专利名称：光束偏转器,交换系统,以及用于耦合光信号端子的方法
技术领域：
本发明涉及一种用于把光束向可选方向偏转的光束偏转器，以及一种交换系统，它包括多个光信号端子，以使通过一个或多个端子进入该交换系统的光信号在可选的其他端子被输出。本发明具体还涉及一种用于带有光纤交换系统的数据通信系统的交换系统。并且，本发明还涉及一种用于操作该交换系统的方法，具体涉及一种用于操作光纤交换系统的方法。
背景技术：
从B.H.Lee和R.J.Capik撰写的文章，题目是“极低损耗576×576伺服控制的、光束方向控制光开关结构的论证”(Demonstration of a verylow-loss 576×576 servo-controlled，beam-steering optical switch fabric)中得知一种光束方向控制开关，该光束方向控制开关可使多个光纤输入能够选择性地与多个光纤输出进行耦合。为此，各光输入均包括一个准直仪，该准直仪通过伺服控制可调，以使在输入的一个端子出射的光束照射到所选光出射口的端子端部上并进入该端子端部。对多个准直仪进行伺服控制调整在机械方面是复杂的，而且也难以如需缩短切换时间。
第5,963,682号美国专利揭示了一种用于把光输入与光输出选择性地进行光耦合的交换系统，其中，光束方向无法通过伺服控制予以调整，而是利用液晶元件并且通过将特定电压和场图施加给液晶元件来予以调整。为此目的使用的液晶的电光效应足以通过施加电场图获得充分偏转角，以便选择性地驱动若干输出。然而，在该现有技术系统中，液晶的惰性限制了可获得的切换速度，并且，当光信号途经交换系统时出现的光强损耗被认为太高。
第5,319,492号美国专利揭示了一种光开关，其中，在二阶中为非线性的光聚合物被封闭在一空腔内，通过结构化电极向聚合物施加一个空间改变的电场，以便产生可切换的反射光栅，因为通过施加电场可以空间方式改变聚合物的折射率。由于空腔被镜面反射，可获得的偏转角增大，因为入射光束在谐振器内循环若干次。然而，当光束在谐振器内循环若干次时，聚合物材料的本征吸收导致出现显著的强度损耗。这样，空腔内的介质吸收限制了偏转角的增大。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种用于偏转入射光束的光束偏转器，该光束偏转器尤其在可获得的偏转角或/和切换时间方面得到改进。
并且，本发明的目的是提供一种更适合在光数据通信系统中使用的光束偏转器。
此外，本发明的目的是提供一种包括多个光信号端子的交换系统，该交换系统尤其适合用于光数据通信系统中，而且传输速率高、转接时间短。
并且，本发明的目的是提供一种包括若干光信号端子的交换系统，该交换系统能够使光强损耗相对较少。
根据第一方面，本发明涉及一种光束偏转器，该光束偏转器包括电光材料板，其设置在平面平行(plano-parallel)的反射镜之间，通过在该板的延伸方向上施加电场图，可以空间方式改变所述电光材料的反射率。反射镜对中的面向入射光束方向的一个反射镜的反射率小于该反射镜对中的另一反射镜的反射率。结果，由光束偏转器反射的入射光束的强度大于由光束偏转器透射的入射光束的强度。
在此方面，本发明的特征在于，第一或/和第二反射镜包括多个介电材料层，这些层的折射率层与层之间均不同。
本发明是以下列概念为基础，即电光材料设置在高质量谐振器内，这样，部分入射光束当其出射之前在谐振器内进行循环的次数特别高。谐振器的这种高质量是通过使用分别具有高反射率和低残余透射率的反射镜来实现的。这是通过使用具有不同折射能力的介电材料多层反射镜来实现的。谐振器的高质量以及被反射的光束的高循环次数都增强了电光材料的作用，这样，一方面，采用该材料可实现的偏转角与仅一次或仅几次途经的材料相比增加。另一方面，与谐振器质量较低的系统相比，有可能在给定偏转角减少电光材料的厚度。结果，特别是当电光材料为液晶时，有可能减少所施加的电场并缩短切换时间。
并且，还可能在高质量谐振器中使用与已知液晶相比电光效应较低但是切换速度可快得多的电光材料。
优选地，光束偏转器被提供用于偏转具有光波长的光，优选光波长范围在0.5μm-3.0μm，更优选光波长范围在1.0μm-2.0μm，最优选光波长范围在1.3μm-1.7μm。
优选地，使用电光固体材料，优选是铌酸锂(LiNbO3)或/和砷化镓(GaAs)。
为了增加反射镜的反射率从而提高谐振器的质量，优选地，若干介电材料层的厚度实质上相当于满足方程式d＝λ/4的数值d，式中，λ是指层的介电材料中的入射光束的光波长。结果，在该厚度d的层的前界面和后界面处被反射的入射光束的部分光束以相长方式(constructive manner)相互干涉，而通过该层透射的部分光束以相消方式(destructive manner)相互干涉。
并且，为了提高谐振器质量，电光材料板的厚度实质上相当于满足两个公式D＝k/2*λ和D＝(2k-1)/4*λ之一的数值D，式中，λ是指电光材料中的入射光束的波长，k是大于0的自然数。从这两个方程式中选择第一方程式还是第二方程式取决于与电光材料相邻的层的折射率是否高于或低于电光材料本身，以及与电光材料板相邻的反射镜层叠的结构相对于该板是否对称或不对称。
如果反射镜层仅采用两种不同的并且交替相互层叠的介电材料制成，则可获得反射镜的简单配置。这两种反射镜材料的折射率应尽可能彼此不同。优选地，采用二氧化硅(SiO2)和氧化钛(TiO)作为该反射镜材料。优选材料也可采用砷化镓(GaAs)和砷化铝(AlAs)或者砷化铝镓(AlGaAs)。
为尽可能提高偏转光束的强度，面向离开入射光束方向的谐振器的反射镜实质上是完全反射性的。面向入射光束方向的反射镜也可同样设置成实质上是完全反射性的，以进一步提高谐振器质量。然而，该反射镜的残余透射率是面向离开入射光束方向的反射镜的残余透射率的五倍以上，具体来说是十倍以上。
优选地，光束偏转器包括第二电光材料板，该板从入射光束的方向看是设置在第二反射镜后面并且布置在另一谐振器内。该另一谐振器由第二反射镜和设置成与第二反射镜平面平行的第三反射镜构成。
优选地，该第二谐振器的质量比设置在第二谐振器上面(从入射光束方向看)的第一谐振器的质量高。优选地，这是在下列方面实现的，即第三反射镜的反射率比第二反射镜的反射率还要高。在此也优选地，第三反射镜的残余透射率是第二反射镜的残余透射率的五分之一，具体来说是十分之一。优选地，第二谐振器的高质量是采用上述针对第一谐振器提到的类似方式实现的，然而，中间设有第二电光材料板的反射镜层的数量较高。
如果，使用在反射镜平面中以空间方式构造的电极结构向电光材料施加电场，并且电场在板方向上改变，则该电光材料的折射率将在板方向上改变，这使得在入射光束和从谐振器出射的光束之间有一个局部变化相位位置。采用合适结构的电极以及施加给其的合适电压，光束偏转器因而可具有相位光栅效应，该相位光栅效应针对入射光束改变从光束偏转器出射的光束方向。通过改变所施加的电压起伏图(voltage pattern)，可在一定范围内自由改变从光束偏转器出射的光束方向。
为了在两个空间方向上改变偏转光束的方向，各电极结构均由多个平行并置的条形电极组成。两个电极结构的条形延伸方向是相互横向延伸，具体来说是相互正交延伸。在此，在这两个电极结构之间提供电光材料。
该配置对于制造光束偏转器的不利之处在于，必须制造空间构造的电极结构，并且该电极结构必须与电光材料板的两侧接触。
根据另一方面，本发明涉及一种用于把光束向两个空间方向偏转的光束偏转器，该光束偏转器包括电光材料板，其设置在一对电极结构和一对平面平行反射镜之间。根据该方面的本发明，其特征在于，两个电极结构中仅有一个电极结构在板方向上是空间构造的，而另一电极结构实质上覆盖住对入射光束有效的电光材料的整个区域。
在此，这种构造的电极结构最好包括两组条形电极，每组条形电极均相互平行并置，并且不同组的条形电极的延伸方向是按照一个角度彼此相对延伸，具体来说是彼此正交延伸。
为了能够使用两组电极在电光材料中产生彼此独立的电场，两组电极中的每一组均包括有源区，投影到反射镜表面上的这些有源区并置。电极组的有源区是指电极组中的电极实质上彼此不屏蔽从而可对电光材料起作用的那些区域。
在电极组被提供为条形电极的配置中，优选地，条形电极在纵向上交替包括宽有源区和窄有源区，并且不同组的条形电极以相交方式与其窄区域彼此重叠。至少在相交区域中，相交电极彼此电气绝缘。
根据另一方面，本发明涉及一种交换系统，用于把多个光输入与多个光输出选择性地进行耦合，其中，该交换系统设有多个端子，其包括用于作为光束的光信号出射和/或入射的端子端部，而且这些端子端部设置在彼此相隔一定距离的预定位置，并且，提供多个光束偏转器，使得单独光束偏转器被指配给每个端子端部，并且从被指配给光束偏转器的端子出射的光束被引导到该光束偏转器，而且该光束偏转器可被这样驱动，即被引导到该光束偏转器的光束中至少有一部分被引导到一可选方向，以便可在进一步偏转之后进入至少一个所选端子端部。
在此方面，本发明的特征在于，光束偏转器在反射状态工作，即，被引导到光束偏转器的光束实质上不由光束偏转器透射，相反，被引导到光束偏转器的光束中的大部分由光束偏转器返回或反射。
与在透射状态工作的常规光束偏转器相比(在常规光束偏转器中，所透射的有效光束的强度因原则上无法避免的反射损耗而降低)，根据本发明的系统其特征在于，实质上，入射光束的全部强度在所需偏转之后还可作为有效光束供光束偏转器利用。
有利的是，该交换系统包括至少一个反射镜，其布置成使从任何预定端子端部出射的光束可由指配给该端子端部的光束偏转器引导到该反射镜，这样，该反射镜把该光束引导到被指配给所选端子端部的另一光束偏转器。该配置可使光束以实质上最佳方向照射到它们将要进入的端子端部。结果，交换系统中的馈入损耗以及传输损耗都得到大幅减少。
如果该反射镜的有效反射镜表面设置在位于相邻端子端部之间的空间内或者位于分别进出该端子端部的光束之间的空间内，则可使通过反射镜进行的光束偏转实现极其简单的配置。
为了按照光束偏转器的给定最大偏转角以及将由该光束偏转器驱动的端子端部的给定距离来减少交换系统的总长度，优选地，在端子端部和光束偏转器之间设置望远镜，该望远镜包括至少一个物镜，所有进出端子端部的光束通过该物镜延伸。该望远镜可采用开普勒(Keplerian)望远镜、伽利略(Galilean)望远镜或任何其他类型望远镜。
并且，针对各光束偏转器提供单独的望远镜是有利的，以使从出射端出射的光束的直径，在经过可选的准直操作之后，尽可能最佳地调整到光束偏转器的有效直径。
为便于区别，所有光束延伸所途经的上述望远镜在以下简称共用望远镜，而被分别指配给光束偏转器的多个望远镜在以下简称专用望远镜。
本发明中另一个必不可少但不是不可避免的方面是，使光束偏转器的侧向尺寸比在制造工艺方面实际所需的侧向尺寸大。具体来说，就是在电光材料板的平面上的距离b不应选择成比下列公式所表示的距离小，其中光束偏转器可沿着该电光材料板的平面提供2π的反射光相移。b>λ*(52*1(n*Δn))]]>如果遵守该尺寸规定，则可在很大程度上避免在一个输出信道至另一输出信道之间发生串扰。
该方面尤其在以下交换系统中实施，在该交换系统中，相邻端子端部之间的距离小于相邻光束偏转器之间的距离。在制造工艺方面，例如，可进一步减少上述构造的电极结构的结构尺寸，以便把相邻光束偏转器之间的距离调整到相邻端子端部之间的距离。然而，为了减少不同输出信道之间的串扰，将相邻光束偏转器之间的距离选择成比在制造工艺中所需的距离大。然而，可不把相邻端子端部之间的距离调整到相邻光束偏转器之间的距离，而是缩短相邻端子端部之间的距离，以便减少光束偏转器的最大所需偏转角，并从而缩短交换系统的总长度。
以下将参照附图，对本发明的实施例进行更详细地说明。在附图中，图1是根据本发明的光束偏转器的实施例的示意性局部剖视图；图2是根据入射光束的波长在光束偏转器处反射的光束的相位曲线的图形表示；图3是示出为获得光束偏转而向图1的光束偏转器的电极结构施加的电压起伏图的示意性表示；图4是示出用于把光束向两个空间方向偏转的电极结构的图1的光束偏转器的示意性平面视图；
图5是用于向图1的光束偏转器的电极施加电压的电路的示意性表示；图6示出了根据本发明用于选择性地耦合光信号端子的交换系统的实施例；图7是图6的交换系统的说明性详细表示；图8是根据本发明的光束偏转器的另一实施例的示意性截面表示；图9示出了根据入射光束的波长的图8的光束偏转器的反射曲线的图形表示；图10示出了根据入射光束的波长的图8的光束偏转器处反射的光束的相位曲线的图形表示；图11示出了根据本发明的光束偏转器的电极结构的实施例；图12示出了根据本发明的交换系统的另一实施例；图13示出了根据本发明的交换系统的又一实施例；图14示出了根据图12和图13的交换系统内使用的光束偏转器的变体；以及图15示出了图7中所示的详细表示的变体。
具体实施例方式
以下将参照图1至图4，对根据本发明的光束偏转器1的第一实施例进行说明。
光束偏转器1的结构是光谐振器或校准器(etalon)的结构，在该结构中，电光材料板3被布置在两个平面平行反射镜5和7之间。如本文中提到的，电光材料是指任何具有明显的(即技术上可利用的)电光效应的材料，也就是说，通过向所述电光材料施加电场，可改变电光材料的折射率n。为此，具体来说，所施加的电场强度的所谓的线性电光效应正是本文所关注的。
为该实施例所选的电光材料为铌酸锂(LiNbO3)，假设铌酸锂的折射率是n＝2.3，通过把约400伏的合适电压施加给布置在彼此相隔100μm距离的电极，可把该折射率改变Δn＝5*10-4。
在两个反射镜5和7之间嵌入电光材料板3。在这两个反射镜5和7中，图1中面向入射光束9方向的上部反射镜5，其反射率比面向相对于板3远离光束方向的下部反射镜7小。
各反射镜5、7均为高度反射并具有低自吸收，因为具有不同折射率的多个介电材料层11、13相互交替层叠。在本实施例中，氧化钛(TiO)被用作具有高折射率的层11的材料，其中假设氧化钛的折射率nH＝2.20，并且二氧化硅(SiO2)被用作具有低折射率的层13的材料，其中假设二氧化硅的折射率nL＝1.48。
上部反射镜5的交替布置的层11、13的数量比组成下部反射镜7的层11、13的数量少，因而，下部反射镜7的反射率比上部反射镜5高。具体来说，这两个反射镜5、7的残余透射率彼此差别很大，因而使入射光束9中的仅仅一个最小强度部分15在透射中途经校准器1，并且反射光束17中的主要强度部分由校准器1反射。
在高质量的谐振器方面，介电材料层11、13的厚度分别为d1和d2，其相当于层的相应介电材料中的入射光束9的波长λ的四分之一。
同样在高质量的谐振器方面，电光材料板3的厚度D被调整到电光材料中的入射光束9的波长λ。优选地，厚度D满足两个公式即D＝k/2*λ和D＝(2k-1)/4*λ的其中一个，式中，λ是指电光材料中的入射光束的波长，k是大于0的自然数。在此方面，选择这两个公式中的一个公式，使得在由反射镜5和7形成的谐振器内重复循环的部分光束以相长方式相互干涉。
根据位置，可使用两个空间构造的电极结构将电场施加给电光材料3，以便根据位置改变电光材料3的折射率n。上部电极结构19设置在上部反射镜5上，并且包括多个平行且按一定距离间隔的条形电极21。第二电极结构23被安装到下部反射镜7下面，并且该第二电极结构23同样包括多个平行且按一定距离间隔的条形电极25(见图4)。在投影到平面平行反射镜5，7的平面上时，条形电极21和25的延伸方向为相互正交延伸，以使偏转光束17通过光束偏转器1向两个空间方向偏转。以下将对此进行说明。
首先，假设实质上均匀的电场通过电极结构19和23被施加给整个电光材料板3，以便更改电光材料的折射率。
如上所述，由于实质上整个强度的入射光束9被反射到出射光束17内，因而在根据波长λ检查校准器1的反射率时，该反射率仅与100％反射率R有略微偏差。
如果根据入射光束9的波长λ针对入射光束9检查反射光束17的相位位置，则上述情况是不同的。图2示出了这些相位曲线的图形表示，在该图中，由字母X代表的点表示当电光材料未被施加电场时的相位曲线，而且在该图中，由圆圈代表的点表示当通过施加相应选择的电场使电光材料3的折射率从n＝2.30增至n+Δn＝2.31时的相位曲线。(为便于更好理解，为Δn选择数值0.01。实际上，采用较低数值，这样，较低电压就足以产生所需的电场强度。)如果针对上部反射镜5使用四个二氧化硅和氧化钛双层，各层厚度为d1＝d2＝λ/4；如果下部反射镜7由16个二氧化硅和氧化钛双层组成，各层厚度为d1＝d2＝λ/4，并且如果电光材料板的厚度D＝14.5λ；则获得所示的相位曲线。
光束偏转器是针对预定波长(设计质量)λ0＝1.55μm而提供，这样，当不施加电场时，入射光束9与反射光束17之间的相位差为0。如果施加电场使得电光材料3的折射率在该波长λ0时的变化量为Δn＝0.01，则在入射波和反射波之间产生约1.4的相位差，这一点在图2中显而易见。如果施加较强电场，也会产生较大相位差Δ。总之，采用上述校准器1，有可能在设计质量λ0时，在从-π到+π的整个期间自由调整入射光束9与出射光束17之间的相位关系。
在图3中，已进入校准器1内的入射光束9的波前由与反射镜5、7平行延伸的线27表示，并且波前27的传播方向由箭头29表示。
电压起伏图通过条形电极23被施加给电极结构23，该电压起伏图在与条形电极25的延伸方向成横向的x方向上具有依位置而定的锯齿形。响应所施加的电压，在电光介质3内产生与位置相关的折射率变化，因而该变化也同样在x方向上具有锯齿形。在此，在被施加给电极25的最低电压0与被施加给电极的最高电压Umax之间的差是这样被选择的，即电光材料的折射率n的相应变化使反射光束17产生几乎2π的相移。因此，最初在反射镜方向上定向的波前27在谐振器内以倾斜方式自行调整，如图3中的线31所示，并且从一条线31到下一条线之间出现2π的相位越变。由于波前31的倾斜，使得谐振器3内的波的传播方向不再与反射镜表面5和7正交延伸，而是同样与反射镜表面5和7倾斜延伸，如图3中的箭头33所示。因此，从光束偏转器1出射的光束17的方向在相对于入射光束9方向的x方向上偏转。
从以上说明中显而易见，校准器1构成入射光束9的相位光栅，当所施加的电压具有与位置相关的锯齿形状时，该校准器1构成一个“定向”相位光栅(”blazed”phase grating)，它能使光按照指定好的方式被偏转到预定空间方向上。
如果现在根据位置把电压也施加给电极结构19的条形电极21，则也可将光束偏转到y方向上。
图3还示出了距离b，光束偏转器1沿着该距离b提供2π的相移。在图3所反映的驱动模式中，该长度b相当于6个条形电极25的宽度。如果电极结构23是这样被驱动的，即电压0和Umax被交替施加给各自相邻的条形电极上，则使用该光束偏转器1可获得的最短长度b相当于两个条形电极25之间距离的两倍。现在可以设想，通过缩短相邻条形电极25之间的距离，也可缩短最小距离b，并从而提供具有更高光栅周期以及更高最大偏转角的相位光栅，这些在上述关于制造工艺方面的实施例中是可以做到的。然而，如果由驱动模式实现的最小值b大于下式的值，则可高质量地获得对入射光束9的引导和对准目标的偏转。λ*(52*1(n*Δn))]]>
为了对电极结构19和23的工作有更深刻的了解，可参阅第4,639,091号美国专利，该专利的全部发表内容包含在本文中，以供参考。
可制造图1中所示的光束偏转器，例如，在制造过程中，采用合适方式将板3从铌酸锂单晶体上切割下来，然后，首先采用气相淀积法将反射镜5和7层叠在板的各自侧，最后将电极结构19和23分别安装在反射镜5和7上。
图5是适合把电压起伏图施加给两个电极结构的电子电路的示意性表示，以便把x方向上以及y方向的入射光束9偏转到32个不同空间方向上，每个电极结构均包括32个条形电极。电路包括低压部分35，其采用例如CMOS技术布置；以及高压部分37。数据字通过输入SI被串行读入到移位寄存器41内，并且并行地从移位寄存器41被传送到地址寄存器42，此外，为该目的还提供有时钟输入CL和装载命令输入LD。各数据字用于对期望的偏转方向进行编码。并且，电路包括两个存储器，其被表示为MEMX和MEMY。该两个存储器中存储有被施加给条形电极25和21的电压的电压起伏图，以便将光束偏转到期望的空间方向。被读入到移位寄存器41内的字的编码是这样被选择的，即可通过地址寄存器42直接使用该字编码，以便在存储器MEMX和MEMY中分别寻址相应的电压起伏图。然后，被寻址的电压起伏图从存储器MEMX和MEMY被提供给64个数/模电流转换器，该数/模电流转换器把指配给各电极21、25的电流提供给与高压部分37相连的线路41，在线路41，所提供的电流通过晶体管T和电阻器R被分别转换成在0-400V之间的相应高电压，然后这些高电压被提供给各自条形电极21、25的端子43。
并且，在图5中，参考符号BS表示晶体管的偏压，并且参考符号HV表示用于施加高压的端子。
例如，可在用于把多个光信号的输入和输出选择性地进行耦合的交换系统中，可使用上述光束偏转器，这些光信号是例如通过光导体输入和输出的。第5,963,682号美国专利揭示了用于选择性地耦合光纤的交换系统使用常规光束偏转器的示例，该专利的全部发表内容包含在本文中，以供参考。
图6和图7示意性示出了根据本发明的交换系统51的实施例的局部视图。多个光纤53-1、53-2、53-3、53-4构成了交换系统51的光信号端子，在该交换系统51中，光纤53的端子端部55被布置成二维场，并且在x方向和y方向的光栅距离e相同。为此，提供有用于光纤端的支架(图中未示出)，该支架还支撑多个准直透镜57，这样使透镜57位于各光纤端55的前面，以使从光纤端55出射的光被准直成平行光束9，并且分别将照射到透镜57上的平行光束17馈入相应光纤53内。p将单独的光束偏转器1-1、1-2、1-3、1-4指配给各端子53-1、53-2、53-3、53-4，以使光束偏转器1的场设置在与光纤端55隔开一定间隔的地方，这样就使从光纤端55出射的光束9直接照射在被指配给光纤端55的光束偏转器1上。
在光纤端55和准直透镜57的场与光束偏转器1的场(该光束偏转器与光束方向垂直)之间设有板59，该板包括多个孔61，这些孔同样彼此之间隔开一定距离e，用于使光束9、17通过。面向光束偏转器1的场方向的板69的表面63是镜面反射。
图6示出了交换系统51的开关状况，在该交换系统中，图中作为输入的上部光端子53-1与图中作为输出的下部光端子53-4进行耦合。为此，图6的上部光束偏转器1-1的电极结构是被这样驱动的，即从光输入53-1出射的光束9被作为光束17’通过这样一个角度反射，即反射光束17’照射到板59的反射镜表面63上，这样，该反射光束17’又作为光束9’被反射镜表面63反射，并照射到图6中被指配给光输出53-4的下部光束偏转器1-4上。下部光束偏转器1-4在此是被这样驱动的，即入射到其上的光束9’被反射到光束17内，该光束17被馈入光输出53-4内。这样，作为光输入的光纤53-1与作为光输出的光纤53-4进行耦合或相连。
然而，还可将作为光输入的光纤53-1与作为光输出的光纤53-2进行耦合，其中，光束偏转器1-1是被这样驱动的，即由该光束偏转器反射的光束17’被引导到反射镜表面63，这样，由反射镜表面63反射的光束9’照射到光束偏转器1-2上，然后，该光束偏转器1-2又被这样驱动，即照射到其上的光束9’被馈入作为光输出的光纤53-2内。
因而可采用自由可选方式把交换系统51的多个端子53进行耦合，其中，被指配给待耦合端子的光束偏转器1被适当地驱动。
在图6和图7中所示的实施例中，在工作中，每隔一个端子53被提供作为输入，并且每隔另一个光端子53被提供作为输出，如图7所示，在该图中，用作光输入的端子53的位置被表示为黑色圆圈，而用作光输出的端子53的位置被表示为白色圆圈。
然而，还可能根据需要，将每个端子用作输入或输出。并且，还可能提供不同或经过修改的相邻端子端部间距。图15示意性示出了一个说明性示例。
以下将对图1至图7中所示的本发明实施例的变体进行说明。在结构和功能方面都与图1至图7中的部件相同的部件都用相同参考编号表示，但是，以便于鉴别，补充了附加字母。为便于说明，请参见整个上述说明。
图8示意性示出了被提供作为双谐振器或双校准器结构的光束偏转器1a。与图1中所示的校准器类似，光束偏转器1a包括反射率高的上部反射镜5a，上部反射镜5a包括多个面向入射光束9a方向的介电材料层。在反射镜5a下面设有采用电光材料制成的板3a，其被另一反射镜7a界定在底部，该反射镜7a同样也包括多个介电材料层。
在反射镜7a下面设有第二电光材料板71，并且该第二板71下面设有另一反射镜73，该反射镜73同样也包括多个具有不同折射率的介电材料层。
下部反射镜73的介电材料层数量比中心反射镜7a的相应层数量多，而中心反射镜7a的层数量又比上部反射镜5a的介电层数量多。因此，电光材料的上部板3a被封闭在由两个反射镜5a和7a形成的谐振器内，该谐振器的质量比由反射镜7a和73形成的光谐振器的质量低。在由反射镜7a和73形成的光谐振器内封闭有电光材料的下部板71。
由反射镜5a、7a和73以及电光材料板3a和71组成的整个结构被封闭在电极结构19a和23a之间。正如在校准器结构1a内一样，也设有两个谐振器的后反射镜，该后反射镜的反射率显著高于各自前反射镜的反射率，而且在此，入射光束9a的强度的主要部分被作为光束17a反射。图9示出了图8中所示的结构的反射率对波长λ的依赖性。标有十字的曲线反映了这样一种结构的曲线，即在该结构中，反射镜5a包括8个层，反射镜7a包括12个层，以及反射镜73包括22个层。标有圆圈的曲线反映了这样一种结构的曲线，即在该结构中，反射镜5a包括6个层，反射镜7a包括8个层，以及反射镜73包括22个层。标有字母x的曲线反映了这样一种结构的曲线，即在该结构中，反射镜5a包括4个层，反射镜7a包括6个层，以及反射镜73包括22个层。
已发现，在所有反射镜实施例中，反射率都极高。
因此，对于这样一种结构，也可采用与设计质量λ0不同的波长实现2π以上的相移。这一点对于把光束向两个空间方向偏转尤其重要。
图10是与图2的表示相对应的表示，示出了图8的校准器结构的入射光束与出射光束之间的相位差，反射镜5a、7a和73分别包括6个、8个和22个层，板3a和71的厚度分别为14.5λ和10.5λ。
在图1和图8中的校准器之间的主要区别在于，在图8的光束偏转器1a中，两个谐振器均可对总相位差贡献2π的最大相位差，这样，采用该双谐振器配置，可非常容易地获得4π的相位差。
例如，可制造图8中所示的结构1a，其中，首先将电极结构23a淀积在衬底(图中未示出)上，接下来，将反射镜73的层气相淀积在其上。在对反射镜73进行精加工之后，可采用MOCVD(金属有机化学气相淀积法)将诸如铌酸锂等的电光材料板71生长在反射镜73上。随后，气相淀积反射镜7a，接下来，采用MOCVD法生长铌酸锂板3a。然后，气相淀积反射镜5a，最后，涂敷上部电极结构19a。
采用MOCVD法，可针对所需材料结构以足够精度淀积许多电光材料，以获得本发明所需的光效应。有关MOCVD技术的进一步详情，请参阅Ren Xu的文章，题目是“原始化合物在氧化物的MOCVD中的挑战”(The Challenge ofPrecursor Compounds in the MOCVD of Oxides”)，源自网址http//www.tms.org/pubs/journals/JOM/9710/Xu，发表于2001年1月16日，该篇文章的发表内容包含在本文中，以供参考。
双谐振器1a是针对1.55μm的设计质量λ0而配置，其相位曲线如图10所示。在该设计质量时的工作点设置在图10所示的相位越变区内。
图11示出了本发明的光束偏转器的上部电极结构19a的变体。在此，电极结构19a不仅包括仅在一个方向上平行延伸的条形电极，而是包括两组条形电极，其中一组条形电极在图11中的水平方向上与条形电极21a一起延伸，而另一组条形电极在图11的垂直方向上与条形电极25a一起延伸。
如果例如将图11中所示的该类型电极结构19a设置在例如图1的光束偏转器的顶部，则只要相应地将电极结构23设置在光束偏转器的底部作为连续不间断的接地电极就足够了。然而，反射光束可向两个空间方向偏转。电极结构19a的这种配置的有利方面在于两个电极结构中仅有一个电极结构必须以结构化方式提供。
为了避免被提供作为相交条形电极的电极发生重叠，条形电极21a、25a在长度方向上交替包括宽表面区81和窄表面区83，而且相交条形电极仅在窄表面区83内相互重叠。宽表面区81实质上是表面覆盖和非重叠的，这样，施加给其的电势可对介电-光材料起作用。条形电极21a和25a的相交区83相互之间分别电气绝缘。这可予以实现，即使用薄膜技术涂敷带有条形电极25a的第一部分电极组，并在其上涂敷绝缘层，而且将带有条形电极21a的另一部分电极组淀积在绝缘层上。
然而，还可设想把远离电光材料设置的部分电极组的条形电极21a设置成宽度近似均匀的条形电极，因为这些电极对位于这些条形电极21a与其下面的条形电极25a重叠的区域内的电光材料所产生的作用被位于条形电极21a下面的条形电极25a屏蔽，这样，连续宽的外部条形电极的有效区的配置表现为近似于图11中所示的宽区81的配置。
图12中所示的用于选择性地耦合光输入53b的交换系统51b，其结构类似于图6中所示的结构。与该结构相比，在光束偏转器1b的场与包括镜面反射侧63b的板59b之间设有共用望远镜87，该共用望远镜87以发散透镜89和会聚透镜91的形式被示意性示出。所有在端子53b与光束偏转器1b之间延伸的光束都途经会聚透镜91和发散透镜89。望远镜87实质上用于缩短交换系统51b的总长度，该总长度与必须根据图6按照光束偏转器的预定最大偏转角为交换系统所选的总长度相比较短。
并且，交换系统51b包括多个专用望远镜93，这样，专用望远镜93设置在各光束偏转器1b的前面，用于把由位于光纤端53b的出射端前面的透镜55b准直的光束9b调整到实质上把光束偏转器1b的有效区全部照亮的直径。
从图12中也显而易见，相邻光纤端53b之间的距离小于相邻光束偏转器1b之间的距离。尽管在制造工艺方面可进一步缩短相邻光束偏转器1b之间的距离，然而各光束偏转器1b被配置成使得沿着电光材料产生2π相移的上述距离下限被保持。
图12中所示的交换系统51b可这样被修改，即大型望远镜87或/和专用望远镜93可被省略，这样，这些部件本身是可选的。
图13中所示的交换系统51c还用于通过多个光束偏转器1c把多个光输入和光输出53c选择性地进行耦合，每个光束偏转器均单独被指配给一个光端子53c。准直透镜57c分别对从光纤端55c出射并照射到光束偏转器1c上的光束进行准直。与图6的实施例类似，由光束偏转器1c反射的入射光束9c被反射到光束17’c内，该光束17’c又作为光束9’c从反射镜63c被反射到被指配给期望出射端子的光束偏转器1c。然而，与图6所示不同，用于把光束17’c反射回到光束9’c内的反射镜63c未设置在有孔板上。而是，反射镜63c设置在位于准直透镜57c与光束偏转器1c之间的光束路径的外部。为此目的，设有半透明馈出反射镜97。光束9c和17c途经位于准直透镜57c与光束偏转器1c之间的该馈出反射镜97。结果，馈出反射镜97对这些光束产生偏振效应，并且在通过反射镜97透射的光束9c和17c中，只有偏振部分在当λ-四分之一-板99进行偏振旋转之后，由反射镜97反射到位于光束路径外部的反射镜63。
由于通过偏振反射镜97被反射到反射镜63c的光束的馈出将产生一半强度的损耗(由于偏振效应)，因而在准直透镜57c与反射镜97之间设有另一偏振光束分配器101，以便馈出在反射镜97处损耗的偏振部分，并把该偏振部分引导到光束偏转器1’c的另一场。这些光束偏转器是这样被驱动的，即它们使相同的光输入和光输出53c相互耦合，而且这些相同的光输入和光输出53c也通过光束偏转器1c相互耦合。为此，光束偏转器1’c把入射到其上的光束反射到与反射镜63c相对应的反射镜63’c。同样，在反射镜63’c和与反射镜97相对应的光束偏转器1’c之间设置倾斜的、半透明的偏振反射镜97’，正如在光束偏转器1c’的前面设置λ-四分之一-板99’一样。
总之，交换系统51c’被配置成使得用于两个偏振方向的光波长的长度实质上相同，这样，也可实质上在正确时间将通过反射镜101被分隔为其两个偏振方向的短光脉冲在分别在光束偏转器1c和1’c处进行偏转之后，在反射镜101处重新组合。
在上述实施例中，铌酸锂已被用作电光材料。然而，还可使用砷化镓(GaAs)作为电光材料，假设其折射率n＝3.5。然后建议谐振器反射镜的介电层材料也可包括砷化铝(AlAs)和砷化镓(GaAs)(nH＝3.5)，其中，假设砷化铝的折射率nL＝3.0。砷化镓也具有电光效应，也就是说，响应所施加的电场改变折射率。在此方面，可利用砷化镓中所谓的“量子阱”结构来利用电光效应中的增强效应。该技术在第4,525,587号美国专利中予以说明，其全文发表内容被包含在本文中，以供参考。
使用半导体作为电光材料板的材料在下列方面也是尤其有利的，即在该半导体材料中，可利用诸如“量子限定斯塔克效应”(Quantum Confined StarkEffect)以及“福朗茨-凯尔迪施效应”(Franz-Keldisch Effect)等的物理效应来增加电光效应。
在上述实施例中，电极结构围绕电光材料板以及由介电材料层制成的反射镜结合。然而，还可设想把电极结构布置在电光材料板与分层反射镜之间。这一方面可获得较小的电极距离以便增加电场强度，另一方面可避免在反射镜层中产生漏泄电流。为了减少电极结构中的吸收损耗，可将电极结构布置在谐振器内，使得这些电极结构与谐振器反射镜隔开一定距离，以便使其定位在光场的振荡结点(oscillation knots)内。
在上述参照图12和图13描述的实施例中，光束偏转器的结构是参照图1图11予以说明的。然而，还可为图12和图13中所示的光交换系统提供光束偏转器，各光束偏转器均包括反射镜，该反射镜可相对于反射镜支架以机械方式在枢轴上旋转。该光束偏转器可采用小型化形式制成，有关说明，请参见例如James A.Walter所撰写的文章，题目是“MEMS在电信网中的未来”(Thefuture of MEMS in telecommunications networks)，Journal Michromech.Microeng.10(200)R1-R7/PIIS0960-1317(00)06735-8。图14示意性示出了被作为所谓的MEM反射镜提供的光束偏转器1c。圆形反射镜表面103是从板材料101中冲压得到，并且相对于反射镜表面以沿直径方向分别设置铰链对105和106，用于相对于剩余的板材料101以活节连接方式(cardanically)支撑反射镜表面103。在反射镜表面103下面设有驱动电极109的四个扇区，其位于电极支架111上，并且与反射镜的后侧隔开一小段距离，该电极支架与支撑反射镜表面103的板材料以固定方式相连。通过把合适大小的电压施加给扇区电极109，可在反射镜103与电极之间产生静电场，该静电场把机械移动力传递到反射镜表面103上，这样就使反射镜表面103分别围绕铰链腹板105和106旋转，以使反射镜表面103相对于其支架倾斜，并且以便为入射光束设定期望的偏转角。
权利要求
1.一种用于偏转预定波长(λ)的入射光束(9，9’)的光束偏转器，该光束偏转器包括第一电光材料板(3)，其设置在一对电极结构(19，23)和一对平面平行反射镜(5，7)之间，通过向电极结构(19，23)施加电压可改变该电光材料的折射率(n)，其中，面向入射光束(9，9’)方向的该对反射镜中的第一反射镜(5)的反射率比该对反射镜中第二反射镜(7)的反射率低，其特征在于，第一或/和第二反射镜包括多个介电材料层(11，13)，其中，相邻层(11，13)的介电材料的折射率(nH，nL)彼此不同。
2.如权利要求1所述的光束偏转器，其中，若干层(11，13)的层厚度(d1，d2)均实质上相当于满足公式d＝λ/4的数值(d)，式中，λ是指层的介电材料中的入射光束的波长。
3.如权利要求2所述的光束偏转器，其中，第一电光材料板(3)的厚度实质上相当于满足两个公式D＝k/2*λ和D＝(2k-1)/4*λ其中之一的数值D，式中，λ是指电光材料中的入射光束的波长，k是大于0的自然数。
4.如权利要求1至权利要求3的其中之一所述的光束偏转器，其中，交替相互层叠的反射镜表面(11，13)采用两种不同介电材料。
5.如权利要求1至权利要求4的其中之一所述的光束偏转器，其中，第二反射镜(7)实质上是完全反射的，并且该第二反射镜(7)的残余透射率最多是第一反射镜(5)的残余透射率的十分之一。
6.如权利要求1至权利要求5的其中之一所述的光束偏转器，其中，第二反射镜(7)包括至少6个层，具体来说，至少8个层。
7.如权利要求1至权利要求5的其中之一所述的光束偏转器，其中，第二反射镜(7)包括至少20个层。
8.如权利要求1至权利要求6的其中之一所述的光束偏转器，其中，设有第二电光材料板(71)，该板设置在第二反射镜(7a)与第三反射镜(73)之间，该第三反射镜(73)相对于第二反射镜(7a)成平面平行。
9.如权利要求8所述的光束偏转器，其中，第三反射镜(73)的反射率比第二反射镜(7a)的反射率高。
10.如权利要求8或权利要求9所述的光束偏转器，其中，第三反射镜(73)包括多个介电材料层，并且相邻层的介电材料的折射率彼此不同。
11.如权利要求10所述的光束偏转器，其中，第三反射镜包括至少20个层。
12.如权利要求8至权利要求11的其中之一所述的光束偏转器，其中，第二电光材料板(73)的厚度实质上相当于满足两个公式D＝k/2*λ和D＝(2k-1)/4 *λ其中之一的数值D，式中，λ是指第二板的电光材料中的入射光束的波长，k是大于0的自然数。
13.如权利要求8至权利要求12的其中之一所述的光束偏转器，其中，第一和第二电光材料板(3a，71)共同设置在电极结构对(19a，23a)之间。
14.如权利要求1至权利要求13的其中之一所述的光束偏转器，其中，光束偏转器是为用于偏转波长(λ)范围在0.5μm-3.0μm之间，优选在1.0μm-2.0μm之间，尤其优选地在1.3μm-1.7μm之间的光而提供的。
15.如权利要求1至权利要求14的其中之一所述的光束偏转器，其中，电光材料是电光固体材料，具体来说，是铌酸锂(LiNbO3)或/和砷化镓(GaAs)或/和包括液晶。
16.如权利要求1至权利要求15的其中之一所述的光束偏转器，其中，介电材料包括二氧化硅(SiO2)或/和氧化钛(TiO)或/和砷化镓(GaAs)或/和砷化铝(AlAs)或/和砷化铝镓(AlGaAs)。
17.如权利要求1至权利要求16的其中之一所述的光束偏转器，其中，电极结构(19，21)均包括多个平行并置条形电极(21，25)，其中，两个条形电极结构(19，21)中的条形电极(21，25)的延伸方向是相互横向延伸，具体来说是相互正交延伸。
18.如权利要求1至权利要求17的其中之一所述的用于偏转入射光束的光束偏转器，该光束偏转器包括第一电光材料板(3a)，其设置在一对电极结构(19a，23a)和一对平面平行反射镜(5a，7a)之间，通过向电极结构(19a，23a)施加电压可改变所述电光材料的折射率，其特征在于，两个电极结构中的第一电极结构(19a)包括两组条形电极(21a，25a)，各组条形电极中的条形电极(21a，25a)相互平行并置，并且不同组条形电极中的条形电极(21a，25a)的延伸方向是相互横向延伸，具体来说是相互正交延伸。
19.如权利要求18所述的光束偏转器，其中，各条形电极(21a，25a)从反射镜表面中看，在延伸方向上沿其长度均交替地包括多个宽区(81)和窄区(83)，这样就使不同条形电极组中的条形电极(21a，25a)以相交方式与窄区重叠。
20.如权利要求19所述的光束偏转器，其中，不同条形电极组中的条形电极(21a，25a)的宽区(81)设置成实质上不重叠。
21.如权利要求18至权利要求20的其中之一所述的光束偏转器，其中，电极结构对中的第二电极结构(23a)是接地电极，其设置在条形电极(21a，25a)的对面。
22.一种交换系统，包括多个光信号端子(53)，包括作为光束(9，17)的光信号出射或/和入射的端子端部(55)，其中，这些端子端部(53)相互隔开一定距离设置在预定位置；以及多个光束偏转器(1)，其中，光束偏转器(1)和端子端部(55)被相互成对指配，并且各光束偏转器(1)是被这样设置的，即从被指配给光束偏转器的端子端部(55)出射的光束(9)被引导到光束偏转器，各光束偏转器均可这样被控制，即把引导到其上的光束(9)中的至少一部分(17)偏转到可选方向，以使该光束进入至少一个所选端子端部(55)；并且其中，该交换系统还包括至少一个反射镜(63)，其中，每对(I1，I4)光束偏转器(1)均可被这样控制，即从该对中的第一光束偏转器(I1)出射的光束(17)当已在第一光束偏转器(I1)、反射镜(63)以及该对的第二光束偏转器(I4)处被反射之后，进入被指配给第二光束偏转器(I4)的端子端部(534)；并且其中，反射镜包括多个反射镜表面(63)，其以固定方式设置在位于从不同端子端部(55)出射的两个光束(9，17)的光束截面之间的空间内。
23.如权利要求22所述的交换系统，其中，反射镜(63)具有连续反射镜表面，用于提供多个反射镜表面，该连续反射镜表面具有多个孔(61)，用于使光束能够从中通过。
24.如权利要求22至权利要求23的其中之一所述的交换系统，其中，相邻端子端部之间的距离小于相邻光束偏转器之间的距离。
25.如权利要求22至权利要求24的其中之一所述的交换系统，其中，在端子端部(55b)与光束偏转器(1b)之间设有共用望远镜(87)，该共用望远镜(87)包括至少一个透镜(89，91)，从所有端子端部(55b)出射的光束(96)通过该透镜(89，91)。
26.如权利要求22至权利要求25的其中之一所述的交换系统，其中，单独专用望远镜(93)被指配给每个光束偏转器(1b)，所述专用望远镜设置在位于光束偏转器(1b)与被指配给光束偏转器的端子端部(53b)之间。
27.如权利要求22至权利要求26的其中之一所述的交换系统，其中，光束偏转器包括如权利要求1至权利要求21的其中之一所述的光束偏转器。
28.如权利要求27所述的交换系统，其中，在电光材料板的平面内，光束偏转器可提供2π的反射光束的相移所途经的最短距离实质上相当于满足公式b＞(5/2*1/(n*Δn)*(1/2)*λ)的数值b，式中，n是指电光材料的折射率，Δn是指为实现2π相移所需的电光材料的折射率变化，λ是指电光材料中的入射光束的波长。
29.如权利要求22至权利要求26的其中之一所述的交换系统，其中，光束偏转器包括反射镜，该反射镜可相对于反射镜支架以机械方式在枢轴上旋转。
30.一种利用如权利要求22至权利要求29的其中之一所述的交换系统把成对光信号端子选择性地进行耦合的方法，其中，被指配给待耦合的端子对的两个光束偏转器是被这样驱动的，即从该对端子中的一个端子的端子端部出射的光束进入另一端子的端子端部。
全文摘要
本发明提供了一种用于光束9的光束偏转器1,包括:第一电光材料板,其设置在一对电极结构和一对平面平行反射镜之间,通过向电极结构施加电压可改变该电光材料的折射率,其中,面向入射光束方向的一对反射镜中的第一反射镜的反射率比该对反射镜中第二反射镜的反射率低,第一或第二反射镜包括多个介电材料层,这些介电材料层的折射率彼此不同。并且,本发明提供了一种交换系统,包括:被相互成对指配的多个光信号端子和光束偏转器(1),各光束偏转器均可这样被控制,即它把引导到其上的光束(9)偏转到可选方向,以使该光束进入至少一个所选端子端部(55)。
文档编号G02F1/29GK1373378SQ02102449
公开日2002年10月9日 申请日期2002年1月22日 优先权日2001年1月22日
发明者凯·魏德利希 申请人:卡尔·蔡斯基金会