基于电光材料例如铌酸锂(LiNbO3)，KDP和KTP的电光器件已 经于此描述。参看I.P.Kaminov et al.，“Optical Fiber Telecommunications”，Vol.IIIB，Ed.By Academic Press(1997)(I.P. Kaminov等人，“光纤电信”，Vol.IIIB，学术出版社编辑(1997))。
存在已知基于D形光纤并使用铌酸锂晶体的电光器件例如光调制 器。参看W.Johnstone et al.，“Fiber Optic Modulators Using Active Multimode Waveguide Overlays”，Electron.Lett.，Vol.27，No.11，894-896 (1991)(W.Johnstone等人，“使用有源多模波导护带层的光纤调制 器”，电子学报，Vol.27，No.11，894-896(1991))。D形光纤，也称作 侧面抛光光纤，指具有D形横截面的光纤。该类型的光调制器通常在石 英玻璃的平面平行板上制造，该石英玻璃提供有具有典型地从几十厘米 到几米的曲度的凹槽。单一模(single-mode)或单模(monomode)光 纤粘结到该凹槽中。然后，具有光纤粘结到其中的凹槽的板侧面被研 磨，直到该平面到达光纤芯，使得基模(主要局限于芯内)可以穿透反 射包层到达抛光表面。在该处理之后，光纤截面变成D形。参看S.M. Tseng et al.，“Side-Polished Fibers”，Appl.Optics，Vol.31，No.18，3438- 3447(1992)(S.M.Tseng等人，“侧面抛光光纤”，应用光学，Vol.31， No.18，3438-3447(1992))。D形光纤的抛光表面用氧化铟锡(ITO) 组合物的薄透明电极层涂敷。然后，薄铌酸锂晶体粘结在该电极上并且 研磨以将厚度减小到20-30微米。最终，第二电极涂敷在铌酸锂晶体层 上。
该光调制器如下操作。施加到电光铌酸锂晶体的外加电压改变材料 的折射率并且更改光纤的基模与铌酸锂层的导模之间的共振条件。共振 条件基本上是相位同步的条件，或者具有铌酸锂芯的平面光波导的导模 与D形光纤的基模的相等传播常数。当模处于共振时，光信号有效地从 光纤抽入铌酸锂晶体中，并且光纤末端处的输出信号强度减小。如果外 加电压改变以更改铌酸锂晶体的折射率从而打破共振，光穿过D形光纤 而强度上没有损失。在现有技术中，输出信号调制的有效电平通过将 150V的电压施加到ITO电极之间35微米厚的控制层来实现。
上述光调制器的一个缺点在于，薄铌酸锂层的制造过程非常复杂。 而且，由铌酸锂晶体的厚度确定的电极间距离相对大。
使用相同操作原理的光开关已经描述，其在D形光纤的表面上使用 一层具有可见折射率的材料，以及液晶层。参看S.M.Tseng et al.， “Low-Voltage Optical Fiber Switch”，Jpn.J.Appl.Optics，Part 2，Vol.37， L42-L45(1998)(S.M.Tseng等人，“低压光纤开关”，日本应用光学杂 志，Part 2，Vol.37，L42-L45(1998))。在该类型的光开关中，需要大 约30V的电压来打破13微米电极间距离的共振。该器件的一个缺点是 由液晶的慢响应所确定的相对低的操作速度。开关时间大约是7毫秒并 且液晶不能由频率为100Hz的ac电压来重定向。
存在已知具有电荷载流子注入器的电光器件例如光调制器。参看 E.R.Mustel et al.，“Light Modulation and Scanning Methods”，Nauka， Moscow(1970)(E.R.Mustel等人，“光调制和扫描方法”，Nauka， Moscow(1970))。该类型的光调制器在衬底上使用代表n型半导体薄 膜的一层电光材料。光沿着用作光波导的该薄膜传播。在该n型薄膜上 沉积的是一层p型半导体，其形成p-n结。该器件也包含一对电极，一 个与n型半导体薄膜欧姆接触，而另一个与p型半导体薄膜欧姆接触， 控制(dc或ac)电压施加到其上。当控制电压在正向上施加到p-n结 时，电荷载流子(空穴)注入到光波导(n型半导体薄膜)中。空穴向 光波导中的注入增加材料的光吸收，从而调制光。
该类型光调制器的一个缺点是p-n结的电流感应的加热，这需要采 取特殊的措施以使整个器件热稳定。另一个缺点是由在该器件中使用的 光调制机制强加于调制频率上的限制。实际上，通过p-n结注入的少数 电荷载流子的寿命对于空穴通常局限于大约10-6秒。由于这个原因，由 少数电荷载流子注入制导的光调制器仅可以在高达105-106Hz的频率操 作。穿过光波导的电流必须具有足够大的密度。该需求对于系统尺寸提 出限制。器件的尺寸越大，将密度维持在器件操作所必需的水平所需的 电流越高。与该电流穿过相关的另一个缺点是随着电流值增加的大的能 量消耗。
存在已知包含一层光学性质依赖于外加电场强度而改变的材料的电 光器件。参看WO 00/45202。这种材料的一个实例是铁电陶瓷。具有铁 电性质的陶瓷材料通常表现出双折射现象。因此，陶瓷层是电光材料并 且外加电场可以控制该器件。由于材料的铁电和电光性质的组合，该系 统可以用来控制和调制光纤通信系统，非线性光学器件，和电光器件例 如调制器，光闸，和倍频器等中的光信号。
观察到的光学效应与外加电场中的畴极化矢量的定向或重定向相 关。结果，陶瓷颗粒的光轴也定向或重定向。外加电场作用下电光陶瓷 材料中的畴的重定向伴有与场方向垂直的机械应力的发展。
铁电陶瓷的一个缺点在于，它们在关闭薄膜之后保持畴极化矢量的 定向任意长的时间。因此，必须采取附加的措施以便恢复初始状态，例 如施加具有反向极性和半幅的控制脉冲，机械地使陶瓷衬底变形，以及 施加小振幅的高频电场。铁电陶瓷的该性质使得电光器件的控制系统变 得复杂。
铁电陶瓷的另一个缺点是难以保证快的操作速度。实际上，给定调 制效率的光调制速率的增加需要增加控制电压振幅。这一事实和这种材 料中延迟的电光响应与畴壁的形成和重定向的能量消耗相关。例如，在 大约2μs的电脉冲持续时间，脉冲振幅必须比准静态控制电压大两倍； 为了将脉冲持续时间减小到1μs，脉冲振幅必须大三倍，等等。
另一个缺点是铁电陶瓷材料中固有的疲劳。在与光的空间调制相对 应的范围内对陶瓷材料施加应力(例如以局部再极化为代价)遭遇与场 感应极化的变形特性相关的困难。由于这个原因，电场，特别是大强度 (5kV/cm以上)电场的重复开关循环导致残余变形的积累。该残余变 形降低已调制光的光学对比度，这由电光铁电陶瓷层的不可逆极化来表 明。
上面器件的另一个缺点是铁电层特性的非常强的温度依赖。温度变 化导致控制器件光学性质的改变。为了排除温度漂移，必须提供具有热 稳定系统的控制器件，这增加能量消耗，使器件变得复杂，并且增加生 产成本。
使用铁电陶瓷的器件的显著缺点是引入到作为陶瓷板的强烈变形和 反压电效应的结果而处理的数据中的相位畸变的可能性。缺陷和内应力 的存在导致对制造过程参数非常敏感的这种材料性质的退化，使得器件 的生产成为困难的任务。
存在已知基于有机材料的电光器件。参看Forrest等人的美国专利 5,172,385号以及L.M.Blinov，“Electro-and Magneto-optics of Liquid Crystals”，Nauka，Moscow(1978)，pp.115，351，352(L.M.Blinov，“液晶 的电子和磁光学”，Nauka，Moscow(1978)，pp.115，351，352)。该 类型的器件包含两个电极，如果系统以射束传输模式操作，它们任意一 个都是透明的，或者如果系统以射束反射模式操作，它们是透明且反射 的。放置在电极之间的电光材料层代表液晶，其厚度(电极间距离)由 密封隔离片来确定。电极沉积在玻璃衬底上。
许多化学种类的有机分子提供可以在纤维光学，集成光学和光通信 中有效使用的广谱材料。
存在各种化学性质的有机物质的类和组，包括分子或分子链例如酞 菁，聚乙炔，芳香烃，共轭聚合物体系等，它们具有电介质，半导体， 甚至金属性质。这些分子的共同特征是上层结构的存在。存在已知基于 聚合材料(美国专利4,204,216；4,663,001；4,269,738；5,104,580； 3,775,177号；法国专利2,583,222号)，线性聚苯胺化合物的盐(美国专 利4,025,704号)，酞菁衍生物(美国专利5,525,811；6,051,702号)，有 机染料(美国专利3,844,843号)，和卟啉(美国专利3,992,205； 3,935,031号)的有机薄膜，其广泛地在现代电子器件中用作在光致电压 器件(美国专利4,164,431号)，太阳能电池(美国专利3,844,843号)， 以及极化器件(美国专利5,172,385号)中在光电子处理过程中产生电 荷载流子的层。
存在各种已知的方法用来形成有机薄膜和创造各向异性薄膜结构， 例如Langmuir-Blodgett技术(美国专利5,079,595号)，分子束外延 等。但是，使用液晶分子化合物的光学器件具有许多缺点，特别是，需 要特殊制备的衬底，对准层，或者高真空条件用于获得高度有序且干净 的结构。特殊高级技术被使用，甚至这些经常不能保证获得具有某种类 型的顺序的薄膜和保证所需的光学各向异性。
存在已知使用具有分散的有机染料(客)分子的液晶(主)基体的 电光材料的电光器件。参看I.K.Vereshchagin et al.，“Introduction to Optoelectronics”，p.173，Vysshaya Shkola，Moscow(1991)(I.K. Vereshchagin等人，“光电子学概论”，p.173，Vysshaya Shkola， Moscow(1991))，L.M.Blinov et al.，“Electrooptical Effects in Liquid Crystal Materials”，p.182，Springer-Verlag，New York(1994)(L.M. Blinov等人，“液晶材料中的电光效应”，p.182，Springer-Verlag，New York(1994))。控制器件基于客主交互作用原理操作，并且在结构上与 上面所述的类似，包括两个电极，如果系统以射束传输模式操作，它们 任意一个都是透明的，如果系统以射束反射模式操作，它们是透明且反 射的。放置在电极之间的电光材料层代表掺杂有染料分子的液晶。该层 的厚度(电极间距离)由放置在沉积到玻璃衬底上的电极之间的密封隔 离片来确定。液晶和染料的分子在平行于对准层的相同方向上定向。在 外加电压不存在的情况下，在染料分子的长轴中极化的光被吸收，并且 没有信号传输通过光学器件。染料中的该吸收与平行于染料分子长轴而 极化的光的电场驱动电子在分子的末端之间振荡，从而消耗射束能量的 事实相关。施加到电极的外加电压在液晶中形成电场。该场使液晶分子 旋转，从而使染料分子旋转(因为客主效应)，使得染料分子的长轴变 得垂直于光束的极化面。在这种情况下，染料分子中的电子不会受光束 的电场强迫移动。因此，光不吸收到液晶层中，并且射束传输通过光学 器件而没有显著损失。
上面光学器件的一个缺点是相对低的操作速度，其特征在于0.1秒 级的开关时间。该器件在降低的温度下操作不佳，在这种情况下，操作 速度进一步急剧减小。该器件具有不够的工作寿命，其总计大约104小 时。

因此，本发明的一个目的在于提供一种电光器件，其消除在上述已 知器件中固有的缺点。
本发明的另一个目的在于提供一种电光器件，其使用相当低的工作 电压。
本发明的再一个目的在于提供一种电光器件，其可以控制极化和非 极化的光波。
本发明的另一个目的在于提供一种电光器件，其创造用于光信号的 过滤，整流，和调制的电压控制有源器件。
本发明的又一个目的在于提供一种用于生产电光器件的低成本，节 省材料和能量的方法。
本发明的另一个目的在于提供一种基于液晶相中的净固相内容和涂 敷含水层的厚度来控制电光各向异性薄晶体薄膜的厚度的方法。
本发明的再一个目的在于提供一种电光器件，其可以获得电光效应 而不使电流穿过电光材料层。
本发明的再一个目的在于提供一种基于用于光纤通信的光纤的小尺 寸电光器件。
本发明的再一个目的在于提供一种电光器件，其具有依赖于外加电 场或光波电场的强度的折射率。
本发明的又一个目的在于提供一种电光器件，其具有在外加电场的 作用下漂移的光吸收带。
本发明的这些和其他目的由本电光器件以及制造该器件的方法来实 现。本发明的电光器件包括至少一个衬底，至少一对电极以及至少一层 电光材料。该电光材料代表光学各向异性薄晶体薄膜，并且包含具有芳 香环且具有沿着光轴之一、面间距(布喇格反射)为3.4±0.2的晶格 的分子。该电光材料具有依赖于电场强度的各向异性折射率和/或各向 异性吸收系数。
在另一种实施方案中，本发明提供一种制造电光器件的方法。根据 本方法，不等轴粒子的胶体体系沉积到至少一个电极上和/或到至少一 个衬底上和/或到至少一层各向同性或各向异性材料上以形成至少一层 电光材料。外部对准作用施加到胶体体系以形成胶体体系粒子的优选对 准。然后，胶体体系被干燥。然后，至少一个电极和/或至少一层各向 同性或各向异性材料在电光材料层的至少一部分上形成。
概括地说，本发明提供一种电光器件，包括一个衬底，一对电极以 及至少一层电光材料，其中至少一层电光材料代表光学各向异性薄晶体 薄膜，并且包含具有芳香环且具有沿着光轴之一、面间距(布喇格反 射)为3.4±0.2的晶格的分子，并且具有依赖于电场强度的各向异性 折射率和各向异性吸收系数中的至少之一。
根据本发明的上述电光器件，其中薄晶体薄膜由基于二色性有机染 料的溶致液晶形成。
根据本发明的上述电光器件，其中薄晶体薄膜包含具有杂环的分 子。
根据本发明的上述电光器件，其中一对电极连接到dc，或ac或脉 冲电压。
根据本发明的上述电光器件，其中至少一个电极的至少一部分由光 透明材料制成。
根据本发明的上述电光器件，其中至少一个电极由光非透明材料制 成，并且提供有用于穿过光束的透明窗口。
根据本发明的上述电光器件，其中至少一个电极的至少一部分在至 少一层电光材料的表面上形成。
根据本发明的上述电光器件，其中一对电极放置在至少一层电光材 料的相对表面上。
根据本发明的上述电光器件，其中一对电极放置在至少一层电光材 料的相同表面上。
根据本发明的上述电光器件，其中一对电极放置在至少一层电光材 料的相同端部上。
根据本发明的上述电光器件，其中一对电极放置在至少一层电光材 料的不同端部上。
根据本发明的上述电光器件，其中至少一层电光材料与该对电极中 至少一个电绝缘，并且电压施加到该对电极以在电光材料层中形成电 场。
根据本发明的上述电光器件，还包括在电光材料层和与电光材料层 相邻的电极之间形成的保护层，其用于防止电极与电光材料的物质扩 散。
根据本发明的上述电光器件，还包括在电光材料层和与电光材料层 相邻的电极之间形成的绝缘层。
根据本发明的上述电光器件，其中衬底的至少一部分由玻璃，或石 英，或聚合材料，或半导体，以结晶或非晶形式制成。
根据本发明的上述电光器件，其中衬底是具有纵轴的光波导。
根据本发明的上述电光器件，其中选自至少一层电光材料、电极、 各向同性或各向异性材料中的至少之一在光波导的侧表面上形成。
根据本发明的上述电光器件，其中选自至少一层电光材料、至少一 个电极、各向同性或各向异性材料中的至少之一在光波导的端部的表面 上形成。
根据本发明的上述电光器件，其中光波导提供有选自倾斜、锥形、 楔形中的至少之一的末端。
根据本发明的上述电光器件，其中至少一层电光材料的至少一个光 轴平行于光波导的纵轴。
根据本发明的上述电光器件，其中至少一层电光材料的至少一个光 轴在光波导的纵轴中周期性地改变方向。
根据本发明的上述电光器件，其中至少一层电光材料的至少一个光 轴垂直于光波导的纵轴。
根据本发明的上述电光器件，其中光波导是平面型的。
根据本发明的上述电光器件，其中光波导是单模的。
根据本发明的上述电光器件，其中光波导是多模的。
根据本发明的上述电光器件，其中光波导代表包含至少一个芯和一 个或多个反射包层的光纤，反射包层的折射率小于芯的折射率。
根据本发明的上述电光器件，其中光纤代表包含周期性或非周期性 纵向通道的系统的光子晶体类型的光纤，其中纵向通道装填有具有与波 导基体不同的折射率的材料。
根据本发明的上述电光器件，其中选自至少一层电光材料、至少一 个电极、各向同性或各向异性材料中的至少之一在光纤的反射包层的表 面上形成。
根据本发明的上述电光器件，其中选自至少一层电光材料、至少一 个电极、各向同性或各向异性材料中的至少之一在D形光纤的平整表面 上形成。
根据本发明的上述电光器件，其中光纤具有恒定横截面。
根据本发明的上述电光器件，其中光纤具有可变横截面，并且选自 至少一层电光材料、至少一个电极、各向同性或各向异性材料中的至少 之一在具有减小的横截面的光纤的至少一个区域中形成。
根据本发明的上述电光器件，其中电光器件代表包括至少两个输入 光纤和至少两个输出光纤的光耦合器。
根据本发明的上述电光器件，还包括在光纤的芯中形成的至少一个 长周期光栅。
根据本发明的上述电光器件，其中选自至少一层电光材料、至少一 个电极、各向同性或各向异性材料中的至少之一在光纤的反射包层的至 少一个区域中形成，该电光材料层与至少一个芯区域部分地重叠，在该 至少一个芯区域中形成一个长周期光栅。
根据本发明的上述电光器件，其中布喇格光栅在至少一层电光材料 中形成。
根据本发明的上述电光器件，其中至少一层电光材料具有平整表面 或者二阶表面。
根据本发明的上述电光器件，其中至少一层电光材料的各向异性吸 收系数依赖于施加到该层的电场的强度。
根据本发明的上述电光器件，包括至少两层电光材料，它们的主光 轴相对于彼此旋转0～90°。
根据本发明的上述电光器件，其中至少一层电光材料具有沿着光波 传播方向变化的厚度。
附图说明
当结合附随附图阅读时，本发明将从下面的描述中变得更加明白， 其中：
图1是说明根据本发明一种实施方案的电光器件的原理图。
图2是说明根据本发明一种实施方案包含非透明电极的电光器件的 原理图。
图3是说明根据本发明一种实施方案包含在上电极和光学各向异性 薄晶体薄膜之间形成的保护层的电光器件的原理图。
图4是说明根据本发明一种实施方案代表具有环形空腔的光调制器 的电光器件的原理图。
图5是说明根据本发明一种实施方案的电光器件的原理图，其中光 束在平行于外加电场的方向上在电光各向异性薄晶体薄膜中传播。
图6是说明根据本发明一种实施方案的电光器件的原理图，其中电 极部分地延伸到电光材料层的一个表面。
图7是说明根据本发明一种实施方案代表多层调制器单元的电光器 件的原理图。
图8是说明根据本发明一种实施方案的电光器件的原理图，其中衬 底代表具有芯和反射包层的光纤。
图9是说明根据本发明一种实施方案的电光器件的原理图，其中两 个圆柱形电极和电光层的有源(电压控制)系统在光纤上的两个区域中 形成。
图10是说明根据本发明一种实施方案的电光器件的原理图，其中 圆柱形电光材料层在光纤的反射包层的表面上形成。
图11是说明根据本发明一种实施方案的电光器件的原理图，其中 两个电极和电光层的有源(电压控制)系统在D形光纤的反射包层的平 整表面上形成。
图12是说明根据本发明一种实施方案的电光器件的原理图，其中 两个电极和电光层的有源(电压控制)系统在光纤的“中间细部”的区 域中形成。
图13是说明根据本发明一种实施方案的电光器件的原理图，其中 两个电极和电光层的有源(电压控制)系统在具有芯和反射包层的光纤 的平整端面上形成。
图14是说明基于具有倾斜端面的光纤的制导电光器件的原理图。
图15是说明根据本发明一种实施方案基于与图14中相同的原理操 作的电光器件的原理图。
图16是说明根据本发明一种实施方案基于具有在光纤芯中形成的 长周期光栅的光纤的电光器件的原理图。
图17是说明根据本发明一种实施方案具有在光纤芯中形成的两个 长周期光栅以及在光纤反射包层的表面上在两个光栅之间的区域中形成 的电极和电光层的有源系统的电光器件的原理图。
图18是说明根据本发明一种实施方案组合图16和17中描绘的器 件特征的电光器件的原理图。
图19是说明根据本发明一种实施方案，通过建立相应的折射率分 布来使用在电光材料层中形成的布喇格(Bragg)光栅的电光器件的原理 图。
图20是说明根据本发明一种实施方案，包括具有芯和反射包层的 两个单模D形光纤的电光器件的原理图，其中两个单模D形光纤以它 们朝向彼此的平整抛光表面旋转。
图21是说明根据本发明一种实施方案包括以它们朝向彼此的平整 抛光表面旋转的两个单模D形光纤的电光器件的原理图。

通常，本发明提供一种包括至少一个衬底，至少一对电极和至少一 层电光材料的电光器件。该至少一层电光材料代表光学各向异性薄晶体 薄膜并且包含具有芳香环且具有沿着光轴之一、面间距(布喇格反射) 为3.4±0.2的晶格的分子，并且具有依赖于电场强度的各向异性折射 率和/或各向异性吸收系数。
本发明的电光各向异性薄晶体薄膜具有独特的性质，包括小的厚 度，低的温度敏感性，折射率的高各向异性，吸收系数的各向异性，高 的二色性比，以及制造简单。这些独特性质由制造薄晶体薄膜的方法和 由材料的特征，也就是由当液晶涂敷到适当衬底上、对准和干燥时，通 过液晶相的结晶化而获得的特殊分子-结晶结构，其包含能够形成稳定 溶致或热致液晶相的至少一种有机化合物，来确定。本电光各向异性薄 晶体薄膜中的有机物质包括至少一种有机化合物，其分子式包括(i) 至少一个离子化基团，保证用于获得溶致液晶相的极性溶剂中的溶解 性，和/或(ii)至少一个非离子化基团，保证用于获得溶致液晶相的非 极性溶剂中的溶解性，和/或(iii)至少一个平衡离子，其在材料形成期 间可能保留或者可能不保留在分子结构中。
电光各向异性薄晶体薄膜包括一种或几种有机化合物的许多超分子 络合物，例如J.M.Lehn，“Supramolecular Chemistry：Concepts and Perspectives”，VCH，Weinheim(1995)(J.M.Lehn，“超分子化学：概念 和前景”，VCH，Weinheim(1995))中描述的那些。这些超分子络合 物以某种方式定向，以便提供透射光的导电性和极化。
电光各向异性薄晶体薄膜的基底材料的选择由共轭芳香环中π共轭 键的发达系统的存在以及由位于分子平面中并且进入键的芳香系统中的 基团例如胺、酚、酮等的存在来确定。分子和/或分子碎片具有平面构 造。这些可以是例如有机物质例如靛蒽醌(瓮蓝4)，1，4，5，8-四羧基二 萘嵌苯酸二苯咪唑(瓮红14)，3，4，9，10-四羧基二萘嵌苯酸二苯咪唑， 喹吖二酮(颜料紫色19)等，其衍生物(或者它们的混合物)能够形成 稳定的溶致液晶相。
当溶解在适当溶剂中时，这种有机化合物形成胶体体系(溶致液 晶)，其中分子聚集成构成体系动力单位的超分子络合物，参看PCT公 开WO 02/56066。该溶致液晶相基本上是体系有序状态的前身，在超分 子络合物的随后对准和溶剂去除期间，固态电光各向异性薄晶体薄膜由 其形成。
从具有超分子络合物的胶体体系制造电光各向异性薄晶体薄膜的本 方法包括下列步骤：
-将胶体体系涂敷到多层结构中的衬底或器件或层上。胶体体系典 型地具有通过维持预先设定的温度和某种浓度的分散相来提供的触变 性；
-通过任何外部作用例如加热、施加剪切应力将涂敷的胶体体系转 换成高流动状态以减小溶液的粘性。该作用可以在整个随后对准阶段期 间施加或者持续最小的必要时间，使得体系在对准期间不会松弛进入具 有增强粘性的状态。
-在体系上外部对准，其可以使用机械因素或者通过任何其他方 法，例如通过在正常或升高的温度施加外加电场，具有或不具有附加的 照明，磁场，或者光场(例如相干光致电压效应)来产生；外部对准的 程度应当足够将必要的定向提供给胶体体系的动力单位并且形成用作电 光各向异性薄晶体薄膜的晶格的基础的结构。
-将层的对准区域从由初始作用实现的减小粘性的状态转换成初始 或较高粘性的状态。该转换执行，以便不引起电光各向异性薄晶体薄膜 结构的失定向和不产生表面缺陷；以及
-最后干燥以去除溶剂，从而形成最终的电光各向异性薄晶体薄膜 结构。
在作为结果的电光各向异性薄晶体薄膜中，分子平面彼此平行并且 分子形成三维晶体结构，至少在晶体的部分中。生产技术的优化可以允 许电光各向异性单薄晶体薄膜的形成。该单晶体中的光轴垂直于分子平 面。这种薄晶体薄膜具有高度各向异性并且至少在一个方向上表现出高 折射率和/或高吸收系数。
本电光各向异性薄晶体薄膜的光学各向异性用分别在吸收系数和折 射率的角变量中表征的复数折射率的虚部和实部的椭圆体来描述。根据 本发明的光学各向异性薄晶体薄膜的复数折射率的虚部(Ki)和实部 (ni)的分量应当同时满足下列关系：
K1≥K2＞K3，
(n1+n2)/2＞n3。
其中K1，K2，K3和n1，n2，n3是薄晶体薄膜材料的各向异性复数 折射率的虚部和实部的椭圆体的半轴。
各向异性复数折射率的实部和虚部的分量，以及椭圆体主轴的方向 可以由常规椭圆度计和分光光度计技术来确定。
吸收系数(K1，K2，K3)和折射率(n1，n2，n3)的所需各向异 性，以及主轴的必要定向(也就是多层结构中电光各向异性薄晶体薄膜 的光学性质)可以通过在衬底表面处的极化薄膜中建立分子的某种角分 布来保证。
混合胶体体系(其导致化合超分子的形成)以便获得具有中间光学 特性的晶体薄膜也是可能的。在从混合的胶体溶液获得的电光各向异性 薄晶体薄膜中，吸收系数和折射率可以取由初始成分确定的界限内的各 种值。具有化合超分子的形成的不同胶体体系的这种混合因使用的有机 化合物的一个特性尺度(3.4±0.2的面间距)的一致而可能。
电光各向异性薄晶体薄膜的厚度由施加溶液中固态物质的内容来确 定。在这种层形成期间，方便地在工业生产条件下控制的技术参数是溶 液浓度。
最终晶体薄膜的结晶度可以由X射线衍射和/或由光学方法监控。
使用本方法，电光各向异性薄晶体薄膜可以在各种衬底材料上形 成，包括金属，半导体，电介质，晶体，多晶体，玻璃，聚合物等。而 且，本方法使得电光各向异性薄晶体薄膜能够在简单(平整)和复杂形 状(圆柱形，圆锥形，球形等)的各种表面上获得，这使得本电光各向 异性薄晶体薄膜能够在最复杂设计的电光器件中使用，例如在光纤的边 缘和侧面上，在这种光线的平整抛光侧面上，在光子晶体光纤(也就是 在芯中和/或在反射包层中包含纵向空气通道的系统的光纤)的内和外 表面中。
薄晶体薄膜涂敷于其上的衬底可以另外处理，以保证表面的均匀润 湿从而使表面亲水。可能的处理包括机械加工，退火，机械化学处理 等。在薄晶体薄膜涂敷之前，衬底表面可以被机械处理以形成各向异性 对准结构，这帮助所获得的薄晶体薄膜中分子序态程度的增加。
显著降低工作电压电平的可能性由100-500nm级上的各向异性晶体 薄膜的小厚度来保证，因为电场强度由外加电压(U)和薄膜厚度 (D)通过公式E＝U/D来确定。
创造用于极化和非极化光波的过滤、控制和整流的有源器件的可能 性通过使用具有电和光学各向异性以及高度双折射的材料来保证：厚度 为0.3微米的电光晶体薄膜具有Re(n0-ne)＝0.85的最大值。使用常规材 料，这种双折射典型地达到200微米的层厚度。参看P.Lazarev et al.， “Thin-Crystal Film Retarders”，Proc.7th Int.Workshop on Display Materials and Components，Kobe(Japan)，p.1159-60，November 29- December 1(2000)(P.Lazarev等人，“薄晶体薄膜缓凝剂”，第7届显 示材料与成分国际专题讨论会会议论文集，Kobe(日本)，p.1159-60， 11月29日-12月1日(2000))。薄晶体薄膜的折射率由外加电场确 定，并且可以与石英玻璃衬底的折射率显著不同。另外，薄晶体薄膜材 料是光敏的并且在激光辐射下改变它的光学特性。折射率依赖于光强。 本材料具有有趣的非线性光学性质。
本电光器件关于温度变化的低敏感性由与常规材料相比较具有高热 稳定性的薄晶体薄膜来保证。薄晶体薄膜可以在高达180℃的温度下在 空气或氩气中热处理长达四小时的时期，极化效率的损失不超过 0.8％。
本器件的高技术性质由薄晶体薄膜容易涂敷到任何形状的表面上， 技术设施和材料相对便宜来保证。电光材料的高技术性质，薄晶体薄膜 制造的容易，和质量监控的方便帮助本电光各向异性薄晶体薄膜应用于 光纤通信器件例如可控调制器，开关，耦合器，衰减器，滤波器等中。 使用这些薄晶体薄膜，能够创造小型光纤器件，因为小尺寸的晶体可以 容易地在复杂形状的表面例如光纤边缘或侧面上形成。光纤可以单独具 有非常小的尺寸。实际上，单模光纤的芯具有5-10微米的直径并且反 射包层直径总计125微米。
光纤可以由各种材料制成，包括石英玻璃，硫属化物和氟化物玻 璃，卤化铊和一些其他无机和有机，结晶和非结晶材料例如聚合物或它 们的化合物。存在三种主要类型的光纤：芯和反射包层都由玻璃制成的 全玻璃光纤；具有玻璃芯和塑料反射包层的玻璃-塑料系统；以及芯和 反射包层都由塑料制成的全塑料光纤。
光纤可以包含由不同材料制成的芯和/或一个或多个反射包层，这 些材料包括石英玻璃，氟化物和硫属化物玻璃，卤化铊多晶卤化物，以 及聚合物等。
直径从几十到数百微米的小尺寸电光各向异性薄晶体可以在所有上 述光纤材料上获得。这种材料的列表决不限制于上述实例。
本发明的电光光纤器件的制造包括电光各向异性薄晶体薄膜在复杂 几何形状表面上的形成。本方法使得电光各向异性薄晶体薄膜能够在包 括简单(平整)和复杂形状(圆柱形，圆锥形，球形等)的各种表面上 获得。因此，薄晶体薄膜也可以在光纤的圆柱形反射包层上，在平整倾 斜光纤端面上，和在D形光纤(被研磨使得抛光面接近光纤芯的弯曲光 纤，或者从具有D形横截面的空白中抽出的光纤并且芯位置接近平整表 面)的反射包层的平整抛光表面上形成。特别地，公开的方法使得薄晶 体薄膜能够在具有形成于芯材料中的至少一个长周期光栅的光纤的反射 包层表面上获得。这种光栅可以由任何适当的方法例如通过照射或者掺 杂材料来形成，并且提供光信号与电光各向异性薄晶体薄膜的更强交互 作用。因为涂敷的薄晶体薄膜是光敏的，布喇格和长周期光栅可以同样 地记录在该薄膜中。
各向异性薄晶体薄膜在电光器件中的使用基于这些材料的各向异性 折射率和吸收系数依赖于外加电场强度，薄膜厚度依赖于电场(电致伸 缩)，以及折射率依赖于光辐射场的电分量的事实。形成光纤或平面光 波导上的外部涂层的晶体薄膜与能够从光波导芯的制导层穿透进入电光 各向异性薄晶体薄膜中的导模交互作用。
本发明的电光器件现在将参考图1到21更详细地描述。
图1说明一种电光器件，其包括承载第一透明电极2，代表各向异 性薄晶体薄膜3的电光材料，以及第二透明电极2的顺序沉积层的衬底 1。衬底1可以由透明或非透明材料包括金属、半导体和电介质制成。 优选地，衬底1由玻璃，石英，或塑料制成。透明电极2可以由氧化锡 (SnO2)或氧化铟(In2O3)制成。具有300 Ohm/cm2及以下的电阻率 的SnO2层在400-500℃的马弗炉中由SnCl4或水合SnCl2的高温分解获 得。该技术可以用于在各向异性薄晶体薄膜涂敷之前在衬底上沉积电极 层。电极层可以是薄的或者厚的，依赖于应用需求例如透明性和低电 阻。SnO2层可以使用BF-2或BF-4的稀释乙醇溶液作为焊剂焊接到薄 金属导体。氧化铟层由10-5Torr真空中的阴极溅射来获得。阴极溅射是 技术上更高级的，并且可以产生具有与SnO2薄膜大约相同性质(机械 强度、光传输、电阻率)的氧化铟薄膜。如果透明传导性电极薄膜在玻 璃衬底上使用，使用Cu2S层也是可能的。电极连接到dc和/或ac偏压 源。
图2说明进一步包括非透明电极4的一种电光器件。该非透明电极 可以通过在真空中喷射金属例如铝在光学各向异性薄晶体薄膜的表面上 形成。非透明电极的其他候选材料是金，钛等。通过该系统的光传输由 窗口提供，该窗口例如通过沉积金属电极穿过掩模或者通过任何其他方 法来形成。
图3说明一种电光器件，其中附加的保护层5在上电极4和光学各 向异性薄晶体薄膜3之间提供。该保护层5防止电极物质和各向异性电 光材料的相互扩散。在铝电极的情况下，保护层5保护光电材料不受导 致器件退化的铝原子穿透。保护层5也可以用作防止电流穿过电光材料 的绝缘层。
图4说明在电光材料层3中提供有使用纵向电光效应的环状空腔、 代表光调制器的一种电光器件。这里，光束沿着空腔6的轴穿过构成关 于调制频率的下截止(渐渐消失)波导的窗口7和8。微波调制信号经 由馈通9提供到空腔。在该电光器件中，电场10与光束平行。传输光 通过电极的该方法在微波范围内是优选的。空腔可以看作一端缩短而另 一端负载有电光各向异性薄晶体薄膜的电容的同轴线的截面。
图5说明一种电光器件，其中光束在平行于外加电场10的方向上 在电光各向异性薄晶体薄膜中传播。在该电光器件中，电极2在电光材 料层3的端部上形成。光束通过光学棱镜11送入和离开电光材料。
图6说明与图5中所示的相类似的一种电光器件，除了电极2从端 部沿着电光材料层3的顶面延伸，并且光束经由具有倾斜端面的光波导 12送入和离开电光材料。
图7说明基于衬底1的代表多层调制器单元的一种电光器件。电光 材料层3由电极2分隔。电压施加到电极2，使得相邻的电光材料层中 的电场在相反方向上定向。在该器件中，光束传播方向与电场矢量之间 的角度是0或者180°。
图8说明一种电光器件，其中衬底代表具有芯13和反射包层14的 光纤。该器件执行光闸的功能。光纤的反射包层14由圆柱形电极层 12，继之以圆柱形电光材料层3和另一个电极层2覆盖。当外部调制电 压施加到电极2时，该器件如下操作。如果电光材料3其特征在于依赖 于施加到电极2的电压的反射率，已调制的控制电压改变电光层3和电 极2位于其中的区域中围绕光纤芯13的反射包层14的有效折射率neff- 。当有效折射率neff小于光纤芯的有效折射率时，光束将偏离反射包层 14朝向芯13，因此将被制导。如果有效折射率neff大于光纤芯的有效折 射率，光束将穿过电光材料层3而不反射。如果电光材料3其特征在于 依赖于外加电压的吸收系数，光束作为电光层3和电极2位于其中的区 域中光吸收的制导变化的结果来调制。本各向异性薄晶体薄膜具有折射 率no和ne以及吸收系数的非常高的各向异性。由于这个原因，如图8 中所示的器件使得不同极化的光模能够也如所描述地控制。
图9说明一种电光器件，其中两个圆柱形电极2和电光层3的有源 (电压控制)系统在光纤上的两个区域中形成。该器件提供更深的光调 制，并且也可以执行光闸的功能。
图10说明一种电光器件，其中圆柱形电光材料层3在具有芯13的 光纤的反射包层14的表面上形成。在该器件中，两个电极2如横截面 中描绘地排列在电光材料的相同外部圆柱形表面上。该器件如下操作。 控制电压的变化导致反射包层的有效折射率neff和/或电光层3的吸收系 数的改变。光束因它从光纤包层14反射(当neff小于光纤芯的折射率 时)，或者因从光纤发射(当neff大于光纤芯的折射率时)而调制。调制 的第二机制与电光材料的吸收系数的场感应变化有关。在该实施方案 中，器件可以用作光闸。因为高度的光学各向异性，公开的器件也可以 用来关于极化来控制光。
图11说明一种电光器件，其中两个电极2和电光层3的有源(电 压控制)系统在具有位置更接近平整分界面的芯13的D形光纤的反射 包层14的平整表面上形成。
图12说明一种电光器件，其中两个电极15和电光层16的有源 (电压控制)系统在光纤的“中间细部”的区域中形成。这种中间细部 可以通过光纤的局部加热和延伸而获得。在中间细部区域中，光纤具有 可变的横截面。使用器件中的中间细部的优点与这种区域中的光纤芯17 更接近在反射包层表面上形成的电光层18的事实有关。结果，在芯中 传播的光与电光材料交互作用更强烈。
图13说明一种电光器件，其中两个电极2和电光层3的有源(电 压控制)系统在具有芯13和反射包层14的光纤的平整端面上形成。通 过在电极2之间施加控制电压，能够从末端反射射束或者允许光穿过电 光材料。如果可变电场改变电光材料的吸收系数，光束或者实际上穿过 而没有衰减，或者完全吸收到电光层中。该器件可以使用多层结构代替 单个电光材料层3。多层结构可以包括具有折射率的高和低值和/或具有 相对于彼此以从0到90度的角度定向的主光轴的交替层。层的厚度可 以取等于λ/4n，其中λ是光波长而n是折射率。通常，这种多层结构可 以用作带通或带阻滤波器；低和高通滤波器也可以基于这种多层结构来 实现。
图14说明基于具有倾斜端面的光纤的一种电光器件。在该器件 中，两个电极2和电光层3的有源(电压控制)系统在具有芯13和反 射包层14的光纤的平整端面上形成。电光器件的该设计使得光束能够 从光纤中提取。与图13中所示的器件一样，该器件也可以使用多层结 构代替单个电光材料层3，包括一组光学各向同性和/或各向异性，电光 和/或非电光材料。
图15说明基于相同原理而操作的一种电光器件。在该实施方案 中，两个电极2和电光层3的有源(电压控制)系统在例如安装在衬底 1上的平面设计的光波导19的倾斜末端上形成。与图13和14中所示的 器件一样，该器件也可以使用多层结构代替单个电光层3。而且，该类 型的器件并不局限于图15中所示的几何形状。例如，光波导层可以提 供有锥形或楔形末端。
图16说明基于具有在光纤芯13中形成的长周期(100-160微米) 光栅20的光纤的一种电光器件。该光栅20将基光模，或者具有集中在 旁轴区域中的场的任何其他轴向导模转换成在反射包层中传播的外围 模，或者相反，将外围模转换成基模或者任何其他轴向导模。长周期光 栅保证轴向导模与外围模因相位同步条件的有效耦合。由于这个原因， 这种光栅增强光与在光纤的反射包层14的表面上形成的电极2和电光 层3的有源系统的交互作用。电光各向异性薄晶体薄膜选择性地与光束 交互作用，仅在与光栅周期相对应的模上作用。因为各向异性薄晶体薄 膜具有非常高的各向异性，公开的器件可以提供具有不同极化的模的选 择。另外，一旦薄晶体薄膜其特征在于吸收系数对电场的强依赖性时， 该器件也可以执行具有相对于吸收的所选波长的光的调制。
图17说明具有在光纤芯13中形成的两个长周期光栅20和在光纤 的反射包层14的表面上在两个光栅之间的区域中形成的电极2和电光 层3的有源系统的一种电光器件。这里，第一长周期光栅分离相应的模 并且将它们转换成在反射包层中传播的外围模，而第二长周期光栅驱动 这些模返回芯。电极和电光层的有源系统在反射包层中传播的光上作 用。类似于上面的实例，该器件可以执行具有相对于吸收的所选波长的 光的调制，因为薄晶体薄膜其特征在于吸收系数对电场的强依赖性。因 为薄晶体薄膜的各向异性，该器件也可以执行关于极化的光的调制。
图18说明作为如图16和17中所示器件的组合的一种电光器件。
图19说明通过建立相应的折射率分布来使用在电光材料层3中形 成的布喇格光栅21的一种电光器件，这可以通过薄膜组成的变化或者 由激光照射来实现。具有布喇格光栅21的电光层3放置在具有芯13和 反射包层14的D形光纤的平整抛光表面上。控制电压施加在沉积在电 光层3上的两个电极之间。场的施加更改布喇格光栅的性质，从而改变 从光栅反射的光的波长。
图20说明包括两个具有芯13和反射包层14的单模D形光纤的一 种电光器件，其中两个单模D形光纤以它们朝向彼此的平整抛光表面旋 转。包括两个电极2和电光材料3的有源多层结构限制在两个光线之 间。dc和/或ac控制电压施加在透明电极之间。该器件执行光开关的功 能，其操作基于依赖于电场强度的电光材料的折射率。折射率的场感应 改变更改由电光薄膜(波导芯)以及反射包层和电极材料(反射层)形 成的平面光波导结构制导的模的传播常数。平面光波导模的传播常数的 改变更改这些模与光纤的基模之间的共振条件。如果控制电压是这样的 使得具有给定波长的初始光信号与由电光薄膜形成的平面光波导的所有 导模都不共振，信号传输到第一光纤输出22。如果控制电压是这样的使 得具有给定波长的初始光信号处于与由电光薄膜形成的平面光波导的导 模之一的共振中，信号抽入到平面型波导中，并且当激发第二光纤的基 模时，传输到另一个输出23。
图21说明包括以它们朝向彼此的平整抛光表面旋转的两个单模D 形光纤的一种电光器件。限制在两个光纤中的是包括两个电极2和电光 材料层3的有源多层结构，长周期光栅例如通过激光照射形成于电光材 料层3中。施加在透明电极之间的dc和/或ac控制电压改变长周期光栅 的光学参数。这里，可见和近IR范围内的辐射的控制(光信号的调制 和/或在两个通道之间的开关)归因于保证不同光波导的模之间的相位 同步从而有效地耦合这些模的长周期光栅。
下面的实例被提供以说明本发明，而不打算以任何方式限制本发明 的范围。
实例1
该实例说明电光各向异性薄晶体薄膜由基于硫化靛蒽醌有机染料的 溶致液晶的制造。
薄膜由能够在室温下形成六方相的硫化靛蒽醌的9.5％水溶液制 备。该有机染料以不等轴超分子络合物的形式在溶液中出现，其形成目 标薄膜的晶体结构的基础。初始浆糊通过浇铸和扩散涂敷于干净的硅或 玻璃衬底上。然后胶体体系被处理以减小粘性为了随后对准步骤。作为 结果的溶液形成具有从1780减小到250mPa/s的粘性的向列相或向列 相和六方相的混合。胶体体系到高流动状态的该预先转变是在获得本发 明的高质量各向异性薄晶体薄膜之前的第一步。
接下来的操作是溶致液晶的胶体体系的动力单位的对准。对准作用 可以由各种技术来提供。在该实例中，对准使用具有绕线的Meyer擦 刮器(wiper)No.4以便控制湿层(wet layer)厚度为9.5mm来实现。 在对准过程期间，擦刮器速度为13m/s。擦刮器在层上作用期间出现的 剪切应力产生系统粘性的进一步减小。
最后阶段是干燥。溶剂去除的速率被控制到足够小，以不改变在前 面阶段形成的目标结构。在该实例中，干燥在室温和60％的湿度下执 行。
结果，获得厚度为0.3-0.4微米，具有光学和电性质的高度各向异 性的各向异性薄晶体薄膜。该薄膜其特征在于沿着薄膜表面的参数均匀 性以及从一批到另一批的良好可再现性。薄膜的高晶体结构完成由光学 方法和由X射线衍射来证实。
实例2
该实例说明本发明的电光器件的制造。
厚度为0.5微米的一层SnO2由常规方法形成。在该薄膜上，电光 各向异性薄晶体薄膜根据上述方法形成，其由厚度为10-20nm的保护醋 酸薄膜来填充。然后四毫米宽的铝条在真空中沉积在醋酸薄膜表面上。 最后，电极附加并连接到dc和/或ac控制电压源。
实例3
该实例说明基于D形光纤的电光器件的制造。
金属薄膜沉积在D形光纤的平整表面上。然后大约五到十微米宽的 间距由激光束形成，以将金属层划分成两个电极。最后，电光各向异性 薄晶体薄膜根据上述方法在该多层结构上形成。
关于优点，本发明的电光器件能够控制可见和近IR范围内的辐 射。本发明的电光器件包括具有依赖于外加电场和/或可见或IR辐射的 电场分量的强度的可变折射率和/或吸收系数的材料层。在本发明中使 用的电光材料具有许多有用的性质，包括折射率依赖于外加场强的线性 变化(Pockels效应)，折射率依赖于外加场强的二次变分(电光Kerr 效应)，光学Kerr效应，压电效应，和电致伸缩。本发明的电光器件可 以广泛用于控制光信号的振幅，相位和频率，改变辐射束的方向，产生 短的(纳秒和皮秒)光脉冲，和创造可调谐光滤波器，电光各向异性薄 晶体光调制器和开关，保护防止过高亮度的光学装置(辐射限制器)， 光束偏转器，和尤其在光纤通信系统中使用的其他光学器件。
虽然本发明参考上面详述的优选实施方案和实例来公开，应当理 解，这些实施方案和实例打算是说明性而不是限制性的，正如应当期 待，修改和组合将容易由本领域技术人员想到，该修改和组合将属于本 发明的范围和附加权利要求书的范围内。
相关申请
本申请要求2001年11月19日提交的俄国专利申请2001-131068号 的优先权，在此引用其全部公开内容作为参考。