专利名称：光开关的制作方法
技术领域：
本发明涉及光开关，更准确地说涉及可在集成光学网络中构成的光开关。
光路需要若干将光从一个通路转换到另一通路的开关。一般已知有两种类型的光开关，即，机械光开关和固体光导开关。
机械光开关的结构相对于使用这些开关的光路来说其体积是大的，从而不适合结合到集成光路中去。这种开关易受物理磨损和机械震动。这些开关的造价相当低廉。由于这种开关所固有的精度不足，所以，这种机械开关通常只适合于涉及具有大的芯径(通常大约为50至100微米)的多模光纤的应用场合。
在共同未决的申请第07/262，935号(于1988年10月20日提交)(Lee，ED-363)中公开了可用于具有单模光纤的光路的机械光开关。该发明主题的机械光开关预定可进行廉价且精确的制造并利用由某种材料制成的舌形阀，这种材料可避免其它先有技术的机械光开关的不精确性，使得这种机械光开关可供单模光纤使用，其中，光纤芯径为9微米数量级。
可在非常高速度操作(微微秒的切换时间)情况下供单模光纤使用的固体光导开关是现有的。这些开关通常用诸如铌酸锂(LiNbO)或磷酸氧钛钾(KTP)的晶体材料做成。用于这种开关的晶体材料生长和处理昂贵。这种晶体开关不适合于并入集成光路。
最近，已经用光硬化薄膜和涂层来构造光学装置和单模波导。在共同未决的申请号为07/144，002(PE-0065)、和申请号为07/144，003(PE-0066)(这两个申请以Booth和Marchegiano的各义于1988年1月15日提交，并均已转让给E.I.DuPontdeNemoursandCompany，Incorporated)中描述了这样的薄膜和涂层。这些薄膜和涂层适用于集成光学网络。
在1988年1月13日提交的申请号为07/145，020的专利中，描述了一种用于光纤的光束调相器，在该光束调相器中，利用温度变化来改变通过光纤的光束的相位而制成一种干涉仪，该光束调相器可从NTIS买到，其牌号是AD-D013717。该装置未利用光硬化薄膜和涂层，所以，不适合并入集成电路。
根据上文，可以相信提供这样的开关是很有益的，即，这种光开关可作为由所述光硬化薄膜和涂层所构成的集成光路的一部分而廉价地构成，并且，这种光开关能够切换在由光硬化薄膜和涂层形成的单模光波导中传输的光。
本发明涉及用于将光在光硬化薄膜形成的光波导图案的第一和第二支路之间切换的开关。实现所述切换的方法是改变至少一个支路的局部光波导图案的相对于另一支路的折射率、从而在所传导的光之间产生相移。所述相移量导致光从一个支路到该开关的分开的区域中的另一支路的相应的预定的转换。
当改变支路中光束间的相位关系，使得其中一支路的光以π/2弧度超前于另一支路的光、并使这两条支路在耦合区汇集时，就会出现从超前支路到另一支路的完全的光转换。然而，当改变支路间相位关系使得一个支路超前另一支路π弧度时，就会出现从各支路到另一支路的二分之一光转换。支路中光的相位关系的中间变化在这些支路之间产生相应百分比的光转换。按本发明的一个实施例，可用热装置，例如电阻加热器或帕尔帖(Peltier)装置来实现所述相移。
通过在设置于一个或两个支路附近的一个或多个区域中配置可定向分子来改变一个或两个支路附近光硬化薄膜材料的折射率而实现相移，这也包含在本发明的计划之内。可定向分子也可配置在波导图案自身之中。可定向分子可以是这样一种类型，即，分子本身响应所加的场而物理地重新定向，或者是这样一种类型的可定向分子，即，该分子的电子云响应所加的场而重新定向。当分子处在第一种定向时，光能够以第一速度通过波导的支路。当分子处在第二种定向时，光能够以不同的第二速度通过波导支路。提供一种装置，该装置将所选区域中的分子从第一种取向重新定向为第二种取向，从而按预定量改变各支路中传输的光之间的相位关系、使得在耦合区出现光从一个支路到另一支路的预定的转换。可以这样操作该重新定向装置、使得当改变支路间相位关系以致一个支路的光超前另一支路的光π/2弧度时，便会出现光从超前支路到另一支路的完全的转换。然而，如果改变支路间相位关系使得一个支路的光超前另一支路的光π弧度的相位时，便会出现光从各个支路到另一支路的二分之一的转换。
结合以下构成本申请一部分的附图，通过详细说明，可对本发明有更完全的理解，附图中
图1为按照本发明、用光硬化薄膜材料实现的集成电路开关的平面图;
图2为按照本发明、用光硬化薄膜材料做成的2×2耦合器的平面图;
图3是图1中所示集成光开关或图2所示2×2耦合器的全部截面的侧视图，两者的截面均沿截面线3-3取得;
图4A、4B、4C、4D和4E是用于改变图1所示集成光开关或图2所示2×2耦合器的波导中通过不同支路的光的相应的各种形式热装置的位置的图解说明;
图5A、5B和5C是说明三种不同开关状态的、沿图1和图2中5-5线标出的集成光开关的瞬逝耦合区的输出端的近场图照片的图解说明;
以及图6A、6B和6C是各种形式的重新定向装置的定位的图解说明，该装置用于为改变在图1所示集成光开关或图2所示2×2耦合器开关的波导的不同支路中所通过的光的相位而使配置在图1所示开关内预定位置的分子重新定向。
在以下全部的详细描述中，所有附图中，相同的标号表示相同的元件。
参考图1和图3，图中分别示出本发明的总的用标号10表示的集成光开关的平面图和侧视图。开关10的另一个实施例示于图2。开关10用由预定层数的光硬化薄膜材料构成的复合元件12做成。用以构成开关10的元件12其自身可能就是由这种光硬化材料做成的整个集成光学网络的一部分。
元件12包括其中形成槽形波导16的基层14(图3)。应当注意，在图1和图2中，为说明的清晰起见用实线表示波导16。如将要阐述的那样，槽形波导16具有与其相关的、用以确定开关10的预定工作区域的预定图案。基层14具有第一(上)表面14A和第二(下)表面14B。波导16由其表面14A、14B和横向边界17限定了在基层14中的体积。波导16的材料所呈现的折射率与基层14其余部分的折射率的差别的量足以按全反射的方式来导引光线(典型的折射率差是比基层折射率大0.005到0.060的量级)。然而，该差值不大于按单模传输光所必须的量。为有效地与光纤耦合，波导16的尺寸应当使模能够与光纤匹配，其典型尺寸为6至9微米宽及6微米厚(假定了在这些方向上的抛物形折射率分布和阶跃函数折射率分布的相关性)。基层14的厚度通常等于波导16的厚度尺寸。因此，为了按单模传输光线，波导16和基层14的周围部分的折射率的差通常为0.008的量级。
如前所述，最好参见图1和图2，开关10包括输入区18和顺序接着的相位变化区20、瞬逝耦合区24以及分离或输出区28。瞬逝耦合区24包括具有有效长度27的瞬逝耦合器26。
输入区18包括装置30，该装置用于在波导16中构成分支32，借之来确定第一支路34A和第二支路34B。支路34A、34B仍然按预定的间隙距离36和38分开，使得这两个支路分别通过相位变化区20和瞬逝耦合区24。必须使结合到开关10的瞬逝耦合器26具有这样的形状(即，间隔和长度)使得当光到达耦合区24时，只有在一个支路上传输的光按50%-50%对分到另一支路。耦合器的这种性质是将要描述的开关10的二分之一转换的开关动作的基础。
用于在波导16中构成分支32的装置30包括如图1所示的Y分支33，该分支33是该槽形波导通向分裂的渐进拓宽。在1989年1月13日提交的(PE-0065-A)的申请号为071-，-的共同未决的申请中(该发明已转让给E.I.DuPontdeNemoursandCompany，Incorporated)叙述了Y分支的细节。如图2所示，在另一方案中，分支装置30可采用另一瞬逝耦合器35的形式(与耦合器26性质相同)，在该实施例中，槽形波导图案16采用2×2耦合器形式。在图2的实施例中，光线可从区28的任一个区18发射到开关10。另外，装置30可采用衍射光栅的形式或任何其它可产生适当的光分裂的机构。在共同未决的申请号为071-的申请(于1989年1月13日提交(PE-0065-A))中公开了适合用作该分支装置的衍射光栅。无论选用什么装置，分支装置30将发射到区18的光按预定百分比分到各个支路34A、34B中。
耦合装置42和44分别设置在输入区18和分离区28，以便将各个区18和28耦合到光路。装置42和/或44可采用多种形式中的任何一种形式。为将开关10(图1或图2)耦合到玻璃光纤，耦合装置42和/或44可采取平接耦合、切槽或端射式耦合的形式。装置42和/或装置44也可采用衍射光栅的形式，以便或者耦合到光纤、或者耦合到另一光硬化薄膜中的另一光栅、或者耦合到同一薄膜层内的另一波导。此外，该耦合装置还可简单地采用在其中装备有开关10的同一薄膜层中的槽形波导的连续部分的形式。
如图3所见，第一缓冲层48A和第二缓冲层48B分别配置在薄膜层14的第一表面14A和第二表面14B之上。第一缓冲层48A和第二缓冲层48B配置在波导16的支路34A、34B的上面和下面的相应位置上，并延伸出波导16的横向边界17使得波导16的光学特性不受开关10的周围介质变化的影响。下文有时将层48A和48B总起来用标号48表示。通常缓冲层延展超过横向边界17至少10微米。为易于制造及确保开关结构整体性，最好在基层14的整个上表面和下表面14A、14B上层叠若干缓冲层。为了附加的结构整体性，如果需要的话，可将用50A、50B图解表示的一个或多个附加缓冲层加在层48A、48B的上面和下面。下文有时将层50A和50B总起来用标号50表示。层48(及50，如果需要的话)可呈现任何预定厚度，典型的是大约30微米。通常波导16的折射率比相邻缓冲层的折射率大0.001到0.025。在最佳情形下，用基层14和缓冲层18的3层的层压结构或基层14和缓冲层48及50的5层的层压结构来确定开关10。
文中所用的光硬化基层和缓冲层为热塑复合材料，这种材料一旦在光化幅射下曝光便形成高分子重量的交联或聚合物从而改变这种复合材料的折射率和流变特性。最佳光硬化材料为光聚合组合物，例如在美国专利3，658，526(Haugh)中所公开的，在共同未决的于1988年1月15日提交的申请号为07/144，355，07/144，281和07/144，840的专利中描述了更多的最佳材料，所述专利全部转让给E.I.DuPontdeNemoursandCompany，Incorporated.在这些材料中，包含一个或多个未饱和烯基的自由基附加光聚合和交键的化合物通常在终端位置硬化和不溶解所述组合物。可用发光系统来增强光聚合、复合材料的感光度，所述发光系统包含使该材料易于受预定幅射源(例如可见光)感光的部件。一般来说，根据本发明所用基片或涂层所具有的物理特性，粘合剂是大致干的光聚合基片或涂层中最要紧的成分。该粘合剂在曝光前用作单体和发光体的贮存介质，可产生基线折射率，而在曝光之后，产生基层所需的缓冲层的物理的和折射率特性。内聚力、粘附力、挠性、扩散率、抗拉强度是用来判定该粘合剂是否适用于基层或缓冲层的许多性质中的一部分。
打算作为若干干基片或干层光硬化元件的同等物的是光聚合或光交链复合材料，例如，美国专利3，526，504(celeste)中所公开的，或者通过某种机理来获得硬化而不是以上述确定的自由基激励型的复合材料。
当光聚合基片或层是均匀厚度的固态薄片时，它由三种主要成分组成，一种是可溶于溶剂的固体聚合材料，至少一种液态的能附加光聚合而产生其折射率显著不同于所用的聚合材料或粘合剂的折射率的未饱和烯基单体，以及由光化幅射所启动的发光系统。尽管基片或层是固态复合材料，然而，在成象曝光前，在成象曝光期间以及成象曝光后，各成分互相扩散直到由最终的均匀处理，通常是在光化幅射中进一步均匀曝光。通过将其它不活泼的增塑剂加到复合材料中可进一步促进相互扩散。
除了液态单体，该复合材料可包含固态单体成分，该固态单体成分能够在固态复合材料中相互扩散并与液态单体起反应而产生其折射率偏离粘合剂折射率的共聚物。
在本发明中用作基层14或缓冲层48、50的最佳复合材料中，选用预制的聚合材料和液态单体使得预制的聚合材料或单体包含从基团中取得的一个或多个部分，所述基团主要是取代或未取代的苯基、苯氧基、萘基、萘氧基、包含一个到三个芳香环的芳香杂环基及氯、溴，而其余成分中基本上没有所规定的部分。在单体包含这些部分的情况下，下文将该光聚合系统标识为“面向单体的系统”而在聚合材料包含这些部分时，下文将该光聚合系统标识为“面向粘合剂的系统”。
参考该“面向单体的系统”和“面向粘合剂的系统”可对本发明最佳稳定的、固态的、光聚合合成材料作更安全的描述。面向单体的系统最好用作基层14。
面向单体系统的单体为液态的末饱和烯基化合物，这种化合物可增加聚合作用并且具有100℃以上的沸点。该单体包含苯基、苯氧基、萘基、萘氧基、包含一至三个芳香环的芳香杂环基、氯或溴。该单体至少包含这样一个部分并可包含该基团中两个或多个的相同或不同的部分，假如该单体仍为液态。可用打算用作的等效物的基团来取代这些基团，其中取代物可以是低级烷基、烷氧基、羟基、羧基、羰基、氨基、酰氨基、亚氨基或者是它们的组合，假定该单体保持液态并在光聚合层中扩散。
在本发明的面向单体系统中所使用的最佳液态单体是乙-丙烯酸苯氧乙酯、2-异丁烯酸苯氧乙酯，酚乙氧基丙烯酸酯、1-(ρ氯苯氧基)乙基，ρ-丙烯酸苯酯，丙烯酸苯酯、1-苯丙烯酸苯乙酯、双酚-A和2-(2萘氧基)丙烯酸乙酯的二(2-丙烯酰乙氧基)醚。
而在本发明中可用单体为液态，这些液体可和同类型的第二固态单体用于混合物，例如，N-Z烯基咔唑，未饱和烯基咔唑单体如在“JournalofPolymerSciencePolymerChemistoyEdition”中(第18卷第9-18页(1979年)H.Kamagawa等人的文章中所公开的，以及，2-丙烯酸萘酯，戊丙烯酸氯苯酯，2，4，6-丙烯酸三溴苯酯以及双酚A二丙烯酸酯、2-(2萘氧基)丙烯酸乙酯和N-苯基马来酰亚胺。
面向单体系统中溶剂可溶的聚合材料或粘合剂基本上无苯基，苯氧基，萘基，萘氧基，包含1到3个芳香环的芳香杂环基、氯和溴。
本发明的面向单体系统中所用的最佳粘合剂是乙酸丁酸纤维聚合物;丙烯聚合物和包括聚甲基丙烯酸甲酯，异丁烯酸甲酯/异丁烯酸和异丁烯酸甲酯/丙烯酸共聚物，异丁烯酸甲酯/丙烯酸(C-C)烷酯或异丁烯酸酯/丙烯酸或异丁烯酸的二聚合物的共聚物;聚乙酸乙烯酯;聚乙烯醇缩乙醛，聚乙烯醇缩丁醛，聚乙烯醇缩甲醛以及它们的混合物。
面向粘合剂系统的单体是液态未饱和烯基化合物，该化合物能够增加聚合作用并且有100℃以上的沸点。该单体基本上没有从基团取出的部分，所述基团主要是苯基、苯氧基、萘基、萘氧基、包含一到三个芳香杂环基、氯和溴。
本发明的面向粘合剂系统中使用的最佳液态单体包括癸烷二醇乙丙烯酸酯，丙烯酸异冰片酯、三甘醇二丙烯酸酯，二甘醇二丙烯酯、三甘醇二异丁烯酸酯，丙烯酸乙氧基乙氧基乙酯，乙氧基化三羟甲基丙烷的三丙烯酸酯，以及1-乙烯基-2-吡咯烷酮。
当面向粘合剂系统使用的单体为液体时，这些单体可用在与同类型的第二固态单体例如N-Z烯基-己内酰按的混合物中。
面向粘合剂系统的溶剂可溶聚合材料或粘合剂按其聚合结构包含取自基团的多个部分，所述基团主要是苯基，苯氧基，萘基，萘氧基或包含一到三个芳香环的芳香杂环基以及氯基或溴基原子。打算用作该基组等价物的取代基可是低级烷基、烷氧基、羟基、羧基、羰基、酰氨基、亚氨基或其组合，前提是该粘合剂保持溶剂可溶和热塑性。各部分可形成单体部分的一部分，所述各部分构成聚合粘合剂，并分格到预备好的聚合物或其聚体。这种类型的粘合剂可以是均聚物或者是两个或多个分开的单体部件的共聚体，其中至少一个单体部件包含与上述相同的一个部分。
面向粘合剂系统中使用的最佳粘合剂包括聚苯环乙烯、聚(苯乙烯/丙烯腈)，聚(苯乙烯/异丁烯酸甲酯，和聚乙烯亚苄基以及基混合物。
由光化幅射启动的相同的发光系统可用于面向单体系统及面向粘合剂系统中。通常发光系统包含发光器，并可包含将光谱响应延展到U.V.区域附近和可见光谱区域的敏化剂。
最佳发光器包括CDM-HABI，即2-(0-氯苯基-4，5-双(m-甲氧苯基)-咪唑二聚物;0-(LHABI，即1，1′-二咪唑，2，2′-双(0-氯苯基)-4，4′，5，5′-四苯基-;和TCTM_HABI，即，1H-咪唑，2，5-双(0-氯苯基)-4-3，4-二甲氧苯基，通常分别为氢供体使用的二聚物，即2-巯基-苯并恶唑。
最佳感光剂包括以下材料DBC，即环戊酮，2，5-双-((4-(二乙氨基)-2-甲基苯基)亚甲基);
DEAW，即环戊酮，2，5-双-((4-(二乙氨基)-苯基)亚甲基);以及二甲氧基-JDI，即，1H-茚-1-酮，2，3-二氢-5-6-二甲氧基-2((2，3，6，7-四氢-1H，5H-苯并[i，j]喹嗪-9-基-亚甲基)-。
本发明的固体光硬化复合材料可包含增塑剂。本发明所用增塑剂的量重量上占复合材料的2%至20%左右，最好为5%至15%。
在乙酸丁酸单纤维素系统中所用最佳增塑剂是三甘醇二辛酸酯，三甘醇二庚酸酯，己二酸二乙酯，Brij30和三-(乙-乙基己基)磷酸酯。同样地，三甘醇二辛酸酯，己二酸二乙酯，Brij30，而三-(2-乙基己基)-磷酸酯在其粘合剂为乙酸丁酸纤维素的“面向单体系统”中是最佳的。
除了以上所述的之外其它化学成分可按不同的量出现在光硬化复合材料中。这些成分包括紫外线幅射吸收材料，热稳定材料，氢供体，氧清除剂和隔离剂。
光聚合复合材料中各成分的量根据光聚合层的总重量通常在以下百分比范围内单体5-50%，最好为15-35%;发光剂0.1-10%，最好1-5%;粘合剂25-75%，最好45-65%，增塑剂0-25%，最好5-15%，其它成分0-5%，最好为1-4%。
支承物可以是任何光化幅射透明的物质，这种物质对处理组合的基片和层可提供足够的支承。该支承物最好对0.6至1.6微米波长的光谱区域的光是透明的。术语“支承物”意指包括自然或合成的支承物，最好有一支承物能够以挠性或刚性的薄膜或薄片形式存在。例如，支承物或衬底可以是合成有机树脂或两种或多种的化合物的薄板或薄膜。具体的衬底包括聚对苯二甲酸乙酯薄膜，例如，涂覆树脂聚对苯二甲酸乙酯薄膜，经火焰或静电放电处理的聚对苯二甲酸乙酯薄膜，玻璃，乙酸纤维素薄膜和同类物。该支承物只要能够适当地支承薄膜或层，并且，这些膜层可撤去地粘附于该支承物上，支承物的厚度无特别要求。使用聚对苯二甲酸的大约25至50微米的支承物厚度可提供足够硬度。
按照本发明的一个方面，在图1和图2图形说明的开关10的相位变化区20中，配置有通常用标号56表示的装置，该装置以一预定方向，将各支路中选择的至少一支路34A的温度按预定量改变。由于用作层14和缓冲层48(或50，如果有的话)的光硬化材料的折射率的明显的温度相关性，小的温度变化就会引起折射率(大约-3×10/C°)和在波导中的光传播速度的大的变化。结果，便可按预定的量来改变支路34A、34B所传送光之间的相位关系。这样，在耦合区24，会出现光从一支路到另一支路的相应的预定转换。对诸如用于基层14的聚合材料，当温度(加热)有摄氏1到3度的变化，支路34A的长度变化最好为1到3毫米。如果同时进行加热和冷却，(图4E)，温度变化在摄氏0.5度到摄氏1.5度范围内，那么，每个支路34A、34B的长度变化最好为0.5毫米至1.5毫米。
装置56可取任何变化形式。如图4A所示，装置56的一个实施例采用一个或多个电阻加热器形式，在附图中用后接后缀的字符58来指出。加热器58可置于开关10的任何可变位置上。例如，加热器58A和/或58B可网板印制或设置在波导16所选支路34A之上的一个或2个缓冲层48(或50，如果有的话)的最外层表面。也可将电阻加热器58C可选择地或附加地网板印刷在基层14某一侧与波导16不接触的位置上。可选择或可附加地将电阻加热器58D和/或58B网板印刷在基层14的表面14A，14B上对波导16中光传导不影响的位置。
作为另一选择，如图4B所示，用于改变温度的装置56可用探针60实现，该探针位于支路34A上的缓冲层48(或50，如果有的话)中的一个面上，探针60可通过缓冲层48(或50，如果有的话)的开口62延伸到波导16支路34A的邻近处。
作为另一选择，如图4C所示，在缓冲层48A，48B中的一个或两者中和/或与波导1b所选一个支路34A相邻的基层14中限定至少一个、最好66A到66D的多个区域。在区域66中设置有以预定波长吸收光谱的分子68，该预定波长和预定幅射源S的输出相匹配。分子68从幅射源S吸收能量并借之加热周围材料。适合用作分子68的分子是诸如若丹明的染色分子。预定幅射源S可用可见光激光器实现。可选择地或附加地将分子68插进到波导16的支路34A中，只要这些分子68不会显著吸收或散射传过波导16的光。又，适于在波导16中用作分子68的是若丹明染料分子。
如图4D所示，用于改变温度的装置56可选择地采用一个或多个帕尔帖元件70A、70B，所述帕尔帖元件安装在波导16的支路34A的上和/或下面的通常与分别由电阻加热器58A、58B(图4A)所占据相似位置上。帕尔帖单元件70A、70B中的各个面72A、72B可以加热或冷却方式工作来改变支路34A的温度。使用帕尔帖元件70A(和/或70B)可进行快速转换，因为该元件电流的反向将与开关10接触的元件70A(和/或70B)的表面72A(和/或72B)从加热转换为冷却或从冷却转换为加热，从而实现迅速的温度变化。
如使用前面所列方法(图4A到4D)来确定装置56，必须保持支路34B的另一支路温度不变，以便保持支路34A、34B之间的温差基本不变。为此目的，将散热片74(只在图4A中示出)置于和缓冲层48(或50，如果有的话)接触的另一支路34B的上面或下面。散热器74包括金属或导热插座76，该散热器用绝缘器78与装置56热绝缘。当然，如果使用图4B至图4D所示形式的装置56，相应地确定散热器74的位置也是可以理解的。
现参考图4E，如果不希望使用散热器74，或者如果希望开关10切换速度最大，那么将帕尔帖元件70置于支路34A、34B之间的间隙距离36处。帕尔帖元件70通过缓冲层48A(和50A如果有的话)的开口80延伸。如果需要，也可选择性地将开口80置于另一缓冲层48B(和50B，如果有的话)帕尔帖元件70能以这样方式运行，即，支路34A、34B中的一个支路在加热而其它支路分别处于同时冷却的情形。
但是，提供了装置56(图4A至4E)，用于在Y分支33(图1)或瞬逝耦合器35(图2)处把发射到波导16的输入区18的光线分入第一支路34A和第二支路34B。把发射到输入区18的光线按预定的百分比(最好是50%对分)分入支路34A和34B中的每一个。在装有装置56的相位变化区20，所选用的支路34A的温度按预定量、沿预定的方向变化。正如从上文可以理解的那样，装置56在实现各支路之一(34A)相对于另一支路的预定的温度变化方面是有效的，其方法是或者加热、或者冷却，即按预定量沿一个方向改变各支路之一的温度。无论以何种方法实现所述温度变化，由于所述材料的折射率对温度的依赖性，按预定量改变在支路34A、34B中传输的光之间的相位关系。因此，当光进入耦合区24时，在该区域出现从一个支路到另一支路的相应的预定的光转换。
图5A至5C中举例说明用热方法改变在开关10(图1或2)的支路34A、34B中传输的光的相位关系的效果。图5A、5B和5C是说明三种不同开关状态的、沿图1和图2中5-5线标出的集成光开关瞬逝耦合区的输出处的近场图照片的图解说明。[应当指出，图中未示出当使用图2的2×2耦合器开关(具有输入区28和输出区18)时沿5′-5′线(图2)的开关状态输出图形，但是，存在类似于图5A至5C中所示的开关效果)。总的用标号81表示沿参考线5-5的摄象机输出图形。阴影区82表示高的光强度。用竖线扫描器分析了穿过阴影区82中心的垂直线83，并且，在图5A至5C中显示出该竖线扫描器的输出信号84。
当各支路之间的相位关系的改变使得各支路之1(例如，支路34A)中的光比另一支路(例如，支路34B)中的光超前π/2弧度时，出现光从超前支路34A至另一支路34B(图5A)的完全的转换。图5B中描绘了支路34B中的光超前于支路34A中的光时的情况。在本实施例中，出现光从超前支路(此处是支路34B)到滞后支路(支路34A)的完全的转换。当然，很明显，如果各支路之间的相位关系的改变使得各支路之一(例如，支路34A)中的光比另一支路(例如，支路34B)中的光超前[N(2π)+(π/2)]弧度(其中N是整数)，那么，出现光从超前支路34A到另一支路34B的完全的转换。
如图5C中所示，当支路34A、34B之间相位关系的改变使得各支路中任一支路的光比另一支路中的光超前π弧度时，出现光从一个支路到另一个支路的对半转换。各支路中光相位的中间变化导致各支路之间相应的中间百分比的光转换。同样，很显然，如果各支路之间相位关系的改变使得各支路之一(例如，支路34A)中的光比另一支路(例如，支路34B)的光超前(Nπ)弧度(其中N是整数)，那么，出现光从一个支路到另一支路的对半转换。
实施例本实施例说明本发明的热控光开关。
为了形成基层14，把大约6微米厚的、涂敷在25微米厚、大约3×4平方英寸截面的纯净的聚乙烯对苯二酸盐支承物上的基本上干燥的光硬化薄膜(其成分列于表Ⅰ)在穿过镀铬玻璃光掩模的、具有350至400毫微米光谱范围的宽带紫外光下曝光，从而形成波导图案16。波导16具有6微米宽度。相位变化区20的间隙距离36是大约1毫米，而瞬逝耦合区24的间隙距离38是大约3微米。瞬逝耦合器26的有效长度27是619微米。曝光条件是强度大约6毫瓦/厘米平方，总曝光量大约10毫焦耳/平方厘米，以及温度大约38℃。
大约5分钟之后，为了加上缓冲层48A而去掉所述掩模，然后，把大约30微米厚的、涂敷在25微米厚的纯净的聚乙烯对苯二酸盐支承物上的基本上干燥的光硬化(缓冲)层(其成分列于表Ⅱ)层叠到所述波导图案的薄膜表面14A上。用机械剥离的方法去掉所述聚乙烯对苯二酸盐支承薄膜，然后，把具有与所述第一缓冲层同样成分和结构的第二光硬化(缓冲)层叠加到基层14的相反表面14B上、以形成缓冲层48B。
使所述合成构件(聚乙烯对苯二酸盐支承物，缓冲层48A，基层14，缓冲层48B，聚乙烯对苯二酸盐支承物)在室温(大约23-25℃)下保持大约15分钟。在大约38℃下，用具有350至400毫微米光谱范围的大约2000毫焦耳/厘米平方的宽带紫外光对所述合成构件的第一侧面进行泛光照射，然后，对所述第二侧面重复这种泛光照射。
为了构成缓冲层50A和50B，从所述合成构件的第一侧面去掉聚乙烯对苯二酸盐支承物，并把大约30微米厚的、涂敷在25微米厚的纯净的聚乙烯对苯二酸盐支承物上的基本上干燥的光硬化(缓冲)层(其成分列于表Ⅲ)层叠到所述缓冲层上，然后，对所述合成件的第二侧面重复上述过程。使该合成构件(聚乙烯对苯二酸盐支承物，缓冲层50A，缓冲层48A，基层14，缓冲层48B，缓冲层50B，聚乙烯对苯二酸盐支承物)的每个侧面在大约38℃以及具有350至400毫微米光谱范围的、大约400毫焦耳/厘米平方的宽带紫外光下曝光。
去掉各缓冲层支承物就形成具有埋置的槽形波导16的合成元件12。使该合成元件12在日光灯下保持大约1小时、使所述敏化染料变无色，然后，在100℃下加热60分钟、以获得热稳定性。切去元件12的端部，然后，用胶状硅石对该端部抛光大约15分钟。
把单模的1300毫微米波长的光发射到复合元件12的已抛光的端部。光源是经由大于10米长的SumitomoZ光纤引入的激光二极管，日本大坂的SumitomoLtd.能大批供应该激光二极管。对元件12的一个支路34A的相位变化区加热，其方法是在与波导支路34A上元件12的表面接触的7欧姆镍铬合金线上加上2伏的电压。该合金线确定了电阻加热器元件58A的边界。在支路34A的大约3毫米的范围内产生了大约1至3℃的温度变化。
用具有0.9数值孔径的Nikon100C透镜收集由元件12的支路34A、34B输出的光，并且，由C2741HamamatsuIR型摄象机(HamamatsuPhofonicSystems，Bridgewater，NewJersey)俘获该输出光。图5A、5B和5C是沿图1的5-5线标出的集成光开关的瞬逝耦合区的输出端的近场图照片的图解说明，用于说明三种不同的开关状态。在PanasonicWV-5490视频调制器上显示了该摄象机的输出信号。图5中总的用标号81表示该摄象机的输出信号。阴影区82表示高光强度区。
用ColoradoVideo，Inc.的321型竖线扫描器分析了穿过阴影区82的中心的顶线83，同时，在所述视频调制器上显示该顶线扫描器的输出信号84。
表Ⅰ基层成分重量(%)乙酸.丁酸纤维素156.54丙烯酸苯氧基乙酯35.00三甘醇二辛酸酯5.000-Cl HABI21.002-巯基苯并噻唑1.89敏化染料(DEAW)30.562，6-二-叔丁基-4-甲酚(BHT)0.011.依斯特曼CAB531-1型2.1，1′-双-二咪唑，2，2′-双-邻氯苯基-4，4′，5，5′-四苯基;CAS1707-68-23.2，5-双([4-(二乙氨基)-苯基]亚甲基)环戊酮表Ⅱ缓冲层成分重量(%)聚(乙烯基乙酸酯)，MW500，000，CAS9003-20-766.04一价丙烯酸乙氧化苯CAS56641-05-517.02
二丙烯酸乙氧化双酚ACAS24447-78-73.00N-乙烯基咔唑7.940-Cl-HABI13.694-甲基-4H-1，2，4-三唑-3-硫醇，CAS24854-43-12.09FC-43020.19敏化染料(DEAW)30.031.1，1′-双-咪唑，2，2′-双-邻-氯苯基-4，4′，5，5′-四苯基;CAS1707-68-22.氟化脂肪聚合酯，3MCompanyst.Paul，MN3.2，5-双([4-(二乙氨基)-苯基]亚甲基)环戊酮表Ⅲ缓冲层成分重量(%)乙酸.丁酸纤维素157.11丙烯酸苯氧基乙酯38.000-ClHABI3.002-巯基苯并恶唑1.891.依斯特曼CAB531-1型2.1，1′-双-咪唑，2，2′-双-邻氯苯基-4，4′，5，5′-四苯基;CAS1707-68-2除了上述方法之外，本发明也预期通过其他机理来改变各支路之-(34A)中的光相对于另一支路(34B)中的光的相位关系。为此，根据示于图6A和6B中的本发明的另一个实施例，在缓冲层48A和/或48B中，在设置装置56的相位变化区24的大致同一位置，设置了相应的分子重新取向部分90。相位变化区24的分子重新取向部分90包括邻接波导16的支路34A的区域92A和92B。用替代的方法或者附加的方法，在基层14中可以有邻接波导16的支路34A的区域92C或92D。
至少在区域92A至92D的选定的一个区域中布置可重新取向的分子98。下文中有时可能用标号92集中地表示各区域92。如果需要的话，可以用替代的方法或者附加的方法，在支路34A中设置分子98，只要这些分子98不显著地吸收或或散射经由波导16传输的光。
根据本发明，设置在选定的区域92中的分子98可以是液晶分子、电光分子、或者这两类分子的混合。液晶分子在以下意义上可重新取向，即，该分子本身随着外加的电场或磁场而在布置该分子的区域92中物理地重新取向。电光分子在以下的意义上可重新取向，即，该分子的电子云随外加的电场而重新取向。m-硝基苯胺，9-硝基苯胺，2-甲基4-硝基苯胺，半花青染料，4-二甲基氨基4′-硝化芪(DANS)适合于作为所述电光分子。也可以使用PC6S(一种悬吊侧链或聚合物)和C22(一种有专利权的电光材料)，这两种材料都由NewJersey，Somerville的Hoechse-celameseResearchCompany生产。可选用P-氰烷氧基联苯以及5-胆甾基油酸盐和类似的酯类作为液晶分子，只要这些分子能够与基层14和/或缓冲层48兼容。
为了便于制作，可以在涂敷之前把分子98加到基层14或缓冲层48A、48B的涂敷溶液中。用替代的方法或附加的方法，可以用溶剂扩散法把分子98引入区域92中。为了获得最佳效果，应当使电光分子98排列成行。例如J.I.Thackara等人所说明的(Appl.Phys.Lett.52.1031-1033，1988)，可以用单畴化场9最好在玻璃软化温度或高于该温度条件下)使分子98排成行。
当分子98采取第一种取向时，光能够以第一速度通过波导16的支路34A。另一方面，当分子98采取第二种取向时，光以第二种不同的速度通过该波导的所述支路。
为了使选定区域92中的分子98(和/或波导16的支路34A中分子98，如果在该支路中也设置分子98的话)从第一种取向到第二种取向重新取向、从而按预定量改变支路34A中的光相对于另一支路34B中的光的相对关系，设置了总的用标号100标明的装置。结果，由于在支路34A和34B中传输的光之间的相位关系发生给定的变化，所以，在耦合区24中出现光从一个支路到另一支路的相应的预定转换，导致类似于上述开关效应(图5A至5C)的效应。
重新取向装置可以采用多种形式中的任意一种。例如，如图6A中所示，可以通过在设置所述分子的区域92的上面和下面分别设置一对电路102A、102B来实现装置100。如果所述分子或者是液晶分子或者是电光分子，那么，可以使用所述电极。
如图6B中所示，用替代的方法或附加的方法，可以用在设置液晶分子的所述区域附近设置磁线圈的方法来实现装置100。如图4A，4B，4D，4E和6A至6C中所述，各种形式的温度变化装置56和重新取向装置100各自连接到适当的电压源，在各图中用标号110示意地表示该电压源。
根据本发明的第二实施例的另一方面，可以在支路34B附近设置分别类似于区域92A至92D的区域112A至112D。可以在至少一个或多个选定区域112中和/或在波导16的支路34B中设置可重新取向的分子98。
根据本发明的这个方面，当邻接第一支路34A的区域92中的(或支路34A中的)分子98处在第一种取向时，光能够以第一速度通过第一支路34A，而当邻接第一支路34A的区域92中的(或支路34B中的)分子98处在第二种取向时，光以与所述第一速度相差+△1数量的第一速度通过该波导的第一支路34A。
相应地，当邻接第二支路34B的区域112中的(或支路34B本身中的)分子98处在第一种取向时，光能够以第一速度通过第二支路34B，而当邻接第二支路34B的区域112中的分子98处在第二种取向时，光以与所述第一速度相差-△2数量的第二速度通过第二支路34B。应当指出，光通过各支路的第一和第二速度不必相等，由分子的重新取向引起的速度变化也不必相等。结果，由于在支路34A和34B传输的光之间相位关系的给定变化，所以，在耦合区24中出现光从一个支路到另一支路的相应的预定转换，也导致类似于上述开关效应(图5A至5C)的效应。
得益于本发明上述教导的本领域的技术人员可以据此进行多种变更。显然，这些变更将被认为属于由所附权利要求所规定的本发明的范围。
权利要求
1.用于在光路中进行光转换的光开关，其特征在于包括其中构成有波导的光硬化薄膜，该薄膜具有第一和第二表面，该薄膜构成光路的一部分，该波导的输入区分成第一和第二支路，各支路顺序经过相位变化区和瞬逝耦合区，发射到所输入区的光按预定的百分比分入各支路中，分别设置在所述薄膜的所述第一和第二表面、在所述波导上面和下面的相应位置的第一和第二缓冲，用于按预定量、沿预定方向改变相位变化区中至少一个选定的支路的温度、从而按预定量改变在各支路中传输的光之间的相位关系、使得在耦合区中出现光从睛个支路到另一个支路的相应的预定转换的装置。
2.权利要求1的光开关，其特征在于还包括用于按预定量沿与所述预定方向相反的方向改变所述相位变化区中另一支路的温度的装置。
3.权利要求1的光开关，其特征在于所述温度变化装置是这样工作的它改变所述温度以致当各支路之间的相位关系变化导致各支路之一中的光比另一支路中的超前π/2弧度时，出现光从超前支路到另一支路的完全的转换。
4.权利要求1的光开关，其特征在于所述温度变化装置是这样工作的它改变所述温度以致当各支路之间的相位关系变化导致各支路之一中的光比另一支路中的光超前π弧度时，出现光从一个支路到另一支路的二分之一转换。
5.权利要求2的光开关，其特征在于所述温度变化装置是这样的它改变所述温度以致当各支路之间的相位变化导致各支路之一中的光比另一支路中的光超前π/2弧度时，出现光从超前支路到另一支路的完全的转换。
6.权利要求2的光开关，其特征在于所述温度变化装置是这样的它改变所述温度以致当各支路之间的相位变化导致各支路之一中的光比另一支路中的光超前π弧度时，出现光从一个支路到另一支路的二分之一转换。
7.权利要求1的光开关，其特征在于所述输入区包括Y分支。
8.权利要求1的光开关，其特征在于所述输入区包括瞬逝耦合器。
9.用于在光路中进行光转换的光开关，其特征在于包括其中构成有波导的薄膜，该薄膜具有第一和第二表面，该薄膜构成光路的一部分，该波导的输入区分成第一和第二支路，各支路顺序经过相位变化区和瞬逝耦合区，发射到所述输入区的光按预定百分比入各支路中，分别设置在所述薄膜的所述第一和二表面、在所述波导上面和下面的相应位置的第一和第二缓冲层，所述薄膜和缓冲层在相位变化区具有与至少一个支路邻接的区域，所述区域中至少一个选定的区域具有能够随电场而按预定方向取向的分子，当该分子处在第一种取向时，光能够以第一速度通过所述波导的所述支路，而当该分子处于第二种取向时，光以不同的第二速度通过该波导的该支路，以及用于所述选定区域中的所述分子从第一种取向到第二种取向重新取向、从而按预定量改变在各支路中传输的光之间的相位关系，使得在耦合区中出现从一个支路到另一个支路的相应的预定的装置。
10.权利要求9的光开关，其特征在于所述重新取向装置是这样工作的、以至当各支路之间的相位关系变化导致各支路之一的光比另一支路中的光超前π/2弧度时，出现光从超前支路到另一支路的完全的转换。
11.权利要求9的光开关，其特征在于所述重新取向装置是这样工作的，以致当各支路之间的相位关系变化导致各支路之一中的光比另一支路中的光超前π弧度时，出现光从一个支路至另一支路的二分之一转换。
12.权利要求9的光开关，其特征在于还包括所述波导的各支路中至少一个在所述相位变化区中具有能够随电场而按预定方向取向的分子，当所述分子处在第一种取向时，兴能够以第一速度通过该波导的该支路，而当所述分子处在第二种取向时，光以不同的第二速度通过该波导的该支路，所述重新取向装置使所述波导中的所述分子从所述第一种取向到所述第二种取向重新取向。
13.权利要求9的光开关，其特征在于所述输入区包括Y分支。
14.权利要求9的光开关，其特征在于所述输入区包括瞬逝耦合器。
15.用于在光路中进行光转换的光开关，其特征在于包括其中构成有波导的薄膜，该薄膜具有第一和第二表面，该薄膜构成光路的一部分，该波导的输入区分成第一和第二支路，各支路顺序经过相位变化区和瞬逝耦合区，发射到所述输入区的光按预定百分比分入各支路中，分别设置在所述薄膜的所述第一和第二表面、在所述波导上面和下面的相应位置的第一和第二缓冲区，所述薄膜和缓冲层在相位变化区具有与每个支路邻接的区域，每个支路附近的所述区域中至少一个选下的区域具有能够随电场按预定方向取向的分子，当邻接第一支路的区域中的分子处在第一种取向时，光能够以第一速度通过所述波导的所述第一支路，而当邻接该第一支路的该区域中的分子处在第二种取向时，光以与所述第一速度相差+△1数量的第二速度通过该波导的该第一支路，当邻接第二支路的区域中的分子处在第一种取向时，光能够以第一速度通过所述波导的所述第二支路，而当邻接该第二支路的该区域中的分子处在第二种取向时，光以与所述第一速度相差-△2数量的第二速度通过该波导的该第二支路，用于使每个所述选定区域中的所述分子从第二种取向到第二种取向重新取向、从而按预定量改变在各支路中传输的光之间的相位关系、使得在耦合区中出现光从一个支路到另一个支路的相应的预定转换的装置。
16.权利要求15的光开关，其特征在于所述重新取向装置是这样工作的、以致当各支路之间的相位关系变化导致各支路之一中的光比另一支路中的光超前π/2弧度时，出现光从超前支路到另一支路的完全的转换。
17.权利要求15的光开关，其特征在于所述重新取向装置是这样工作的、以致当各支路之间的相位关系变化导致各支路之一中的光比另一支路中的光超前π弧度时，出现光从一个支路到另一支路的二分之一转换。
18.权利要求15的光开关，其特征在于所述输入区包括Y分支。
19.权利要求15的光开关，其特征在于所述输入区包括瞬逝耦合器。
20.用于在光路中进行光转换的光开关，其特征在于包括其中构成有波导的薄膜，该薄膜具有第一和第二表面，该薄膜构成光路的一部分，该波导的输入区分成第一和第二支路，各支路顺序经过相位变化区和瞬逝耦合区，发射到所述输入区的光按预定百分比分入各支路中，设备在所述薄膜的所述第一和第二表面、在所述波导上面和下面的相应位置的第一和第二缓冲，所述波导支路中至少一个支路在相位变化区中具有能够随电场而按预定方向取向的分子，当所述分子处在第一种取向时，光能够以第一速度通过所述波导的所述支路，而当所述分子处在第二种取向时，光以不同的第二速度通过所述波导的所述支路，以及用于使所述分子人第一种取向到第二种取向重新取向、从而按预定量改变在各支路中传输的光之间的相位关系、使得在耦合区中出现光从一个支路到另一个支路的相应的预定转换的装置。
21.权利要求20的光开关，其特征在于所述重新取向装置是这样工作的、以致当各支路之间的相位关系变化导致各支路之一中的光比另一支路中的光超前π/2弧度时，出现光从超前支路到另一支路的完全的转换。
22.权利要求20的光开关，其特征在于所述重新取向装置是这样工作的、以致当各支路之间的相位关系变化导致各支路之一中的光比另一支路中的光超前π弧度时，出现光从一个支路到另一支路的二分之一转换。
23.权利要求20的光开关，其特征在于所述输入区包括Y分支。
24.权利要求20的光开关，其特征在于所述输入区包括瞬逝耦合器。
全文摘要
一种用于把光从光路的一个支路转换到另一个支路的光开关，其特征在于包括用于改变各支路之一相对于另一支路的折射率的装置。这产生通过各支路的光的光速差异和相位关系的变化。当先进入耦合区时，出现光从一个支路到另一个支路的预定转换，该转换的性质取决于在各支路中传播的光之间相位关系变化的幅度。
文档编号G02B6/122GK1044858SQ9010063
公开日1990年8月22日 申请日期1990年2月7日 优先权日1989年2月7日
发明者布鲁斯·李·布夫 申请人:纳幕尔杜邦公司