CN106170732B - 偏振无关式电光感应波导 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电光感应波导，包括：波导叠层(100、101、102)，所述波导叠层具有芯部层(100)，该芯部层包括用于引导光波的电光材料；以及场生成器，所述场生成器用于在芯部层(100)中生成电场(EF)，其中，场生成器包括电极装置(20‑28)和电压供给装置(30)，所述电极装置具有多个电极(201‑217)，并且电压供给装置用于向电极装置(20‑28)供给至少两个电势(U0、U1、U2)；其中，场生成器被构造为通过生成的电场(EF)在芯部层(100)的第一剖面区域(CR1)中感应电光效应，从而在第一剖面区域(CR1)中使得横向电偏振光波能够传播；其中，场生成器被构造为通过生成的电场(EF)在芯部层(100)的第二剖面区域(CR2)中感应电光效应，从而在第二剖面区域(CR2)中使得横向磁偏振光波能够传播；以及其中第一剖面区域(CR1)和第二剖面区域(CR2)在剖视图中是重叠的。

Description

偏振无关式电光感应波导
技术领域
本发明涉及电光感应波导。
背景技术
用于诸如光学远程通信或远程光学感测等应用的现代光纤网络在它们的架构中包括多种不同的装置，这些装置提供诸如被传输的光学信号的路由、调制、***或强度衰减等的功能。也已知为场感应波导或电压感应波导的所谓的电光感应波导(简称为EOIW)可以用作此种装置的设计中的关键元件。
在存在外部电场的情况下，光学特性(即材料的折射率n(E))的改变描述了电光效应，该电光效应通过如下的关系式给出：
E的线性项被称为普克耳斯效应(Pockels effect)，其中r是普克耳斯常数，而E的二次项描述了电光克尔效应(Kerr effect)，其中s是电光克尔常数。普克耳斯效应在非中心对称透明介质中发生并且是较大的，然而电光克尔效应在某些液体和铁电陶瓷中是较大的。这些材料这里分别被称为普克耳斯材料和电光克尔材料。
电光感应波导可以由芯部层组成，该芯部层由大电光常数的材料制成，并且被放置在折射率等于芯部或者小于芯部的两个覆层之间，也被放置在电极装置的附近。电光感应波导的原理例如在文献[1]中描述。施加在电极装置的电极之间的并且穿过波导叠层的电场导致芯部材料的折射率的局部改变，并且结果感应出光学波导。借助于操作电场强度可以分别打开和关闭波导。科学出版物[2，3]，专利和专利申请[4-8]提议了用于电光感应波导的电极构造的两种主要设计：一种是“平面内”构造[4]、[6-8]，在图1a中给出了一个示例，另一种是“平面外”构造[5、8]，在图1b中给出了一个示例。
电光感应波导可以被用于在光纤网络中的不同光纤之间传输的光信号的切换、调制、功率分配和可变的光学衰减。此外，本领域的技术人员已知的采用小型化的光学具座(optical benches)的光子应用也从基于此波导的该装置中受益，其中，在该光学具座中，需要光的自由空间传播，从而例如减少光束发散等。
需要解决的问题是利用至少一个电光感应波导降低具有至少一个电光装置的网络的复杂度和成本。
发明内容
在本发明的一个方面中，通过如下的电光感应波导来解决所述问题，该电光感应波导包括：
波导叠层，所述波导叠层具有芯部层，该芯部层包括用于引导光波的电光材料；以及
场生成器，所述场生成器用于在芯部层中生成电场，其中，场生成器包括电极装置和电压供给装置，所述电极装置具有多个电极，并且电压供给装置用于向电极装置供给至少两个电势；
其中，场生成器被构造为通过生成的电场在芯部层的第一剖面区域中感应电光效应，从而在第一剖面区域中使得横向电偏振光波能够传播；
其中，场生成器被构造为通过生成的电场在芯部层的第二剖面区域中感应电光效应，从而在第二剖面区域中使得横向磁偏振光波能够传播；以及
其中，场生成器被构造为使得用于横向电偏振光波的耦合效率和用于横向磁偏振光波的耦合效率是相同的；以及
其中第一剖面区域和第二剖面区域在剖视图或剖面中是重叠的。
光波的一般偏振状态可以被描述为两个线性偏振光波的叠置，并且彼此垂直地偏振。这两个线性偏振光波一般地被称为横向电偏振光波(TE波)，也已知为s-偏振波，以及横向磁偏振光波(TM波)，也已知为p-偏振光波。
用于横向电偏振光波的耦合效率和用于横向磁偏振光波的耦合效率是相同的规定意味着耦合效率是相等的或者近似相等的。
本发明提供一种电光感应光波，其中横向电偏振光波和横向磁偏振光波能够利用相同的耦合效率被同时引导，从而根据本发明的电光感应波导能够引导任何偏振状态的光。因此，本发明提供偏振无关式电光感应波导。
通过提供偏振无关式电光感应波导，具有至少一个电光感应波导的电光装置的复杂度和成本可以被降低。
在根据本发明的电光感应波导中，光波的TE模式和TM模式可以同时存在，可以具有类似的强度分度，并且可以空间上重叠，从而传输通过光纤的两种模式的光波可以被同样地耦合到波导中。光纤和电光感应波导之间的模式耦合系数和电光感应波导中的传播损耗可以被平衡或一起匹配，从而用于两种模式的整体***损耗结果是相等的。
与根据现有技术的电光感应波导相比，如上所述现有技术的电光感应波导具有基于入射光波的偏振的光学特性。尤其是，如上所述，施加在芯部层上的电场在电光材料中感应额外的双折射。这导致光波沿着波导的传播行为是基于其偏振状态的，即，根据现有技术，TE和TM偏振光波的在波导中的传输特性是不同的。
本发明提供了对偏振不敏感的电光感应波导，其中，采用特定的电极装置。此种电极装置在下文中将详细说明。根据本发明的偏振无关式电光感应波导包括被放置在波导叠层的一侧或两侧的两个或以上电极，从而波导叠层上的施加的电场分布允许同时具有等同或可变的强度模式分布的TE模式和TM模式的共存。
根据本发明的电光感应波导可以以直接和节省成本的方式使用晶圆级平面技术方法来制造，这允许与其他装置的进一步整合，以及可测量性，该可测量性在很多光学机械部件的制造中是有利的。由于缺少移动部件，操作稳定性和可靠性可以被保证，这相对于基于微机电***(MEMS)的技术是有利的。
制造方法可以基于硅或玻璃晶圆级技术。
根据本发明的另一方面，一种用于制造偏振无关式电光感应波导的方法包括：
1.构建硅或玻璃晶圆；诸如用于光纤的定位的V型槽、锥体、显微镜头和填充有液体和液晶的腔体等；这些可以经由蚀刻方法制造；
2.金属电极沉积和电极构建，这可以经由光刻法制造，该方法还可以包括与绝缘层的沉积交替地重复电极沉积和构建；
3.例如如果覆层由玻璃、聚合物等制成，则覆层沉积，或者如果覆层由液体或液晶制成，则填充适当地构建的腔体；
4.芯部沉积或者利用液体或液晶填充适当地构建的腔体，该液体或液晶经由加热进入到其各向同性相；
5.晶圆结合和分割；
6.经由导线结合、额外的触点层、晶圆背面中的通孔结合或它们的组合而形成的电接触；
7.光纤耦合。
根据本发明的优选实施例，电极的至少一个电极，优选的所有的电极，是透明电极，其中透明电极的至少一个电极，优选的所有的透明电极，被设置为直接靠近芯部层，和/或透明电极的至少一个电极，优选的所有的透明电极，被设置在芯部层中。对于多个电极构造，在本申请的光波范围内是光学透明的电极可以被使用并且被定位成与芯部层直接接触，或者位于芯部层中，从而获得具有低衰减损耗的波导。
根据本发明的优选实施例，场生成器被构造为使得在剖视图中，芯部层的第一剖面面积中的电场被取向为横向于波导叠层，芯部层的定位在平行于波导叠层的第一方向上的第二剖面面积中的电场被取向为沿着波导叠层，并且芯部层的定位在与第一方向相反的且平行于波导叠层的第二方向上的第三剖面面积中的电场被取向为沿着波导叠层。这些特征保证第一剖面区域和第二剖面区域以简单的方式重叠。
根据本发明的优选实施例，电极中的至少一些，优选地所有的电极是平面的并且被设置为平行于芯部层。通过这些特征，用于制造电光感应波导的成本被降低。
根据本发明的优选实施例，电极在剖视图中被设置为相对于垂直于芯部层的轴线是对称的。通过这些特征，可以保证光波相对于垂直于芯部层的轴线的对称传播。
根据本发明的优选实施例，电极在剖视图中被设置为相对于平行于芯部层的轴线是对称的。通过这些特征，可以保证光波相对于平行于芯部层的轴线的对称传播。
根据本发明的优选实施例，所有电极在剖视图中被设置在芯部层的相同侧。通过该特征部，波导可以以简单的方式被制造。
根据本发明的优选实施例，电极装置包括所述电极的设置在一个层中的一组三个所述电极，其中所述电势的第一个被施加到所述三个电极的被设置在中间的一个电极，并且所述电势的第二个被施加到所述一组电极的其他两个电极。通过这些特征，可以保证芯部层的第一剖面面积中的电场被取向为横向于波导叠层，并且芯部层的定位在平行于波导叠层的第一方向上的第二剖面面积中的电场被取向为沿着波导叠层，并且芯部层的定位在与第一方向相反的且平行于波导叠层的第二方向上的第三剖面面积中的电场被取向为沿着波导叠层。
根据本发明的优选实施例，电极装置包括在芯部层的相同侧被设置在不同层中的所述电极的两个电极，其中背离芯部层的电极在其剖视图中在平行于芯部层的方向上具有比面向芯部层的电极大的延伸部。通过这些特征可以保证：芯部层的第一剖面面积中的电场被取向为横向于波导叠层，并且芯部层的定位在平行于波导叠层的第一方向上的第二剖面面积中的电场被取向为沿着波导叠层，并且芯部层的定位在与第一方向相反的且平行于波导叠层的第二方向上的第三剖面面积中的电场被取向为沿着波导叠层。
根据本发明的优选实施例，电极装置包括所述电极的在芯部层的第一侧被设置在不同层中的至少两个电极以及所述电极的在芯部层的第二相反侧被设置在不同层中的至少两个电极，其中背离芯部层的电极在其剖视图中在平行于芯部层的至少一个方向上具有比面向芯部层的电极大的延伸部。通过这些特征可以保证：芯部层的第一剖面面积中的电场被取向为横向于波导叠层，并且芯部层的定位在平行于波导叠层的第一方向上的第二剖面面积中的电场被取向为沿着波导叠层，并且芯部层的定位在与第一方向相反的且平行于波导叠层的第二方向上的第三剖面面积中的电场被取向为沿着波导叠层。
根据本发明的优选实施例，电极装置包括一组三个所述电极，其中该组电极中的每一个都被供给有所述电势中的一个，其中电极的电势的至少两个电势是可控的，其中用于横向电偏振光波的耦合效率是两个电势的函数，并且用于横向磁偏振光波的耦合效率是两个电势的且与用于横向电偏振光波的函数不同的函数。
通过这些特征，电光感应波导中的传输功率可以被控制为独立地用于TE偏振光波和用于TM偏振光波。
此外，这些特征允许控制光波的偏振，这对于偏振控制装置是重要的。
根据本发明的优选实施例，芯部层包括处于介晶状态的热致液晶，处于各向同性相的热致液晶以及它们的混合物，聚合稳定液晶、胆甾相液晶；晶体、陶瓷和光电陶瓷，诸如LiTaO3、LiNbO3、CdS、ZnO、KNbO3、KDP、KTP、GaAs、BaTiO3、KTaO3、PLZT，极化的电光聚合物，诸如主-客、侧-链聚合物，诸如分散红(DR)或分散橙(DO)，光学各向同液体，诸如硝基甲苯(C7H7-N02)和硝基苯(C6H5-N02)。
根据本发明的优选实施例，波导叠层包括第一覆层和第二覆层，其中芯部层被设置在第一覆层和第二覆层之间。覆层材料可以是如下的材料，该材料在类似玻璃、聚合物等涂覆物的(可见或红外)光谱范围上是透明的。
根据本发明的优选实施例，芯部层具有等于或高于第一覆层和/或第二覆层的折射率。
根据本发明的优选实施例，第一覆层和/或第二覆层包括电光材料。电光材料例如是液晶、电光聚合物等。
根据本发明的优选实施例，第一覆层和/或第二覆层包括处于介晶状态的热致液晶，处于各向同性相的热致液晶以及它们的混合物，聚合稳定液晶、胆甾相液晶；晶体、陶瓷和光电陶瓷，诸如LiTaO3、LiNbO3、CdS、ZnO、KNbO3、KDP、KTP、GaAs、BaTiO3、KTaO3、PLZT，极化的电光聚合物，诸如主-客、侧-链聚合物，诸如分散红(DR)或分散橙(DO)，光学各向同液体，诸如硝基甲苯(C7H7-N02)和硝基苯(C6H5-N02)。
本发明的另一方面涉及一种用于光学远程通信、光纤传感器网络和/或光谱学的电光装置，诸如相位调制器、偏振无关式功率或强度调制器、偏振过滤器、偏振控制器、偏振无关式n×m开关，以及偏振无关式n×m可变功率分配器，偏振无关式多路复用器、通道平衡器、偏振无关式多路分离器，其中电光装置包括根据本发明的电光感应波导。
根据本发明的优选实施例，电光装置是偏振无关式n×m开关，其中至少一个输入路径包括根据本发明的第一波导，其中至少一个输出路径包括根据本发明的另一波导。其中，n表示输入路径的数量，m表示输出路径的数量。
附图说明
参考附图将依次说明现有技术和本发明的优选实施例，其中：
图1a以示意剖视图的形式示出了根据现有技术的电光感应波导的第一实施例；
图1b以示意剖视图的形式示出了根据现有技术的电光感应波导的第二实施例；
图1c以示意剖视图的形式示出了根据本发明的电光感应波导的第一实施例；
图2a以示意剖视图的形式示出了根据本发明的电光感应波导的第二实施例；
图2b以示意剖视图的形式示出了根据本发明的电光感应波导的第三实施例；
图2c以示意剖视图的形式示出了根据本发明的电光感应波导的第四实施例；
图2d以示意剖视图的形式示出了根据本发明的电光感应波导的第五实施例；
图3a以示意剖视图的形式示出了根据本发明的电光感应波导的第六实施例；
图3b以示意剖视图的形式示出了根据本发明的电光感应波导的第七实施例；
图3c以示意剖视图的形式示出了根据本发明的电光感应波导的第八实施例；
图4示出了根据施加到第四实施例的多个电极上的电势的比率的偏振相关损耗(polarization dependent loss)的相关性的图；
图5以示意剖视图的形式示出了根据本发明的电光感应波导的第九施例；
图6以示意剖视图的形式示出了根据本发明的电光感应波导的第十实施例；以及
图7示出了偏振无关的1X2开关的示例。
具体实施方式
图1a以示意剖视图的形式示出了根据现有技术的电光感应波导1的第一实施例，该电光感应波导1具有电极装置3和电压供给装置5。图1a示出了电光感应波导1的“平面内”构造，其中平面电极103、104被放置在波导叠层100、101、102的一侧上，该波导叠层100、101、102包括由电光材料制成的芯部层100，以及两个覆层101、102。施加在这些电极103、104之间的电场EF在芯部层100的剖面区域CR中导致额外的双折射。在此情况下，对于多数材料而言，感应波导的基本模式E00是TE-偏振。E1表示TE-偏振光波的电分量振荡所位于的平面。
图1b以示意剖视图的形式示出了根据现有技术的电光感应波导2的第二实施例，该电光感应波导2具有电极装置4和电压供给装置6。图1a示出了电光感应波导1的“平面外”构造，由此电场EF被施加在电极105、106之间，电极105、106被定位在波导叠层100、101、102的两侧上。在此情况下，对于多数材料而言，感应波导的基本模式E00是TM-偏振。E3表示TM-偏振光波的电分量振荡所位于的平面
基本的偏振相关电光感应波导特性基于电光材料。基于如下的两种材料可以解释该事实：技术人员已知的体现大的普克耳斯常数的LiNbO3，以及具有大的电光克尔常数的光学各项同性液体。
在图1b的电光感应波导构造剖视图中，现在假设电光芯部100由LiNbO3制成。100LiNbO3晶体的取向应当能够被选择为使得结晶体c-轴线平行于波导剖面的对称轴线。此外，可以想到在第一近似中，电极105和106之间的电场是均匀的。在此情况下，通过独立的普克耳斯常数r13和r33可以恰当说明感应的双折射。这两个常数之间的关系对于此种情况是r13/r33≈0.3。这反应了为了利用相同的传输功率(衰减损耗)产生电光感应波导，与入射的TM偏振光相比，三倍高的电压(电场强度)必须被施加在用于入射的TE偏振光的电极之间。这里，示出了电光感应波导原理上能够同时引导TE和TM偏振光波。然而，因为波导的光学特性在两个偏振方向上是不同的，并且电光感应波导的光学性能(即，传输的功率)将基于入射光波的偏振状态。
再考虑图1b的电光感应波导构造剖视图，其中这次电光芯部100由光学各项同性液体制成。在此类型的材料中，电光克尔效应是主导的。在电极105和106之间的均匀电场的近似下，感应的双折射通过电光克尔常数s13和s33再次被充分地说明。在第二种情况下这些常数之间的关系是s13/s33＝-0.5。由于基于电场和基于感应的双折射的该关系以及二次项，在图1b的电光感应波导中，只引导TM偏振光(模式)，由此TE偏振光被辐射掉。
图1c以示意剖视图的形式示出了根据本发明的电光感应波导的第一实施例。图1c描述了如下的电光感应波导10，该电光感应波导10包括：
波导叠层，所述波导叠层具有芯部层100，该芯部层100包括用于引导光波的电光材料；以及
场生成器，所述场生成器用于在芯部层100中生成电场EF，
其中，场生成器包括电极装置20和电压供给装置，所述电极装置具有多个电极201、202、203、204，并且电压供给装置用于向电极装置20供给至少两个电势U0、U1、U2；
其中，场生成器被构造为通过生成的电场EF在芯部层100的第一剖面区域CR1中感应电光效应，从而在第一剖面区域CR1中使得横向电偏振光波能够传播；
其中，场生成器被构造为通过生成的电场EF在芯部层100的第二剖面区域CR2中感应电光效应，从而在第二剖面区域CR2中使得横向磁偏振光波能够传播；以及
其中，场生成器被构造为使得用于横向电偏振光波的耦合效率CEE和用于横向磁偏振光波的耦合效率CEM是相同的；以及
其中第一剖面区域CR1和第二剖面区域CR2在剖视图中是重叠的。
本发明提供电光感应波导10，其中横向电偏振光波和横向磁偏振光波能够利用相同的耦合效率CEM≈CEE被同时引导，从而根据本发明的电光感应波导10能够引导任何偏振状态的光。因此，本发明提供偏振无关式电光感应波导10。
通过提供偏振无关式电光感应波导10，具有至少一个电光感应波导10的电光装置的复杂度和成本可以被降低。
在根据本发明的电光感应波导中，光波的TE模式和TM模式可以同时传播，可以具有类似的强度分度，并且可以空间上重叠，从而传输通过光纤的两种模式的光波可以被同样地耦合到波导中。光纤和电光感应波导之间的模式耦合系数和电光感应波导中的传播损耗可以被平衡，从而用于两种模式的整体***损耗结果是相等的。
与根据现有技术的电光感应波导相反，如上现有技术的所述该电光感应波导具有基于入射光波的偏振的光特性。尤其是，如上所述，施加在芯部层上的电场在电光材料中感应额外的双折射。这导致光波沿着波导的传播行为是基于其偏振状态的，即，根据现有技术，TE和TM偏振光波的在波导中的传输特性是不同的。
本发明提供了对偏振不敏感的电光感应波导10，其中，采用特定的电极装置20-28。此种电极装置20-28在下文中将详细说明。根据本发明的偏振无关式电光感应波导10包括被放置在波导叠层100、101、102的一侧或两侧的两个或以上电极201-217，从而波导叠层100、101、102上的施加的电场分布允许同时具有等同或可变的强度模式分布的TE模式和TM模式的共存。
根据本发明的电光感应波导10可以以直接和节省的方式使用晶圆级平面技术方法来制造，这允许与其他装置的进一步整合，以及可测量性，该可测量性在很多光学机械部件的制造中是有利的。由于缺少移动部件，操作稳定性和可靠性可以保证，这相对于基于微机电***的技术(MEMS)是有利的。
制造方法可以基于硅或玻璃晶圆级技术。
根据本发明的另一方面，一种用于制造偏振无关式电光感应波导10的方法包括：
1.构建硅或玻璃晶圆；诸如用于光纤的定位的V型槽、锥体、显微镜头和填充有液体和液晶的腔体等；这些可以经由蚀刻方法制造；
2.金属电极沉积和电极构建，这可以经由光刻法制造，该方法还可以包括与绝缘层的沉积交替地重复电极沉积和构建；
3.例如如果覆层由玻璃、聚合物等制成，则覆层沉积，或者如果覆层由液晶制成，则填充适当地构建的腔体；
4.芯部沉积或者利用液体或液晶填充适当地构建的腔体，该液体或液晶经由加热进入到其各向同性相；
5.晶圆结合和分割；
6.经由导线结合、额外的触点层、晶圆背面中的通孔结合或它们的组合而形成的电接触；
7.光纤耦合。
根据本发明的优选实施例，场生成器被构造为使得在剖视图中，芯部层100的第一剖面面积CA1中的电场EF被取向为横向于波导叠层100、101、102，芯部层100的定位在平行于波导叠层100、101、102的第一方向D1上的第二剖面面积CA2中的电场EF被取向为沿着波导叠层100、101、102，并且芯部层100的定位在与第一方向D1相反的且平行于波导叠层100、101、102的第二方向D2上的第三剖面面积CA3中的电场EF被取向为沿着波导叠层100、101、102。这些特征保证第一剖面区域CR1和第二剖面区域CR2以简单的方式重叠。
根据本发明的优选实施例，电极201、202、203、204中的至少一些，优选地所有的电极201、202、203、204是平面的并且被设置为平行于芯部层100。通过这些特征，用于制造电光感应波导10的成本被降低。
根据本发明的优选实施例，电极装置20包括所述电极201、202、203、204的设置在一个层中的一组三个电极202、203、204，其中所述电势的第一个U1被施加到所述三个电极202、203、204的被设置在中间的一个电极203，并且所述电势的第二个U2被施加到所述一组电极的其他两个电极202、204。通过这些特征，可以保证芯部层100的第一剖面面积CA1中的电场EF被取向为横向于波导叠层100、101、102，并且芯部层100的定位在平行于波导叠层100、101、102的第一方向D1上的第二剖面面积CA2中的电场EF被取向为沿着波导叠层100、101、102，并且芯部层100的定位在与第一方向D1相反的且平行于波导叠层100、101、102的第二方向D2上的第三剖面面积CA3中的电场EF被取向为沿着波导叠层100、101、102。
根据本发明的优选实施例，电极装置20包括一组三个所述电极201、202、203，其中该组电极201、202、203中的每一个都供给有所述电势U0、U1、U2中的一个，其中电极201、202、203的电势U0、U1、U2的至少两个电势U1、U2是可控的，用于横向电偏振光波的耦合效率CEE是两个电势U1、U2的函数，并且用于横向磁偏振光波的耦合效率CEM是两个电势U1、U2的且与用于横向电偏振光波的函数不同的函数。也参见图4。
通过这些特征，电光感应波导10中的传输功率可以被控制为独立地用于TE偏振光波和用于TM偏振光波。
此外，这些特征允许控制光波的偏振，这对于偏振控制装置是重要的。
根据本发明的优选实施例，芯部层100包括处于介晶状态的热致液晶，处于各向同性相的热致液晶以及它们的混合物，聚合稳定液晶、胆甾相液晶；晶体、陶瓷和光电陶瓷，诸如LiTaO3、LiNbO3、CdS、ZnO、KNbO3、KDP、KTP、GaAs、BaTiO3、KTaO3、PLZT，极化的电光聚合物，诸如主-客、侧-链聚合物，诸如分散红(DR)或分散橙(DO)，光学各项同性液体，诸如硝基甲苯(C7H7-N02)和硝基苯(C6H5-N02)。
根据本发明的优选实施例，波导叠层100、101、102包括第一覆层101和第二覆层102，其中芯部层100被设置在第一覆层101和第二覆层102之间。覆层材料可以是如下的材料，该材料在类似玻璃、聚合物等涂覆物的(可见或红外)光谱范围上是透明的。
根据本发明的优选实施例，芯部层100具有等于或高于第一覆层101和/或第二覆层102的折射率。
根据本发明的优选实施例，第一覆层101和/或第二覆层102包括电光材料。电光材料例如是液晶、电光聚合物等。
根据本发明的优选实施例，第一覆层101和/或第二覆层102包括处于介晶状态的热致液晶，处于各向同性相的热致液晶以及它们的混合物，聚合稳定液晶、胆甾相液晶；晶体、陶瓷和光电陶瓷，诸如LiTaO3、LiNbO3、CdS、ZnO、KNbO3、KDP、KTP、GaAs、BaTiO3、KTaO3、PLZT，极化的电光聚合物，诸如主-客、侧-链聚合物，诸如分散红(DR)或分散橙(DO)，光学各项同性液体，诸如硝基甲苯(C7H7-N02)和硝基苯(C6H5-N02)。
图1c表示本发明的示例(实施例)，该示例包括组合构造，该组合构造在波导叠层100、101、102的一侧具有一个平面电极201，并且在叠层的另一侧具有三个平面电极202、203、204。电极201、202、203、204的位置和形状以及施加的电场EF由此保证空间上重叠的TE和TM模式的共存。用于TE模式的相应的估计模式分布CR1以及用于TM模式的CR2也体现为强调该方面。
图2a以示意剖视图的形式示出了根据本发明的电光感应波导10的第二实施例，该第二实施例是修改的电极装置21。
根据本发明的优选实施例，电极装置10包括在芯部层100的相同侧被设置在不同层中的所述电极205、206的两个电极205、206，其中背离芯部层的电极206在其剖视图中在平行于芯部层100的方向D1、D2上具有比面向芯部层100的电极205大的延伸部。通过这些特征可以保证：芯部层100的第一剖面面积CA1中的电场EF被取向为横向于波导叠层100、101、102，并且芯部层100的定位在平行于波导叠层100、101、102的第一方向D1上的第二剖面面积CA2中的电场EF被取向为沿着波导叠层100、101、102，并且芯部层100的定位在与第一方向D1相反的且平行于波导叠层100、101、102的第二方向D2上的第三剖面面积CA3中的电场EF被取向为沿着波导叠层100、101、102。
图2a表示本发明的另一实施例，该实施例包括具有两个电极201、202的构造。这两个电极在波导叠层100、101、102的相同侧被放置成彼此平行。
图2b以示意剖视图的形式示出了根据本发明的电光感应波导的第三实施例，该第三实施例是修改的电极装置22。该电极装置22包括在芯部层100的第一侧被设置在一个平面中的电极202、203、204，以及在芯部层100的第一侧被设置在另一平面中的电极207，以及被设置在芯部层100的第二侧上的电极208。
图2c以示意剖视图的形式示出了根据本发明的电光感应波导10的第四实施例，该第四实施例具有修改的电极装置23。该电极装置23包括在芯部层100的第一侧被设置在一个平面中的电极202、203、204，以及在芯部层100的第一侧被设置在另一平面中的电极207，以及被设置在芯部层100的第二侧上的电极201，其中电极201比电极装置22的电极208小。
图2d以示意剖视图的形式示出了根据本发明的电光感应波导10的第五实施例，该第五实施例具有修改的电极装置24。该电极装置24是电极装置22和23的组合，其中电极201和208在芯部层100的第一侧被定位在不同层中，并且其中电极202、203、204和电极207在芯部层100的第二侧被定位在不同层中。
根据本发明的优选实施例，电极装置20-28包括所述电极201-217的在芯部层100的第一侧被设置在不同层中的至少两个电极201、208以及所述电极201-217的在芯部层100的第二侧被设置在不同层中的至少两个电极202、203、204、207，其中背离芯部层的电极201、207在其剖视图中在平行于芯部层100的至少一个方向D1、D2上具有比面向芯部层100的电极202、203、204、208大的延伸部。通过这些特征可以保证：芯部层的第一剖面面积中的电场被取向为横向于波导叠层，并且芯部层的定位在平行于波导叠层的第一方向上的第二剖面面积中的电场被取向为沿着波导叠层，并且芯部层100的定位在与第一方向相反的且平行于波导叠层的第二方向上的第三剖面面积中的电场被取向为沿着波导叠层。
图3a以示意剖视图的形式示出了根据本发明的电光感应波导的第六实施例，该第六实施例具有修改的且不对称的电极装置25。
图3b以示意剖视图的形式示出了根据本发明的电光感应波导的第七实施例，该第七实施例具有也如图2c所示的电极装置22。根据本发明的优选实施例，电极202、203、204、207、208在剖视图中被设置为相对于垂直于芯部层100的轴线300是对称的。通过这些特征，可以保证光波相对于垂直于芯部层100的轴线300的对称传播。
图3c以示意剖视图的形式示出了根据本发明的电光感应波导的第八实施例，该第八实施例具有修改的电极装置26。根据本发明的优选实施例，电极202、203、204、208、209、200在剖视图中被设置为相对于平行于芯部层100的轴线301是对称的。通过这些特征，可以保证光波相对于平行于芯部层100的轴线301的对称传播。
TE和TM模式分布，即形状和位置基于波导上的电势分布、电极几何尺寸和电光常数。在图3a-c中体现的本发明的实施例示出了可能的电极装置25、22、26，该电极装置能够围绕一个对称轴线300(图3b)或者围绕两个对称轴线301(图3c)非对称地(图3a)、对称地感应TE和TM模式分布。
图4示出了根据施加到第四实施例的多个电极上的电势的比率的偏振相关损耗(polarization dependent loss，PDL)的相关性的图；根据图4，PDL在本发明中被定义为：
其中，CE是耦合效率。尤其是，在芯部层100由光学各项同性液体制成以及的标称电压的假设下，图4分别描述了用于TE模式的耦合效率CEE和用于TM模式的耦合效率CEM，以及根据施加到图2c的外部电极202、204上的电势U2和施加到内部电极203上的电势U1之间的比率而导致的偏振相关损耗PDL，电极201和207上的电势保持在0V。
图5以示意剖视图的形式示出了根据本发明的电光感应波导的第九实施例，该第九实施例具有修改的电极装置27。根据本发明的优选实施例，电极201-217的至少一个电极211-214，优选的所有的电极201-217，是透明电极211-214，其中透明电极211-214的至少一个电极211，优选的所有的透明电极211-214，被设置为直接靠近芯部层100和/或透明电极211-214的至少一个电极212-214，优选的所有的透明电极211-214，被设置在芯部层100中。
图6以示意剖视图的形式示出了根据本发明的电光感应波导的第十实施例，该第十实施例具有修改的电极装置28。根据本发明的优选实施例，所有电极21、216、217在剖视图中被设置在芯部层100的相同侧。通过该特征部，波导10可以以简单的方式被制造。
图7示出了偏振无关式1x2开关的实施例。本发明的一个方面涉及用于光学远程通信、光纤传感器网络和/或光谱学的电光装置310，诸如相位调制器、偏振无关式功率或强度调制器、偏振过滤器、偏振控制器、偏振无关式n×m开关300，以及偏振无关式n×m可变功率分配器，偏振无关式多路复用器、通道平衡器、偏振无关式多路分离器，其中电光装置包括根据本发明的电光感应波导10、10’、10”。
根据本发明的优选实施例，电光装置310是偏振无关式n×m开关310，其中至少一个输入路径311包括根据本发明的第一波导10，其中至少一个输出路径312、313包括根据本发明的另一波导10’，10”。其中，n表示输入路径的数量，m表示输出路径的数量。
输入路径311包括波导10，该波导10包括如图1c、2b-d、3a-c所示的电极202、203、204。输出路径312包括波导10’，该波导10’包括与如图1c、2b-d、3a-c所示的电极202、203、204等同的电极202’、203’、204’。输出电极313包括波导10”，该波导10”包括与如图1c、2b-d、3a-c所示的电极202、203、204等同的电极202”、203”、204”。图5表示在偏振无关式1x2开关310的设计中使用的平面电极装置10、10’、10”的俯视图，即只具有一个输入和两个输出通道。可以使用至少一个额外的相对电极，如在图1c、2b-d、3a-c的装置的任一个所述中所述。然而，可以使用如图6所示的没有任何一个相对电极的装置。当电压被施加到相应的电极上时，在优选的通道上发生波导。通过级联偏振无关式1x2开关(即，Y-分支)可以实现更多的输入和输出通道。此外，偏振无关式1x2可变功率分配器可以利用类似的电极装置实现，由此通过施加到对应于两个通道的电极之间的电压的控制变化来实现。
附图列表
1 电光波导装置
2 电光波导装置
3 电极装置
4 电极装置
5 电压供给装置
6 电压供给装置
10 电光感应波导
20 电极装置
21 电极装置
22 电极装置
23 电极装置
24 电极装置
25 电极装置
26 电极装置
27 电极装置
28 电极装置
30 电压供给装置
100 芯部层
101 第一覆层
102 第二覆层
103 电极
104 电极
105 电极
106 电极
201 电极
202 电极
203 电极
204 电极
205 电极
206 电极
207 电极
208 电极
209 电极
210 电极
211 电极
212 电极
213 电极
214 电极
215 电极
216 电极
217 电极
300 轴线
301 轴线
310 偏振无关式n×m开关
311 输入路径
312 输出路径
313 输出路径
EF 电场
U0 电势
U1 电势
U2 电势
CR 剖面区域
CR1 第一剖面区域
CR2 第二剖面区域
CEM 耦合效率
CEE 耦合效率
CA1 第一剖面面积
CA2 第二剖面面积
CA3 第三剖面面积
D1 第一方向
D2 第二方向
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Claims (18)

1.一种电光感应波导，包括：
波导叠层(100、101、102)，所述波导叠层具有芯部层(100)，所述芯部层包括用于引导光波的电光材料；以及
场生成器，所述场生成器用于在芯部层(100)中生成电场(EF)，其中，场生成器包括电极装置(20-28)和电压供给装置(30)，所述电极装置具有多个电极(201-217)，并且电压供给装置用于向电极装置(20-28)供给至少两个电势(U0、U1、U2)；
其中，场生成器被构造为通过生成的电场(EF)在芯部层(100)的第一剖面区域(CR1)中感应电光效应，从而在第一剖面区域(CR1)中使得横向电偏振光波能够传播；
其中，场生成器被构造为通过生成的电场(EF)在芯部层(100)的第二剖面区域(CR2)中感应电光效应，从而在第二剖面区域(CR2)中使得横向磁偏振光波能够传播；以及
其中，场生成器被构造为使得用于横向电偏振光波的耦合效率(CEE)和用于横向磁偏振光波的耦合效率(CEM)是相同的；以及
其中第一剖面区域(CR1)和第二剖面区域(CR2)在剖视图中是重叠的。
2.根据权利要求1所述的电光感应波导，其中，场生成器被构造为使得在剖视图中，芯部层(100)的第一剖面面积(CA1)中的电场(EF)被取向为横向于波导叠层(100、101、102)，芯部层(100)的定位在平行于波导叠层(100、101、102)的第一方向(D1)上的第二剖面面积(CA2)中的电场(EF)被取向为沿着波导叠层(100、101、102)，并且芯部层(100)的定位在与第一方向(D1)相反的且平行于波导叠层(100、101、102)的第二方向(D2)上的第三剖面面积(CA3)中的电场(EF)被取向为沿着波导叠层(100、101、102)。
3.根据权利要求1所述的电光感应波导，其中，电极(201-217)的至少一个电极(211-214)是透明电极(211-214)，其中透明电极(211-214)的至少一个电极(211)被设置为直接靠近芯部层(100)和/或透明电极(211-214)的至少一个电极(212-214)被设置在芯部层(100)中。
4.根据权利要求1所述的电光感应波导，其中，电极(201-217)中的至少一个电极(201-217)是平面的并且被设置为平行于芯部层(100)。
5.根据权利要求1所述的电光感应波导，其中，电极(201-217)在剖视图中被设置为相对于与芯部层(100)垂直的轴线(300)是对称的。
6.根据权利要求1所述的电光感应波导，其中，所有电极(205、206；215、116、217)在剖视图中被设置在芯部层(100)的相同侧。
7.根据权利要求1所述的电光感应波导，其中，电极(201-217)在剖视图中被设置为相对于与芯部层(100)平行的轴线(301)是对称的。
8.根据权利要求1所述的电光感应波导，其中，电极装置(20-28)包括所述电极(20-28)的设置在一个层中的一组三个电极(202、203、204；208、209、210；212、213、214；215、216、217)，其中所述电势(U1、U2、U0)的第一电势(U1)被施加到所述一组三个电极(202、203、204；208、209、210；212、213、214；215、216、217)的被设置在中间的一个电极(203；208；213；216)，并且所述电势(U1、U2、U0)的第二电势(U2)被施加到所述一组三个电极的其他两个电极(202、204；209、210；212、214；215、217)。
9.根据权利要求1所述的电光感应波导，其中，电极装置(20-28)包括所述电极(201-217)在芯部层(100)的相同侧被设置在不同层中的至少两个电极(205、206)，其中背离芯部层(100)的电极(205)在其剖视图中在平行于芯部层(100)的至少一个方向(D1、D2)上具有比面向芯部层(100)的电极(205)更大的延伸部。
10.根据权利要求1所述的电光感应波导，其中，电极装置(20-28)包括所述电极(201-217)的在芯部层(100)的第一侧被设置在不同层中的至少两个电极(201、208)以及所述电极(201-217)的在芯部层(100)的相反的第二侧被设置在不同层中的至少两个电极(202、203、204、207)，其中背离芯部层(100)的电极(201、207)在其剖视图中在平行于芯部层(100)的至少一个方向(D1、D2)上具有比面向芯部层(100)的电极(202、203、204、208)更大的延伸部。
11.根据权利要求1所述的电光感应波导，其中，电极装置(20-28)包括所述电极(202、203、204；208、209、210)的一组三个电极(201、202、203)，其中所述一组三个电极(201、202、203)中的每一个都被供给有所述电势(U0、U1、U2)中的一个，其中所述一组三个电极的电势中的至少两个电势(U1、U2)是可控的，其中用于横向电偏振光波的耦合效率(CEE)是两个电势(U1、U2)的函数，并且用于横向磁偏振光波的耦合效率(CEM)是两个电势(U1、U2)的且与用于横向电偏振光波的函数不同的函数。
12.根据权利要求1所述的电光感应波导，其中，芯部层(100)包括处于其介晶状态的热致液晶、处于其各向同性相的热致液晶以及它们的混合物、聚合稳定液晶、胆甾相液晶；晶体、陶瓷和光电陶瓷、极化的电光聚合物、光学各向同性液体。
13.根据权利要求1所述的电光感应波导，其中，波导叠层(100、101、102)包括第一覆层(101)和第二覆层(102)，其中芯部层(100)被设置在第一覆层(101)和第二覆层(102)之间。
14.根据权利要求13所述的电光感应波导，其中，芯部层(100)具有等于或高于第一覆层(101)和/或第二覆层(102)的折射率。
15.根据权利要求13所述的电光感应波导，其中，第一覆层(101)和/或第二覆层(102)包括电光材料。
16.根据权利要求13所述的电光感应波导，其中，第一覆层(101)和/或第二覆层(102)包括处于其介晶状态的热致液晶、处于各向同性相的热致液晶以及它们的混合物、聚合稳定液晶、胆甾相液晶；晶体、陶瓷和光电陶瓷、极化的电光聚合物、光学各向同性液体。
17.一种用于光学远程通信、光纤传感器网络和/或光谱学的电光装置，其中电光装置包括根据权利要求1至16中任一项所述的电光感应波导(10)。
18.根据权利要求17所述的用于光学远程通信、光纤传感器网络和/或光谱学的电光装置，其中，电光装置(310)是偏振无关式n×m开关(310)，其中至少一个输入路径(311)包括根据权利要求1至16中任一项所述的电光感应波导(10)，其中至少一个输出路径(312、313)包括另一根据权利要求1至16中任一项所述的电光感应波导(10’、10”)。
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