快速空间光开关及其制作制造技术

公开了使用具有三角3m对称的两个单轴光学晶体且它们的光轴彼此垂直的快速空间光开关，其基于使用普克尔斯效应改变其中一个晶体的折射率和光轴。其中诱发普克尔效应的第一个晶体的顶面和底面设有电极。晶体之间的界面成一定角度，从而使光束被第一晶体全反射。当通过第一晶体施加电场时，其折射率和晶轴发生变化，从而使界面变为透射性的，光束从第二晶体出射。透射态和反射态的空间分隔提供了大于50dB的串扰和消光比。50dB的串扰和消光比。

【技术实现步骤摘要】
快速空间光开关及其制作


[0001]本专利技术涉及空间光开关，尤其涉及其中光束在反射和透射态之间快速切换的快速光开关。铌酸锂被用作在光束的空间切换中需要施加～5V/μm电场的三角3m对称的单轴晶体。

技术介绍

[0002]为了便利对本专利技术的理解，先解释两种物理现象。首先，有一个光学概念被称为“临界角”。临界角是相对于在光束可以通过的两种材料之间的折射边界的法线测量的折射角为90
°
时的入射角。当且仅当照射到边界的光束处于折射率比另一侧的材料的折射率更大的介质中时，才存在所谓的“临界角”。如果入射到边界上的光的入射角超过临界角，则入射光将无法穿过边界，并在材料中反射回去。在这种情况下，相对于边界法线测量的入射光角度和反射光角度相等。这是光的“全反射”。在材料和空气之间边界的情况下，由于材料的折射率大于边界另一侧的空气的折射率，因此，如果材料内的光相对于边界法线的入射角大于临界角，则光束无法通过，并且在材料内部被完全反射回去。
[0003]第二，存在一类表现出电光效应的材料。该效果是响应于施加的电场，材料的诸如折射率和主轴的光学特性有所变化。具体地说，本申请涉及普克尔斯效应，其中当电场施加到电光材料上时，折射率发生变化。普克尔斯效应与施加的电场强度成比例，并且由某些晶体表现出来。作为呈现普克尔斯效应的电光晶体的例子，通常采用的有锂基晶体，例如铌酸锂和钽酸锂。
[0004]在过去的若干年中，光的快速空间切换一直是研究的活跃领域。已经报道了各种类型的引导和非引导光学开关，但是迄今为止，足够快速的、能够以100GHz或更高的频率运行的空间光开关依然没有实现。在一些使用响应于普克尔斯效应的电光材料的现有技术空间开关中，开关的材料的一部分受到施加的电场的部分影响，而其余部分则不受电场的影响。这可以通过用一对施加电场的电极仅覆盖材料的一部分而其余部分未被覆盖来轻松实现。当对电极施加电场时，在受电场影响的部分和不受电场影响的部分之间会形成边界，如果光从折射率较大的材料一侧入射到边界上，当入射光的入射角大于对应于边界两侧的折射率的临界角时，将发生全反射。在没有电场的情况下，由于没有边界，入射光束通过开关的两个部分。诸如铌酸锂，半导体或最新开发的PLZT(多晶镧改性的锆钛酸铅，Polycrystalline Lanthanum modified lead Zirconate Titanate)等材料，是此类电光材料的例子，其折射率可通过施加电场以诱发普克尔斯效应、量子斯塔克或等离子效应而得到改变。普克尔斯效应是一种快速现象，使相关的光电器件能够以超过至少100GHz以上的速度快速运行。然而，该效应非常弱，并且折射率变化通常仅达到小数点后2到3甚至第4位。因此，使用铌酸锂等的开关实际上都是长开关。而且，由于折射率改变效应非常弱，因此仅在入射的引导光束或未引导光束的非常小的掠射角下才能实现全反射。因此，空间状态变得很难物理分离，从而导致有限的串扰和消光比特性。如果空间光开关的消光比和串扰都不足够大(例如好于30dB)，则该开关几乎找不到任何实际应用。
[0005]一些现有技术的开关基于热光、电流注入或机械效应，并且不能响应GHz范围内的高重复率。在半导体中，材料的高吸收损耗是其在光学无源器件中应用的障碍。在处理传导光的现有技术开关中，这种现有技术的传导光开关的偏振态保持恒定。在美国专利8,131,124中公开的传导空间光开关中，为了实现大于约30dB的串扰和消光比，要求传导的光在折射率差为0.01％的波导中传播。这种非常弱的波导的制造实际上是不可能实现的，并且迄今为止，该开关仍然是不可实现的。

技术实现思路

[0006]本专利技术人提出了一种光开关，该光开关基于在由于电场施加而变形的晶体中的入射线偏振光的偏振旋转。本专利技术人的空间光开关中使用的材料是三角形3m对称类型的各向异性单轴晶体。这些晶体的主轴由x，y，z表示，并被用在本申请全文中，其中光轴沿z轴。本专利技术人开关实现了卓越开关特性，表明了入射光的偏振管理是其空间开关的有效方法。本专利技术人的开关中的偏振旋转是在具有沿x轴方向上施加的电场的变形的晶体中实现的，该x轴方向垂直于光沿其光学z轴的传播方向。因此，电场的施加不会对光的传播造成干扰，从而可以实现比较小的驱动电场。
[0007]重要地，沿三角3m对称的单轴晶体的x轴施加电场是在本专利技术中新提出来的。在诸如高速调制器的使用铌酸锂材料的现有技术光学设备中，电场是沿晶体的光学z轴施加的，其中晶体主轴的方向保持不变。如本专利技术人提出的、沿三角3m对称的单轴晶体的x方向施加的电场改变了晶体的折射率以及晶体主轴，并使晶体主轴在与沿z轴的光传播方向相交的平面内旋转了大约45度。与光传播方向相交的晶体轴的这种45度旋转对于本专利技术的开关的操作是必不可少的，并且是后者的基础，如下文所要详述的。
[0008]根据本专利技术的一个方面，提供了一种光学空间光开关，包括：
[0009]第一块三轴3m对称的单轴晶体，以下称为“第一块”，该第一块具有随电场的施加而变化的折射率和晶体主轴，该第一块具有竖向穿过第一块的x轴，与x轴横向正交的y轴和与x和y轴纵向正交的z轴，其中z轴也沿着第一块的一条光轴，
[0010]第二块三角3m对称的单轴晶体，以下称为“第二块”，该第二块牢固地压紧或透明接合到第一块，其中第一块和第二块之间的界面平面相对于z轴倾斜大约该第一块的寻常折射率和反常折射率的临界补角，且该第一块的光学z轴与第二块的光学z轴相垂直地取向，
[0011]在第一块的顶表面上的第一电极，
[0012]在第一块的底表面上的第二电极，第一电极和第二电极有选择地提供沿着第一块的x方向的一个电场，从而改变第一块内部的光传播，
[0013]连接到第一电极和第二电极的可有选择地切换的电源，用于在第一电极和第二电极之间有选择地提供电场，
[0014]用于产生沿第一块的x轴偏振的线偏振光束的光束源，该线性偏振光束垂直照射到第一单轴晶体中，从而在第一电极和第二电极之间没有施加所述电场电极的情况下，沿x轴偏振、照射到第一个块中、并沿第一块的光轴传播的线偏振光束在界面处被全反射而在一个第一点出射，且在第一电极和第二电极之间施加了电场的情况下，线偏振光束通过界面平面透射到第二块中并在一个第二点出射。
附图说明
[0015]图1A是本专利技术的光开关的透视图。
[0016]图1B是沿着图1A的线1B
‑
1B的新光开关的俯视图。
[0017]图1C是沿着图1A的线1C
‑
1C的新光开关的侧视图。
[0018]图2示出了变形的晶体的本征矢量相对于x轴的角度以及新的光开关的偏振态。
[0019]图3说明了在本专利技术的新开关中，在施加电场的情况下变形晶体的折射率。
[0020]图4是曲线图，示出了在本专利技术的新开关中变形晶体中的线偏振光的旋转以及相对于所施加电场的晶体所需长度。
[0021]图5展示了本专利技术的新开关中在变形的晶体中的传输损耗和消本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种光学空间光开关，包括：第一块三轴3m对称的单轴晶体，以下称为“第一块”，该第一块具有随电场的施加而变化的折射率和晶体主轴，该第一块具有竖向穿过第一块的x轴，与x轴横向正交的y轴和与x和y轴纵向正交的z轴，其中z轴也沿着第一块的一条光轴，第二块三角3m对称的单轴晶体，以下称为“第二块”，该第二块牢固地压紧或透明接合到第一块，其中第一块和第二块之间的界面平面相对于z轴倾斜大约该第一块的寻常折射率和反常折射率的临界补角，且该第一块的光学z轴与第二块的光学z轴相垂直地取向，在第一块的顶表面上的第一电极，在第一块的底表面上的第二电极，第一电极和第二电极有选择地提供沿着第一块的x方向的一个电场，从而改变第一块内部的光传播，连接到第一电极和第二电极的可有选择地切换的电源，用于在第一电极和第二电极之间有选择地提供电场，用于产生沿第一块的x轴偏振的线偏振光束的光束源，该线性偏振光束垂直照射到第一单轴晶体中，从而在第一电极和第二电极之间没有施加所述电场电极的情况下，沿x轴偏振、照射到第一个块中、并沿第一块的光轴传播的线偏振光束在界面处被全反射而在一个第一点出射，且在第一电极和第二电极之间施加了电场的情况下，线偏振光束通过界面平面透射到第二块中并在一个第二点出射。2.根据权利要求1所述的光空间开关，其中，所述第一块和所述第二块之间的界面平面相对于沿x方向线偏振的入射光沿第一晶体的z轴的传播方向以所述第一块和所述第二块的寻常折射率和反常折射率的一个临界补角倾斜，所述临界补角约为π/2
–
θ
c
。3.如权利要求2所述的光空间开关，其特征在于，用三角3m对称的铌酸锂晶体作为所述第一块和所述第二块，所述角度π/2
–
θ
c
约为14.7度。4.根据权利要求3所述的光空间开关，其中，所述第一块被配置为使得沿着x轴的电场通过改变所述第一块的折射率和主轴而使所述第一块成为双轴晶体。5.根据权利要求4所述的光空间开关，其中，在所施加的所述电场下，所述第一块的z轴大致沿着变形的所述双轴晶体的x
′
方向。6.根据权利要求3所述的光空间开关，其中，所述可有选择地切换的电源被配置为在所述第一块中以约的强度提供电场。7.根据权利要求1所述的光空间开关，其中，所述界面平面相对于所述第一单轴晶体中的光传播方向以与所述第一单轴晶体的折射率相对应的临界补角倾斜，从而...

【专利技术属性】
技术研发人员：维达，
申请(专利权)人：贾姆希德，
类型：发明
国别省市：