好給光學(xué)晶體施加超聲波作為能量。
如圖5所示，偏轉(zhuǎn)控制器4有超聲波施加單元52，用于給光學(xué)晶體1施加超聲波。例如，超聲波施加單元52包括使用超聲波振蕩器(例如壓電組件)的轉(zhuǎn)換器，和用于給轉(zhuǎn)換器供電的電源(未顯示)。聲光材料可以根據(jù)入射到光學(xué)晶體上的光束波長從以下材料選擇，如HgS、Tl3AsS4、Ge、Te、ZnTe、Pb5GE3O11等。本實施例的偏轉(zhuǎn)控制器4可以改變光學(xué)晶體的折射率之比的量級從0.1到約1％。
根據(jù)上述偏轉(zhuǎn)控制器4，施加到光學(xué)晶體1上的超聲波引起其折射率的周期性改變，所以，聲子使光子發(fā)生的布里淵散射(Brillouinscattering)造成了光衍射。即，通過應(yīng)用超聲波，改變光學(xué)晶體的折射率之比，以引起光波段結(jié)構(gòu)的改變。由于通過調(diào)節(jié)超聲波頻率來控制入射到光學(xué)晶體1上的光束的偏轉(zhuǎn)角，就有可能提供達(dá)到較高頻率響應(yīng)度的偏光裝置。另外，由于本實施例的偏轉(zhuǎn)控制器4不給光學(xué)晶體1施加機(jī)械外力，所以，利于長期容易地維持偏光裝置的操作可靠性。
作為本發(fā)明的偏轉(zhuǎn)控制器4的另一最佳實施例，偏轉(zhuǎn)控制器可包括外力施加單元，用于給光學(xué)晶體1施加外力以作為能量，引起光學(xué)晶體的尺寸改變。這種情況下，由于通過使用壓電材料，光學(xué)晶體1的大小可以直接且均一地改變，就可能提高偏光裝置工作中的可靠性。
例如，如圖6A所示，當(dāng)本實施例的偏轉(zhuǎn)控制器4不工作時，光學(xué)晶體1有大小尺寸H1、H2。這時，入射到光學(xué)晶體一側(cè)的光束5沿光學(xué)晶體1中的光路A傳播，所以從光學(xué)晶體另一側(cè)的第一位置輸出透射光束。另一方面，如圖6B所示，當(dāng)偏轉(zhuǎn)控制器4工作時，光學(xué)晶體1的尺寸H1、H2分別改變?yōu)镠1’(＞H1)和H2’(＞H2)。這些光學(xué)晶體1尺寸的改變使得光波段結(jié)構(gòu)改變，所以，引起構(gòu)成光學(xué)晶體的材料之間折射率之比的改變。因此，入射到光學(xué)晶體一側(cè)的光束5沿光學(xué)晶體1中的光路B傳播，從光學(xué)晶體另一側(cè)的第二位置輸出透射光束。
例如，如圖7所示，本實施例的偏轉(zhuǎn)控制器4包括設(shè)在光學(xué)晶體一側(cè)的壓電材料42，設(shè)在壓電材料相對面上的一對電極43a，43b，用于給電極之間施加電壓的電源(未顯示)，和電壓控制器(未顯示)。電極43a置于壓電材料42和光學(xué)晶體1之間。圖7中，序號41指用于將壓電材料和光學(xué)晶體包括在其中的支撐件。壓電材料42，電極43a，43b和支撐件41最好由對入射光束5透光的材料制成。
作為壓電材料，例如，可能使用PZT陶瓷，如Pb(Zr0.52，Ti0.48)O3。PZT陶瓷最好壓電常數(shù)為-400×10-12-1000×10-12m/V。例如，當(dāng)厚10mm的PZT陶瓷板用作壓電材料，電壓施加在電極43a，43b之間，給壓電材料施加1000V/mm的電場，壓電材料42的厚度尺寸改變約5μm。這時，當(dāng)光學(xué)晶體1的厚度是5mm時，光學(xué)晶體的厚度尺寸(H)改變約0.1％。這足以改變光學(xué)晶體的周期(period)。
上述偏轉(zhuǎn)控制器4中，光學(xué)晶體1的尺寸(即光學(xué)晶體1的周期)可以通過在壓電材料42厚度方向上的膨脹或收縮來改變?？梢杂秒妷嚎刂破鱽砜刂茐弘姴牧系呐蛎浐褪湛s量。即，當(dāng)電壓沒施加到電極43a，43b之間的條件下，具有所要求的波長的光束5入射到光學(xué)晶體1上時，光束沿圖7中實線箭頭A顯示的第一光路通過光學(xué)晶體。另一方面當(dāng)電壓施加到電極(43a，43b)之間時，壓電材料給予光學(xué)晶體1壓應(yīng)力，如圖7中箭頭C所示，改變光波段結(jié)構(gòu)。結(jié)果，入射到光學(xué)晶體1上的光束5偏轉(zhuǎn)，沿圖7中虛線箭頭B顯示的第二光路通過光學(xué)晶體。
換句話說，當(dāng)入射到光學(xué)晶體上的光束具有指定波長時，它沿能量散面(energy dispersion surface)的勢能梯度方向傳播通過光學(xué)晶體，該能量散面是光學(xué)晶體的波空間中波帶的等能面。即，通過光學(xué)晶體傳播的光傳過能量散面。本實施例中，通過改變光學(xué)晶體的尺寸來改變光學(xué)晶體的周期，以使能量散面改變(膨脹和收縮)，偏轉(zhuǎn)入射到光學(xué)晶體上的光束5。
這樣，根據(jù)本實施例的偏轉(zhuǎn)控制器4，入射到光學(xué)晶體1上的光束5的偏轉(zhuǎn)角可以通過調(diào)節(jié)光學(xué)晶體尺寸的改變量來加以控制。另外，當(dāng)激活壓電材料42時，光學(xué)晶體的周期可以高速改變。這提供了具有快速響應(yīng)性的偏光裝置。此外，由于傳統(tǒng)的壓電組件可用于偏轉(zhuǎn)控制器，所以利于改善偏光裝置的性能價格比(性價比)。
下面介紹本發(fā)明的使用壓電材料的上述偏轉(zhuǎn)控制器的改進(jìn)型。
該改進(jìn)型的偏轉(zhuǎn)控制器4包括具有頂面的壓電材料的基片47，其上置光學(xué)晶體1，和設(shè)在基片相對側(cè)的一對電極48a，48b，如圖8所示。這種情況下，通過壓電基片47的厚度方向上的膨脹和收縮，提供光學(xué)晶體1尺寸的改變。與從基片47分別設(shè)壓電組件以支撐光學(xué)晶體1的情況相比較，本實施例的偏轉(zhuǎn)控制器4具有簡化的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的性能價格比?；?7和電極48a，48b最好由對于入射光束5透光的材料制成。
例如，當(dāng)使用方形的PZT陶瓷基片47(5mm×5mm)，和通過電極48a，48b給PZT陶瓷基片47施加2000V/mm的電場時，PZT陶瓷基片47的厚度尺寸改變約5μm。這時，光學(xué)晶體的尺寸改變約0.1％。這足以改變光學(xué)晶體的尺寸。本改進(jìn)型的偏轉(zhuǎn)控制器4可以用與圖7的偏轉(zhuǎn)控制器類似的方式操作。
作為本發(fā)明的外力施加單元的又一最佳實施例，外力施加單元最好包括一對設(shè)在光學(xué)晶體相對側(cè)的電磁鐵。這種情況下，機(jī)械應(yīng)力可通過電磁鐵間產(chǎn)生的拉力施加到光學(xué)晶體上。
例如，本實施例的偏轉(zhuǎn)控制器4包括設(shè)在光學(xué)晶體1的相對側(cè)上的電磁鐵46a，46b，用于給電磁鐵的線圈供應(yīng)電流的電源(未顯示)，和電磁鐵，電流控制器(未顯示)，如圖9所示。這種情況下，通過給電磁鐵通電產(chǎn)生拉力，引起光學(xué)晶體尺寸的改變。因此，入射到光學(xué)晶體上的光束5的偏轉(zhuǎn)角可以通過調(diào)節(jié)拉力的量來控制。
根據(jù)上述偏轉(zhuǎn)控制器4，由于給電磁鐵通電減小了電磁鐵46a，46b間的距離，所以光學(xué)晶體接收壓應(yīng)力。該壓應(yīng)力引起光學(xué)晶體1尺寸的改變，以使光學(xué)晶體的尺寸改變。即，當(dāng)不給電磁鐵46a，46b通電的條件下，具有要求的波長的光束5入射到光學(xué)晶體1時，光束沿圖9中實線箭頭A顯示的第一光路通過光學(xué)晶體。另一方面，當(dāng)電磁鐵46a，46b通電時，電磁鐵給予光學(xué)晶體1壓應(yīng)力。結(jié)果，入射到光學(xué)晶體上的光束5偏轉(zhuǎn)，沿圖9中的虛線箭頭B顯示的第二光路通過光學(xué)晶體。
這樣，本實施例中，通過調(diào)節(jié)供應(yīng)給電磁鐵的電流量來控制光學(xué)晶體的尺寸改變，獲得預(yù)期的入射到光學(xué)晶體上的光束的偏轉(zhuǎn)角。因此，就可能實現(xiàn)具有快速響應(yīng)性的小型偏光裝置。
作為本發(fā)明的偏轉(zhuǎn)控制器的另一最佳實施例，偏轉(zhuǎn)控制器最好包括用于加熱光學(xué)晶體加熱器，和加熱器控制器，用于控制光學(xué)晶體的溫度，產(chǎn)生光學(xué)晶體中的熱應(yīng)力。
例如，如圖10所示，偏轉(zhuǎn)控制器4包括一對設(shè)在光學(xué)晶體1相對側(cè)的加熱器49，用于給這些加熱器供應(yīng)電流的電源(未顯示)。加熱器49最好由對于入射光束5透光的材料制成。
本實施例中，構(gòu)成光學(xué)晶體1的兩種材料最好具有相對大的熱膨脹系數(shù)。例如，這兩種材料可以是聚乙烯(熱膨脹系數(shù)約100×10-6/K-200×10-6/K)和聚丙烯(熱膨脹系數(shù)約80×10-6/K)。這種情況下，通過給加熱器49通電引起光學(xué)晶體的熱膨脹，以獲得光學(xué)晶體尺寸的改變。因此，通過調(diào)節(jié)施加給加熱器49的電流量，可以控制光學(xué)晶體1中入射光束5的偏轉(zhuǎn)角。這樣，本實施例中，通過光學(xué)晶體自身的熱膨脹來代替從外界給光學(xué)晶體施加機(jī)械外力，直接改變光學(xué)晶體的尺寸。
例如，當(dāng)要求改變光學(xué)晶體的尺寸0.1％到約1％，以偏轉(zhuǎn)入射到光學(xué)晶體上的光束時，最好用加熱器49將光學(xué)晶體的溫度升高12.5到125K。結(jié)果，得到的光學(xué)晶體的熱膨脹足以改變光波段結(jié)構(gòu)。
或者，偏轉(zhuǎn)控制器可包括設(shè)為與光學(xué)晶體接觸的具有高熱膨脹系數(shù)的材料的外力施加組件，用于加熱外力施加組件的加熱器，用于給加熱器供應(yīng)電流的電源，和電流控制器。這種情況下，外力施加組件的體積隨被加熱的外力施加組件的熱膨脹而增大，所以引起光學(xué)晶體尺寸的改變。因此，通過調(diào)節(jié)對外力施加組件的加熱溫度，可以控制入射到光學(xué)晶體上的光束的偏轉(zhuǎn)角。
作為本發(fā)明的偏轉(zhuǎn)控制器4的另一最佳實施例，可使用圖11所示的外力施加單元。即，該外力施加單元包括毗鄰光學(xué)晶體1設(shè)置的壓力板44，用于向光學(xué)晶體移動壓力板以給光學(xué)晶體提供壓應(yīng)力的驅(qū)動裝置45，和用于將光學(xué)晶體1、壓力板44、驅(qū)動裝置45包括在內(nèi)的支撐件41。這種情況下，壓力板44向光學(xué)晶體的移動引起光學(xué)晶體1的尺寸改變。作為驅(qū)動裝置45，可以使用傳統(tǒng)的壓力裝置，如氣壓、水壓或油壓控制的活塞。壓力板44、驅(qū)動裝置45和支撐件41最好由對于入射光束5透光的材料制成。
上述偏轉(zhuǎn)控制器4中，當(dāng)驅(qū)動裝置45不工作的條件下，具有指定波長的光束5入射到光學(xué)晶體1上時，光束沿圖11中實線箭頭A顯示的第一光路通過光學(xué)晶體。另一方面，當(dāng)驅(qū)動裝置45工作時，壓力板44對光學(xué)晶體1給予壓應(yīng)力，如圖11中箭頭C所示，改變其光波段結(jié)構(gòu)。結(jié)果，偏轉(zhuǎn)入射到光學(xué)晶體上的光束5，沿圖11中的虛線箭頭B所示的第二光路通過光學(xué)晶體。因此，通過調(diào)節(jié)壓力板44的移動量，或經(jīng)壓力板44施加到光學(xué)晶體1上的壓力量，可以控制入射到光學(xué)晶體上的光束的偏轉(zhuǎn)角。
作為本發(fā)明的偏轉(zhuǎn)控制器的另一最佳實施例，當(dāng)光學(xué)晶體包含諸如Si和GaAs的半導(dǎo)體材料時，偏轉(zhuǎn)控制器最好向光學(xué)晶體中注入載流子，以改變光學(xué)晶體的折射率。
例如，如圖12所示，偏轉(zhuǎn)控制器4包括用于向光學(xué)晶體1中注入諸如電子的載流子的電路60。這種情況下，光學(xué)晶體的光波段結(jié)構(gòu)相應(yīng)于向光學(xué)晶體中注入的載流子量而改變。因此，通過調(diào)節(jié)流過電路60的電流量，即，向光學(xué)晶體1中注入的載流子的量，可以控制入射到光學(xué)晶體上的光束5的偏轉(zhuǎn)角。
本實施例中，由于用于集成電路的諸如Si或Ge的通用元素用作構(gòu)成光學(xué)晶體的材料，所以有利之處在于能用已有的半導(dǎo)體生產(chǎn)線生產(chǎn)具有光學(xué)晶體的偏光裝置，并使集成變得更容易。另外，有可能提供有屬于十億分之一秒或萬億分之一秒(nano-or-pico-second)的轉(zhuǎn)換速度的偏光裝置。
作為本發(fā)明的偏轉(zhuǎn)控制器的另一最佳實施例，當(dāng)光學(xué)晶體包括折光材料時，偏轉(zhuǎn)控制器最好向光學(xué)晶體輻照光，改變光學(xué)晶體的折射率。
例如，如圖13所示，偏轉(zhuǎn)控制器4包括用于向光學(xué)晶體1輻照光的輻照器(未顯示)。這種情況下，光學(xué)晶體的光波段結(jié)構(gòu)相應(yīng)于向光學(xué)晶體輻照的光的量而改變。因此，通過調(diào)節(jié)輻照的光量，可以控制入射到光學(xué)晶體上的光束5的偏轉(zhuǎn)角。光可以從上或側(cè)面輻照到光學(xué)晶體1上。或者，光可以將與光學(xué)晶體相鄰設(shè)置的波導(dǎo)管62輻照到光學(xué)晶體上，如圖13的箭頭C所示。
本實施例中，有利之處在于可以實現(xiàn)有屬于十億分之一秒或萬億分之一秒的轉(zhuǎn)換速度的偏光裝置。另外，本實施例設(shè)有偏轉(zhuǎn)控制器4的偏光裝置適用于全光學(xué)封裝交換網(wǎng)絡(luò)。
對于上述各偏轉(zhuǎn)控制器，如圖14所示，在光學(xué)晶體1成形時，最好在其中提供至少兩條光路(A，B)，它們在光束5入射的入射位置和透射光束輸出的投射位置之間有基本相同的直線距離。由于各光路(A，B)有固定長度，就有可能防止相移。圖14中，除去矩形光學(xué)晶體1的轉(zhuǎn)角部分，以便箭頭(A，B)顯示的兩條光路有固定長度。作為偏轉(zhuǎn)控制器4，輻照器(未顯示)可以經(jīng)波導(dǎo)管62向光學(xué)晶體1輻照光，如圖14中箭頭C所示。
將本發(fā)明的偏光裝置應(yīng)用于光學(xué)開關(guān)更好。即，該光學(xué)開關(guān)包括本發(fā)明的偏光裝置，設(shè)在偏光裝置的光學(xué)晶體的入射側(cè)的光輸入終端，和設(shè)在光學(xué)晶體入射側(cè)之外的另一側(cè)上的多個光輸出終端，其中，光學(xué)晶體經(jīng)光輸入終端接收光束，從光輸出終端輸出透射光束。
圖15顯示了本發(fā)明的光學(xué)開關(guān)的實施例。在光學(xué)開關(guān)的輸入側(cè)，有諸如棒形透鏡的單光輸入終端2，它允許從光纖12提供的光束入射到光學(xué)晶體的一側(cè)，在光學(xué)開關(guān)的輸出側(cè)，有諸如棒形透鏡的三個光輸出終端3a，3b，3c，它們中的每一個都從光學(xué)晶體的另一側(cè)給相應(yīng)光纖13a，13b，13c提供透射光束。偏轉(zhuǎn)控制器4設(shè)在光學(xué)晶體1的頂側(cè)和底側(cè)。
通過控制光學(xué)晶體1的光波段結(jié)構(gòu)，該光學(xué)開關(guān)可以從一條入射光束提供三個不同的輸出。即，在圖15A的情況下，從輸出終端3a給相應(yīng)的光纖13a輸出透射光束，如箭頭所示。因此，從余下的輸出終端3b，3c不輸出透射光束。類似地，在圖15B的情況下，從輸出終端3c給相應(yīng)的光纖13c輸出透射光束，如箭頭所示。因此，從余下的輸出終端3a，3b不輸出透射光束?；蛘撸趫D1 5C的情況下，從輸出終端3b給相應(yīng)的光纖13b輸出透射光束，如箭頭所示。因此，從余下的輸出終端3a，3c不輸出透射光束。這樣，光學(xué)開關(guān)可選擇性地從一個輸入信號提供三個不同的輸出信號。作為本實施例的修改例，光輸出終端數(shù)可以是兩個，或三個以上。
本發(fā)明的光學(xué)開關(guān)中，有可能在光學(xué)晶體中的多條光路間轉(zhuǎn)換，每條光路相應(yīng)于入射光束形成不同的偏轉(zhuǎn)角。與使用波導(dǎo)管的傳統(tǒng)光學(xué)開關(guān)相比，可能實現(xiàn)光學(xué)開關(guān)的小型化，而提供相對大的偏轉(zhuǎn)角。另外，利于防止光學(xué)信號的串話干擾，確保高發(fā)送效率。
圖16顯示了本發(fā)明的光學(xué)開關(guān)的另一實施例。圖15的光學(xué)開關(guān)使用單光學(xué)晶體，選擇性從一個輸入信號提供不同的輸出信號。另一方面，本實施例的光學(xué)開關(guān)使用光學(xué)晶體的矩陣排列，可以從多個輸入信號選擇性提供多個不同的輸出信號。
即，如圖16所示，光學(xué)開關(guān)包括本發(fā)明的多個偏光裝置的矩陣排列，設(shè)在矩陣排列的一側(cè)以從外部接收多條光束的光輸入終端；和設(shè)在矩陣排列的另一側(cè)的光輸出終端。這些光學(xué)晶體1形成于單基片10’中。圖16中，用在矩陣排列中的光學(xué)晶體1的數(shù)量是16(4×4)，在矩陣排列的各個邊上設(shè)4個輸入終端和4個輸出終端。光學(xué)晶體1數(shù)量，輸入終端的數(shù)量和/或輸出終端的數(shù)量可以適當(dāng)確定。
根據(jù)該光學(xué)開關(guān)，由于通過本發(fā)明的偏轉(zhuǎn)控制器控制入射到矩陣排列中的各偏光裝置的光學(xué)晶體上的光束，所以，通過在矩陣排列中更大數(shù)量的光路之間轉(zhuǎn)換，有可能同時提供不同的光輸出信號。而且，與使用驅(qū)動裝置的傳統(tǒng)光學(xué)開關(guān)相比，有可能改善轉(zhuǎn)換操作中的可靠性，其中，驅(qū)動裝置用來操作多個偏轉(zhuǎn)鏡。另外，由于可以在單基片10’上形成許多光學(xué)晶體1，就有可能實現(xiàn)光學(xué)開關(guān)可觀的小型化。
從上述最佳實施例可理解，由于本發(fā)明的偏轉(zhuǎn)控制器可以改變光波段結(jié)構(gòu)，以偏轉(zhuǎn)入射到光學(xué)晶體上的光束(入射光束)，就有可能提供小型偏光裝置，它能輸出相對入射光束形成相對大角度的透射光束。另外，由于使用不同的偏轉(zhuǎn)角，對一條入射光束設(shè)多條光路，就可能提供具有光學(xué)晶體的新的光學(xué)開關(guān)，它能防止光學(xué)信號串話干擾，確保高發(fā)送效率。
權(quán)利要求
1.一種偏光裝置，其特征在于，包括光學(xué)晶體(1)，它用來使與光束波長不同的光禁帶波長的光入射到所述光學(xué)晶體上；和偏光控制器(4)，它用于給所述光學(xué)晶體施加大量能量，以在所述光學(xué)晶體的入射側(cè)偏轉(zhuǎn)光束(5)，并從所述光學(xué)晶體除所述入射側(cè)之外的另一側(cè)提供形成了相對所述光束有預(yù)期角度的透射光束。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的偏光裝置，其特征在于，所述光學(xué)晶體包括至少兩種具有不同折射率的材料，其中，所述偏光控制器通過給所述光學(xué)晶體施加能量來控制所述材料之間的折射率之比。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的偏光裝置，其特征在于，所述材料的至少一種是電光材料，其中，所述偏轉(zhuǎn)控制器給所述光學(xué)晶體施加電場作為能量。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的偏光裝置，其特征在于，所述材料的至少一種是聲光材料，其中，所述偏轉(zhuǎn)控制器給所述光學(xué)晶體施加超聲波作為能量。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的偏光裝置，其特征在于，所述光學(xué)晶體包括半導(dǎo)體材料，其中，所述偏轉(zhuǎn)控制器向所述光學(xué)晶體中注入載流子，以改變所述光學(xué)晶體的折射率。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的偏光裝置，其特征在于，所述光學(xué)晶體包括折光材料，其中，所述偏轉(zhuǎn)控制器向所述光學(xué)晶體輻照光，改變所述光學(xué)晶體的折射率。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的偏光裝置，其中，所述偏轉(zhuǎn)控制器給所述光學(xué)晶體施加能量，以引起所述光學(xué)晶體尺寸的改變。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的偏光裝置，其特征在于，所述偏轉(zhuǎn)控制器包括外力施加裝置，用于給所述光學(xué)晶體施加外力作為能量。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的偏光裝置，其特征在于，所述外力施加裝置包括與所述光學(xué)晶體相鄰設(shè)置的壓電材料(42，47)。
10.根據(jù)權(quán)利要求8的偏光裝置，其特征在于，所述外力施加裝置包括一對設(shè)在所述光學(xué)晶體相對側(cè)的電磁鐵(46a，46b)。其中，機(jī)械應(yīng)力通過所述電磁鐵間產(chǎn)生的拉力施加到所述光學(xué)晶體上。
11.根據(jù)權(quán)利要求8的偏光裝置，其特征在于，所述外力施加裝置包括設(shè)為與所述光學(xué)晶體接觸的具有高熱膨脹系數(shù)的材料，用于加熱所述材料的加熱器，其中，通過由加熱器加熱的所述材料的熱膨脹，給所述光學(xué)晶體施加外力。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的偏光裝置，其特征在于，所述偏轉(zhuǎn)控制器包括用于加熱所述光學(xué)晶體的加熱器(49)和加熱器控制器，用于控制所述光學(xué)晶體的溫度，以產(chǎn)生所述光學(xué)晶體中的熱應(yīng)力。
13.根據(jù)權(quán)利要求1到12中任何一個的偏光裝置，其特征在于，所述光學(xué)晶體成形為在其中提供至少兩條光路，它們在所述光束入射的入射位置和所述透射光束輸出的投射位置之間有基本相同的直線距離。
14.一種使用根據(jù)權(quán)利要求1到13中任何一個偏光裝置的光學(xué)開關(guān)，其特征在于，包括光學(xué)輸入終端(2)，設(shè)在所述偏光裝置的光學(xué)晶體的入射側(cè)，所述光學(xué)晶體經(jīng)其接收所述光束；和多個光學(xué)輸出終端(3a，3b，3c)，設(shè)在所述光學(xué)晶體除了所述入射側(cè)之外的另一側(cè)，從其選擇性輸出所述透射光。
15.一種使用根據(jù)權(quán)利要求1到13中任何一個偏光裝置的光學(xué)開關(guān)，其特征在于，包括光學(xué)輸入終端(2)，改在所述偏光裝置的光學(xué)晶體的入射側(cè)，所述光學(xué)晶體經(jīng)其接收所述光束；和至少兩個光學(xué)輸出終端(3a，3b，3c)，包括設(shè)在除所述光學(xué)晶體的所述輸入側(cè)的另一側(cè)的第一光學(xué)輸入終端(3a)，以通過所述光學(xué)晶體輸出第一透射光束，和設(shè)在除所述光學(xué)晶體的所述輸入側(cè)之外的另一側(cè)的第二光學(xué)輸入終端(3b，3c)，以輸出第二透射光束，它相對所述光束形成預(yù)期角度，且與所述第一透射光束的方向不同。
16.一種光學(xué)開關(guān)，其特征在于，包括多個偏光裝置的矩陣排列，均在權(quán)利要求1到13中闡明；光輸入終端，設(shè)在所述矩陣排列的一側(cè)，從外界接收多條光束；和光輸出終端，設(shè)在所述矩陣排列的另一側(cè)。
17.一種用光學(xué)晶體偏轉(zhuǎn)光束的方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟在所述光學(xué)晶體的一側(cè)提供具有除所述光學(xué)晶體的光禁帶波長以外波長的光束；和通過給所述光學(xué)晶體施加大量能量，偏轉(zhuǎn)入射到所述光學(xué)晶體一側(cè)的所述光束，以從所述光學(xué)晶體的另一側(cè)提供透射光束，它相對于所述光束形成預(yù)期角度。
全文摘要
本發(fā)明提供了具有光學(xué)晶體的小型偏光裝置,它能以可控角度偏轉(zhuǎn)入射到光學(xué)晶體上的光束,從光學(xué)晶體輸出具有預(yù)期方向的透射光束。該偏光裝置包括光學(xué)晶體,它設(shè)計用來使與光束波長不同的光禁帶波長的光入射到光學(xué)晶體上,和用于給光學(xué)晶體施加大量能量的偏轉(zhuǎn)控制器,以偏轉(zhuǎn)入射到光學(xué)晶體一側(cè)的光束,和從光學(xué)晶體的另一側(cè)提供透射光束,相對入射光束形成預(yù)期角度。
文檔編號G02B6/122GK1376941SQ0210781
公開日2002年10月30日 申請日期2002年3月21日 優(yōu)先權(quán)日2001年3月22日
發(fā)明者福島博司, 田中健一郎, 正木康史, 高野仁路, 吉野勝美 申請人:松下電工株式會社