專利名稱：光束偏轉(zhuǎn)器,交換系統(tǒng),以及用于耦合光信號端子的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于把光束向可選方向偏轉(zhuǎn)的光束偏轉(zhuǎn)器，以及一種交換系統(tǒng)，它包括多個光信號端子，以使通過一個或多個端子進(jìn)入該交換系統(tǒng)的光信號在可選的其他端子被輸出。本發(fā)明具體還涉及一種用于帶有光纖交換系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的交換系統(tǒng)。并且，本發(fā)明還涉及一種用于操作該交換系統(tǒng)的方法，具體涉及一種用于操作光纖交換系統(tǒng)的方法。
背景技術(shù)：
從B.H.Lee和R.J.Capik撰寫的文章，題目是“極低損耗576×576伺服控制的、光束方向控制光開關(guān)結(jié)構(gòu)的論證”(Demonstration of a verylow-loss 576×576 servo-controlled，beam-steering optical switch fabric)中得知一種光束方向控制開關(guān)，該光束方向控制開關(guān)可使多個光纖輸入能夠選擇性地與多個光纖輸出進(jìn)行耦合。為此，各光輸入均包括一個準(zhǔn)直儀，該準(zhǔn)直儀通過伺服控制可調(diào)，以使在輸入的一個端子出射的光束照射到所選光出射口的端子端部上并進(jìn)入該端子端部。對多個準(zhǔn)直儀進(jìn)行伺服控制調(diào)整在機(jī)械方面是復(fù)雜的，而且也難以如需縮短切換時間。
第5,963,682號美國專利揭示了一種用于把光輸入與光輸出選擇性地進(jìn)行光耦合的交換系統(tǒng)，其中，光束方向無法通過伺服控制予以調(diào)整，而是利用液晶元件并且通過將特定電壓和場圖施加給液晶元件來予以調(diào)整。為此目的使用的液晶的電光效應(yīng)足以通過施加電場圖獲得充分偏轉(zhuǎn)角，以便選擇性地驅(qū)動若干輸出。然而，在該現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)中，液晶的惰性限制了可獲得的切換速度，并且，當(dāng)光信號途經(jīng)交換系統(tǒng)時出現(xiàn)的光強(qiáng)損耗被認(rèn)為太高。
第5,319,492號美國專利揭示了一種光開關(guān)，其中，在二階中為非線性的光聚合物被封閉在一空腔內(nèi)，通過結(jié)構(gòu)化電極向聚合物施加一個空間改變的電場，以便產(chǎn)生可切換的反射光柵，因?yàn)橥ㄟ^施加電場可以空間方式改變聚合物的折射率。由于空腔被鏡面反射，可獲得的偏轉(zhuǎn)角增大，因?yàn)槿肷涔馐谥C振器內(nèi)循環(huán)若干次。然而，當(dāng)光束在諧振器內(nèi)循環(huán)若干次時，聚合物材料的本征吸收導(dǎo)致出現(xiàn)顯著的強(qiáng)度損耗。這樣，空腔內(nèi)的介質(zhì)吸收限制了偏轉(zhuǎn)角的增大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的是提供一種用于偏轉(zhuǎn)入射光束的光束偏轉(zhuǎn)器，該光束偏轉(zhuǎn)器尤其在可獲得的偏轉(zhuǎn)角或/和切換時間方面得到改進(jìn)。
并且，本發(fā)明的目的是提供一種更適合在光數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中使用的光束偏轉(zhuǎn)器。
此外，本發(fā)明的目的是提供一種包括多個光信號端子的交換系統(tǒng)，該交換系統(tǒng)尤其適合用于光數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中，而且傳輸速率高、轉(zhuǎn)接時間短。
并且，本發(fā)明的目的是提供一種包括若干光信號端子的交換系統(tǒng)，該交換系統(tǒng)能夠使光強(qiáng)損耗相對較少。
根據(jù)第一方面，本發(fā)明涉及一種光束偏轉(zhuǎn)器，該光束偏轉(zhuǎn)器包括電光材料板，其設(shè)置在平面平行(plano-parallel)的反射鏡之間，通過在該板的延伸方向上施加電場圖，可以空間方式改變所述電光材料的反射率。反射鏡對中的面向入射光束方向的一個反射鏡的反射率小于該反射鏡對中的另一反射鏡的反射率。結(jié)果，由光束偏轉(zhuǎn)器反射的入射光束的強(qiáng)度大于由光束偏轉(zhuǎn)器透射的入射光束的強(qiáng)度。
在此方面，本發(fā)明的特征在于，第一或/和第二反射鏡包括多個介電材料層，這些層的折射率層與層之間均不同。
本發(fā)明是以下列概念為基礎(chǔ)，即電光材料設(shè)置在高質(zhì)量諧振器內(nèi)，這樣，部分入射光束當(dāng)其出射之前在諧振器內(nèi)進(jìn)行循環(huán)的次數(shù)特別高。諧振器的這種高質(zhì)量是通過使用分別具有高反射率和低殘余透射率的反射鏡來實(shí)現(xiàn)的。這是通過使用具有不同折射能力的介電材料多層反射鏡來實(shí)現(xiàn)的。諧振器的高質(zhì)量以及被反射的光束的高循環(huán)次數(shù)都增強(qiáng)了電光材料的作用，這樣，一方面，采用該材料可實(shí)現(xiàn)的偏轉(zhuǎn)角與僅一次或僅幾次途經(jīng)的材料相比增加。另一方面，與諧振器質(zhì)量較低的系統(tǒng)相比，有可能在給定偏轉(zhuǎn)角減少電光材料的厚度。結(jié)果，特別是當(dāng)電光材料為液晶時，有可能減少所施加的電場并縮短切換時間。
并且，還可能在高質(zhì)量諧振器中使用與已知液晶相比電光效應(yīng)較低但是切換速度可快得多的電光材料。
優(yōu)選地，光束偏轉(zhuǎn)器被提供用于偏轉(zhuǎn)具有光波長的光，優(yōu)選光波長范圍在0.5μm-3.0μm，更優(yōu)選光波長范圍在1.0μm-2.0μm，最優(yōu)選光波長范圍在1.3μm-1.7μm。
優(yōu)選地，使用電光固體材料，優(yōu)選是鈮酸鋰(LiNbO3)或/和砷化鎵(GaAs)。
為了增加反射鏡的反射率從而提高諧振器的質(zhì)量，優(yōu)選地，若干介電材料層的厚度實(shí)質(zhì)上相當(dāng)于滿足方程式d＝λ/4的數(shù)值d，式中，λ是指層的介電材料中的入射光束的光波長。結(jié)果，在該厚度d的層的前界面和后界面處被反射的入射光束的部分光束以相長方式(constructive manner)相互干涉，而通過該層透射的部分光束以相消方式(destructive manner)相互干涉。
并且，為了提高諧振器質(zhì)量，電光材料板的厚度實(shí)質(zhì)上相當(dāng)于滿足兩個公式D＝k/2*λ和D＝(2k-1)/4*λ之一的數(shù)值D，式中，λ是指電光材料中的入射光束的波長，k是大于0的自然數(shù)。從這兩個方程式中選擇第一方程式還是第二方程式取決于與電光材料相鄰的層的折射率是否高于或低于電光材料本身，以及與電光材料板相鄰的反射鏡層疊的結(jié)構(gòu)相對于該板是否對稱或不對稱。
如果反射鏡層僅采用兩種不同的并且交替相互層疊的介電材料制成，則可獲得反射鏡的簡單配置。這兩種反射鏡材料的折射率應(yīng)盡可能彼此不同。優(yōu)選地，采用二氧化硅(SiO2)和氧化鈦(TiO)作為該反射鏡材料。優(yōu)選材料也可采用砷化鎵(GaAs)和砷化鋁(AlAs)或者砷化鋁鎵(AlGaAs)。
為盡可能提高偏轉(zhuǎn)光束的強(qiáng)度，面向離開入射光束方向的諧振器的反射鏡實(shí)質(zhì)上是完全反射性的。面向入射光束方向的反射鏡也可同樣設(shè)置成實(shí)質(zhì)上是完全反射性的，以進(jìn)一步提高諧振器質(zhì)量。然而，該反射鏡的殘余透射率是面向離開入射光束方向的反射鏡的殘余透射率的五倍以上，具體來說是十倍以上。
優(yōu)選地，光束偏轉(zhuǎn)器包括第二電光材料板，該板從入射光束的方向看是設(shè)置在第二反射鏡后面并且布置在另一諧振器內(nèi)。該另一諧振器由第二反射鏡和設(shè)置成與第二反射鏡平面平行的第三反射鏡構(gòu)成。
優(yōu)選地，該第二諧振器的質(zhì)量比設(shè)置在第二諧振器上面(從入射光束方向看)的第一諧振器的質(zhì)量高。優(yōu)選地，這是在下列方面實(shí)現(xiàn)的，即第三反射鏡的反射率比第二反射鏡的反射率還要高。在此也優(yōu)選地，第三反射鏡的殘余透射率是第二反射鏡的殘余透射率的五分之一，具體來說是十分之一。優(yōu)選地，第二諧振器的高質(zhì)量是采用上述針對第一諧振器提到的類似方式實(shí)現(xiàn)的，然而，中間設(shè)有第二電光材料板的反射鏡層的數(shù)量較高。
如果，使用在反射鏡平面中以空間方式構(gòu)造的電極結(jié)構(gòu)向電光材料施加電場，并且電場在板方向上改變，則該電光材料的折射率將在板方向上改變，這使得在入射光束和從諧振器出射的光束之間有一個局部變化相位位置。采用合適結(jié)構(gòu)的電極以及施加給其的合適電壓，光束偏轉(zhuǎn)器因而可具有相位光柵效應(yīng)，該相位光柵效應(yīng)針對入射光束改變從光束偏轉(zhuǎn)器出射的光束方向。通過改變所施加的電壓起伏圖(voltage pattern)，可在一定范圍內(nèi)自由改變從光束偏轉(zhuǎn)器出射的光束方向。
為了在兩個空間方向上改變偏轉(zhuǎn)光束的方向，各電極結(jié)構(gòu)均由多個平行并置的條形電極組成。兩個電極結(jié)構(gòu)的條形延伸方向是相互橫向延伸，具體來說是相互正交延伸。在此，在這兩個電極結(jié)構(gòu)之間提供電光材料。
該配置對于制造光束偏轉(zhuǎn)器的不利之處在于，必須制造空間構(gòu)造的電極結(jié)構(gòu)，并且該電極結(jié)構(gòu)必須與電光材料板的兩側(cè)接觸。
根據(jù)另一方面，本發(fā)明涉及一種用于把光束向兩個空間方向偏轉(zhuǎn)的光束偏轉(zhuǎn)器，該光束偏轉(zhuǎn)器包括電光材料板，其設(shè)置在一對電極結(jié)構(gòu)和一對平面平行反射鏡之間。根據(jù)該方面的本發(fā)明，其特征在于，兩個電極結(jié)構(gòu)中僅有一個電極結(jié)構(gòu)在板方向上是空間構(gòu)造的，而另一電極結(jié)構(gòu)實(shí)質(zhì)上覆蓋住對入射光束有效的電光材料的整個區(qū)域。
在此，這種構(gòu)造的電極結(jié)構(gòu)最好包括兩組條形電極，每組條形電極均相互平行并置，并且不同組的條形電極的延伸方向是按照一個角度彼此相對延伸，具體來說是彼此正交延伸。
為了能夠使用兩組電極在電光材料中產(chǎn)生彼此獨(dú)立的電場，兩組電極中的每一組均包括有源區(qū)，投影到反射鏡表面上的這些有源區(qū)并置。電極組的有源區(qū)是指電極組中的電極實(shí)質(zhì)上彼此不屏蔽從而可對電光材料起作用的那些區(qū)域。
在電極組被提供為條形電極的配置中，優(yōu)選地，條形電極在縱向上交替包括寬有源區(qū)和窄有源區(qū)，并且不同組的條形電極以相交方式與其窄區(qū)域彼此重疊。至少在相交區(qū)域中，相交電極彼此電氣絕緣。
根據(jù)另一方面，本發(fā)明涉及一種交換系統(tǒng)，用于把多個光輸入與多個光輸出選擇性地進(jìn)行耦合，其中，該交換系統(tǒng)設(shè)有多個端子，其包括用于作為光束的光信號出射和/或入射的端子端部，而且這些端子端部設(shè)置在彼此相隔一定距離的預(yù)定位置，并且，提供多個光束偏轉(zhuǎn)器，使得單獨(dú)光束偏轉(zhuǎn)器被指配給每個端子端部，并且從被指配給光束偏轉(zhuǎn)器的端子出射的光束被引導(dǎo)到該光束偏轉(zhuǎn)器，而且該光束偏轉(zhuǎn)器可被這樣驅(qū)動，即被引導(dǎo)到該光束偏轉(zhuǎn)器的光束中至少有一部分被引導(dǎo)到一可選方向，以便可在進(jìn)一步偏轉(zhuǎn)之后進(jìn)入至少一個所選端子端部。
在此方面，本發(fā)明的特征在于，光束偏轉(zhuǎn)器在反射狀態(tài)工作，即，被引導(dǎo)到光束偏轉(zhuǎn)器的光束實(shí)質(zhì)上不由光束偏轉(zhuǎn)器透射，相反，被引導(dǎo)到光束偏轉(zhuǎn)器的光束中的大部分由光束偏轉(zhuǎn)器返回或反射。
與在透射狀態(tài)工作的常規(guī)光束偏轉(zhuǎn)器相比(在常規(guī)光束偏轉(zhuǎn)器中，所透射的有效光束的強(qiáng)度因原則上無法避免的反射損耗而降低)，根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)其特征在于，實(shí)質(zhì)上，入射光束的全部強(qiáng)度在所需偏轉(zhuǎn)之后還可作為有效光束供光束偏轉(zhuǎn)器利用。
有利的是，該交換系統(tǒng)包括至少一個反射鏡，其布置成使從任何預(yù)定端子端部出射的光束可由指配給該端子端部的光束偏轉(zhuǎn)器引導(dǎo)到該反射鏡，這樣，該反射鏡把該光束引導(dǎo)到被指配給所選端子端部的另一光束偏轉(zhuǎn)器。該配置可使光束以實(shí)質(zhì)上最佳方向照射到它們將要進(jìn)入的端子端部。結(jié)果，交換系統(tǒng)中的饋入損耗以及傳輸損耗都得到大幅減少。
如果該反射鏡的有效反射鏡表面設(shè)置在位于相鄰端子端部之間的空間內(nèi)或者位于分別進(jìn)出該端子端部的光束之間的空間內(nèi)，則可使通過反射鏡進(jìn)行的光束偏轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)極其簡單的配置。
為了按照光束偏轉(zhuǎn)器的給定最大偏轉(zhuǎn)角以及將由該光束偏轉(zhuǎn)器驅(qū)動的端子端部的給定距離來減少交換系統(tǒng)的總長度，優(yōu)選地，在端子端部和光束偏轉(zhuǎn)器之間設(shè)置望遠(yuǎn)鏡，該望遠(yuǎn)鏡包括至少一個物鏡，所有進(jìn)出端子端部的光束通過該物鏡延伸。該望遠(yuǎn)鏡可采用開普勒(Keplerian)望遠(yuǎn)鏡、伽利略(Galilean)望遠(yuǎn)鏡或任何其他類型望遠(yuǎn)鏡。
并且，針對各光束偏轉(zhuǎn)器提供單獨(dú)的望遠(yuǎn)鏡是有利的，以使從出射端出射的光束的直徑，在經(jīng)過可選的準(zhǔn)直操作之后，盡可能最佳地調(diào)整到光束偏轉(zhuǎn)器的有效直徑。
為便于區(qū)別，所有光束延伸所途經(jīng)的上述望遠(yuǎn)鏡在以下簡稱共用望遠(yuǎn)鏡，而被分別指配給光束偏轉(zhuǎn)器的多個望遠(yuǎn)鏡在以下簡稱專用望遠(yuǎn)鏡。
本發(fā)明中另一個必不可少但不是不可避免的方面是，使光束偏轉(zhuǎn)器的側(cè)向尺寸比在制造工藝方面實(shí)際所需的側(cè)向尺寸大。具體來說，就是在電光材料板的平面上的距離b不應(yīng)選擇成比下列公式所表示的距離小，其中光束偏轉(zhuǎn)器可沿著該電光材料板的平面提供2π的反射光相移。b>λ*(52*1(n*Δn))]]>如果遵守該尺寸規(guī)定，則可在很大程度上避免在一個輸出信道至另一輸出信道之間發(fā)生串?dāng)_。
該方面尤其在以下交換系統(tǒng)中實(shí)施，在該交換系統(tǒng)中，相鄰端子端部之間的距離小于相鄰光束偏轉(zhuǎn)器之間的距離。在制造工藝方面，例如，可進(jìn)一步減少上述構(gòu)造的電極結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)尺寸，以便把相鄰光束偏轉(zhuǎn)器之間的距離調(diào)整到相鄰端子端部之間的距離。然而，為了減少不同輸出信道之間的串?dāng)_，將相鄰光束偏轉(zhuǎn)器之間的距離選擇成比在制造工藝中所需的距離大。然而，可不把相鄰端子端部之間的距離調(diào)整到相鄰光束偏轉(zhuǎn)器之間的距離，而是縮短相鄰端子端部之間的距離，以便減少光束偏轉(zhuǎn)器的最大所需偏轉(zhuǎn)角，并從而縮短交換系統(tǒng)的總長度。


以下將參照附圖，對本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行更詳細(xì)地說明。在附圖中，圖1是根據(jù)本發(fā)明的光束偏轉(zhuǎn)器的實(shí)施例的示意性局部剖視圖；圖2是根據(jù)入射光束的波長在光束偏轉(zhuǎn)器處反射的光束的相位曲線的圖形表示；圖3是示出為獲得光束偏轉(zhuǎn)而向圖1的光束偏轉(zhuǎn)器的電極結(jié)構(gòu)施加的電壓起伏圖的示意性表示；圖4是示出用于把光束向兩個空間方向偏轉(zhuǎn)的電極結(jié)構(gòu)的圖1的光束偏轉(zhuǎn)器的示意性平面視圖；
圖5是用于向圖1的光束偏轉(zhuǎn)器的電極施加電壓的電路的示意性表示；圖6示出了根據(jù)本發(fā)明用于選擇性地耦合光信號端子的交換系統(tǒng)的實(shí)施例；圖7是圖6的交換系統(tǒng)的說明性詳細(xì)表示；圖8是根據(jù)本發(fā)明的光束偏轉(zhuǎn)器的另一實(shí)施例的示意性截面表示；圖9示出了根據(jù)入射光束的波長的圖8的光束偏轉(zhuǎn)器的反射曲線的圖形表示；圖10示出了根據(jù)入射光束的波長的圖8的光束偏轉(zhuǎn)器處反射的光束的相位曲線的圖形表示；圖11示出了根據(jù)本發(fā)明的光束偏轉(zhuǎn)器的電極結(jié)構(gòu)的實(shí)施例；圖12示出了根據(jù)本發(fā)明的交換系統(tǒng)的另一實(shí)施例；圖13示出了根據(jù)本發(fā)明的交換系統(tǒng)的又一實(shí)施例；圖14示出了根據(jù)圖12和圖13的交換系統(tǒng)內(nèi)使用的光束偏轉(zhuǎn)器的變體；以及圖15示出了圖7中所示的詳細(xì)表示的變體。
具體實(shí)施例方式
以下將參照圖1至圖4，對根據(jù)本發(fā)明的光束偏轉(zhuǎn)器1的第一實(shí)施例進(jìn)行說明。
光束偏轉(zhuǎn)器1的結(jié)構(gòu)是光諧振器或校準(zhǔn)器(etalon)的結(jié)構(gòu)，在該結(jié)構(gòu)中，電光材料板3被布置在兩個平面平行反射鏡5和7之間。如本文中提到的，電光材料是指任何具有明顯的(即技術(shù)上可利用的)電光效應(yīng)的材料，也就是說，通過向所述電光材料施加電場，可改變電光材料的折射率n。為此，具體來說，所施加的電場強(qiáng)度的所謂的線性電光效應(yīng)正是本文所關(guān)注的。
為該實(shí)施例所選的電光材料為鈮酸鋰(LiNbO3)，假設(shè)鈮酸鋰的折射率是n＝2.3，通過把約400伏的合適電壓施加給布置在彼此相隔100μm距離的電極，可把該折射率改變Δn＝5*10-4。
在兩個反射鏡5和7之間嵌入電光材料板3。在這兩個反射鏡5和7中，圖1中面向入射光束9方向的上部反射鏡5，其反射率比面向相對于板3遠(yuǎn)離光束方向的下部反射鏡7小。
各反射鏡5、7均為高度反射并具有低自吸收，因?yàn)榫哂胁煌凵渎实亩鄠€介電材料層11、13相互交替層疊。在本實(shí)施例中，氧化鈦(TiO)被用作具有高折射率的層11的材料，其中假設(shè)氧化鈦的折射率nH＝2.20，并且二氧化硅(SiO2)被用作具有低折射率的層13的材料，其中假設(shè)二氧化硅的折射率nL＝1.48。
上部反射鏡5的交替布置的層11、13的數(shù)量比組成下部反射鏡7的層11、13的數(shù)量少，因而，下部反射鏡7的反射率比上部反射鏡5高。具體來說，這兩個反射鏡5、7的殘余透射率彼此差別很大，因而使入射光束9中的僅僅一個最小強(qiáng)度部分15在透射中途經(jīng)校準(zhǔn)器1，并且反射光束17中的主要強(qiáng)度部分由校準(zhǔn)器1反射。
在高質(zhì)量的諧振器方面，介電材料層11、13的厚度分別為d1和d2，其相當(dāng)于層的相應(yīng)介電材料中的入射光束9的波長λ的四分之一。
同樣在高質(zhì)量的諧振器方面，電光材料板3的厚度D被調(diào)整到電光材料中的入射光束9的波長λ。優(yōu)選地，厚度D滿足兩個公式即D＝k/2*λ和D＝(2k-1)/4*λ的其中一個，式中，λ是指電光材料中的入射光束的波長，k是大于0的自然數(shù)。在此方面，選擇這兩個公式中的一個公式，使得在由反射鏡5和7形成的諧振器內(nèi)重復(fù)循環(huán)的部分光束以相長方式相互干涉。
根據(jù)位置，可使用兩個空間構(gòu)造的電極結(jié)構(gòu)將電場施加給電光材料3，以便根據(jù)位置改變電光材料3的折射率n。上部電極結(jié)構(gòu)19設(shè)置在上部反射鏡5上，并且包括多個平行且按一定距離間隔的條形電極21。第二電極結(jié)構(gòu)23被安裝到下部反射鏡7下面，并且該第二電極結(jié)構(gòu)23同樣包括多個平行且按一定距離間隔的條形電極25(見圖4)。在投影到平面平行反射鏡5，7的平面上時，條形電極21和25的延伸方向?yàn)橄嗷フ谎由?，以使偏轉(zhuǎn)光束17通過光束偏轉(zhuǎn)器1向兩個空間方向偏轉(zhuǎn)。以下將對此進(jìn)行說明。
首先，假設(shè)實(shí)質(zhì)上均勻的電場通過電極結(jié)構(gòu)19和23被施加給整個電光材料板3，以便更改電光材料的折射率。
如上所述，由于實(shí)質(zhì)上整個強(qiáng)度的入射光束9被反射到出射光束17內(nèi)，因而在根據(jù)波長λ檢查校準(zhǔn)器1的反射率時，該反射率僅與100％反射率R有略微偏差。
如果根據(jù)入射光束9的波長λ針對入射光束9檢查反射光束17的相位位置，則上述情況是不同的。圖2示出了這些相位曲線的圖形表示，在該圖中，由字母X代表的點(diǎn)表示當(dāng)電光材料未被施加電場時的相位曲線，而且在該圖中，由圓圈代表的點(diǎn)表示當(dāng)通過施加相應(yīng)選擇的電場使電光材料3的折射率從n＝2.30增至n+Δn＝2.31時的相位曲線。(為便于更好理解，為Δn選擇數(shù)值0.01。實(shí)際上，采用較低數(shù)值，這樣，較低電壓就足以產(chǎn)生所需的電場強(qiáng)度。)如果針對上部反射鏡5使用四個二氧化硅和氧化鈦雙層，各層厚度為d1＝d2＝λ/4；如果下部反射鏡7由16個二氧化硅和氧化鈦雙層組成，各層厚度為d1＝d2＝λ/4，并且如果電光材料板的厚度D＝14.5λ；則獲得所示的相位曲線。
光束偏轉(zhuǎn)器是針對預(yù)定波長(設(shè)計質(zhì)量)λ0＝1.55μm而提供，這樣，當(dāng)不施加電場時，入射光束9與反射光束17之間的相位差為0。如果施加電場使得電光材料3的折射率在該波長λ0時的變化量為Δn＝0.01，則在入射波和反射波之間產(chǎn)生約1.4的相位差，這一點(diǎn)在圖2中顯而易見。如果施加較強(qiáng)電場，也會產(chǎn)生較大相位差Δ。總之，采用上述校準(zhǔn)器1，有可能在設(shè)計質(zhì)量λ0時，在從-π到+π的整個期間自由調(diào)整入射光束9與出射光束17之間的相位關(guān)系。
在圖3中，已進(jìn)入校準(zhǔn)器1內(nèi)的入射光束9的波前由與反射鏡5、7平行延伸的線27表示，并且波前27的傳播方向由箭頭29表示。
電壓起伏圖通過條形電極23被施加給電極結(jié)構(gòu)23，該電壓起伏圖在與條形電極25的延伸方向成橫向的x方向上具有依位置而定的鋸齒形。響應(yīng)所施加的電壓，在電光介質(zhì)3內(nèi)產(chǎn)生與位置相關(guān)的折射率變化，因而該變化也同樣在x方向上具有鋸齒形。在此，在被施加給電極25的最低電壓0與被施加給電極的最高電壓Umax之間的差是這樣被選擇的，即電光材料的折射率n的相應(yīng)變化使反射光束17產(chǎn)生幾乎2π的相移。因此，最初在反射鏡方向上定向的波前27在諧振器內(nèi)以傾斜方式自行調(diào)整，如圖3中的線31所示，并且從一條線31到下一條線之間出現(xiàn)2π的相位越變。由于波前31的傾斜，使得諧振器3內(nèi)的波的傳播方向不再與反射鏡表面5和7正交延伸，而是同樣與反射鏡表面5和7傾斜延伸，如圖3中的箭頭33所示。因此，從光束偏轉(zhuǎn)器1出射的光束17的方向在相對于入射光束9方向的x方向上偏轉(zhuǎn)。
從以上說明中顯而易見，校準(zhǔn)器1構(gòu)成入射光束9的相位光柵，當(dāng)所施加的電壓具有與位置相關(guān)的鋸齒形狀時，該校準(zhǔn)器1構(gòu)成一個“定向”相位光柵(”blazed”phase grating)，它能使光按照指定好的方式被偏轉(zhuǎn)到預(yù)定空間方向上。
如果現(xiàn)在根據(jù)位置把電壓也施加給電極結(jié)構(gòu)19的條形電極21，則也可將光束偏轉(zhuǎn)到y(tǒng)方向上。
圖3還示出了距離b，光束偏轉(zhuǎn)器1沿著該距離b提供2π的相移。在圖3所反映的驅(qū)動模式中，該長度b相當(dāng)于6個條形電極25的寬度。如果電極結(jié)構(gòu)23是這樣被驅(qū)動的，即電壓0和Umax被交替施加給各自相鄰的條形電極上，則使用該光束偏轉(zhuǎn)器1可獲得的最短長度b相當(dāng)于兩個條形電極25之間距離的兩倍?，F(xiàn)在可以設(shè)想，通過縮短相鄰條形電極25之間的距離，也可縮短最小距離b，并從而提供具有更高光柵周期以及更高最大偏轉(zhuǎn)角的相位光柵，這些在上述關(guān)于制造工藝方面的實(shí)施例中是可以做到的。然而，如果由驅(qū)動模式實(shí)現(xiàn)的最小值b大于下式的值，則可高質(zhì)量地獲得對入射光束9的引導(dǎo)和對準(zhǔn)目標(biāo)的偏轉(zhuǎn)。λ*(52*1(n*Δn))]]>
為了對電極結(jié)構(gòu)19和23的工作有更深刻的了解，可參閱第4,639,091號美國專利，該專利的全部發(fā)表內(nèi)容包含在本文中，以供參考。
可制造圖1中所示的光束偏轉(zhuǎn)器，例如，在制造過程中，采用合適方式將板3從鈮酸鋰單晶體上切割下來，然后，首先采用氣相淀積法將反射鏡5和7層疊在板的各自側(cè)，最后將電極結(jié)構(gòu)19和23分別安裝在反射鏡5和7上。
圖5是適合把電壓起伏圖施加給兩個電極結(jié)構(gòu)的電子電路的示意性表示，以便把x方向上以及y方向的入射光束9偏轉(zhuǎn)到32個不同空間方向上，每個電極結(jié)構(gòu)均包括32個條形電極。電路包括低壓部分35，其采用例如CMOS技術(shù)布置；以及高壓部分37。數(shù)據(jù)字通過輸入SI被串行讀入到移位寄存器41內(nèi)，并且并行地從移位寄存器41被傳送到地址寄存器42，此外，為該目的還提供有時鐘輸入CL和裝載命令輸入LD。各數(shù)據(jù)字用于對期望的偏轉(zhuǎn)方向進(jìn)行編碼。并且，電路包括兩個存儲器，其被表示為MEMX和MEMY。該兩個存儲器中存儲有被施加給條形電極25和21的電壓的電壓起伏圖，以便將光束偏轉(zhuǎn)到期望的空間方向。被讀入到移位寄存器41內(nèi)的字的編碼是這樣被選擇的，即可通過地址寄存器42直接使用該字編碼，以便在存儲器MEMX和MEMY中分別尋址相應(yīng)的電壓起伏圖。然后，被尋址的電壓起伏圖從存儲器MEMX和MEMY被提供給64個數(shù)/模電流轉(zhuǎn)換器，該數(shù)/模電流轉(zhuǎn)換器把指配給各電極21、25的電流提供給與高壓部分37相連的線路41，在線路41，所提供的電流通過晶體管T和電阻器R被分別轉(zhuǎn)換成在0-400V之間的相應(yīng)高電壓，然后這些高電壓被提供給各自條形電極21、25的端子43。
并且，在圖5中，參考符號BS表示晶體管的偏壓，并且參考符號HV表示用于施加高壓的端子。
例如，可在用于把多個光信號的輸入和輸出選擇性地進(jìn)行耦合的交換系統(tǒng)中，可使用上述光束偏轉(zhuǎn)器，這些光信號是例如通過光導(dǎo)體輸入和輸出的。第5,963,682號美國專利揭示了用于選擇性地耦合光纖的交換系統(tǒng)使用常規(guī)光束偏轉(zhuǎn)器的示例，該專利的全部發(fā)表內(nèi)容包含在本文中，以供參考。
圖6和圖7示意性示出了根據(jù)本發(fā)明的交換系統(tǒng)51的實(shí)施例的局部視圖。多個光纖53-1、53-2、53-3、53-4構(gòu)成了交換系統(tǒng)51的光信號端子，在該交換系統(tǒng)51中，光纖53的端子端部55被布置成二維場，并且在x方向和y方向的光柵距離e相同。為此，提供有用于光纖端的支架(圖中未示出)，該支架還支撐多個準(zhǔn)直透鏡57，這樣使透鏡57位于各光纖端55的前面，以使從光纖端55出射的光被準(zhǔn)直成平行光束9，并且分別將照射到透鏡57上的平行光束17饋入相應(yīng)光纖53內(nèi)。p將單獨(dú)的光束偏轉(zhuǎn)器1-1、1-2、1-3、1-4指配給各端子53-1、53-2、53-3、53-4，以使光束偏轉(zhuǎn)器1的場設(shè)置在與光纖端55隔開一定間隔的地方，這樣就使從光纖端55出射的光束9直接照射在被指配給光纖端55的光束偏轉(zhuǎn)器1上。
在光纖端55和準(zhǔn)直透鏡57的場與光束偏轉(zhuǎn)器1的場(該光束偏轉(zhuǎn)器與光束方向垂直)之間設(shè)有板59，該板包括多個孔61，這些孔同樣彼此之間隔開一定距離e，用于使光束9、17通過。面向光束偏轉(zhuǎn)器1的場方向的板69的表面63是鏡面反射。
圖6示出了交換系統(tǒng)51的開關(guān)狀況，在該交換系統(tǒng)中，圖中作為輸入的上部光端子53-1與圖中作為輸出的下部光端子53-4進(jìn)行耦合。為此，圖6的上部光束偏轉(zhuǎn)器1-1的電極結(jié)構(gòu)是被這樣驅(qū)動的，即從光輸入53-1出射的光束9被作為光束17’通過這樣一個角度反射，即反射光束17’照射到板59的反射鏡表面63上，這樣，該反射光束17’又作為光束9’被反射鏡表面63反射，并照射到圖6中被指配給光輸出53-4的下部光束偏轉(zhuǎn)器1-4上。下部光束偏轉(zhuǎn)器1-4在此是被這樣驅(qū)動的，即入射到其上的光束9’被反射到光束17內(nèi)，該光束17被饋入光輸出53-4內(nèi)。這樣，作為光輸入的光纖53-1與作為光輸出的光纖53-4進(jìn)行耦合或相連。
然而，還可將作為光輸入的光纖53-1與作為光輸出的光纖53-2進(jìn)行耦合，其中，光束偏轉(zhuǎn)器1-1是被這樣驅(qū)動的，即由該光束偏轉(zhuǎn)器反射的光束17’被引導(dǎo)到反射鏡表面63，這樣，由反射鏡表面63反射的光束9’照射到光束偏轉(zhuǎn)器1-2上，然后，該光束偏轉(zhuǎn)器1-2又被這樣驅(qū)動，即照射到其上的光束9’被饋入作為光輸出的光纖53-2內(nèi)。
因而可采用自由可選方式把交換系統(tǒng)51的多個端子53進(jìn)行耦合，其中，被指配給待耦合端子的光束偏轉(zhuǎn)器1被適當(dāng)?shù)仳?qū)動。
在圖6和圖7中所示的實(shí)施例中，在工作中，每隔一個端子53被提供作為輸入，并且每隔另一個光端子53被提供作為輸出，如圖7所示，在該圖中，用作光輸入的端子53的位置被表示為黑色圓圈，而用作光輸出的端子53的位置被表示為白色圓圈。
然而，還可能根據(jù)需要，將每個端子用作輸入或輸出。并且，還可能提供不同或經(jīng)過修改的相鄰端子端部間距。圖15示意性示出了一個說明性示例。
以下將對圖1至圖7中所示的本發(fā)明實(shí)施例的變體進(jìn)行說明。在結(jié)構(gòu)和功能方面都與圖1至圖7中的部件相同的部件都用相同參考編號表示，但是，以便于鑒別，補(bǔ)充了附加字母。為便于說明，請參見整個上述說明。
圖8示意性示出了被提供作為雙諧振器或雙校準(zhǔn)器結(jié)構(gòu)的光束偏轉(zhuǎn)器1a。與圖1中所示的校準(zhǔn)器類似，光束偏轉(zhuǎn)器1a包括反射率高的上部反射鏡5a，上部反射鏡5a包括多個面向入射光束9a方向的介電材料層。在反射鏡5a下面設(shè)有采用電光材料制成的板3a，其被另一反射鏡7a界定在底部，該反射鏡7a同樣也包括多個介電材料層。
在反射鏡7a下面設(shè)有第二電光材料板71，并且該第二板71下面設(shè)有另一反射鏡73，該反射鏡73同樣也包括多個具有不同折射率的介電材料層。
下部反射鏡73的介電材料層數(shù)量比中心反射鏡7a的相應(yīng)層數(shù)量多，而中心反射鏡7a的層數(shù)量又比上部反射鏡5a的介電層數(shù)量多。因此，電光材料的上部板3a被封閉在由兩個反射鏡5a和7a形成的諧振器內(nèi)，該諧振器的質(zhì)量比由反射鏡7a和73形成的光諧振器的質(zhì)量低。在由反射鏡7a和73形成的光諧振器內(nèi)封閉有電光材料的下部板71。
由反射鏡5a、7a和73以及電光材料板3a和71組成的整個結(jié)構(gòu)被封閉在電極結(jié)構(gòu)19a和23a之間。正如在校準(zhǔn)器結(jié)構(gòu)1a內(nèi)一樣，也設(shè)有兩個諧振器的后反射鏡，該后反射鏡的反射率顯著高于各自前反射鏡的反射率，而且在此，入射光束9a的強(qiáng)度的主要部分被作為光束17a反射。圖9示出了圖8中所示的結(jié)構(gòu)的反射率對波長λ的依賴性。標(biāo)有十字的曲線反映了這樣一種結(jié)構(gòu)的曲線，即在該結(jié)構(gòu)中，反射鏡5a包括8個層，反射鏡7a包括12個層，以及反射鏡73包括22個層。標(biāo)有圓圈的曲線反映了這樣一種結(jié)構(gòu)的曲線，即在該結(jié)構(gòu)中，反射鏡5a包括6個層，反射鏡7a包括8個層，以及反射鏡73包括22個層。標(biāo)有字母x的曲線反映了這樣一種結(jié)構(gòu)的曲線，即在該結(jié)構(gòu)中，反射鏡5a包括4個層，反射鏡7a包括6個層，以及反射鏡73包括22個層。
已發(fā)現(xiàn)，在所有反射鏡實(shí)施例中，反射率都極高。
因此，對于這樣一種結(jié)構(gòu)，也可采用與設(shè)計質(zhì)量λ0不同的波長實(shí)現(xiàn)2π以上的相移。這一點(diǎn)對于把光束向兩個空間方向偏轉(zhuǎn)尤其重要。
圖10是與圖2的表示相對應(yīng)的表示，示出了圖8的校準(zhǔn)器結(jié)構(gòu)的入射光束與出射光束之間的相位差，反射鏡5a、7a和73分別包括6個、8個和22個層，板3a和71的厚度分別為14.5λ和10.5λ。
在圖1和圖8中的校準(zhǔn)器之間的主要區(qū)別在于，在圖8的光束偏轉(zhuǎn)器1a中，兩個諧振器均可對總相位差貢獻(xiàn)2π的最大相位差，這樣，采用該雙諧振器配置，可非常容易地獲得4π的相位差。
例如，可制造圖8中所示的結(jié)構(gòu)1a，其中，首先將電極結(jié)構(gòu)23a淀積在襯底(圖中未示出)上，接下來，將反射鏡73的層氣相淀積在其上。在對反射鏡73進(jìn)行精加工之后，可采用MOCVD(金屬有機(jī)化學(xué)氣相淀積法)將諸如鈮酸鋰等的電光材料板71生長在反射鏡73上。隨后，氣相淀積反射鏡7a，接下來，采用MOCVD法生長鈮酸鋰板3a。然后，氣相淀積反射鏡5a，最后，涂敷上部電極結(jié)構(gòu)19a。
采用MOCVD法，可針對所需材料結(jié)構(gòu)以足夠精度淀積許多電光材料，以獲得本發(fā)明所需的光效應(yīng)。有關(guān)MOCVD技術(shù)的進(jìn)一步詳情，請參閱Ren Xu的文章，題目是“原始化合物在氧化物的MOCVD中的挑戰(zhàn)”(The Challenge ofPrecursor Compounds in the MOCVD of Oxides”)，源自網(wǎng)址http//www.tms.org/pubs/journals/JOM/9710/Xu，發(fā)表于2001年1月16日，該篇文章的發(fā)表內(nèi)容包含在本文中，以供參考。
雙諧振器1a是針對1.55μm的設(shè)計質(zhì)量λ0而配置，其相位曲線如圖10所示。在該設(shè)計質(zhì)量時的工作點(diǎn)設(shè)置在圖10所示的相位越變區(qū)內(nèi)。
圖11示出了本發(fā)明的光束偏轉(zhuǎn)器的上部電極結(jié)構(gòu)19a的變體。在此，電極結(jié)構(gòu)19a不僅包括僅在一個方向上平行延伸的條形電極，而是包括兩組條形電極，其中一組條形電極在圖11中的水平方向上與條形電極21a一起延伸，而另一組條形電極在圖11的垂直方向上與條形電極25a一起延伸。
如果例如將圖11中所示的該類型電極結(jié)構(gòu)19a設(shè)置在例如圖1的光束偏轉(zhuǎn)器的頂部，則只要相應(yīng)地將電極結(jié)構(gòu)23設(shè)置在光束偏轉(zhuǎn)器的底部作為連續(xù)不間斷的接地電極就足夠了。然而，反射光束可向兩個空間方向偏轉(zhuǎn)。電極結(jié)構(gòu)19a的這種配置的有利方面在于兩個電極結(jié)構(gòu)中僅有一個電極結(jié)構(gòu)必須以結(jié)構(gòu)化方式提供。
為了避免被提供作為相交條形電極的電極發(fā)生重疊，條形電極21a、25a在長度方向上交替包括寬表面區(qū)81和窄表面區(qū)83，而且相交條形電極僅在窄表面區(qū)83內(nèi)相互重疊。寬表面區(qū)81實(shí)質(zhì)上是表面覆蓋和非重疊的，這樣，施加給其的電勢可對介電-光材料起作用。條形電極21a和25a的相交區(qū)83相互之間分別電氣絕緣。這可予以實(shí)現(xiàn)，即使用薄膜技術(shù)涂敷帶有條形電極25a的第一部分電極組，并在其上涂敷絕緣層，而且將帶有條形電極21a的另一部分電極組淀積在絕緣層上。
然而，還可設(shè)想把遠(yuǎn)離電光材料設(shè)置的部分電極組的條形電極21a設(shè)置成寬度近似均勻的條形電極，因?yàn)檫@些電極對位于這些條形電極21a與其下面的條形電極25a重疊的區(qū)域內(nèi)的電光材料所產(chǎn)生的作用被位于條形電極21a下面的條形電極25a屏蔽，這樣，連續(xù)寬的外部條形電極的有效區(qū)的配置表現(xiàn)為近似于圖11中所示的寬區(qū)81的配置。
圖12中所示的用于選擇性地耦合光輸入53b的交換系統(tǒng)51b，其結(jié)構(gòu)類似于圖6中所示的結(jié)構(gòu)。與該結(jié)構(gòu)相比，在光束偏轉(zhuǎn)器1b的場與包括鏡面反射側(cè)63b的板59b之間設(shè)有共用望遠(yuǎn)鏡87，該共用望遠(yuǎn)鏡87以發(fā)散透鏡89和會聚透鏡91的形式被示意性示出。所有在端子53b與光束偏轉(zhuǎn)器1b之間延伸的光束都途經(jīng)會聚透鏡91和發(fā)散透鏡89。望遠(yuǎn)鏡87實(shí)質(zhì)上用于縮短交換系統(tǒng)51b的總長度，該總長度與必須根據(jù)圖6按照光束偏轉(zhuǎn)器的預(yù)定最大偏轉(zhuǎn)角為交換系統(tǒng)所選的總長度相比較短。
并且，交換系統(tǒng)51b包括多個專用望遠(yuǎn)鏡93，這樣，專用望遠(yuǎn)鏡93設(shè)置在各光束偏轉(zhuǎn)器1b的前面，用于把由位于光纖端53b的出射端前面的透鏡55b準(zhǔn)直的光束9b調(diào)整到實(shí)質(zhì)上把光束偏轉(zhuǎn)器1b的有效區(qū)全部照亮的直徑。
從圖12中也顯而易見，相鄰光纖端53b之間的距離小于相鄰光束偏轉(zhuǎn)器1b之間的距離。盡管在制造工藝方面可進(jìn)一步縮短相鄰光束偏轉(zhuǎn)器1b之間的距離，然而各光束偏轉(zhuǎn)器1b被配置成使得沿著電光材料產(chǎn)生2π相移的上述距離下限被保持。
圖12中所示的交換系統(tǒng)51b可這樣被修改，即大型望遠(yuǎn)鏡87或/和專用望遠(yuǎn)鏡93可被省略，這樣，這些部件本身是可選的。
圖13中所示的交換系統(tǒng)51c還用于通過多個光束偏轉(zhuǎn)器1c把多個光輸入和光輸出53c選擇性地進(jìn)行耦合，每個光束偏轉(zhuǎn)器均單獨(dú)被指配給一個光端子53c。準(zhǔn)直透鏡57c分別對從光纖端55c出射并照射到光束偏轉(zhuǎn)器1c上的光束進(jìn)行準(zhǔn)直。與圖6的實(shí)施例類似，由光束偏轉(zhuǎn)器1c反射的入射光束9c被反射到光束17’c內(nèi)，該光束17’c又作為光束9’c從反射鏡63c被反射到被指配給期望出射端子的光束偏轉(zhuǎn)器1c。然而，與圖6所示不同，用于把光束17’c反射回到光束9’c內(nèi)的反射鏡63c未設(shè)置在有孔板上。而是，反射鏡63c設(shè)置在位于準(zhǔn)直透鏡57c與光束偏轉(zhuǎn)器1c之間的光束路徑的外部。為此目的，設(shè)有半透明饋出反射鏡97。光束9c和17c途經(jīng)位于準(zhǔn)直透鏡57c與光束偏轉(zhuǎn)器1c之間的該饋出反射鏡97。結(jié)果，饋出反射鏡97對這些光束產(chǎn)生偏振效應(yīng)，并且在通過反射鏡97透射的光束9c和17c中，只有偏振部分在當(dāng)λ-四分之一-板99進(jìn)行偏振旋轉(zhuǎn)之后，由反射鏡97反射到位于光束路徑外部的反射鏡63。
由于通過偏振反射鏡97被反射到反射鏡63c的光束的饋出將產(chǎn)生一半強(qiáng)度的損耗(由于偏振效應(yīng))，因而在準(zhǔn)直透鏡57c與反射鏡97之間設(shè)有另一偏振光束分配器101，以便饋出在反射鏡97處損耗的偏振部分，并把該偏振部分引導(dǎo)到光束偏轉(zhuǎn)器1’c的另一場。這些光束偏轉(zhuǎn)器是這樣被驅(qū)動的，即它們使相同的光輸入和光輸出53c相互耦合，而且這些相同的光輸入和光輸出53c也通過光束偏轉(zhuǎn)器1c相互耦合。為此，光束偏轉(zhuǎn)器1’c把入射到其上的光束反射到與反射鏡63c相對應(yīng)的反射鏡63’c。同樣，在反射鏡63’c和與反射鏡97相對應(yīng)的光束偏轉(zhuǎn)器1’c之間設(shè)置傾斜的、半透明的偏振反射鏡97’，正如在光束偏轉(zhuǎn)器1c’的前面設(shè)置λ-四分之一-板99’一樣。
總之，交換系統(tǒng)51c’被配置成使得用于兩個偏振方向的光波長的長度實(shí)質(zhì)上相同，這樣，也可實(shí)質(zhì)上在正確時間將通過反射鏡101被分隔為其兩個偏振方向的短光脈沖在分別在光束偏轉(zhuǎn)器1c和1’c處進(jìn)行偏轉(zhuǎn)之后，在反射鏡101處重新組合。
在上述實(shí)施例中，鈮酸鋰已被用作電光材料。然而，還可使用砷化鎵(GaAs)作為電光材料，假設(shè)其折射率n＝3.5。然后建議諧振器反射鏡的介電層材料也可包括砷化鋁(AlAs)和砷化鎵(GaAs)(nH＝3.5)，其中，假設(shè)砷化鋁的折射率nL＝3.0。砷化鎵也具有電光效應(yīng)，也就是說，響應(yīng)所施加的電場改變折射率。在此方面，可利用砷化鎵中所謂的“量子阱”結(jié)構(gòu)來利用電光效應(yīng)中的增強(qiáng)效應(yīng)。該技術(shù)在第4,525,587號美國專利中予以說明，其全文發(fā)表內(nèi)容被包含在本文中，以供參考。
使用半導(dǎo)體作為電光材料板的材料在下列方面也是尤其有利的，即在該半導(dǎo)體材料中，可利用諸如“量子限定斯塔克效應(yīng)”(Quantum Confined StarkEffect)以及“福朗茨-凱爾迪施效應(yīng)”(Franz-Keldisch Effect)等的物理效應(yīng)來增加電光效應(yīng)。
在上述實(shí)施例中，電極結(jié)構(gòu)圍繞電光材料板以及由介電材料層制成的反射鏡結(jié)合。然而，還可設(shè)想把電極結(jié)構(gòu)布置在電光材料板與分層反射鏡之間。這一方面可獲得較小的電極距離以便增加電場強(qiáng)度，另一方面可避免在反射鏡層中產(chǎn)生漏泄電流。為了減少電極結(jié)構(gòu)中的吸收損耗，可將電極結(jié)構(gòu)布置在諧振器內(nèi)，使得這些電極結(jié)構(gòu)與諧振器反射鏡隔開一定距離，以便使其定位在光場的振蕩結(jié)點(diǎn)(oscillation knots)內(nèi)。
在上述參照圖12和圖13描述的實(shí)施例中，光束偏轉(zhuǎn)器的結(jié)構(gòu)是參照圖1圖11予以說明的。然而，還可為圖12和圖13中所示的光交換系統(tǒng)提供光束偏轉(zhuǎn)器，各光束偏轉(zhuǎn)器均包括反射鏡，該反射鏡可相對于反射鏡支架以機(jī)械方式在樞軸上旋轉(zhuǎn)。該光束偏轉(zhuǎn)器可采用小型化形式制成，有關(guān)說明，請參見例如James A.Walter所撰寫的文章，題目是“MEMS在電信網(wǎng)中的未來”(Thefuture of MEMS in telecommunications networks)，Journal Michromech.Microeng.10(200)R1-R7/PIIS0960-1317(00)06735-8。圖14示意性示出了被作為所謂的MEM反射鏡提供的光束偏轉(zhuǎn)器1c。圓形反射鏡表面103是從板材料101中沖壓得到，并且相對于反射鏡表面以沿直徑方向分別設(shè)置鉸鏈對105和106，用于相對于剩余的板材料101以活節(jié)連接方式(cardanically)支撐反射鏡表面103。在反射鏡表面103下面設(shè)有驅(qū)動電極109的四個扇區(qū)，其位于電極支架111上，并且與反射鏡的后側(cè)隔開一小段距離，該電極支架與支撐反射鏡表面103的板材料以固定方式相連。通過把合適大小的電壓施加給扇區(qū)電極109，可在反射鏡103與電極之間產(chǎn)生靜電場，該靜電場把機(jī)械移動力傳遞到反射鏡表面103上，這樣就使反射鏡表面103分別圍繞鉸鏈腹板105和106旋轉(zhuǎn)，以使反射鏡表面103相對于其支架傾斜，并且以便為入射光束設(shè)定期望的偏轉(zhuǎn)角。
權(quán)利要求
1.一種用于偏轉(zhuǎn)預(yù)定波長(λ)的入射光束(9，9’)的光束偏轉(zhuǎn)器，該光束偏轉(zhuǎn)器包括第一電光材料板(3)，其設(shè)置在一對電極結(jié)構(gòu)(19，23)和一對平面平行反射鏡(5，7)之間，通過向電極結(jié)構(gòu)(19，23)施加電壓可改變該電光材料的折射率(n)，其中，面向入射光束(9，9’)方向的該對反射鏡中的第一反射鏡(5)的反射率比該對反射鏡中第二反射鏡(7)的反射率低，其特征在于，第一或/和第二反射鏡包括多個介電材料層(11，13)，其中，相鄰層(11，13)的介電材料的折射率(nH，nL)彼此不同。
2.如權(quán)利要求1所述的光束偏轉(zhuǎn)器，其中，若干層(11，13)的層厚度(d1，d2)均實(shí)質(zhì)上相當(dāng)于滿足公式d＝λ/4的數(shù)值(d)，式中，λ是指層的介電材料中的入射光束的波長。
3.如權(quán)利要求2所述的光束偏轉(zhuǎn)器，其中，第一電光材料板(3)的厚度實(shí)質(zhì)上相當(dāng)于滿足兩個公式D＝k/2*λ和D＝(2k-1)/4*λ其中之一的數(shù)值D，式中，λ是指電光材料中的入射光束的波長，k是大于0的自然數(shù)。
4.如權(quán)利要求1至權(quán)利要求3的其中之一所述的光束偏轉(zhuǎn)器，其中，交替相互層疊的反射鏡表面(11，13)采用兩種不同介電材料。
5.如權(quán)利要求1至權(quán)利要求4的其中之一所述的光束偏轉(zhuǎn)器，其中，第二反射鏡(7)實(shí)質(zhì)上是完全反射的，并且該第二反射鏡(7)的殘余透射率最多是第一反射鏡(5)的殘余透射率的十分之一。
6.如權(quán)利要求1至權(quán)利要求5的其中之一所述的光束偏轉(zhuǎn)器，其中，第二反射鏡(7)包括至少6個層，具體來說，至少8個層。
7.如權(quán)利要求1至權(quán)利要求5的其中之一所述的光束偏轉(zhuǎn)器，其中，第二反射鏡(7)包括至少20個層。
8.如權(quán)利要求1至權(quán)利要求6的其中之一所述的光束偏轉(zhuǎn)器，其中，設(shè)有第二電光材料板(71)，該板設(shè)置在第二反射鏡(7a)與第三反射鏡(73)之間，該第三反射鏡(73)相對于第二反射鏡(7a)成平面平行。
9.如權(quán)利要求8所述的光束偏轉(zhuǎn)器，其中，第三反射鏡(73)的反射率比第二反射鏡(7a)的反射率高。
10.如權(quán)利要求8或權(quán)利要求9所述的光束偏轉(zhuǎn)器，其中，第三反射鏡(73)包括多個介電材料層，并且相鄰層的介電材料的折射率彼此不同。
11.如權(quán)利要求10所述的光束偏轉(zhuǎn)器，其中，第三反射鏡包括至少20個層。
12.如權(quán)利要求8至權(quán)利要求11的其中之一所述的光束偏轉(zhuǎn)器，其中，第二電光材料板(73)的厚度實(shí)質(zhì)上相當(dāng)于滿足兩個公式D＝k/2*λ和D＝(2k-1)/4 *λ其中之一的數(shù)值D，式中，λ是指第二板的電光材料中的入射光束的波長，k是大于0的自然數(shù)。
13.如權(quán)利要求8至權(quán)利要求12的其中之一所述的光束偏轉(zhuǎn)器，其中，第一和第二電光材料板(3a，71)共同設(shè)置在電極結(jié)構(gòu)對(19a，23a)之間。
14.如權(quán)利要求1至權(quán)利要求13的其中之一所述的光束偏轉(zhuǎn)器，其中，光束偏轉(zhuǎn)器是為用于偏轉(zhuǎn)波長(λ)范圍在0.5μm-3.0μm之間，優(yōu)選在1.0μm-2.0μm之間，尤其優(yōu)選地在1.3μm-1.7μm之間的光而提供的。
15.如權(quán)利要求1至權(quán)利要求14的其中之一所述的光束偏轉(zhuǎn)器，其中，電光材料是電光固體材料，具體來說，是鈮酸鋰(LiNbO3)或/和砷化鎵(GaAs)或/和包括液晶。
16.如權(quán)利要求1至權(quán)利要求15的其中之一所述的光束偏轉(zhuǎn)器，其中，介電材料包括二氧化硅(SiO2)或/和氧化鈦(TiO)或/和砷化鎵(GaAs)或/和砷化鋁(AlAs)或/和砷化鋁鎵(AlGaAs)。
17.如權(quán)利要求1至權(quán)利要求16的其中之一所述的光束偏轉(zhuǎn)器，其中，電極結(jié)構(gòu)(19，21)均包括多個平行并置條形電極(21，25)，其中，兩個條形電極結(jié)構(gòu)(19，21)中的條形電極(21，25)的延伸方向是相互橫向延伸，具體來說是相互正交延伸。
18.如權(quán)利要求1至權(quán)利要求17的其中之一所述的用于偏轉(zhuǎn)入射光束的光束偏轉(zhuǎn)器，該光束偏轉(zhuǎn)器包括第一電光材料板(3a)，其設(shè)置在一對電極結(jié)構(gòu)(19a，23a)和一對平面平行反射鏡(5a，7a)之間，通過向電極結(jié)構(gòu)(19a，23a)施加電壓可改變所述電光材料的折射率，其特征在于，兩個電極結(jié)構(gòu)中的第一電極結(jié)構(gòu)(19a)包括兩組條形電極(21a，25a)，各組條形電極中的條形電極(21a，25a)相互平行并置，并且不同組條形電極中的條形電極(21a，25a)的延伸方向是相互橫向延伸，具體來說是相互正交延伸。
19.如權(quán)利要求18所述的光束偏轉(zhuǎn)器，其中，各條形電極(21a，25a)從反射鏡表面中看，在延伸方向上沿其長度均交替地包括多個寬區(qū)(81)和窄區(qū)(83)，這樣就使不同條形電極組中的條形電極(21a，25a)以相交方式與窄區(qū)重疊。
20.如權(quán)利要求19所述的光束偏轉(zhuǎn)器，其中，不同條形電極組中的條形電極(21a，25a)的寬區(qū)(81)設(shè)置成實(shí)質(zhì)上不重疊。
21.如權(quán)利要求18至權(quán)利要求20的其中之一所述的光束偏轉(zhuǎn)器，其中，電極結(jié)構(gòu)對中的第二電極結(jié)構(gòu)(23a)是接地電極，其設(shè)置在條形電極(21a，25a)的對面。
22.一種交換系統(tǒng)，包括多個光信號端子(53)，包括作為光束(9，17)的光信號出射或/和入射的端子端部(55)，其中，這些端子端部(53)相互隔開一定距離設(shè)置在預(yù)定位置；以及多個光束偏轉(zhuǎn)器(1)，其中，光束偏轉(zhuǎn)器(1)和端子端部(55)被相互成對指配，并且各光束偏轉(zhuǎn)器(1)是被這樣設(shè)置的，即從被指配給光束偏轉(zhuǎn)器的端子端部(55)出射的光束(9)被引導(dǎo)到光束偏轉(zhuǎn)器，各光束偏轉(zhuǎn)器均可這樣被控制，即把引導(dǎo)到其上的光束(9)中的至少一部分(17)偏轉(zhuǎn)到可選方向，以使該光束進(jìn)入至少一個所選端子端部(55)；并且其中，該交換系統(tǒng)還包括至少一個反射鏡(63)，其中，每對(I1，I4)光束偏轉(zhuǎn)器(1)均可被這樣控制，即從該對中的第一光束偏轉(zhuǎn)器(I1)出射的光束(17)當(dāng)已在第一光束偏轉(zhuǎn)器(I1)、反射鏡(63)以及該對的第二光束偏轉(zhuǎn)器(I4)處被反射之后，進(jìn)入被指配給第二光束偏轉(zhuǎn)器(I4)的端子端部(534)；并且其中，反射鏡包括多個反射鏡表面(63)，其以固定方式設(shè)置在位于從不同端子端部(55)出射的兩個光束(9，17)的光束截面之間的空間內(nèi)。
23.如權(quán)利要求22所述的交換系統(tǒng)，其中，反射鏡(63)具有連續(xù)反射鏡表面，用于提供多個反射鏡表面，該連續(xù)反射鏡表面具有多個孔(61)，用于使光束能夠從中通過。
24.如權(quán)利要求22至權(quán)利要求23的其中之一所述的交換系統(tǒng)，其中，相鄰端子端部之間的距離小于相鄰光束偏轉(zhuǎn)器之間的距離。
25.如權(quán)利要求22至權(quán)利要求24的其中之一所述的交換系統(tǒng)，其中，在端子端部(55b)與光束偏轉(zhuǎn)器(1b)之間設(shè)有共用望遠(yuǎn)鏡(87)，該共用望遠(yuǎn)鏡(87)包括至少一個透鏡(89，91)，從所有端子端部(55b)出射的光束(96)通過該透鏡(89，91)。
26.如權(quán)利要求22至權(quán)利要求25的其中之一所述的交換系統(tǒng)，其中，單獨(dú)專用望遠(yuǎn)鏡(93)被指配給每個光束偏轉(zhuǎn)器(1b)，所述專用望遠(yuǎn)鏡設(shè)置在位于光束偏轉(zhuǎn)器(1b)與被指配給光束偏轉(zhuǎn)器的端子端部(53b)之間。
27.如權(quán)利要求22至權(quán)利要求26的其中之一所述的交換系統(tǒng)，其中，光束偏轉(zhuǎn)器包括如權(quán)利要求1至權(quán)利要求21的其中之一所述的光束偏轉(zhuǎn)器。
28.如權(quán)利要求27所述的交換系統(tǒng)，其中，在電光材料板的平面內(nèi)，光束偏轉(zhuǎn)器可提供2π的反射光束的相移所途經(jīng)的最短距離實(shí)質(zhì)上相當(dāng)于滿足公式b＞(5/2*1/(n*Δn)*(1/2)*λ)的數(shù)值b，式中，n是指電光材料的折射率，Δn是指為實(shí)現(xiàn)2π相移所需的電光材料的折射率變化，λ是指電光材料中的入射光束的波長。
29.如權(quán)利要求22至權(quán)利要求26的其中之一所述的交換系統(tǒng)，其中，光束偏轉(zhuǎn)器包括反射鏡，該反射鏡可相對于反射鏡支架以機(jī)械方式在樞軸上旋轉(zhuǎn)。
30.一種利用如權(quán)利要求22至權(quán)利要求29的其中之一所述的交換系統(tǒng)把成對光信號端子選擇性地進(jìn)行耦合的方法，其中，被指配給待耦合的端子對的兩個光束偏轉(zhuǎn)器是被這樣驅(qū)動的，即從該對端子中的一個端子的端子端部出射的光束進(jìn)入另一端子的端子端部。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用于光束9的光束偏轉(zhuǎn)器1,包括:第一電光材料板,其設(shè)置在一對電極結(jié)構(gòu)和一對平面平行反射鏡之間,通過向電極結(jié)構(gòu)施加電壓可改變該電光材料的折射率,其中,面向入射光束方向的一對反射鏡中的第一反射鏡的反射率比該對反射鏡中第二反射鏡的反射率低,第一或第二反射鏡包括多個介電材料層,這些介電材料層的折射率彼此不同。并且,本發(fā)明提供了一種交換系統(tǒng),包括:被相互成對指配的多個光信號端子和光束偏轉(zhuǎn)器(1),各光束偏轉(zhuǎn)器均可這樣被控制,即它把引導(dǎo)到其上的光束(9)偏轉(zhuǎn)到可選方向,以使該光束進(jìn)入至少一個所選端子端部(55)。
文檔編號G02F1/29GK1373378SQ02102449
公開日2002年10月9日 申請日期2002年1月22日 優(yōu)先權(quán)日2001年1月22日
發(fā)明者凱·魏德利希 申請人:卡爾·蔡斯基金會