專(zhuān)利名稱(chēng)：電光器件,電光薄晶體薄膜及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及電光器件，尤其涉及能夠控制可見(jiàn)和近IR范圍內(nèi)的輻射的電光器件。
背景技術(shù)：
基于電光材料例如鈮酸鋰(LiNbO3)，KDP和KTP的電光器件已經(jīng)于此描述。參看I.P.Kaminov et al.，“Optical FiberTelecommunications”，Vol.IIIB，Ed.By Academic Press(1997)(I.P.Kaminov等人，“光纖電信”，Vol.IIIB，學(xué)術(shù)出版社編輯(1997))。
存在已知基于D形光纖并使用鈮酸鋰晶體的電光器件例如光調(diào)制器。參看W.Johnstone et al.，“Fiber Optic Modulators Using ActiveMultimode Waveguide Overlays”，Electron.Lett.，Vol.27，No.11，894-896(1991)(W.Johnstone等人，“使用有源多模波導(dǎo)護(hù)帶層的光纖調(diào)制器”，電子學(xué)報(bào)，Vol.27，No.11，894-896(1991))。D形光纖，也稱(chēng)作側(cè)面拋光光纖，指具有D形橫截面的光纖。該類(lèi)型的光調(diào)制器通常在石英玻璃的平面平行板上制造，該石英玻璃提供有具有典型地從幾十厘米到幾米的曲度的凹槽。單一模(single-mode)或單模(monomode)光纖粘結(jié)到該凹槽中。然后，具有光纖粘結(jié)到其中的凹槽的板側(cè)面被研磨，直到該平面到達(dá)光纖芯，使得基模(主要局限于芯內(nèi))可以穿透反射包層到達(dá)拋光表面。在該處理之后，光纖截面變成D形。參看S.M.Tseng et al.，“Side-Polished Fibers”，Appl.Optics，Vol.31，No.l8，3438-3447(1992)(S.M.Tseng等人，“側(cè)面拋光光纖”，應(yīng)用光學(xué)，Vol.31，No.18，3438-3447(1992))。D形光纖的拋光表面用氧化銦錫(ITO)組合物的薄透明電極層涂敷。然后，薄鈮酸鋰晶體粘結(jié)在該電極上并且研磨以將厚度減小到20-30微米。最終，第二電極涂敷在鈮酸鋰晶體層上。
該光調(diào)制器如下操作。施加到電光鈮酸鋰晶體的外加電壓改變材料的折射率并且更改光纖的基模與鈮酸鋰層的導(dǎo)模之間的共振條件。共振條件基本上是相位同步的條件，或者具有鈮酸鋰芯的平面光波導(dǎo)的導(dǎo)模與D形光纖的基模的相等傳播常數(shù)。當(dāng)模處于共振時(shí)，光信號(hào)有效地從光纖抽入鈮酸鋰晶體中，并且光纖末端處的輸出信號(hào)強(qiáng)度減小。如果外加電壓改變以更改鈮酸鋰晶體的折射率從而打破共振，光穿過(guò)D形光纖而強(qiáng)度上沒(méi)有損失。在現(xiàn)有技術(shù)中，輸出信號(hào)調(diào)制的有效電平通過(guò)將150V的電壓施加到ITO電極之間35微米厚的控制層來(lái)實(shí)現(xiàn)。
上述光調(diào)制器的一個(gè)缺點(diǎn)在于，薄鈮酸鋰層的制造過(guò)程非常復(fù)雜。而且，由鈮酸鋰晶體的厚度確定的電極間距離相對(duì)大。
使用相同操作原理的光開(kāi)關(guān)已經(jīng)描述，其在D形光纖的表面上使用一層具有可見(jiàn)折射率的材料，以及液晶層。參看S.M.Tseng et al.，“Low-Voltage Optical Fiber Switch”，Jpn.J.Appl.Optics，Part 2，Vol.37，L42-L45(1998)(S.M.Tseng等人，“低壓光纖開(kāi)關(guān)”，日本應(yīng)用光學(xué)雜志，Part 2，Vol.37，L42-L45(1998))。在該類(lèi)型的光開(kāi)關(guān)中，需要大約30V的電壓來(lái)打破13微米電極間距離的共振。該器件的一個(gè)缺點(diǎn)是由液晶的慢響應(yīng)所確定的相對(duì)低的操作速度。開(kāi)關(guān)時(shí)間大約是7毫秒并且液晶不能由頻率為100Hz的ac電壓來(lái)重定向。
存在已知具有電荷載流子注入器的電光器件例如光調(diào)制器。參看E.R.Mustel et al.，“Light Modulation and Scanning Methods”，Nauka，Moscow(1970)(E.R.Mustel等人，“光調(diào)制和掃描方法”，Nauka，Moscow(1970))。該類(lèi)型的光調(diào)制器在襯底上使用代表n型半導(dǎo)體薄膜的一層電光材料。光沿著用作光波導(dǎo)的該薄膜傳播。在該n型薄膜上1沉積的是一層p型半導(dǎo)體，其形成p-n結(jié)。該器件也包含一對(duì)電極，一個(gè)與n型半導(dǎo)體薄膜歐姆接觸，而另一個(gè)與p型半導(dǎo)體薄膜歐姆接觸，控制(dc或ac)電壓施加到其上。當(dāng)控制電壓在正向上施加到p-n結(jié)時(shí)，電荷載流子(空穴)注入到光波導(dǎo)(n型半導(dǎo)體薄膜)中?？昭ㄏ蚬獠▽?dǎo)中的注入增加材料的光吸收，從而調(diào)制光。
該類(lèi)型光調(diào)制器的一個(gè)缺點(diǎn)是p-n結(jié)的電流感應(yīng)的加熱，這需要采取特殊的措施以使整個(gè)器件熱穩(wěn)定。另一個(gè)缺點(diǎn)是由在該器件中使用的光調(diào)制機(jī)制強(qiáng)加于調(diào)制頻率上的限制。實(shí)際上，通過(guò)p-n結(jié)注入的少數(shù)電荷載流子的壽命對(duì)于空穴通常局限于大約10-6秒。由于這個(gè)原因，由少數(shù)電荷載流子注入制導(dǎo)的光調(diào)制器僅可以在高達(dá)105-106Hz的頻率操作。穿過(guò)光波導(dǎo)的電流必須具有足夠大的密度。該需求對(duì)于系統(tǒng)尺寸提出限制。器件的尺寸越大，將密度維持在器件操作所必需的水平所需的電流越高。與該電流穿過(guò)相關(guān)的另一個(gè)缺點(diǎn)是隨著電流值增加的大的能量消耗。
存在已知包含一層光學(xué)性質(zhì)依賴(lài)于外加電場(chǎng)強(qiáng)度而改變的材料的電光器件。參看WO 00/45202。這種材料的一個(gè)實(shí)例是鐵電陶瓷。具有鐵電性質(zhì)的陶瓷材料通常表現(xiàn)出雙折射現(xiàn)象。因此，陶瓷層是電光材料并且外加電場(chǎng)可以控制該器件。由于材料的鐵電和電光性質(zhì)的組合，該系統(tǒng)可以用來(lái)控制和調(diào)制光纖通信系統(tǒng)，非線性光學(xué)器件，和電光器件例如調(diào)制器，光閘，和倍頻器等中的光信號(hào)。
觀察到的光學(xué)效應(yīng)與外加電場(chǎng)中的疇極化矢量的定向或重定向相關(guān)。結(jié)果，陶瓷顆粒的光軸也定向或重定向。外加電場(chǎng)作用下電光陶瓷材料中的疇的重定向伴有與場(chǎng)方向垂直的機(jī)械應(yīng)力的發(fā)展。
鐵電陶瓷的一個(gè)缺點(diǎn)在于，它們?cè)陉P(guān)閉薄膜之后保持疇極化矢量的定向任意長(zhǎng)的時(shí)間。因此，必須采取附加的措施以便恢復(fù)初始狀態(tài)，例如施加具有反向極性和半幅的控制脈沖，機(jī)械地使陶瓷襯底變形，以及施加小振幅的高頻電場(chǎng)。鐵電陶瓷的該性質(zhì)使得電光器件的控制系統(tǒng)變得復(fù)雜。
鐵電陶瓷的另一個(gè)缺點(diǎn)是難以保證快的操作速度。實(shí)際上，給定調(diào)制效率的光調(diào)制速率的增加需要增加控制電壓振幅。這一事實(shí)和這種材料中延遲的電光響應(yīng)與疇壁的形成和重定向的能量消耗相關(guān)。例如，在大約2μs的電脈沖持續(xù)時(shí)間，脈沖振幅必須比準(zhǔn)靜態(tài)控制電壓大兩倍；為了將脈沖持續(xù)時(shí)間減小到1μs，脈沖振幅必須大三倍，等等。
另一個(gè)缺點(diǎn)是鐵電陶瓷材料中固有的疲勞。在與光的空間調(diào)制相對(duì)應(yīng)的范圍內(nèi)對(duì)陶瓷材料施加應(yīng)力(例如以局部再極化為代價(jià))遭遇與場(chǎng)感應(yīng)極化的變形特性相關(guān)的困難。由于這個(gè)原因，電場(chǎng)，特別是大強(qiáng)度(5kV/cm以上)電場(chǎng)的重復(fù)開(kāi)關(guān)循環(huán)導(dǎo)致殘余變形的積累。該殘余變形降低已調(diào)制光的光學(xué)對(duì)比度，這由電光鐵電陶瓷層的不可逆極化來(lái)表明。
上面器件的另一個(gè)缺點(diǎn)是鐵電層特性的非常強(qiáng)的溫度依賴(lài)。溫度變化導(dǎo)致控制器件光學(xué)性質(zhì)的改變。為了排除溫度漂移，必須提供具有熱穩(wěn)定系統(tǒng)的控制器件，這增加能量消耗，使器件變得復(fù)雜，并且增加生產(chǎn)成本。
使用鐵電陶瓷的器件的顯著缺點(diǎn)是引入到作為陶瓷板的強(qiáng)烈變形和反壓電效應(yīng)的結(jié)果而處理的數(shù)據(jù)中的相位畸變的可能性。缺陷和內(nèi)應(yīng)力的存在導(dǎo)致對(duì)制造過(guò)程參數(shù)非常敏感的這種材料性質(zhì)的退化，使得器件的生產(chǎn)成為困難的任務(wù)。
存在已知基于有機(jī)材料的電光器件。參看Forrest等人的美國(guó)專(zhuān)利5,172,385號(hào)以及L.M.Blinov，“Electro-and Magneto-optics of LiquidCrystals”，Nauka，Moscow(1978)，pp.115，351，352(L.M.Blinov，“液晶的電子和磁光學(xué)”，Nauka，Moscow(1978)，pp.115，351，352)。該類(lèi)型的器件包含兩個(gè)電極，如果系統(tǒng)以射束傳輸模式操作，它們?nèi)我庖粋€(gè)都是透明的，或者如果系統(tǒng)以射束反射模式操作，它們是透明且反射的。放置在電極之間的電光材料層代表液晶，其厚度(電極間距離)由密封隔離片來(lái)確定。電極沉積在玻璃襯底上。
許多化學(xué)種類(lèi)的有機(jī)分子提供可以在纖維光學(xué)，集成光學(xué)和光通信中有效使用的廣譜材料。
存在各種化學(xué)性質(zhì)的有機(jī)物質(zhì)的類(lèi)和組，包括分子或分子鏈例如酞菁，聚乙炔，芳香烴，共軛聚合物體系等，它們具有電介質(zhì)，半導(dǎo)體，甚至金屬性質(zhì)。這些分子的共同特征是上層結(jié)構(gòu)的存在。存在已知基于聚合材料(美國(guó)專(zhuān)利4,204,216；4,663,001；4,269,738；5,104,580；3,775,177號(hào)；法國(guó)專(zhuān)利2,583,222號(hào))，線性聚苯胺化合物的鹽(美國(guó)專(zhuān)利4,025,704號(hào))，酞菁衍生物(美國(guó)專(zhuān)利5,525,811；6,051,702號(hào))，有機(jī)染料(美國(guó)專(zhuān)利3,844,843號(hào))，和卟啉(美國(guó)專(zhuān)利3,992,205；3,935,031號(hào))的有機(jī)薄膜，其廣泛地在現(xiàn)代電子器件中用作在光致電壓器件(美國(guó)專(zhuān)利4,164,431號(hào))，太陽(yáng)能電池(美國(guó)專(zhuān)利3,844,843號(hào))，以及極化器件(美國(guó)專(zhuān)利5,172,385號(hào))中在光電子處理過(guò)程中產(chǎn)生電荷載流子的層。
存在各種已知的方法用來(lái)形成有機(jī)薄膜和創(chuàng)造各向異性薄膜結(jié)構(gòu)，例如Langmuir-Blodgett技術(shù)(美國(guó)專(zhuān)利5,079,595號(hào))，分子束外延等。但是，使用液晶分子化合物的光學(xué)器件具有許多缺點(diǎn)，特別是，需要特殊制備的襯底，對(duì)準(zhǔn)層，或者高真空條件用于獲得高度有序且干凈的結(jié)構(gòu)。特殊高級(jí)技術(shù)被使用，甚至這些經(jīng)常不能保證獲得具有某種類(lèi)型的順序的薄膜和保證所需的光學(xué)各向異性。
存在已知使用具有分散的有機(jī)染料(客)分子的液晶(主)基體的電光材料的電光器件。參看I.K.Vereshchagin et al.，“Introduction toOptoelectronics”，p.173，Vysshaya Shkola，Moscow(1991)(I.K.Vereshchagin等人，“光電子學(xué)概論”，p.173，Vysshaya Shkola，Moscow(1991))，L.M.Blinov et al.，“Electrooptical Effects in LiquidCrystal Materials”，p.182，Springer-Verlag，New York(1994)(L.M.Blinov等人，“液晶材料中的電光效應(yīng)”，p.182，Springer-Verlag，NewYork(1994))?？刂破骷诳椭鹘换プ饔迷聿僮?，并且在結(jié)構(gòu)上與上面所述的類(lèi)似，包括兩個(gè)電極，如果系統(tǒng)以射束傳輸模式操作，它們?nèi)我庖粋€(gè)都是透明的，如果系統(tǒng)以射束反射模式操作，它們是透明且反射的。放置在電極之間的電光材料層代表?yè)诫s有染料分子的液晶。該層的厚度(電極間距離)由放置在沉積到玻璃襯底上的電極之間的密封隔離片來(lái)確定。液晶和染料的分子在平行于對(duì)準(zhǔn)層的相同方向上定向。在外加電壓不存在的情況下，在染料分子的長(zhǎng)軸中極化的光被吸收，并且沒(méi)有信號(hào)傳輸通過(guò)光學(xué)器件。染料中的該吸收與平行于染料分子長(zhǎng)軸而極化的光的電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)電子在分子的末端之間振蕩，從而消耗射束能量的事實(shí)相關(guān)。施加到電極的外加電壓在液晶中形成電場(chǎng)。該場(chǎng)使液晶分子旋轉(zhuǎn)，從而使染料分子旋轉(zhuǎn)(因?yàn)榭椭餍?yīng))，使得染料分子的長(zhǎng)軸變得垂直于光束的極化面。在這種情況下，染料分子中的電子不會(huì)受光束的電場(chǎng)強(qiáng)迫移動(dòng)。因此，光不吸收到液晶層中，并且射束傳輸通過(guò)光學(xué)器件而沒(méi)有顯著損失。
上面光學(xué)器件的一個(gè)缺點(diǎn)是相對(duì)低的操作速度，其特征在于0.1秒級(jí)的開(kāi)關(guān)時(shí)間。該器件在降低的溫度下操作不佳，在這種情況下，操作速度進(jìn)一步急劇減小。該器件具有不夠的工作壽命，其總計(jì)大約104小時(shí)。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的一個(gè)目的在于提供一種電光器件，其消除在上述已知器件中固有的缺點(diǎn)。
本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種電光器件，其使用相當(dāng)?shù)偷墓ぷ麟妷骸?br> 本發(fā)明的再一個(gè)目的在于提供一種電光器件，其可以控制極化和非極化的光波。
本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種電光器件，其創(chuàng)造用于光信號(hào)的過(guò)濾，整流，和調(diào)制的電壓控制有源器件。
本發(fā)明的又一個(gè)目的在于提供一種用于生產(chǎn)電光器件的低成本，節(jié)省材料和能量的方法。
本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種基于液晶相中的凈固相內(nèi)容和涂敷含水層的厚度來(lái)控制電光各向異性薄晶體薄膜的厚度的方法。
本發(fā)明的再一個(gè)目的在于提供一種電光器件，其可以獲得電光效應(yīng)而不使電流穿過(guò)電光材料層。
本發(fā)明的再一個(gè)目的在于提供一種基于用于光纖通信的光纖的小尺寸電光器件。
本發(fā)明的再一個(gè)目的在于提供一種電光器件，其具有依賴(lài)于外加電場(chǎng)或光波電場(chǎng)的強(qiáng)度的折射率。
本發(fā)明的又一個(gè)目的在于提供一種電光器件，其具有在外加電場(chǎng)的作用下漂移的光吸收帶。
本發(fā)明的這些和其他目的由本電光器件以及制造該器件的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明的電光器件包括至少一個(gè)襯底，至少一對(duì)電極以及至少一層電光材料。該電光材料代表光學(xué)各向異性薄晶體薄膜，并且包含具有芳香環(huán)且具有沿著光軸之一、面間距(布喇格反射)為3.4±0.2的晶格的分子。該電光材料具有依賴(lài)于電場(chǎng)強(qiáng)度的各向異性折射率和/或各向異性吸收系數(shù)。
在另一種實(shí)施方案中，本發(fā)明提供一種制造電光器件的方法。根據(jù)本方法，不等軸粒子的膠體體系沉積到至少一個(gè)電極上和/或到至少一個(gè)襯底上和/或到至少一層各向同性或各向異性材料上以形成至少一層電光材料。外部對(duì)準(zhǔn)作用施加到膠體體系以形成膠體體系粒子的優(yōu)選對(duì)準(zhǔn)。然后，膠體體系被干燥。然后，至少一個(gè)電極和/或至少一層各向同性或各向異性材料在電光材料層的至少一部分上形成。


當(dāng)結(jié)合附隨附圖閱讀時(shí)，本發(fā)明將從下面的描述中變得更加明白，其中圖1是說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施方案的電光器件的原理圖。
圖2是說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施方案包含非透明電極的電光器件的原理圖。
圖3是說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施方案包含在上電極和光學(xué)各向異性薄晶體薄膜之間形成的保護(hù)層的電光器件的原理圖。
圖4是說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施方案代表具有環(huán)形空腔的光調(diào)制器的電光器件的原理圖。
圖5是說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施方案的電光器件的原理圖，其中光束在平行于外加電場(chǎng)的方向上在電光各向異性薄晶體薄膜中傳播。
圖6是說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施方案的電光器件的原理圖，其中電極部分地延伸到電光材料層的一個(gè)表面。
圖7是說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施方案代表多層調(diào)制器單元的電光器件的原理圖。
圖8是說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施方案的電光器件的原理圖，其中襯底代表具有芯和反射包層的光纖。
圖9是說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施方案的電光器件的原理圖，其中兩個(gè)圓柱形電極和電光層的有源(電壓控制)系統(tǒng)在光纖上的兩個(gè)區(qū)域中形成。
圖10是說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施方案的電光器件的原理圖，其中圓柱形電光材料層在光纖的反射包層的表面上形成。
圖11是說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施方案的電光器件的原理圖，其中兩個(gè)電極和電光層的有源(電壓控制)系統(tǒng)在D形光纖的反射包層的平整表面上形成。
圖12是說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施方案的電光器件的原理圖，其中兩個(gè)電極和電光層的有源(電壓控制)系統(tǒng)在光纖的“中間細(xì)部”的區(qū)域中形成。
圖13是說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施方案的電光器件的原理圖，其中兩個(gè)電極和電光層的有源(電壓控制)系統(tǒng)在具有芯和反射包層的光纖的平整端面上形成。
圖14是說(shuō)明基于具有傾斜端面的光纖的制導(dǎo)電光器件的原理圖。
圖15是說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施方案基于與圖14中相同的原理操作的電光器件的原理圖。
圖16是說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施方案基于具有在光纖芯中形成的長(zhǎng)周期光柵的光纖的電光器件的原理圖。
圖17是說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施方案具有在光纖芯中形成的兩個(gè)長(zhǎng)周期光柵以及在光纖反射包層的表面上在兩個(gè)光柵之間的區(qū)域中形成的電極和電光層的有源系統(tǒng)的電光器件的原理圖。
圖18是說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施方案組合圖16和17中描繪的器件特征的電光器件的原理圖。
圖19是說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施方案，通過(guò)建立相應(yīng)的折射率分布來(lái)使用在電光材料層中形成的布喇格(Bragg)光柵的電光器件的原理圖。
圖20是說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施方案，包括具有芯和反射包層的兩個(gè)單模D形光纖的電光器件的原理圖，其中兩個(gè)單模D形光纖以它們朝向彼此的平整拋光表面旋轉(zhuǎn)。
圖21是說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施方案包括以它們朝向彼此的平整拋光表面旋轉(zhuǎn)的兩個(gè)單模D形光纖的電光器件的原理圖。
具體實(shí)施例方式
通常，本發(fā)明提供一種包括至少一個(gè)襯底，至少一對(duì)電極和至少一層電光材料的電光器件。該至少一層電光材料代表光學(xué)各向異性薄晶體薄膜并且包含具有芳香環(huán)且具有沿著光軸之一、面間距(布喇格反射)為3.4±0.2的晶格的分子，并且具有依賴(lài)于電場(chǎng)強(qiáng)度的各向異性折射率和/或各向異性吸收系數(shù)。
本發(fā)明的電光各向異性薄晶體薄膜具有獨(dú)特的性質(zhì)，包括小的厚度，低的溫度敏感性，折射率的高各向異性，吸收系數(shù)的各向異性，高的二色性比，以及制造簡(jiǎn)單。這些獨(dú)特性質(zhì)由制造薄晶體薄膜的方法和由材料的特征，也就是由當(dāng)液晶涂敷到適當(dāng)襯底上、對(duì)準(zhǔn)和干燥時(shí)，通過(guò)液晶相的結(jié)晶化而獲得的特殊分子-結(jié)晶結(jié)構(gòu)，其包含能夠形成穩(wěn)定溶致或熱致液晶相的至少一種有機(jī)化合物，來(lái)確定。本電光各向異性薄晶體薄膜中的有機(jī)物質(zhì)包括至少一種有機(jī)化合物，其分子式包括(i)至少一個(gè)離子化基團(tuán)，保證用于獲得溶致液晶相的極性溶劑中的溶解性，和/或(ii)至少一個(gè)非離子化基團(tuán)，保證用于獲得溶致液晶相的非極性溶劑中的溶解性，和/或(iii)至少一個(gè)平衡離子，其在材料形成期間可能保留或者可能不保留在分子結(jié)構(gòu)中。
電光各向異性薄晶體薄膜包括一種或幾種有機(jī)化合物的許多超分子絡(luò)合物，例如J.M.Lehn，“Supramolecular ChemistryConcepts andPerspectives”，VCH，Weinheim(1995)(J.M.Lehn，“超分子化學(xué)概念和前景”，VCH，Weinheim(1995))中描述的那些。這些超分子絡(luò)合物以某種方式定向，以便提供透射光的導(dǎo)電性和極化。
電光各向異性薄晶體薄膜的基底材料的選擇由共軛芳香環(huán)中π共軛鍵的發(fā)達(dá)系統(tǒng)的存在以及由位于分子平面中并且進(jìn)入鍵的芳香系統(tǒng)中的基團(tuán)例如胺、酚、酮等的存在來(lái)確定。分子和/或分子碎片具有平面構(gòu)造。這些可以是例如有機(jī)物質(zhì)例如靛蒽醌(甕藍(lán)4)，1，4，5，8-四羧基二萘嵌苯酸二苯咪唑(甕紅14)，3，4，9，10-四羧基二萘嵌苯酸二苯咪唑，喹吖二酮(顏料紫色19)等，其衍生物(或者它們的混合物)能夠形成穩(wěn)定的溶致液晶相。
當(dāng)溶解在適當(dāng)溶劑中時(shí)，這種有機(jī)化合物形成膠體體系(溶致液晶)，其中分子聚集成構(gòu)成體系動(dòng)力單位的超分子絡(luò)合物，參看PCT公開(kāi)WO 02/56066。該溶致液晶相基本上是體系有序狀態(tài)的前身，在超分子絡(luò)合物的隨后對(duì)準(zhǔn)和溶劑去除期間，固態(tài)電光各向異性薄晶體薄膜由其形成。
從具有超分子絡(luò)合物的膠體體系制造電光各向異性薄晶體薄膜的本方法包括下列步驟-將膠體體系涂敷到多層結(jié)構(gòu)中的襯底或器件或?qū)由?。膠體體系典型地具有通過(guò)維持預(yù)先設(shè)定的溫度和某種濃度的分散相來(lái)提供的觸變性；-通過(guò)任何外部作用例如加熱、施加剪切應(yīng)力將涂敷的膠體體系轉(zhuǎn)換成高流動(dòng)狀態(tài)以減小溶液的粘性。該作用可以在整個(gè)隨后對(duì)準(zhǔn)階段期間施加或者持續(xù)最小的必要時(shí)間，使得體系在對(duì)準(zhǔn)期間不會(huì)松弛進(jìn)入具有增強(qiáng)粘性的狀態(tài)。
-在體系上外部對(duì)準(zhǔn)，其可以使用機(jī)械因素或者通過(guò)任何其他方法，例如通過(guò)在正常或升高的溫度施加外加電場(chǎng)，具有或不具有附加的照明，磁場(chǎng)，或者光場(chǎng)(例如相干光致電壓效應(yīng))來(lái)產(chǎn)生；外部對(duì)準(zhǔn)的程度應(yīng)當(dāng)足夠?qū)⒈匾亩ㄏ蛱峁┙o膠體體系的動(dòng)力單位并且形成用作電光各向異性薄晶體薄膜的晶格的基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)。
-將層的對(duì)準(zhǔn)區(qū)域從由初始作用實(shí)現(xiàn)的減小粘性的狀態(tài)轉(zhuǎn)換成初始或較高粘性的狀態(tài)。該轉(zhuǎn)換執(zhí)行，以便不引起電光各向異性薄晶體薄膜結(jié)構(gòu)的失定向和不產(chǎn)生表面缺陷；以及-最后干燥以去除溶劑，從而形成最終的電光各向異性薄晶體薄膜結(jié)構(gòu)。
在作為結(jié)果的電光各向異性薄晶體薄膜中，分子平面彼此平行并且分子形成三維晶體結(jié)構(gòu)，至少在晶體的部分中。生產(chǎn)技術(shù)的優(yōu)化可以允許電光各向異性單薄晶體薄膜的形成。該單晶體中的光軸垂直于分子平面。這種薄晶體薄膜具有高度各向異性并且至少在一個(gè)方向上表現(xiàn)出高折射率和/或高吸收系數(shù)。
本電光各向異性薄晶體薄膜的光學(xué)各向異性用分別在吸收系數(shù)和折射率的角變量中表征的復(fù)數(shù)折射率的虛部和實(shí)部的橢圓體來(lái)描述。根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)各向異性薄晶體薄膜的復(fù)數(shù)折射率的虛部(Ki)和實(shí)部(ni)的分量應(yīng)當(dāng)同時(shí)滿(mǎn)足下列關(guān)系K1≥K2＞K3，(n1+n2)/2＞n3。
其中K1，K2，K3和n1，n2，n3是薄晶體薄膜材料的各向異性復(fù)數(shù)折射率的虛部和實(shí)部的橢圓體的半軸。
各向異性復(fù)數(shù)折射率的實(shí)部和虛部的分量，以及橢圓體主軸的方向可以由常規(guī)橢圓度計(jì)和分光光度計(jì)技術(shù)來(lái)確定。
吸收系數(shù)(K1，K2，K3)和折射率(n1，n2，n3)的所需各向異性，以及主軸的必要定向(也就是多層結(jié)構(gòu)中電光各向異性薄晶體薄膜的光學(xué)性質(zhì))可以通過(guò)在襯底表面處的極化薄膜中建立分子的某種角分布來(lái)保證。
混合膠體體系(其導(dǎo)致化合超分子的形成)以便獲得具有中間光學(xué)特性的晶體薄膜也是可能的。在從混合的膠體溶液獲得的電光各向異性薄晶體薄膜中，吸收系數(shù)和折射率可以取由初始成分確定的界限內(nèi)的各種值。具有化合超分子的形成的不同膠體體系的這種混合因使用的有機(jī)化合物的一個(gè)特性尺度(3.4±0.2的面間距)的一致而可能。
電光各向異性薄晶體薄膜的厚度由施加溶液中固態(tài)物質(zhì)的內(nèi)容來(lái)確定。在這種層形成期間，方便地在工業(yè)生產(chǎn)條件下控制的技術(shù)參數(shù)是溶液濃度。
最終晶體薄膜的結(jié)晶度可以由X射線衍射和/或由光學(xué)方法監(jiān)控。
使用本方法，電光各向異性薄晶體薄膜可以在各種襯底材料上形成，包括金屬，半導(dǎo)體，電介質(zhì)，晶體，多晶體，玻璃，聚合物等。而且，本方法使得電光各向異性薄晶體薄膜能夠在簡(jiǎn)單(平整)和復(fù)雜形狀(圓柱形，圓錐形，球形等)的各種表面上獲得，這使得本電光各向異性薄晶體薄膜能夠在最復(fù)雜設(shè)計(jì)的電光器件中使用，例如在光纖的邊緣和側(cè)面上，在這種光線的平整拋光側(cè)面上，在光子晶體光纖(也就是在芯中和/或在反射包層中包含縱向空氣通道的系統(tǒng)的光纖)的內(nèi)和外表面中。
薄晶體薄膜涂敷于其上的襯底可以另外處理，以保證表面的均勻潤(rùn)濕從而使表面親水?？赡艿奶幚戆C(jī)械加工，退火，機(jī)械化學(xué)處理等。在薄晶體薄膜涂敷之前，襯底表面可以被機(jī)械處理以形成各向異性對(duì)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，這幫助所獲得的薄晶體薄膜中分子序態(tài)程度的增加。
顯著降低工作電壓電平的可能性由100-500nm級(jí)上的各向異性晶體薄膜的小厚度來(lái)保證，因?yàn)殡妶?chǎng)強(qiáng)度由外加電壓(U)和薄膜厚度(D)通過(guò)公式E＝U/D來(lái)確定。
創(chuàng)造用于極化和非極化光波的過(guò)濾、控制和整流的有源器件的可能性通過(guò)使用具有電和光學(xué)各向異性以及高度雙折射的材料來(lái)保證厚度為0.3微米的電光晶體薄膜具有Re(n0-ne)＝0.85的最大值。使用常規(guī)材料，這種雙折射典型地達(dá)到200微米的層厚度。參看P.Lazarev et al.，“Thin-Crystal Film Retarders”，Proc.7th Int.Workshop on DisplayMaterials and Components，Kobe(Japan)，p.1159-60，November 29-December 1(2000)(P.Lazarev等人，“薄晶體薄膜緩凝劑”，第7屆顯示材料與成分國(guó)際專(zhuān)題討論會(huì)會(huì)議論文集，Kobe(日本)，p.1159-60，11月29日-12月1日(2000))。薄晶體薄膜的折射率由外加電場(chǎng)確定，并且可以與石英玻璃襯底的折射率顯著不同。另外，薄晶體薄膜材料是光敏的并且在激光輻射下改變它的光學(xué)特性。折射率依賴(lài)于光強(qiáng)。本材料具有有趣的非線性光學(xué)性質(zhì)。
本電光器件關(guān)于溫度變化的低敏感性由與常規(guī)材料相比較具有高熱穩(wěn)定性的薄晶體薄膜來(lái)保證。薄晶體薄膜可以在高達(dá)180℃的溫度下在空氣或氬氣中熱處理長(zhǎng)達(dá)四小時(shí)的時(shí)期，極化效率的損失不超過(guò)0.8％。
本器件的高技術(shù)性質(zhì)由薄晶體薄膜容易涂敷到任何形狀的表面上，技術(shù)設(shè)施和材料相對(duì)便宜來(lái)保證。電光材料的高技術(shù)性質(zhì)，薄晶體薄膜制造的容易，和質(zhì)量監(jiān)控的方便幫助本電光各向異性薄晶體薄膜應(yīng)用于光纖通信器件例如可控調(diào)制器，開(kāi)關(guān)，耦合器，衰減器，濾波器等中。使用這些薄晶體薄膜，能夠創(chuàng)造小型光纖器件，因?yàn)樾〕叽绲木w可以容易地在復(fù)雜形狀的表面例如光纖邊緣或側(cè)面上形成。光纖可以單獨(dú)具有非常小的尺寸。實(shí)際上，單模光纖的芯具有5-10微米的直徑并且反射包層直徑總計(jì)125微米。
光纖可以由各種材料制成，包括石英玻璃，硫?qū)倩锖头锊Ａ?，鹵化鉈和一些其他無(wú)機(jī)和有機(jī)，結(jié)晶和非結(jié)晶材料例如聚合物或它們的化合物。存在三種主要類(lèi)型的光纖芯和反射包層都由玻璃制成的全玻璃光纖；具有玻璃芯和塑料反射包層的玻璃-塑料系統(tǒng)；以及芯和反射包層都由塑料制成的全塑料光纖。
光纖可以包含由不同材料制成的芯和/或一個(gè)或多個(gè)反射包層，這些材料包括石英玻璃，氟化物和硫?qū)倩锊Ａ?，鹵化鉈多晶鹵化物，以及聚合物等。
直徑從幾十到數(shù)百微米的小尺寸電光各向異性薄晶體可以在所有上述光纖材料上獲得。這種材料的列表決不限制于上述實(shí)例。
本發(fā)明的電光光纖器件的制造包括電光各向異性薄晶體薄膜在復(fù)雜幾何形狀表面上的形成。本方法使得電光各向異性薄晶體薄膜能夠在包括簡(jiǎn)單(平整)和復(fù)雜形狀(圓柱形，圓錐形，球形等)的各種表面上獲得。因此，薄晶體薄膜也可以在光纖的圓柱形反射包層上，在平整傾斜光纖端面上，和在D形光纖(被研磨使得拋光面接近光纖芯的彎曲光纖，或者從具有D形橫截面的空白中抽出的光纖并且芯位置接近平整表面)的反射包層的平整拋光表面上形成。特別地，公開(kāi)的方法使得薄晶體薄膜能夠在具有形成于芯材料中的至少一個(gè)長(zhǎng)周期光柵的光纖的反射包層表面上獲得。這種光柵可以由任何適當(dāng)?shù)姆椒ɡ缤ㄟ^(guò)照射或者摻雜材料來(lái)形成，并且提供光信號(hào)與電光各向異性薄晶體薄膜的更強(qiáng)交互作用。因?yàn)橥糠蟮谋【w薄膜是光敏的，布喇格和長(zhǎng)周期光柵可以同樣地記錄在該薄膜中。
各向異性薄晶體薄膜在電光器件中的使用基于這些材料的各向異性折射率和吸收系數(shù)依賴(lài)于外加電場(chǎng)強(qiáng)度，薄膜厚度依賴(lài)于電場(chǎng)(電致伸縮)，以及折射率依賴(lài)于光輻射場(chǎng)的電分量的事實(shí)。形成光纖或平面光波導(dǎo)上的外部涂層的晶體薄膜與能夠從光波導(dǎo)芯的制導(dǎo)層穿透進(jìn)入電光各向異性薄晶體薄膜中的導(dǎo)模交互作用。
本發(fā)明的電光器件現(xiàn)在將參考圖1到21更詳細(xì)地描述。
圖1說(shuō)明一種電光器件，其包括承載第一透明電極2，代表各向異性薄晶體薄膜3的電光材料，以及第二透明電極2的順序沉積層的襯底1。襯底1可以由透明或非透明材料包括金屬、半導(dǎo)體和電介質(zhì)制成。優(yōu)選地，襯底1由玻璃，石英，或塑料制成。透明電極2可以由氧化錫(SnO2)或氧化銦(In2O3)制成。具有300Ohm/cm2及以下的電阻率的SnO2層在400-500℃的馬弗爐中由SnCl4或水合SnCl2的高溫分解獲得。該技術(shù)可以用于在各向異性薄晶體薄膜涂敷之前在襯底上沉積電極層。電極層可以是薄的或者厚的，依賴(lài)于應(yīng)用需求例如透明性和低電阻。SnO2層可以使用BF-2或BF-4的稀釋乙醇溶液作為焊劑焊接到薄金屬導(dǎo)體。氧化銦層由10-5Torr真空中的陰極濺射來(lái)獲得。陰極濺射是技術(shù)上更高級(jí)的，并且可以產(chǎn)生具有與SnO2薄膜大約相同性質(zhì)(機(jī)械強(qiáng)度、光傳輸、電阻率)的氧化銦薄膜。如果透明傳導(dǎo)性電極薄膜在玻璃襯底上使用，使用Cu2S層也是可能的。電極連接到dc和/或ac偏壓源。
圖2說(shuō)明進(jìn)一步包括非透明電極4的一種電光器件。該非透明電極可以通過(guò)在真空中噴射金屬例如鋁在光學(xué)各向異性薄晶體薄膜的表面上形成。非透明電極的其他候選材料是金，鈦等。通過(guò)該系統(tǒng)的光傳輸由窗口提供，該窗口例如通過(guò)沉積金屬電極穿過(guò)掩?；蛘咄ㄟ^(guò)任何其他方法來(lái)形成。
圖3說(shuō)明一種電光器件，其中附加的保護(hù)層5在上電極4和光學(xué)各向異性薄晶體薄膜3之間提供。該保護(hù)層5防止電極物質(zhì)和各向異性電光材料的相互擴(kuò)散。在鋁電極的情況下，保護(hù)層5保護(hù)光電材料不受導(dǎo)致器件退化的鋁原子穿透。保護(hù)層5也可以用作防止電流穿過(guò)電光材料的絕緣層。
圖4說(shuō)明在電光材料層3中提供有使用縱向電光效應(yīng)的環(huán)狀空腔、代表光調(diào)制器的一種電光器件。這里，光束沿著空腔6的軸穿過(guò)構(gòu)成關(guān)于調(diào)制頻率的下截止(漸漸消失)波導(dǎo)的窗口7和8。微波調(diào)制信號(hào)經(jīng)由饋通9提供到空腔。在該電光器件中，電場(chǎng)10與光束平行。傳輸光通過(guò)電極的該方法在微波范圍內(nèi)是優(yōu)選的。空腔可以看作一端縮短而另一端負(fù)載有電光各向異性薄晶體薄膜的電容的同軸線的截面。
圖5說(shuō)明一種電光器件，其中光束在平行于外加電場(chǎng)10的方向上在電光各向異性薄晶體薄膜中傳播。在該電光器件中，電極2在電光材料層3的端部上形成。光束通過(guò)光學(xué)棱鏡11送入和離開(kāi)電光材料。
圖6說(shuō)明與圖5中所示的相類(lèi)似的一種電光器件，除了電極2從端部沿著電光材料層3的頂面延伸，并且光束經(jīng)由具有傾斜端面的光波導(dǎo)12送入和離開(kāi)電光材料。
圖7說(shuō)明基于襯底1的代表多層調(diào)制器單元的一種電光器件。電光材料層3由電極2分隔。電壓施加到電極2，使得相鄰的電光材料層中的電場(chǎng)在相反方向上定向。在該器件中，光束傳播方向與電場(chǎng)矢量之間的角度是0或者180°。
圖8說(shuō)明一種電光器件，其中襯底代表具有芯13和反射包層14的光纖。該器件執(zhí)行光閘的功能。光纖的反射包層14由圓柱形電極層12，繼之以圓柱形電光材料層3和另一個(gè)電極層2覆蓋。當(dāng)外部調(diào)制電壓施加到電極2時(shí)，該器件如下操作。如果電光材料3其特征在于依賴(lài)于施加到電極2的電壓的反射率，已調(diào)制的控制電壓改變電光層3和電極2位于其中的區(qū)域中圍繞光纖芯13的反射包層14的有效折射率neff-。當(dāng)有效折射率neff小于光纖芯的有效折射率時(shí)，光束將偏離反射包層14朝向芯13，因此將被制導(dǎo)。如果有效折射率neff大于光纖芯的有效折射率，光束將穿過(guò)電光材料層3而不反射。如果電光材料3其特征在于依賴(lài)于外加電壓的吸收系數(shù)，光束作為電光層3和電極2位于其中的區(qū)域中光吸收的制導(dǎo)變化的結(jié)果來(lái)調(diào)制。本各向異性薄晶體薄膜具有折射率no和ne以及吸收系數(shù)的非常高的各向異性。由于這個(gè)原因，如圖8中所示的器件使得不同極化的光模能夠也如所描述地控制。
圖9說(shuō)明一種電光器件，其中兩個(gè)圓柱形電極2和電光層3的有源(電壓控制)系統(tǒng)在光纖上的兩個(gè)區(qū)域中形成。該器件提供更深的光調(diào)制，并且也可以執(zhí)行光閘的功能。
圖10說(shuō)明一種電光器件，其中圓柱形電光材料層3在具有芯13的光纖的反射包層14的表面上形成。在該器件中，兩個(gè)電極2如橫截面中描繪地排列在電光材料的相同外部圓柱形表面上。該器件如下操作?？刂齐妷旱淖兓瘜?dǎo)致反射包層的有效折射率neff和/或電光層3的吸收系數(shù)的改變。光束因它從光纖包層14反射(當(dāng)neff小于光纖芯的折射率時(shí))，或者因從光纖發(fā)射(當(dāng)neff大于光纖芯的折射率時(shí))而調(diào)制。調(diào)制的第二機(jī)制與電光材料的吸收系數(shù)的場(chǎng)感應(yīng)變化有關(guān)。在該實(shí)施方案中，器件可以用作光閘。因?yàn)楦叨鹊墓鈱W(xué)各向異性，公開(kāi)的器件也可以用來(lái)關(guān)于極化來(lái)控制光。
圖11說(shuō)明一種電光器件，其中兩個(gè)電極2和電光層3的有源(電壓控制)系統(tǒng)在具有位置更接近平整分界面的芯13的D形光纖的反射包層14的平整表面上形成。
圖12說(shuō)明一種電光器件，其中兩個(gè)電極15和電光層16的有源(電壓控制)系統(tǒng)在光纖的“中間細(xì)部”的區(qū)域中形成。這種中間細(xì)部可以通過(guò)光纖的局部加熱和延伸而獲得。在中間細(xì)部區(qū)域中，光纖具有可變的橫截面。使用器件中的中間細(xì)部的優(yōu)點(diǎn)與這種區(qū)域中的光纖芯17更接近在反射包層表面上形成的電光層18的事實(shí)有關(guān)。結(jié)果，在芯中傳播的光與電光材料交互作用更強(qiáng)烈。
圖13說(shuō)明一種電光器件，其中兩個(gè)電極2和電光層3的有源(電壓控制)系統(tǒng)在具有芯13和反射包層14的光纖的平整端面上形成。通過(guò)在電極2之間施加控制電壓，能夠從末端反射射束或者允許光穿過(guò)電光材料。如果可變電場(chǎng)改變電光材料的吸收系數(shù)，光束或者實(shí)際上穿過(guò)而沒(méi)有衰減，或者完全吸收到電光層中。該器件可以使用多層結(jié)構(gòu)代替單個(gè)電光材料層3。多層結(jié)構(gòu)可以包括具有折射率的高和低值和/或具有相對(duì)于彼此以從0到90度的角度定向的主光軸的交替層。層的厚度可以取等于λ/4n，其中λ是光波長(zhǎng)而n是折射率。通常，這種多層結(jié)構(gòu)可以用作帶通或帶阻濾波器；低和高通濾波器也可以基于這種多層結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
圖14說(shuō)明基于具有傾斜端面的光纖的一種電光器件。在該器件中，兩個(gè)電極2和電光層3的有源(電壓控制)系統(tǒng)在具有芯13和反射包層14的光纖的平整端面上形成。電光器件的該設(shè)計(jì)使得光束能夠從光纖中提取。與圖13中所示的器件一樣，該器件也可以使用多層結(jié)構(gòu)代替單個(gè)電光材料層3，包括一組光學(xué)各向同性和/或各向異性，電光和/或非電光材料。
圖15說(shuō)明基于相同原理而操作的一種電光器件。在該實(shí)施方案中，兩個(gè)電極2和電光層3的有源(電壓控制)系統(tǒng)在例如安裝在襯底1上的平面設(shè)計(jì)的光波導(dǎo)19的傾斜末端上形成。與圖13和14中所示的器件一樣，該器件也可以使用多層結(jié)構(gòu)代替單個(gè)電光層3。而且，該類(lèi)型的器件并不局限于圖15中所示的幾何形狀。例如，光波導(dǎo)層可以提供有錐形或楔形末端。
圖16說(shuō)明基于具有在光纖芯13中形成的長(zhǎng)周期(100-160微米)光柵20的光纖的一種電光器件。該光柵20將基光模，或者具有集中在旁軸區(qū)域中的場(chǎng)的任何其他軸向?qū)＾D(zhuǎn)換成在反射包層中傳播的外圍模，或者相反，將外圍模轉(zhuǎn)換成基?；蛘呷魏纹渌S向?qū)?。長(zhǎng)周期光柵保證軸向?qū)Ｅc外圍模因相位同步條件的有效耦合。由于這個(gè)原因，這種光柵增強(qiáng)光與在光纖的反射包層14的表面上形成的電極2和電光層3的有源系統(tǒng)的交互作用。電光各向異性薄晶體薄膜選擇性地與光束交互作用，僅在與光柵周期相對(duì)應(yīng)的模上作用。因?yàn)楦飨虍愋员【w薄膜具有非常高的各向異性，公開(kāi)的器件可以提供具有不同極化的模的選擇。另外，一旦薄晶體薄膜其特征在于吸收系數(shù)對(duì)電場(chǎng)的強(qiáng)依賴(lài)性時(shí)，該器件也可以執(zhí)行具有相對(duì)于吸收的所選波長(zhǎng)的光的調(diào)制。
圖17說(shuō)明具有在光纖芯13中形成的兩個(gè)長(zhǎng)周期光柵20和在光纖的反射包層14的表面上在兩個(gè)光柵之間的區(qū)域中形成的電極2和電光層3的有源系統(tǒng)的一種電光器件。這里，第一長(zhǎng)周期光柵分離相應(yīng)的模并且將它們轉(zhuǎn)換成在反射包層中傳播的外圍模，而第二長(zhǎng)周期光柵驅(qū)動(dòng)這些模返回芯。電極和電光層的有源系統(tǒng)在反射包層中傳播的光上作用。類(lèi)似于上面的實(shí)例，該器件可以執(zhí)行具有相對(duì)于吸收的所選波長(zhǎng)的光的調(diào)制，因?yàn)楸【w薄膜其特征在于吸收系數(shù)對(duì)電場(chǎng)的強(qiáng)依賴(lài)性。因?yàn)楸【w薄膜的各向異性，該器件也可以執(zhí)行關(guān)于極化的光的調(diào)制。
圖18說(shuō)明作為如圖16和17中所示器件的組合的一種電光器件。
圖19說(shuō)明通過(guò)建立相應(yīng)的折射率分布來(lái)使用在電光材料層3中形成的布喇格光柵21的一種電光器件，這可以通過(guò)薄膜組成的變化或者由激光照射來(lái)實(shí)現(xiàn)。具有布喇格光柵21的電光層3放置在具有芯13和反射包層14的D形光纖的平整拋光表面上。控制電壓施加在沉積在電光層3上的兩個(gè)電極之間。場(chǎng)的施加更改布喇格光柵的性質(zhì)，從而改變從光柵反射的光的波長(zhǎng)。
圖20說(shuō)明包括兩個(gè)具有芯13和反射包層14的單模D形光纖的一種電光器件，其中兩個(gè)單模D形光纖以它們朝向彼此的平整拋光表面旋轉(zhuǎn)。包括兩個(gè)電極2和電光材料3的有源多層結(jié)構(gòu)限制在兩個(gè)光線之間。dc和/或ac控制電壓施加在透明電極之間。該器件執(zhí)行光開(kāi)關(guān)的功能，其操作基于依賴(lài)于電場(chǎng)強(qiáng)度的電光材料的折射率。折射率的場(chǎng)感應(yīng)改變更改由電光薄膜(波導(dǎo)芯)以及反射包層和電極材料(反射層)形成的平面光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)制導(dǎo)的模的傳播常數(shù)。平面光波導(dǎo)模的傳播常數(shù)的改變更改這些模與光纖的基模之間的共振條件。如果控制電壓是這樣的使得具有給定波長(zhǎng)的初始光信號(hào)與由電光薄膜形成的平面光波導(dǎo)的所有導(dǎo)模都不共振，信號(hào)傳輸?shù)降谝还饫w輸出22。如果控制電壓是這樣的使得具有給定波長(zhǎng)的初始光信號(hào)處于與由電光薄膜形成的平面光波導(dǎo)的導(dǎo)模之一的共振中，信號(hào)抽入到平面型波導(dǎo)中，并且當(dāng)激發(fā)第二光纖的基模時(shí)，傳輸?shù)搅硪粋€(gè)輸出23。
圖21說(shuō)明包括以它們朝向彼此的平整拋光表面旋轉(zhuǎn)的兩個(gè)單模D形光纖的一種電光器件。限制在兩個(gè)光纖中的是包括兩個(gè)電極2和電光材料層3的有源多層結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)周期光柵例如通過(guò)激光照射形成于電光材料層3中。施加在透明電極之間的dc和/或ac控制電壓改變長(zhǎng)周期光柵的光學(xué)參數(shù)。這里，可見(jiàn)和近IR范圍內(nèi)的輻射的控制(光信號(hào)的調(diào)制和/或在兩個(gè)通道之間的開(kāi)關(guān))歸因于保證不同光波導(dǎo)的模之間的相位同步從而有效地耦合這些模的長(zhǎng)周期光柵。
下面的實(shí)例被提供以說(shuō)明本發(fā)明，而不打算以任何方式限制本發(fā)明的范圍。
實(shí)例1該實(shí)例說(shuō)明電光各向異性薄晶體薄膜由基于硫化靛蒽醌有機(jī)染料的溶致液晶的制造。
薄膜由能夠在室溫下形成六方相的硫化靛蒽醌的9.5％水溶液制備。該有機(jī)染料以不等軸超分子絡(luò)合物的形式在溶液中出現(xiàn)，其形成目標(biāo)薄膜的晶體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。初始漿糊通過(guò)澆鑄和擴(kuò)散涂敷于干凈的硅或玻璃襯底上。然后膠體體系被處理以減小粘性為了隨后對(duì)準(zhǔn)步驟。作為結(jié)果的溶液形成具有從1780減小到250mPa/s的粘性的向列相或向列相和六方相的混合。膠體體系到高流動(dòng)狀態(tài)的該預(yù)先轉(zhuǎn)變是在獲得本發(fā)明的高質(zhì)量各向異性薄晶體薄膜之前的第一步。
接下來(lái)的操作是溶致液晶的膠體體系的動(dòng)力單位的對(duì)準(zhǔn)。對(duì)準(zhǔn)作用可以由各種技術(shù)來(lái)提供。在該實(shí)例中，對(duì)準(zhǔn)使用具有繞線的Meyer擦刮器(wiper)No.4以便控制濕層(wet layer)厚度為9.5mm來(lái)實(shí)現(xiàn)。在對(duì)準(zhǔn)過(guò)程期間，擦刮器速度為13m/s。擦刮器在層上作用期間出現(xiàn)的剪切應(yīng)力產(chǎn)生系統(tǒng)粘性的進(jìn)一步減小。
最后階段是干燥。溶劑去除的速率被控制到足夠小，以不改變?cè)谇懊骐A段形成的目標(biāo)結(jié)構(gòu)。在該實(shí)例中，干燥在室溫和60％的濕度下執(zhí)行。
結(jié)果，獲得厚度為0.3-0.4微米，具有光學(xué)和電性質(zhì)的高度各向異性的各向異性薄晶體薄膜。該薄膜其特征在于沿著薄膜表面的參數(shù)均勻性以及從一批到另一批的良好可再現(xiàn)性。薄膜的高晶體結(jié)構(gòu)完成由光學(xué)方法和由X射線衍射來(lái)證實(shí)。
實(shí)例2該實(shí)例說(shuō)明本發(fā)明的電光器件的制造。
厚度為0.5微米的一層SnO2由常規(guī)方法形成。在該薄膜上，電光各向異性薄晶體薄膜根據(jù)上述方法形成，其由厚度為10-20nm的保護(hù)醋酸薄膜來(lái)填充。然后四毫米寬的鋁條在真空中沉積在醋酸薄膜表面上。最后，電極附加并連接到dc和/或ac控制電壓源。
實(shí)例3該實(shí)例說(shuō)明基于D形光纖的電光器件的制造。
金屬薄膜沉積在D形光纖的平整表面上。然后大約五到十微米寬的間距由激光束形成，以將金屬層劃分成兩個(gè)電極。最后，電光各向異性薄晶體薄膜根據(jù)上述方法在該多層結(jié)構(gòu)上形成。
關(guān)于優(yōu)點(diǎn)，本發(fā)明的電光器件能夠控制可見(jiàn)和近IR范圍內(nèi)的輻射。本發(fā)明的電光器件包括具有依賴(lài)于外加電場(chǎng)和/或可見(jiàn)或IR輻射的電場(chǎng)分量的強(qiáng)度的可變折射率和/或吸收系數(shù)的材料層。在本發(fā)明中使用的電光材料具有許多有用的性質(zhì)，包括折射率依賴(lài)于外加場(chǎng)強(qiáng)的線性變化(Pockels效應(yīng))，折射率依賴(lài)于外加場(chǎng)強(qiáng)的二次變分(電光Kerr效應(yīng))，光學(xué)Kerr效應(yīng)，壓電效應(yīng)，和電致伸縮。本發(fā)明的電光器件可以廣泛用于控制光信號(hào)的振幅，相位和頻率，改變輻射束的方向，產(chǎn)生短的(納秒和皮秒)光脈沖，和創(chuàng)造可調(diào)諧光濾波器，電光各向異性薄晶體光調(diào)制器和開(kāi)關(guān)，保護(hù)防止過(guò)高亮度的光學(xué)裝置(輻射限制器)，光束偏轉(zhuǎn)器，和尤其在光纖通信系統(tǒng)中使用的其他光學(xué)器件。
雖然本發(fā)明參考上面詳述的優(yōu)選實(shí)施方案和實(shí)例來(lái)公開(kāi)，應(yīng)當(dāng)理解，這些實(shí)施方案和實(shí)例打算是說(shuō)明性而不是限制性的，正如應(yīng)當(dāng)期待，修改和組合將容易由本領(lǐng)域技術(shù)人員想到，該修改和組合將屬于本發(fā)明的范圍和附加權(quán)利要求書(shū)的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種電光器件，包括至少一個(gè)襯底，至少一對(duì)電極以及至少一層電光材料，其中至少一層電光材料代表光學(xué)各向異性薄晶體薄膜，并且包含具有芳香環(huán)且具有沿著光軸之一、面間距(布喇格反射)為3.4±0.2的晶格的分子，并且具有依賴(lài)于電場(chǎng)強(qiáng)度的各向異性折射率和/或各向異性吸收系數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的電光器件，其中薄晶體薄膜由基于至少一種二色性有機(jī)染料的溶致液晶形成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的電光器件，其中薄晶體薄膜由二價(jià)或三價(jià)金屬的離子來(lái)處理。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的電光器件，其中至少一層薄晶體薄膜包含具有雜環(huán)的分子。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的電光器件，其中至少一對(duì)電極連接到dc，或ac或脈沖電壓。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的電光器件，其中至少一個(gè)電極的至少一部分由光透明材料制成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的電光器件，其中至少一個(gè)電極由光非透明材料制成，并且提供有用于穿過(guò)光束的至少一個(gè)透明窗口。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的電光器件，其中至少一個(gè)電極的至少一部分在至少一層電光材料的表面上形成。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的電光器件，其中至少一對(duì)電極放置在至少一層電光材料的相對(duì)表面上。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的電光器件，其中至少一對(duì)電極放置在至少一層電光材料的相同表面上。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的電光器件，其中至少一對(duì)電極放置在至少一層電光材料的相同端部上。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的電光器件，其中至少一對(duì)電極放置在至少一層電光材料的不同端部上。
13.根據(jù)權(quán)利要求1的電光器件，其中至少一層電光材料與該對(duì)電極中至少一個(gè)電絕緣，并且電壓施加到該對(duì)電極以在電光材料層中形成電場(chǎng)。
14.根據(jù)權(quán)利要求1的電光器件，還包括在電光材料層和與電光材料層相鄰的電極之間形成的保護(hù)層，其用于防止電極與電光材料的物質(zhì)擴(kuò)散。
15.根據(jù)權(quán)利要求1的電光器件，還包括在電光材料層和與電光材料層相鄰的電極之間形成的絕緣層。
16.根據(jù)權(quán)利要求1的電光器件，還包括具有不依賴(lài)于電場(chǎng)強(qiáng)度的折射率和/或吸收系數(shù)的至少一層各向同性或各向異性材料。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的電光器件，其中至少一層電光材料在至少一個(gè)電極上和/或在至少一層各向同性材料上和/或在由光透明或非透明材料制成的至少一個(gè)襯底上形成。
18.根據(jù)權(quán)利要求1的電光器件，其中至少一個(gè)襯底的至少一部分由玻璃，或石英，或聚合材料，或半導(dǎo)體，以結(jié)晶或非晶形式制成。
19.根據(jù)權(quán)利要求16的電光器件，其中至少一層電光材料和/或至少一個(gè)電極和/或至少一層各向同性材料的表面的垂線相對(duì)于入射光束的方向成0～90°的角度。
20.根據(jù)權(quán)利要求16的電光器件，其中至少一對(duì)電極之間的電場(chǎng)的矢量方向相對(duì)于入射光束的方向成0～180°的角度。
21.根據(jù)權(quán)利要求1的電光器件，其中至少一個(gè)襯底是具有縱軸的光波導(dǎo)。
22.根據(jù)權(quán)利要求21的電光器件，其中至少一層電光材料和/或至少一個(gè)電極和/或至少一層各向同性或各向異性材料在至少一個(gè)光波導(dǎo)的側(cè)表面上形成。
23.根據(jù)權(quán)利要求21的電光器件，其中至少一層電光材料和/或至少一個(gè)電極和/或至少一層各向同性或各向異性材料在至少一個(gè)光波導(dǎo)的端部的表面上形成。
24.根據(jù)權(quán)利要求21的電光器件，其中至少一個(gè)光波導(dǎo)提供有至少一個(gè)傾斜和/或錐形和/或楔形的末端。
25.根據(jù)權(quán)利要求21的電光器件，其中至少一層電光材料的至少一個(gè)光軸平行于光波導(dǎo)的縱軸。
26.根據(jù)權(quán)利要求21的電光器件，其中至少一層電光材料的至少一個(gè)光軸在光波導(dǎo)的縱軸中周期性地改變方向。
27.根據(jù)權(quán)利要求21的電光器件，其中至少一層電光材料的至少一個(gè)光軸具有相對(duì)于光波導(dǎo)的縱軸具有螺旋形定向。
28.根據(jù)權(quán)利要求21的電光器件，其中至少一層電光材料的至少一個(gè)光軸垂直于光波導(dǎo)的縱軸。
29.根據(jù)權(quán)利要求21的電光器件，其中至少一個(gè)光波導(dǎo)是平面型的。
30.根據(jù)權(quán)利要求21的電光器件，其中至少一個(gè)光波導(dǎo)是單模的。
31.根據(jù)權(quán)利要求21的電光器件，其中至少一個(gè)光波導(dǎo)是多模的。
32.根據(jù)權(quán)利要求21的電光器件，其中至少一個(gè)光波導(dǎo)代表包含至少一個(gè)芯和一個(gè)或多個(gè)反射包層的光纖，反射包層的折射率小于芯的折射率。
33.根據(jù)權(quán)利要求32的電光器件，其中光纖代表或者具有隨著半徑連續(xù)改變的折射率分布的漸變折射率光纖，或者在邊界上具有兩個(gè)或多個(gè)反射包層、具有在不同值之間以跳躍方式改變的折射率的W形光纖，或者具有包括折射率的高或低值的交替層的包層的光纖。
34.根據(jù)權(quán)利要求32的電光器件，其中至少一個(gè)光纖代表包含周期性或非周期性縱向通道的系統(tǒng)的光子晶體類(lèi)型的光纖，其中縱向通道裝填有具有與波導(dǎo)基體不同的折射率的材料。
35.根據(jù)權(quán)利要求32的電光器件，其中至少一層電光材料和/或至少一個(gè)電極和/或至少一層各向同性或各向異性材料在光纖的反射包層的表面上形成。
36.根據(jù)權(quán)利要求32的電光器件，其中至少一層電光材料和/或至少一個(gè)電極和/或至少一層各向同性或各向異性材料在至少一個(gè)D形光纖的平整表面上形成。
37.根據(jù)權(quán)利要求32的電光器件，其中至少一個(gè)光纖具有恒定橫截面。
38.根據(jù)權(quán)利要求32的電光器件，其中至少一個(gè)光纖具有可變橫截面，并且至少一層電光材料和/或至少一個(gè)電極和/或至少一層各向同性或各向異性材料在具有減小的橫截面的光纖的至少一個(gè)區(qū)域中形成。
39.根據(jù)權(quán)利要求32的電光器件，其中電光器件代表包括至少兩個(gè)輸入光纖和至少兩個(gè)輸出光纖的光耦合器。
40.根據(jù)權(quán)利要求32的電光器件，還包括在至少一個(gè)光纖的芯中形成的至少一個(gè)長(zhǎng)周期光柵。
41.根據(jù)權(quán)利要求32的電光器件，其中至少一層電光材料和/或至少一個(gè)電極和/或至少一層各向同性或各向異性材料在至少一個(gè)光纖的反射包層的至少一個(gè)區(qū)域中形成，該電光材料層與至少一個(gè)芯區(qū)域部分地重疊，在該至少一個(gè)芯區(qū)域中形成至少一個(gè)長(zhǎng)周期光柵。
42.根據(jù)權(quán)利要求1的電光器件，其中至少一個(gè)布喇格光柵在至少一層電光材料中形成。
43.根據(jù)權(quán)利要求1的電光器件，其中至少一層電光材料具有平整表面或者二階表面。
44.根據(jù)權(quán)利要求1的電光器件，其中至少一層電光材料的至少一個(gè)各向異性吸收系數(shù)依賴(lài)于施加到該層的電場(chǎng)的強(qiáng)度。
45.根據(jù)權(quán)利要求1的電光器件，包括至少兩層電光材料，它們的主光軸相對(duì)于彼此旋轉(zhuǎn)0～90°。
46.根據(jù)權(quán)利要求1的電光器件，其中至少一層電光材料具有沿著光波傳播方向變化的厚度。
47.一種制造電光器件的方法，包括將不等軸粒子的膠體體系沉積到至少一個(gè)電極上和/或到至少一個(gè)襯底上和/或到至少一層各向同性或各向異性材料上以形成至少一層電光材料；外部對(duì)準(zhǔn)膠體體系，以形成膠體體系粒子的優(yōu)選對(duì)準(zhǔn)；干燥該膠體體系；以及在電光材料層的至少一部分上形成至少一個(gè)電極和/或至少一層各向同性或各向異性材料。
48.根據(jù)權(quán)利要求47的方法，其中膠體體系或者經(jīng)受外部作用以便在外部對(duì)準(zhǔn)作用之前減小體系粘性，或者保證膠體體系優(yōu)選對(duì)準(zhǔn)的該對(duì)準(zhǔn)作用在減小體系粘性的外部作用期間產(chǎn)生。
49.根據(jù)權(quán)利要求48的方法，其中減小膠體粘性的外部作用在體系對(duì)準(zhǔn)之后終止，或者產(chǎn)生附加外部作用以便將膠體體系的粘性恢復(fù)到至少初始水平。
50.根據(jù)權(quán)利要求48的方法，其中膠體體系上的外部作用通過(guò)從與電光各向異性材料層相對(duì)的一側(cè)局部和/或整個(gè)加熱襯底，和/或從電光各向異性材料層形成于其上的相同側(cè)局部和/或整個(gè)加熱襯底和/或膠體溶液層來(lái)產(chǎn)生。
51.根據(jù)權(quán)利要求50的方法，其中加熱使用輻射和/或電阻加熱器，和/或ac電或磁場(chǎng)，和/或加熱液體和/或氣體的流動(dòng)來(lái)執(zhí)行。
52.根據(jù)權(quán)利要求48的方法，其中體系上的外部作用經(jīng)由涂敷到襯底上的膠體溶液層上的機(jī)械作用來(lái)產(chǎn)生。
53.根據(jù)權(quán)利要求47的方法，其中涂敷膠體溶液的表面上的外部對(duì)準(zhǔn)作用由至少一個(gè)對(duì)準(zhǔn)設(shè)備的有向機(jī)械運(yùn)動(dòng)來(lái)產(chǎn)生，該至少一個(gè)對(duì)準(zhǔn)設(shè)備代表刀和/或圓柱形擦刮器和/或平板或者平行于涂敷層表面和/或以到該表面的角度定向的任何其他儀器，由此從襯底表面到對(duì)準(zhǔn)設(shè)備邊緣的距離被預(yù)先設(shè)定以便獲得所需厚度的各向異性薄晶體薄膜。
54.根據(jù)權(quán)利要求53的方法，其中某種凸紋在對(duì)準(zhǔn)設(shè)備的表面上制造。
55.根據(jù)權(quán)利要求53的方法，其中對(duì)準(zhǔn)由加熱的儀器來(lái)執(zhí)行。
56.根據(jù)權(quán)利要求47的方法，其中對(duì)準(zhǔn)由施加外部電場(chǎng)到體系來(lái)執(zhí)行。
57.根據(jù)權(quán)利要求47的方法，其中對(duì)準(zhǔn)由施加外部磁場(chǎng)到體系來(lái)執(zhí)行。
58.根據(jù)權(quán)利要求47的方法，其中對(duì)準(zhǔn)由施加外部電和/或磁場(chǎng)到體系來(lái)執(zhí)行，同時(shí)進(jìn)行加熱。
59.根據(jù)權(quán)利要求47的方法，其中對(duì)準(zhǔn)通過(guò)用一個(gè)或幾個(gè)相干激光束照射體系來(lái)執(zhí)行。
60.根據(jù)權(quán)利要求48的方法，其中體系粘性恢復(fù)到至少初始水平通過(guò)在對(duì)準(zhǔn)作用期間終止減小粘性的外部作用來(lái)實(shí)現(xiàn)。
61.根據(jù)權(quán)利要求47的方法，其中干燥在室溫和不小于50％的濕度下執(zhí)行。
62.根據(jù)權(quán)利要求47的方法，其中膠體體系中的各向異性粒子是結(jié)晶的。
63.根據(jù)權(quán)利要求47的方法，其中溶致液晶用作膠體體系。
64.根據(jù)權(quán)利要求63的方法，其中外部作用被選擇，以便提供體系中的相位轉(zhuǎn)變。
65.根據(jù)權(quán)利要求47的方法，其中膠體體系被使用，其中分散相濃度被選擇以便保證體系的觸變行為。
66.根據(jù)權(quán)利要求47的方法，其中在初始膠體體系粘性恢復(fù)之后體系上的附加對(duì)準(zhǔn)作用在與主對(duì)準(zhǔn)階段中相同的方向上產(chǎn)生。
67.根據(jù)權(quán)利要求47的方法，其中膠體體系的動(dòng)力單元是帶電的。
68.電光各向異性薄晶體薄膜，由根據(jù)權(quán)利要求47的方法獲得。
全文摘要
提供一種電光器件，其包括至少一個(gè)襯底(1)，至少一對(duì)電極(2)以及至少一層電光材料。該電光材料代表光學(xué)各向異性薄晶體薄膜(3)，并且包含具有芳香環(huán)且具有沿著光軸之一、面間距(布喇格反射)為3.4±0.2的晶格的分子。電光材料(3)具有依賴(lài)于電場(chǎng)強(qiáng)度的各向異性折射率和/或各向異性吸收系數(shù)。
文檔編號(hào)G02F1/313GK1672086SQ02825923
公開(kāi)日2005年9月21日 申請(qǐng)日期2002年11月19日 優(yōu)先權(quán)日2001年11月19日
發(fā)明者帕維爾·I·拉扎列夫, 邁克爾·V·?？耸餐? 弗拉迪米爾·蘇利莫夫 申請(qǐng)人:奧普蒂瓦有限公司