干涉滤光片
阅读：945发布：2023-02-03
专利汇可以提供干涉滤光片专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 提供了一种干涉滤光片，其包括多层，而每一层具有实数和/或虚数折射率。实数和虚数折射率的数值取决于外 电场 的强度。对材料折射率和每层的厚度以及它们的组合进行选择，以便为入射光的至少一种偏振状态在至少一个 光谱 区提供干涉极值。至少一层由电光材料制成，该层是 各向异性 的并由至少一种芳香族有机材料制备。该芳香族有机材料的分子或分子 片段 具有平面结构。该电光材料层的至少一部分具有 晶体结构 ，其中沿光轴之一的分子间间距为3.4±0.3。，下面是干涉滤光片专利的具体信息内容。
1.一种干涉滤光片，包括多层，而每一层具有实数和/或虚数折 射率，所述折射率的数值取决于外电场的强度，
其中每层的折射率和厚度以及它们的组合经过选择，以 便为入射光的至少一种偏振状态在至少一个光谱区提供干涉 极值，以及
至少一层用电光材料制成，所述电光材料是各向异性的 并由至少一种芳香族有机材料制成，所述芳香族有机材料的分 子或分子片段具有平面结构，并且所述至少一层的至少一部分 具有晶体结构，其沿光轴的分子间间距为
2.根据权利要求1所述的干涉滤光片，其中至少一层所述各向异 性的电光材料经过二价和三价金属离子处理。
3.根据权利要求1所述的干涉滤光片，其中所述至少一种芳香族 有机材料的分子含有杂环。
4.根据权利要求1所述的干涉滤光片，其中至少一层所述各向异 性的电光材料是由基于至少一种二向色染料的溶致液晶制成。
5.根据权利要求1所述的干涉滤光片，其特征在于，至少一层所 述各向异性的电光材料的复折射率的虚数K1、K2、K3部分和 实数n1、n2、n3部分满足以下的相互关系：
K1≥K2＞K3，以及
(n1+n2)/2＞n3。
6.根据权利要求1所述的干涉滤光片，其中所述干涉滤光片的所 述层是平的。
7.根据权利要求1所述的干涉滤光片，进一步包括至少一个漫反 射或镜面反射基片、或用光学透明材料制成的基片。
8.根据权利要求7所述的干涉滤光片，其中所述基片用玻璃和/ 或石英、和/或聚合物半导体制成，所述基片是结晶的或非晶 的。
9.根据权利要求1所述的干涉滤光片，其中至少一个平面光波导 或圆柱状光波导的侧壁表面用作所述滤光片的基片。
10.根据权利要求1所述的干涉滤光片，其中至少一个光波导的至 少一个对接端表面用作所述滤光片的基片。
11.根据权利要求9所述的干涉滤光片，其中至少一个光波导是单 模。
12.根据权利要求9所述的干涉滤光片，其中至少一个光波导是多 模。
13.根据权利要求9所述的干涉滤光片，其中至少一个光波导含有 至少一个芯和一个或多个包层，所述包层的折射率小于所述至 少一个芯的折射率。
14.根据权利要求1所述的干涉滤光片，其中至少一个D形光波 导的平的侧表面用作所述滤光片的基片。
15.根据权利要求1所述的干涉滤光片，其中所述滤光片形成在至 少一个光波导的至少一个对接端上，所述对接端相对于所述波 导的轴是倾斜的，角度为0至90度。
16.根据权利要求1所述的干涉滤光片，进一步包括至少一个选自 由偏振层，相位差层，配向层，保护层，镜面反射或漫反射层， 或功能相当于所述各层中至少任意两层结合而它们同时起作 用的层构成的组中的层。
17.根据权利要求1所述的干涉滤光片，进一步包括至少一对电 极，所述一对电极在DC或AC电压下。
18.根据权利要求17所述的干涉滤光片，其中至少所述电极之一 的至少一部分是由光学透明材料制成的。
19.根据权利要求17所述的干涉滤光片，其中至少所述电极之一 的至少一部分是由光学非透明材料制成的，其具有至少一个对 于光束透明的窗。
20.根据权利要求17所述的干涉滤光片，其中至少一对电极配置 于至少一层电光材料的相反表面。
21.根据权利要求17所述的干涉滤光片，其中至少一对电极配置 于至少一层电光材料的一个表面。
22.根据权利要求17所述的干涉滤光片，其中至少一对电极配置 于至少一层光电材料的至少一个对接端。
23.根据权利要求17所述的干涉滤光片，其中至少一对电极配置 于至少一层电光材料的不同对接端。
24.根据权利要求17所述的干涉滤光片，其中，至少一层电光材 料与至少一个电极没有电接触，所述至少一个电极属于至少一 对电极，并且施加于所述对电极的电压在所述电光材料层中产 生电场。
25.根据权利要求9至15中任一项所述的干涉滤光片，其中所述 光波导的至少一个芯进一步包括至少一个光栅。
26.根据权利要求25所述的干涉滤光片，其形成在所述光波导的 包层的至少一部分上，并且至少部分地与包括至少一个光栅的 所述芯的至少一个区域重叠。
27.根据权利要求16至24中任一项所述的干涉滤光片，进一步包 括至少一个光波导，其中所述光波导的至少一个芯进一步包括 至少一个光栅。
28.根据权利要求27所述的干涉滤光片，其形成在所述光波导的 包层的至少一部分上，并且至少部分地与包括至少一个光栅的 所述芯的至少一个区域重叠。
技术领域
背景技术
滤光片在许多应用中都具有重要作用。例如，它们被广泛用于 窗户、太阳墨镜以及其它光学器件(装置)中，其用来滤出某些光 波，如紫外线。滤光片还广泛用于光纤通信装置(器件)。例如， 这样的滤光片可用作带通透射滤光片，用于阻止噪声或抽运(泵激) 信号。带通透射滤光片还用于多路复用器中的信道选择。某些光纤 装置使用特定的滤光片，以便进行解调或将光信号分离成若干离散 信号。此外，滤光片在光电应用中还用于光学逻辑设计(方案)。 滤光片不仅用于在波长的工作谱带透射光信号，而且用于在所希望 的波长谱带反射光信号，例如，滤光片可以这样形成，以使它们例 如在可见光范围反射特定波长的光。反射式滤光片与光学放大器或 激光器一起使用，用作光纤通信装置中的遮光滤光片(用以阻止噪 声和抽运信号)。滤光片可以用于制作反射镜。除此之外，它们还 可以用于显示器。
有一种已知的干涉滤光片(R.Ditchbern，Physical Optics；R.W. Ditchburn，“Light”，Blackie，& Son Limited，London，Glasgow)，其以 下述方式制作。将光学透明基片涂覆上具有不同折射率的多个薄层 的透明材料。这些层称作干涉层，并且可以通过控制这些层的厚度 或折射率而改变光信号的透射系数，或换言之，改变滤光片的滤光 性能。例如，干涉滤光片有时用于构造窗户。将具有不同折射率的 各种透明材料的交替层涂覆于窗户的表面。材料的厚度和折射率经 过选择以使滤光片阻断不希望波长范围的光，例如，紫外线；或换 言之，滤光片反射所选择的波长，即起反射镜的作用。虽然这些类 型的滤光片是有效的，但它们具有一些缺点。这样的滤光片的特性 由交替层的组成和厚度所决定。此外，这样的干涉滤光片的滤光性 能在制备后就不能再改变。并且，在需要控制滤光过程的场合，不 能使用这些干涉滤光片。
有一种已知的干涉滤光片(M.Born，E.Volf，《Basics of Optics》； and Max Born，Emil Wolf，《Principles of Optics》，second edition， Pergamon Press，1964)，其包括两组具有不同折射率的材料的交替 层。每对交替层具有低折射率层和高折射率层。这样的滤光片称为 法布里-珀罗标准具。为了将法布里-珀罗标准具调谐到所希望的波 长范围，可以使用两组层，其由特定的隔离物分开，同时每组层中 具有高折射率的层配置于彼此的前面。借助所述的隔离物(通常用 石英制成)可以高精度地保持两层之间的必要距离。所述隔离物相 当于标准具。两组交替层之间的间隙填充有具有低折射率的材料。 为了制作法布里-珀罗标准具和可调节的滤光片，必须包括移动发生 器以使两组交替层彼此相对地移动。通过增加或减小法布里-珀罗标 准具中的上述两组层之间的距离，就可以控制正被滤波的波长谱 带。虽然这样的可调节滤光片被广泛应用，尤其在光纤电子设备中， 但这些滤光片具有明显的缺点。如以上所述，至少这些滤光片的一 些使用移动发生器以便改变两组交替层之间的间隙。对移动发生器 和移动机构的移动提供精确控制是一个复杂的机械问题。除此之 外，这些移动发生器通常具有较大的时间常数。应当注意到，相对 于系统中的其它电和/或光学元件，移动发生器通常是较大的。
美国专利第4,358,851号描述了一种已知的光纤装置，其包括 纤维干涉滤光片的组合。这样的装置用于光学通信系统，用来选择 一定波长的信号或选择来自光辐射源的一定范围的波长。如果光辐 射源是半导体激光器，那么该装置也可以用于在选择的波长内或在 波长的选择范围内控制单纵模。已知的光纤装置是用于光学通信系 统的。干涉滤光片的特点在于工作带宽较窄，并且它们能够在选择 的波长内透射或反射信号。该已知装置包括多层光学结构，其制作 在光纤的末端。包括在该装置中的干涉滤光片可以用于将选择波长 的信号从光源透射到光纤，并将所有其它波长回射到光源。可以以 这样的方式设计滤光片，以使它反射所有波长的入射光信号。该滤 光片也可以作为对选择波长的光信号进行部分反射的滤光片(拒波 滤光片)而工作，在这种情况下选择的信号被回射到光源，同时所 有其它波长的信号被传到光学通信系统。这种已知的光学器件是用 于反射或透射半导体激光器，如GaAs/GaAlAs注入式激光器的光学 辐射。干涉滤光片的工作带宽是在激光器的工作波长的限度内，以 使滤光片在激光器的光辐射范围内透射至少一个选择波长的光信 号。在这种情况下，被反射的其余波长的信号向激光器提供光学反 馈。已知的滤光片可以用于透射来自半导体激光器的所希望波长的 光信号，以及用于透射窄带宽的激光辐射。已知的滤光片可以用于 包括相干辐射源或非相干辐射源的光学器件，其输出信号是数个光 纤系统的入射。在那些光纤的每一劈裂端面有一干涉滤光片，其用 于透射某一波长的光信号。因此，每一光纤引导来自光源的具有其 自身波长的信号。这样的装置能够从多频率信号源分离出各种颜色 的光信号。这种光学器件的缺点是不可能控制其光学特性。
美国专利第5,434,943号描述了一种已知的可控滤光片。这种 可调节的滤光片包括波导层，该波导层配置于第一接触层和第二接 触层之间的基片。该滤光片的调节是通过流经它的电流来进行的， 其又依次将移动电荷载流子注入波导层。注入的电荷载流子会改变 波导材料的折射率。虽然这种可调节滤光片和可重新配置的法布里 -珀罗标准具相比具有优点，因为它并不使用移动发生器来进行调 谐，但它同样具有一些缺点。这种可调节的滤光片需要相对较高的 电流密度，以便刺激电荷载流子注入波导区。这种高电流密度的要 求限制了可以制备的滤光片的大小和形状。滤光片的尺寸越大，其 工作所需要的电流密度就越高。
有一种已知的滤光片，该滤光片是基于包括光学各向异性层的 多层结构(参见N.P.Gvozdeva et al.，Physical Optics.M.： Maschinostroenie，1991)。这样的滤光片是干涉偏振式(IFP)滤光 片，其工作是基于偏振光线的干涉。这样的滤光片的明显特点是可 以选择非常窄的谱带(高达10-2nm)而没有背景噪声。经常为了制 作干涉式偏振滤光片的单个层，而使用各种晶体薄板，例如，晶体 石英或冰洲石。这样的滤光片的缺点包括难以制备和调谐。
美国专利第5,037,180号描述了一种已知的滤光片，它被制作 在光纤的劈裂端面上。这样的滤光片由多层薄膜结构组成，在多层 薄膜结构内具有较低和较高折射率的材料层是交替的。这样的光纤 滤光片适用于长波长、法布里-珀罗标准具及其它。置于单模光纤的 劈裂端面上的滤光片，其垂直于光纤的轴，将更大部分的入射能量 回射到光信号源。被反射的能量传播回到激光器或光学放大器的出 口，并导致光学器件的自发激发。因此，这种滤光片的变化形式之 一是多层薄膜光学结构，其形成在光纤倾斜的对接端(slanted butt-end)表面。在这种情况下，被反射的能量并不回到光辐射源， 而是被引导离开光纤。这样的滤光片的缺点是不可能调节其特性， 如波长谱带，在该波长谱带内它透射、拒斥(reject)或反射光信号。
美国专利第3,610,729号描述了一种已知的多层偏振片，该多 层偏振片的操作是基于在多层光学结构中光的干涉。该已知偏振片 属于这类偏振片：即，在其出口处透射的光呈现偏振状态，并且从 该偏振片反射的光也呈现偏振状态。此外，透射光的偏振状态和反 射光的偏振状态是相互正交的。大多数反射类型偏振片相当难制 造，它们笨重、昂贵，且很少用于偏振可见光。因此非常需要一种 偏振片，偏振片能够有效和线性地偏振和透射更大部分的入射光， 同时反射正交偏振的光。为了获得这样的性能，已知的偏振片是一 种多层光学结构。这些层可以由双折射和各向同性材料依次制备， 同时双折射材料的两个折射率之一大约等于相邻层的各向同性材 料的折射率。在已知偏振片的另一种变化形式中，这些层可以依次 由两种不同的双折射材料制备。在这种情况下，其中一种材料的两 个折射率中的较低折射率大致等于另一种材料的较高折射率。
当在一定波长谱带内的光入射到偏振片上时，它被偏振片分成 两束光线。第一光线通过偏振片的交替层，并变成为线性偏振的。 另一光线则由偏振片反射，也变成为线性偏振的，并且其偏振状态 正交于第一(透射)光线的偏振状态。所述层的厚度等于入射光的 四分之一波长。在这种情况下，偏振光线的反射系数和透射系数假 定为最大值，接近入射光的50％。
因此，这种已知装置-多层偏振片-同时是用于光的一种偏振 状态的反射滤光片和用于光的另一种偏振状态的透射滤光片。
制备薄层的一种可能的方法是真空淀积，其能够几乎在分子水 平上对层的厚度进行精确控制。制备多层偏振片的另一种方法是利 用挤出和拉伸的结合。这对双折射聚合物薄膜具有取向效应。为达 到偏振片的所需特性所需要的交替层的数目在很大程度上取决于 所用材料的折射率。通过在偏振片的结构中使用大量的交替层有可 能增强偏振片的特性。通常，交替层的数目越大越好。然而，由于 真空淀积法相当复杂并且耗时，因此该方法限制了可能结合(整合) 入的偏振片的层的数目。多层结构的真空淀积工艺是机械上不稳定 的，这是因为由于淀积的结果使单个层通常以高能态存在，因此还 会散射光。结合的挤出工艺克服了这些困难。这种工艺能够制备具 有大量非常薄的交替层的偏振片。此外，此工艺能够在一次连续操 作中由两种或两种以上的材料来制备层，其中结构不稳定性、机械 应力和光散射都不明显。在已知的偏振片中，可以用各种材料作为 双折射材料。例如，该材料可以由9份对苯二甲酸和1份间苯二甲 酸的混合物组成。已经发现，这种材料具有两个折射率：1.436和 1.706。另外，可以使用这样的双折射聚合物材料，如泡沫聚苯乙烯、 聚甲基丙烯酸甲酯、聚砜以及聚对苯二甲酸乙二醇酯。其它材料也 可以用来形成双折射层，并且可以加以优化以使在两个折射率之间 具有最大可能的差异。事实上，通过利用在折射率之间具有较大差 异的双折射材料可以显著减少偏振片中的层数。各向同性层可以用 众多不同的材料制成，条件是它们的折射率大致等于在该各向同性 层两侧使用的双折射材料的两个折射率中的一个。可用于此目的的 材料包括氟化聚合物、氟化镁以及纤维素的乙酰丁酸酯。各向同性 层也可以利用真空淀积制成，其制造方式要使得它们的厚度可以精 确地加以控制。各向同性层可以利用挤压出同时制备双折射层来制 备。
这种干涉式光学器件的缺点是，它不能调节其光学特性，如透 射谱带或反射谱带。
WO 00/45202描述了一种已知的可调节干涉滤光片，该可调节 干涉滤光片包括两组交替的介电层，其制备在彼此的顶部并且用两 种不同的介电材料制成。第一和第二介电材料具有不同的折射率。 该已知滤光片还包括配置于第一和第二组交替层之间的中间层。重 要的是，该中间层的材料具有随外加电场的数值而变化的折射率。 此外，第一组交替层设置在用光学透明材料制成的基片上。这样的 可调节干涉滤光片并不具有以上列举的滤光片所固有的上述缺点。 尤其是，如上所提到的，这种滤光片包括一种材料的中间层，该材 料具有随外加电场的数值而变化的折射率。通过改变电场，可以控 制这种滤光片的操作，以便在所希望的波长范围内对入射光进行透 射或反射。由于通过电场可以控制中间层的折射率，因此可以调节 滤光片的光学特性而无需改变交替层的厚度，或者也不必机械移动 滤光片的单个部件。因此，可以更容易地改变滤光片的特性，同时 可以显著地减小系统的时间常数。此外，由于折射率可以随着穿过 中间层施加的电场的变化而改变，因此这样的滤光片可以制成各种 形状并且可以制备成大小不同的尺寸。
这种已知的干涉滤光片的缺点之一是，必须使用大量的交替 层。因此，为了获得高反射系数，必须淀积达100-600之多的层， 这些层的淀积提出了复杂的技术问题并且需要特别精确的设备。
有一种已知的干涉滤光片(R.Ditchbern，Physical Optics；R.W. Ditchburn，“Light”，Blackie，& Son Limited，London，Glasgow)，其以 下述方式制作。将光学透明基片涂覆上具有不同折射率的多个薄层 的透明材料。这些层称作干涉层，并且可以通过控制这些层的厚度 或折射率而改变光信号的透射系数，或换言之，改变滤光片的滤光 性能。例如，干涉滤光片有时用于构造窗户。将具有不同折射率的 各种透明材料的交替层涂覆于窗户的表面。材料的厚度和折射率经 过选择以使滤光片阻断不希望波长范围的光，例如，紫外线；或换 言之，滤光片反射所选择的波长，即起反射镜的作用。虽然这些类 型的滤光片是有效的，但它们具有一些缺点。这样的滤光片的特性 由交替层的组成和厚度所决定。此外，这样的干涉滤光片的滤光性 能在制备后就不能再改变。并且，在需要控制滤光过程的场合，不 能使用这些干涉滤光片。
有一种已知的干涉滤光片(M.Born，E.Volf，《Basics of Optics》； and Max Born，Emil Wolf，《Principles of Optics》，second edition， Pergamon Press，1964)，其包括两组具有不同折射率的材料的交替 层。每对交替层具有低折射率层和高折射率层。这样的滤光片称为 法布里-珀罗标准具。为了将法布里-珀罗标准具调谐到所希望的波 长范围，可以使用两组层，其由特定的隔离物分开，同时每组层中 具有高折射率的层配置于彼此的前面。借助所述的隔离物(通常用 石英制成)可以高精度地保持两层之间的必要距离。所述隔离物相 当于标准具。两组交替层之间的间隙填充有具有低折射率的材料。 为了制作法布里-珀罗标准具和可调节的滤光片，必须包括移动发生 器以使两组交替层彼此相对地移动。通过增加或减小法布里-珀罗标 准具中的上述两组层之间的距离，就可以控制正被滤波的波长谱 带。虽然这样的可调节滤光片被广泛应用，尤其在光纤电子设备中， 但这些滤光片具有明显的缺点。如以上所述，至少这些滤光片的一 些使用移动发生器以便改变两组交替层之间的间隙。对移动发生器 和移动机构的移动提供精确控制是一个复杂的机械问题。除此之 外，这些移动发生器通常具有较大的时间常数。应当注意到，相对 于系统中的其它电和/或光学元件，移动发生器通常是较大的。
美国专利第4,358,851号描述了一种已知的光纤装置，其包括 纤维干涉滤光片的组合。这样的装置用于光学通信系统，用来选择 一定波长的信号或选择来自光辐射源的一定范围的波长。如果光辐 射源是半导体激光器，那么该装置也可以用于在选择的波长内或在 波长的选择范围内控制单纵模。已知的光纤装置是用于光学通信系 统的。干涉滤光片的特点在于工作带宽较窄，并且它们能够在选择 的波长内透射或反射信号。该已知装置包括多层光学结构，其制作 在光纤的末端。包括在该装置中的干涉滤光片可以用于将选择波长 的信号从光源透射到光纤，并将所有其它波长回射到光源。可以以 这样的方式设计滤光片，以使它反射所有波长的入射光信号。该滤 光片也可以作为对选择波长的光信号进行部分反射的滤光片(拒波 滤光片)而工作，在这种情况下选择的信号被回射到光源，同时所 有其它波长的信号被传到光学通信系统。这种已知的光学器件是用 于反射或透射半导体激光器，如GaAs/GaAlAs注入式激光器的光学 辐射。干涉滤光片的工作带宽是在激光器的工作波长的限度内，以 使滤光片在激光器的光辐射范围内透射至少一个选择波长的光信 号。在这种情况下，被反射的其余波长的信号向激光器提供光学反 馈。已知的滤光片可以用于透射来自半导体激光器的所希望波长的 光信号，以及用于透射窄带宽的激光辐射。已知的滤光片可以用于 包括相干辐射源或非相干辐射源的光学器件，其输出信号是数个光 纤系统的入射。在那些光纤的每一劈裂端面有一干涉滤光片，其用 于透射某一波长的光信号。因此，每一光纤引导来自光源的具有其 自身波长的信号。这样的装置能够从多频率信号源分离出各种颜色 的光信号。这种光学器件的缺点是不可能控制其光学特性。
美国专利第5,434,943号描述了一种已知的可控滤光片。这种 可调节的滤光片包括波导层，该波导层配置于第一接触层和第二接 触层之间的基片。该滤光片的调节是通过流经它的电流来进行的， 其又依次将移动电荷载流子注入波导层。注入的电荷载流子会改变 波导材料的折射率。虽然这种可调节滤光片和可重新配置的法布里 -珀罗标准具相比具有优点，因为它并不使用移动发生器来进行调 谐，但它同样具有一些缺点。这种可调节的滤光片需要相对较高的 电流密度，以便刺激电荷载流子注入波导区。这种高电流密度的要 求限制了可以制备的滤光片的大小和形状。滤光片的尺寸越大，其 工作所需要的电流密度就越高。
有一种已知的滤光片，该滤光片是基于包括光学各向异性层的 多层结构(参见N.P.Gvozdeva et al.，Physical Optics.M.： Maschinostroenie，1991)。这样的滤光片是干涉偏振式(IFP)滤光 片，其工作是基于偏振光线的干涉。这样的滤光片的明显特点是可 以选择非常窄的谱带(高达10-2nm)而没有背景噪声。经常为了制 作干涉式偏振滤光片的单个层，而使用各种晶体薄板，例如，晶体 石英或冰洲石。这样的滤光片的缺点包括难以制备和调谐。
美国专利第5,037,180号描述了一种已知的滤光片，它被制作 在光纤的劈裂端面上。这样的滤光片由多层薄膜结构组成，在多层 薄膜结构内具有较低和较高折射率的材料层是交替的。这样的光纤 滤光片适用于长波长、法布里-珀罗标准具及其它。置于单模光纤的 劈裂端面上的滤光片，其垂直于光纤的轴，将更大部分的入射能量 回射到光信号源。被反射的能量传播回到激光器或光学放大器的出 口，并导致光学器件的自发激发。因此，这种滤光片的变化形式之 一是多层薄膜光学结构，其形成在光纤倾斜的对接端(slanted butt-end)表面。在这种情况下，被反射的能量并不回到光辐射源， 而是被引导离开光纤。这样的滤光片的缺点是不可能调节其特性， 如波长谱带，在该波长谱带内它透射、拒斥(reject)或反射光信号。
美国专利第3,610,729号描述了一种已知的多层偏振片，该多 层偏振片的操作是基于在多层光学结构中光的干涉。该已知偏振片 属于这类偏振片：即，在其出口处透射的光呈现偏振状态，并且从 该偏振片反射的光也呈现偏振状态。此外，透射光的偏振状态和反 射光的偏振状态是相互正交的。大多数反射类型偏振片相当难制 造，它们笨重、昂贵，且很少用于偏振可见光。因此非常需要一种 偏振片，偏振片能够有效和线性地偏振和透射更大部分的入射光， 同时反射正交偏振的光。为了获得这样的性能，已知的偏振片是一 种多层光学结构。这些层可以由双折射和各向同性材料依次制备， 同时双折射材料的两个折射率之一大约等于相邻层的各向同性材 料的折射率。在已知偏振片的另一种变化形式中，这些层可以依次 由两种不同的双折射材料制备。在这种情况下，其中一种材料的两 个折射率中的较低折射率大致等于另一种材料的较高折射率。
当在一定波长谱带内的光入射到偏振片上时，它被偏振片分成 两束光线。第一光线通过偏振片的交替层，并变成为线性偏振的。 另一光线则由偏振片反射，也变成为线性偏振的，并且其偏振状态 正交于第一(透射)光线的偏振状态。所述层的厚度等于入射光的 四分之一波长。在这种情况下，偏振光线的反射系数和透射系数假 定为最大值，接近入射光的50％。
因此，这种已知装置-多层偏振片-同时是用于光的一种偏振 状态的反射滤光片和用于光的另一种偏振状态的透射滤光片。
制备薄层的一种可能的方法是真空淀积，其能够几乎在分子水 平上对层的厚度进行精确控制。制备多层偏振片的另一种方法是利 用挤出和拉伸的结合。这对双折射聚合物薄膜具有取向效应。为达 到偏振片的所需特性所需要的交替层的数目在很大程度上取决于 所用材料的折射率。通过在偏振片的结构中使用大量的交替层有可 能增强偏振片的特性。通常，交替层的数目越大越好。然而，由于 真空淀积法相当复杂并且耗时，因此该方法限制了可能结合(整合) 入的偏振片的层的数目。多层结构的真空淀积工艺是机械上不稳定 的，这是因为由于淀积的结果使单个层通常以高能态存在，因此还 会散射光。结合的挤出工艺克服了这些困难。这种工艺能够制备具 有大量非常薄的交替层的偏振片。此外，此工艺能够在一次连续操 作中由两种或两种以上的材料来制备层，其中结构不稳定性、机械 应力和光散射都不明显。在已知的偏振片中，可以用各种材料作为 双折射材料。例如，该材料可以由9份对苯二甲酸和1份间苯二甲 酸的混合物组成。已经发现，这种材料具有两个折射率：1.436和 1.706。另外，可以使用这样的双折射聚合物材料，如泡沫聚苯乙烯、 聚甲基丙烯酸甲酯、聚砜以及聚对苯二甲酸乙二醇酯。其它材料也 可以用来形成双折射层，并且可以加以优化以使在两个折射率之间 具有最大可能的差异。事实上，通过利用在折射率之间具有较大差 异的双折射材料可以显著减少偏振片中的层数。各向同性层可以用 众多不同的材料制成，条件是它们的折射率大致等于在该各向同性 层两侧使用的双折射材料的两个折射率中的一个。可用于此目的的 材料包括氟化聚合物、氟化镁以及纤维素的乙酰丁酸酯。各向同性 层也可以利用真空淀积制成，其制造方式要使得它们的厚度可以精 确地加以控制。各向同性层可以利用挤压出同时制备双折射层来制 备。
这种干涉式光学器件的缺点是，它不能调节其光学特性，如透 射谱带或反射谱带。
WO 00/45202描述了一种已知的可调节干涉滤光片，该可调节 干涉滤光片包括两组交替的介电层，其制备在彼此的顶部并且用两 种不同的介电材料制成。第一和第二介电材料具有不同的折射率。 该已知滤光片还包括配置于第一和第二组交替层之间的中间层。重 要的是，该中间层的材料具有随外加电场的数值而变化的折射率。 此外，第一组交替层设置在用光学透明材料制成的基片上。这样的 可调节干涉滤光片并不具有以上列举的滤光片所固有的上述缺点。 尤其是，如上所提到的，这种滤光片包括一种材料的中间层，该材 料具有随外加电场的数值而变化的折射率。通过改变电场，可以控 制这种滤光片的操作，以便在所希望的波长范围内对入射光进行透 射或反射。由于通过电场可以控制中间层的折射率，因此可以调节 滤光片的光学特性而无需改变交替层的厚度，或者也不必机械移动 滤光片的单个部件。因此，可以更容易地改变滤光片的特性，同时 可以显著地减小系统的时间常数。此外，由于折射率可以随着穿过 中间层施加的电场的变化而改变，因此这样的滤光片可以制成各种 形状并且可以制备成大小不同的尺寸。
这种已知的干涉滤光片的缺点之一是，必须使用大量的交替 层。因此，为了获得高反射系数，必须淀积达100-600之多的层， 这些层的淀积提出了复杂的技术问题并且需要特别精确的设备。
发明内容
本发明提供了一种可调节干涉滤光片，该滤光片克服了现有技 术制成的滤光片的缺点，如制备和控制可调节干涉滤光片参数的技 术困难；必须使用大量的交替介电层；可调节的干涉滤光片对温度 的高敏感度；以及控制干涉滤光片所必须的高能耗。
本发明的可调节干涉滤光片使用数目少得多的交替层和低得 多的工作电压；过滤偏振和非偏振光波；可通过电压加以控制；可 以在高温下工作；以及节约制造成本。通过控制液晶中固相的含量 以及施加(涂覆)过程中“湿层”的厚度，可以控制光电各向异性 晶体薄膜的厚度。没有在电光材料层中通过电流就可以获得光电效 应。基于用于光纤通信系统的光纤，该干涉滤光片可以制成紧凑的； 并且通过施加外电场可以控制可调节干涉滤光片的吸收谱带、反射 谱带或透射谱带。
本发明的干涉滤光片包括多层，每层具有实数和/或虚数折射 率。实数和虚数折射率的数值取决于外电场的强度。对材料折射率 和每层的厚度以及它们的结合进行选择，以便为入射光的至少一种 偏振状态在至少一个光谱区提供干涉极值。至少一层用电光材料制 成，其是各向异性的并且由至少一种芳香族有机材料制成。该芳香 族有机材料的分子或分子片段具有平面结构。该电光材料层的至少 一部分具有晶体结构，其中沿光轴之一的分子间间距为3.4±0.3。
附图说明
根据下文结合附图进行的描述，可以更清楚地理解本发明，其 中：
图1示出了晶体薄膜中X射线辐射的典型衍射图，其中晶体薄 膜是基于蓝色染料制得的。
图2是晶体薄膜的层状晶体结构的示意图。
图3是包括一层导电透明材料的干涉滤光片的示意图。
图4是包括两层导电非透明材料的干涉滤光片的示意图。
图5是干涉滤光片的示意图，其包括形成在多层光学结构的侧 面上的导电层。
图6是干涉滤光片的示意图，其包括两个交替的多层光学结构、 以及形成在中间层表面上的一层导电材料。
图7是干涉滤光片的示意图，其包括两个交替的多层光学结构、 以及形成在基片上的一层导电材料。
图8是干涉滤光片的示意图，其包括芯和包层，在芯和包层内 部有若干层干涉滤光片，该滤光片包括两个导电层和多层光学结构 的交替层。
图9是具有倾斜的交替层的干涉滤光片的示意图。
图10至图15是不同设计的可控干涉滤光片的示意图，其包括 芯和包层，在其内部有两个低折射率和高折射率的交替层的多层光 学结构以及两个导电层。
图16是干涉滤光片的示意图，其包括芯和包层，在其内部有 若干层干涉滤光片，该滤光片包括两个导电层和多层光学结构的交 替层。
图17是干涉滤光片的示意图，其中干涉滤光片具有光纤的倾 斜的对接端。
图18是干涉滤光片的剖视图，在其包层上有两个多层光学结 构的圆筒形层以及两个透明导电材料的圆筒形层，其中具有低折射 率的中间层是在两个多层结构之间，并且多层结构的低-高折射率层 具有预定顺序。
图19是干涉滤光片的剖视图，该干涉滤光片包括D形光纤， 其中在包层的扁平表面上有两层多层光学结构以及两个透明导电 材料的圆筒形层，其中具有低折射率的中间层是在两个多层结构之 间，并且多层结构的低-高折射率层具有预定顺序。
图20是光学器件的示意图，包括具有芯和包层的光纤以及可 控干涉滤光片，其中在光纤和滤光片之间有一微透镜。
图21是光纤装置(器件)的示意图，该光纤装置(器件)包 括具有芯和包层的一段光纤以及两个可控干涉滤光片，其形成在光 纤段的相反的对接端。
图22是一装置的示意图，该装置能够从多波长源分离出各种 颜色的信号；该光源可以产生相干或非相干光，而可控干涉滤光片 定位在每根光纤的对接端。
图23是滤光片的示意图，该滤光片包括在光纤芯内的光栅。
图24是滤光片的示意图，该滤光片包括在光纤芯内的两个光 栅、交替层的活性多层系统、以及在包层外侧上的电极。
图25是可控电光装置(器件)的示意图，该可控电光装置(器 件)是图23和图24所示装置(器件)的结合。
图26和图27图示说明了根据本发明的一种具体实施方式的多 层系统的反射系数的光谱特性。
图28和图29图示说明了根据本发明的具体实施方式的多层系 统的透射系数和反射系数。
图30和图31图示说明了根据本发明的具体实施方式的多层系 统的光谱特性。
本发明的可调节干涉滤光片使用数目少得多的交替层和低得 多的工作电压；过滤偏振和非偏振光波；可通过电压加以控制；可 以在高温下工作；以及节约制造成本。通过控制液晶中固相的含量 以及施加(涂覆)过程中“湿层”的厚度，可以控制光电各向异性 晶体薄膜的厚度。没有在电光材料层中通过电流就可以获得光电效 应。基于用于光纤通信系统的光纤，该干涉滤光片可以制成紧凑的； 并且通过施加外电场可以控制可调节干涉滤光片的吸收谱带、反射 谱带或透射谱带。
本发明的干涉滤光片包括多层，每层具有实数和/或虚数折射 率。实数和虚数折射率的数值取决于外电场的强度。对材料折射率 和每层的厚度以及它们的结合进行选择，以便为入射光的至少一种 偏振状态在至少一个光谱区提供干涉极值。至少一层用电光材料制 成，其是各向异性的并且由至少一种芳香族有机材料制成。该芳香 族有机材料的分子或分子片段具有平面结构。该电光材料层的至少 一部分具有晶体结构，其中沿光轴之一的分子间间距为3.4±0.3。
附图说明
根据下文结合附图进行的描述，可以更清楚地理解本发明，其 中：
图1示出了晶体薄膜中X射线辐射的典型衍射图，其中晶体薄 膜是基于蓝色染料制得的。
图2是晶体薄膜的层状晶体结构的示意图。
图3是包括一层导电透明材料的干涉滤光片的示意图。
图4是包括两层导电非透明材料的干涉滤光片的示意图。
图5是干涉滤光片的示意图，其包括形成在多层光学结构的侧 面上的导电层。
图6是干涉滤光片的示意图，其包括两个交替的多层光学结构、 以及形成在中间层表面上的一层导电材料。
图7是干涉滤光片的示意图，其包括两个交替的多层光学结构、 以及形成在基片上的一层导电材料。
图8是干涉滤光片的示意图，其包括芯和包层，在芯和包层内 部有若干层干涉滤光片，该滤光片包括两个导电层和多层光学结构 的交替层。
图9是具有倾斜的交替层的干涉滤光片的示意图。
图10至图15是不同设计的可控干涉滤光片的示意图，其包括 芯和包层，在其内部有两个低折射率和高折射率的交替层的多层光 学结构以及两个导电层。
图16是干涉滤光片的示意图，其包括芯和包层，在其内部有 若干层干涉滤光片，该滤光片包括两个导电层和多层光学结构的交 替层。
图17是干涉滤光片的示意图，其中干涉滤光片具有光纤的倾 斜的对接端。
图18是干涉滤光片的剖视图，在其包层上有两个多层光学结 构的圆筒形层以及两个透明导电材料的圆筒形层，其中具有低折射 率的中间层是在两个多层结构之间，并且多层结构的低-高折射率层 具有预定顺序。
图19是干涉滤光片的剖视图，该干涉滤光片包括D形光纤， 其中在包层的扁平表面上有两层多层光学结构以及两个透明导电 材料的圆筒形层，其中具有低折射率的中间层是在两个多层结构之 间，并且多层结构的低-高折射率层具有预定顺序。
图20是光学器件的示意图，包括具有芯和包层的光纤以及可 控干涉滤光片，其中在光纤和滤光片之间有一微透镜。
图21是光纤装置(器件)的示意图，该光纤装置(器件)包 括具有芯和包层的一段光纤以及两个可控干涉滤光片，其形成在光 纤段的相反的对接端。
图22是一装置的示意图，该装置能够从多波长源分离出各种 颜色的信号；该光源可以产生相干或非相干光，而可控干涉滤光片 定位在每根光纤的对接端。
图23是滤光片的示意图，该滤光片包括在光纤芯内的光栅。
图24是滤光片的示意图，该滤光片包括在光纤芯内的两个光 栅、交替层的活性多层系统、以及在包层外侧上的电极。
图25是可控电光装置(器件)的示意图，该可控电光装置(器 件)是图23和图24所示装置(器件)的结合。
图26和图27图示说明了根据本发明的一种具体实施方式的多 层系统的反射系数的光谱特性。
图28和图29图示说明了根据本发明的具体实施方式的多层系 统的透射系数和反射系数。
图30和图31图示说明了根据本发明的具体实施方式的多层系 统的光谱特性。
具体实施方式
本发明提供了一种干涉滤光片，其包括至少一层电光材料，该 电光材料是各向异性的，并且由至少一种芳香族有机材料制成，该 芳香族有机材料的分子或分子片段具有平面结构，并且所述层的至 少一部分具有晶体结构，其沿光轴的分子间间距(布拉格峰)为 并且其各向异性折射率之一和/或吸收系数会随电场的值 而变化。这样的层的材料还被称为光学各向异性晶体薄膜。
在一种具体实施方式中，干涉滤光片包括至少一层各向异性的 电光材料，该各向异性的电光材料用二价和三价金属的离子加以处 理。在另一种具体实施方式中，至少一种芳香族有机材料的分子含 有杂环。该干涉滤光片可以包括至少一层各向异性的电光材料，该 材料由基于至少一种二向色染料的溶致液晶制成。
电光各向异性晶体薄膜的独特光学性能(较小的厚度、较低的 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 向色比值以及制备的简单性)是源于材料的特殊性质以及用来制备 晶体薄膜的制作方法，尤其是晶体薄膜的分子晶体结构，其中晶体 薄膜是通过结晶至少一种有机材料(该有机材料形成溶致或热致液 晶相)的液晶相、再利用配向作用将该液晶施加(涂覆)在基片上、 然后再进行干燥而制得。作为有机材料，所披露的电光各向异性晶 体薄膜使用至少一种有机材料，其化学式包括至少一个可离子化 (离子源)基团(其提供在极性溶剂中的溶解性)、和/或至少一个 不可离子化(非离子源)基团(其提供在非极性溶剂中的溶解性)、 和/或至少一个抗衡离子，该抗衡离子在获得材料的过程中可以保留 或可以不保留在分子结构中。
电光各向异性晶体薄膜是通过一种或数种有机材料的许多超 分子复合物而形成(Jean-Marie Lehn，《Supramolecular Chemistry Concepts and Perspectives》，-Weinheim；New York；Basel；Cambridge； Tokyo：VCH Verlagsgesellschaft mbH，1995)。此外，以一定方式对超 分子复合物进行配向(取向)以提供其导电性以及对所经过的光线 的偏振。
为了制备电光各向异性晶体薄膜而对材料的最初选择是由下 述因素决定的：在芳香族共轭环中要存在共轭π键，并且在分子中 要存在如胺、酚、酮等基团，这些基团位于那些分子的平面中，并 且成为键合芳香体系的一部分。这些分子本身或它们的片段具有平 面结构。例如，这些分子可以是这样的有机材料，如阴丹酮(瓮蓝 4)、或二苯并咪唑1，4，5，8-苝四羧酸(瓮红14)、或二苯并咪唑4，9，10- 苝四羧酸、或喹吖啶酮(颜料紫19)等，其衍生物或它们的混合物 形成稳定的溶致液晶相。
当该有机化合物溶解于适宜的溶剂中时，它形成胶体体系(溶 致液晶(LLC))，这时分子结合成超分子复合物，该超分子复合物 是体系的动力单位(或称动力单元，专利申请RU2000104475 25.02.00)。该液晶相是体系的预有序化状态，从该状态，在对超分 子配向以及其后除去溶剂的过程中，出现固体电光各向异性晶体薄 膜(或换言之，电光各向异性晶体薄膜)。
由具有超分子的胶体体系获得薄的电光各向异性晶体薄膜的 方法包括以下步骤：
-在基片(或一种制品、或多层结构中的一层)上施加(涂覆) 上述胶体体系；该胶体体系也应该是触变的(Robert J.Hunter 《Foundations of Colloid Science》v.l，Clarendon Press.Oxford，1995， p.88)，为此胶体体系应存在于一定温度下并具有一定的分散相浓 度；
-借助于任何一种外部作用使已施加或正施加的胶体体系变 成高流动性状态，该外部作用(其可以是加热、剪切变形等)可降 低体系的粘度；在整个随后的配向过程中外部作用可以继续或持续 一必要的时间，以防止在配向期间体系弛豫成为更高粘度的状态；
-对体系的外部配向作用，可以通过机械以及任何其它方法进 行，例如外电场(例如，在常温或高温下并在有或没有同时照明的 情况下施加电场(poling))、磁场、或光辐射场(例如，源于相干 光致电压效应)；所述影响的程度应是足够的，以便胶体体系的动 力单位获得必要的配向并形成一种结构，该结构将是后来出现的电 光各向异性晶体薄膜的晶格的基础；
将自然形成层的定向区从较低粘度状态(其是通过对体系的最 初的外部作用而实现)转化成体系具有最初或甚至更高粘度的状 态；其进行的方式要避免自然形成的电光各向异性晶体薄膜结构发 生取向消失，并防止在其表面上形成缺陷；以及
干燥除去溶剂，在其过程中形成电光各向异性晶体薄膜的晶体 结构。
在获得的电光晶体薄膜中，分子的平面彼此平行并且在至少部 分晶体薄膜中分子形成三维晶体。通过优化制备工艺，可以获得单 晶电光各向异性晶体薄膜。这种晶体薄膜中的光轴垂直于分子的平 面。这样的晶体薄膜具有高度的各向异性，并且对于至少一个方向， 具有高折射率和/或吸收系数。
电光各向异性晶体薄膜的光学各向异性通过复折射率的虚数 (假想)部分与实数(真实)部分的椭球来加以描述，复折射率的 特点在于与吸收系数和相应的折射率(相应于各向异性复折射率的 虚数部分和实数部分)的角相关。对于光学各向异性晶体薄膜的复 折射率的虚数(Ki)部分和实数(ni)部分的分量，根据本发明， 应同时满足以下相互关系：
K1≥K2＞K3，
(n1+n2)/2＞n3，
其中K1、K2、K3和n1、n2、n3相应地是晶体薄膜材料的各向 异性复折射率的虚数部分和实数部分的椭球轴的主值。
各向异性复折射率的实数部分和虚数部分的分量、以及椭球轴 的方向，可以借助于现有的椭圆法或分光光度法通过实验测定。
通过将偏振膜中分子的一定的角分布施加于基片的表面，有可 能提供吸收系数(K1、K2、K3)和折射率(n1、n2、n3)以及主轴 的取向的必要的各向异性，即多层结构中电光各向异性晶体薄膜的 光学性能。
也可以混合胶体体系(在这种情况下结合的超分子将形成在溶 液中)以获得具有中间光学性能的晶体薄膜。获自胶体体系混合物 的电光各向异性晶体薄膜的吸收和折射可以在由初始分量确定的 限度内取各种值。混合各种胶体体系以获得结合的超分子是可能 的，这归功于各种有机化合物分子的一维尺寸(分子间间距)的一 致性
对电光各向异性晶体薄膜厚度的控制是通过控制被涂覆的溶 液中的固体物质的含量来进行的。在制备这些电光各向异性晶体薄 膜时的工艺变数是溶液的浓度，其在制备期间可以方便地加以控 制。
晶体薄膜的结晶度可以通过晶体学和/或光学方法来控制。
这样的制备各向异性晶体薄膜的方法允许使用各种材料，如半 导体、电介质、晶体、多晶体、玻璃、聚合物以及其它材料作为基 片材料。此外，该方法允许在各种表面上制备电光晶体薄膜，包括 复杂的形状(扁平面、圆柱形、锥形、球形等)，其允许在可控干 涉滤光片的最困难的构造中使用这些晶体薄膜，尤其是在光波导的 对接端和侧面，在这样的波导的扁平抛光侧平面，以及在光子晶体 纤维波导(即，光导，其包括在芯内的纵向空气通道系统和/或反射 式包层)的外表面和内表面。
涂覆以晶体薄膜的表面可以经受另外的处理，以向表面提供均 匀的可湿性，从而提供表面的亲水性。这可以是机械处理、退火处 理、机械化学处理。在基片表面上涂覆晶体薄膜之前，配向的各向 异性结构可以通过基片表面的机械处理来形成，该机械处理促进晶 体薄膜中分子的更高程度的有序化。
利用显著更低的工作电压的可能性是由于下述事实而实现的： 各向异性晶体薄膜具有较小的厚度(大约为100-800nm)，并且由于 静电强度由施加于试样的电压(U)及其厚度(D)通过以下公式： E＝U/D来确定的。
下述事实使得制造用于过滤偏振和非偏振光波(其中偏振光波 是受控的)的有源器件成为可能：该材料具有电学和光学各向异性 的特点并具有高度的双折射，以致所使用的厚度为0.3μm的晶体薄 膜具有最大的延迟值(no-ne)d＝0.24，这在使用传统材料的情况下 是通过200μm的厚度来达到的(Lazarev，P.and Paukshto，M.，“Thin Crystal Film Retarders”(2000).Proc.of the 7th International Display Workshops，Materials and Components，Kobe，Japan，November 29-December 1，1159-1160)。晶体薄膜的折射率可以显著不同于石 英玻璃的折射率，并且取决于外加电场的强度。除此之外，所考虑 的材料是光敏的，即，在激光辐射的影响下其光学特性会发生变化。 由于其非线性的光性能，这种材料也是有趣的，因为其折射率取决 于光辐射的强度。
所披露的可控光学器件对温度变化的低敏感性是由于下述事 实而实现的：和传统材料相比，所使用的晶体薄膜具有高热稳定性 的特点，它可以在温度高达180℃的空气和氩气中处理四小时，而 偏振效率的下降不超过0.8％。
较高的可制造性是由于下述事实而实现的：晶体薄膜材料容易 被涂覆于任何轮廓的表面，它容易适于制备并且是经济的。
晶体薄膜的高度可制造性、以及其参数控制的简单性，使得电 光各向异性晶体薄膜在光纤通信系统的可控干涉滤光片中的应用 很有前途。因而，晶体薄膜允许形成小型光纤滤光片，这是因为它 似乎容易在复杂轮廓表面上施加较小尺寸的晶体薄膜，包括光纤的 侧面和/或对接端面。光纤具有非常小的尺寸。因而，单模光纤的芯 具有5至10μm的直径，并且反射式包层的直径为125μm。
光纤可以在制备它们的材料上有所差别，尤其是，有多种光纤， 这些光纤基于石英玻璃、硫属玻璃和氟化物玻璃、卤化铊和其它无 机或有机晶体以及非晶体光学材料，以及尤其是聚合物、或这类材 料的组合。
有三种基本类型的光纤：具有玻璃芯和玻璃包层的玻璃纤维、 具有玻璃芯和塑料包层的纤维、以及具有塑料芯和塑料包层的塑料 纤维。
在纤维光导中，芯和/或一个或若干包层可以基于任何材料，如 石英玻璃、氟化物玻璃、硫属玻璃、基于卤化物与聚合物的多晶光 导。
所有列出的材料都可以涂覆以特征尺寸为几十至几百微米的 小尺寸电光各向异性晶体薄膜。此外，表面可以涂覆以晶体薄膜的 材料清单并不限于上述那些材料。
可控干涉滤光片的制造与在复杂几何形状的表面上制造电光 材料的需要有关。
所披露的制造晶体薄膜的方法允许将它置于平面上，以及二次 (阶)表面和更高次(阶)(例如，圆柱形、球形、锥形等)的复 杂表面上。因此，这种方法允许在光纤包层的圆柱面、在光纤劈裂 对接端的平面、在D形光纤(具有扁平抛光表面的弯曲光导，该抛 光表面的一部分靠近光纤的芯；或拉制的具有字母“D”形状的横 截面的光导，其具有靠近该扁平表面的芯)的包层的扁平抛光表面 上形成晶体薄膜。
本方法允许在光纤包层的表面上形成晶体薄膜，在其芯内有至 少一个长程光栅。该光栅可以用任何方法(例如，借助光纤的辐射 或掺杂)制造，并且它促进光信号与例如形成在包层上的干涉滤光 片的更强的相互作用。
各向异性晶体薄膜在可控干涉滤光片中的应用是基于以下事 实：这种材料的各向异性折射率和吸收系数取决于所施加电场的强 度，薄膜的厚度取决于所施加电场(电致伸缩)，以及折射率取决 于光辐射的电场。该薄膜为纤维状或平面光波导的外涂层，其与波 导模部分相互作用，该波导模部分从光波导的波导层渗入(进入) 电光膜涂层。
图1示出了晶体薄膜中X射线辐射的典型衍射图，其中晶体薄 膜是基于蓝色染料加以制造的。该晶体膜伦琴照片中的最大强度峰 的坐标与溶致液晶材料是相同的。考虑到溶致液晶材料 的结构，其中棒状聚集体(堆叠物)是由染料的平面环状分子所形 成的，可以认为芳香族分子的这种π-π共轭作用在形成晶体薄膜期 间得到保留。已经确定该晶体薄膜即是如图2所示的层状晶体结构 的多晶材料，其中层之间的距离大约等于分子的“厚度” 染料分子分布在层的内部，以使每个下一层相对于前一层具有一定 的取向。还发现，机械冲击会扰动晶体本体(crystalline block)的 微结构。该晶体薄膜具有一定的优势晶体取向，同时微晶的最大散 度(divergence)是在10°-25°之内。通过纹理分析和光学数据确定 的序参数大约等于0.9。
在一种具体实施方式中，干涉滤光片包括至少一层各向异性电 光材料，该各向异性电光材料用二价和三价金属的离子加以处理。 在另一种具体实施方式中，至少一种芳香族有机材料的分子含有杂 环。该干涉滤光片可以包括至少一层各向异性电光材料，该材料由 基于至少一种二向色染料的溶致液晶制造。
图3显示一种干涉滤光片，该干涉滤光片包括涂覆以一层导电 透明材料2的基片1，该导电透明材料覆盖以干涉滤光片的其它层， 而该其它层本身又是多层光学结构，该多层光学结构包括具有低nL 3折射率和高nH4折射率的交替层。在多层结构之上有第二层透明 导电材料2。选择交替层厚度的条件是L＝m*λ/(4*n)，式中，m 表示奇数，λ表示滤光片的工作波长，而n表示相应的折射率(nL 或nH)。如在文献中所指出的(参见Max Born，Emil Wolf，《Principles of Optics》，second edition，Pergamon Press，1964)，这样的多层结构 的反射系数会随着nH/nL比率和具有低和高折射率的成对层的数目 的增加而增加。图3表示的滤光片以下述方式进行工作。对导电层 2施加控制电压V，结果在多层光学结构中产生电场。所施加的电 场会改变结构中交替层的折射率。作为这种变化的结果，会改变滤 光片的工作波长，因为该工作波长的缘故，这种滤光片才具有最大 反射系数的特征。基片可以由光学透明或非透明材料制成；它可以 是金属、半导体、电介质，尤其是玻璃、石英、塑料。透明导电电 极可以由二氧化锡(SnO2)或氧化铟(In2O3)制成。电阻为 300Ohm/cm2或较小的SnO2层是通过在400-500℃的马弗炉中高温 分解SnCl4或SnCl2的水合物而获得。这种方法可以用来在基片上 形成电极(在淀积各向异性晶体薄膜之前)。这种方法可以用来获 得不同厚度的层，其取决于最重要的指标：光学透明度或电阻。利 用胶液，如充分稀释在乙醇中的BF-2或BF-4作为混合物，可以将 细金属线焊接到SnO2层。氧化铟层是通过在10-5托的真空下阴极 蒸发铟而获得。这种方法是更具可制造性，并且涂层性能(机械强 度、透光性、电阻)大致与SnO2相同。如果该导电透明涂层淀积 到有机玻璃或半导体上，那么可以使用Cu2S层。最后，将电极连 接于提供直流电压或交流电压的电源。
图4显示一种干涉滤光片，其包括基片1，基片1涂覆以一层 导电非透明材料5，在该导电非透明材料之上有干涉滤光片的其它 层，其是多层光学结构，该多层光学结构包括具有低nL3和高nH4 折射率的交替层。在该多层结构的顶部上有第二层导电非透明材料 5。选择交替层的厚度，条件与以上有关图3所描述的条件相同。 借助于金属的真空蒸发，导电非透明材料层5，例如铝，可以淀积 到多层光学结构的表面。其它金属如金和钛等可以用来形成导电非 透明层。导电非透明层应具有开口，以允许光信号透射入结构内部。 这些开口可以通过，例如，在真空蒸发期间利用掩模或其它方法来 形成。滤光片的工作原理类似于图3所示的情况。
图5显示一种干涉滤光片，其由于导电层是形成在多层光学结 构的侧面的事实而不同于图3和图4所示的干涉滤光片。
图6显示一种干涉滤光片，它包括基片1，该基片覆盖以具有 低nL3和高nH4折射率的交替层的第一多层光学结构。在第一多层 结构之上有一层导电的光学透明材料2，在该透明材料的顶部上有 一层低折射率材料7。该低折射率材料涂覆以第二层导电透明材料 2以及低和高折射率材料的交替层的第二多层光学结构。交替层的 厚度满足在图3-5所示实施例中满足的相同的关系。层7厚度的选 择条件是L＝m*λ/(2*n)，式中，m表示偶数，λ表示滤光片的工 作波长，而n表示层7的折射率。以此条件选择滤光片中的层厚度， 用以为滤光片的工作波长提供最大透射系数。因此，这种滤光片是 带通-透射滤光片。所施加的控制电压在层7中产生电场，电场实际 上改变它的折射率。由于这种折射率变化的结果，滤光片的透射带 会移动。可以与在层7中的厚度、交替层中的比率nH/nL以及多层 结构中的成对交替层的数目相适应的半波数越大，则带通-透射滤光 片的截止就越尖锐。
图7显示一种干涉滤光片，该干涉滤光片由于一层导电材料不 是形成在中间层7的表面上而是形成在基片表面上的事实而不同于 如图6所示的干涉滤光片。一般说来，可以任意放置导电材料层。 而在它们之间产生的电场必需透过滤光片中的电光材料层、从而改 变它们的折射率并控制滤光片的光学特性才是主要的。
图8显示一种干涉滤光片，该干涉滤光片包括具有芯8和包层 9的光纤，在该光纤中有干涉滤光片的多个层，这些层是具有低3 和高4折射率的交替层的多层光学结构。在多层光学结构的两侧， 有一层导电材料2。将控制电压施加于这两个导电层。交替层的厚 度满足以下关系L＝m*λ/(4*n)，式中，m表示奇数，λ表示滤光 片的工作波长，而n表示相应的折射率(nL或nH)。这样的滤光片 的特点在于对工作波长具有最大反射系数。所施加的电压在交替层 内产生电场，其结果是各个交替层的折射率发生变化，因此具有最 大反射系数特征的滤光片的工作波长也发生变化。
图9显示一种干涉滤光片，该干涉滤光片包括具有芯8和包层 9的光纤，在其内部有干涉滤光片的数个层，这些层是具有低3折 射率和高4折射率的交替层的多层光学结构。与如图8所示的干涉 滤光片的差异在于该交替层是倾斜的(即，这些层的法线方向和光 纤的轴构成0至90°的锐角)。在这种情况下，反射波被引导出光纤。 这样的滤光片可以用在激光器或光放大器的出射狭缝(孔)处。因 为反射波并不回到光信号源，所以这样的滤光片增加了光学系统对 抗自发激发的稳定性。
图10显示一种可控干涉滤光片，它包括具有芯8和包层9的 光纤，在其内部有具有低3和高4折射率的交替层的第一多层光学 结构。在第一多层结构的后面有一层导电光学透明材料2，在其后 面有一层低折射率材料7。此外，还提供了第二层导电透明材料2 和具有低和高折射率的材料的交替层的第二多层光学结构。该交替 层的厚度满足的关系与图8-9给出的实施例中的关系相同。层7厚 度的选择条件是L＝m*λ/(2*n)，式中，m表示偶数，λ表示滤光 片的工作波长，而n表示层7的折射率。利用该条件选择在这样的 滤光片中的层厚度，以便为滤光片的工作波长提供最大透射系数。 施加于导电层2的控制电压改变层7材料的折射率，其导致滤光片 的透射谱带的变化。在第二多层光学结构中层的顺序与第一多层光 学结构中层的顺序相反。因此，图10表示具有以下层顺序的滤光 片：H-L-H-L-H-E-2L-E-H-L-H-L-H，其中H表示高折射率层，L表 示低折射率层，而E表示导电层。
图11显示一种干涉滤光片，该干涉滤光片与图10所示的干涉 滤光片的不同之处在于导电材料层2的位置。一般说来，可以任意 放置导电材料层。而在它们之间形成的电场必需透过滤光片的电光 材料层，从而改变它们的折射率并控制滤光片的光学特性才是主要 的。
图13、图14和图15显示可控干涉滤光片，它们与图10、图 11和图12所示的滤光片的不同之处在于层的顺序： L-H-L-H-L-E-2H-E-L-H-L-H-L(图13)、 E-L-H-L-H-L-2H-E-L-H-L-H-L(图14)以及 E-L-H-L-H-L-2H-E-L-H-L-H-L(图15)，其中H表示高折射率层， L表示低折射率层，而E表示导电层。
图16显示一种可控干涉滤光片，该干涉滤光片包括具有芯8 和包层9的光纤，在其对接端有若干层，这些若干层是具有低3和 高4折射率的交替层的多层光学结构。在该多层光学结构的两侧， 有导电材料层2。将控制电压施加于两个导电层。该交替层的厚度 满足以下关系L＝m*λ/(4*n)，式中，m表示奇数，λ表示滤光片 的工作波长，而n表示相应的折射率(nL或nH)。这样的滤光片的 特点是对于工作波长具有最大反射系数。所施加的电压在交替层内 产生电场，其改变在这些层中所用的电光材料的折射率，因此导致 具有最大反射系数特点的滤光片的工作波长发生变化。
图17显示一种可控干涉滤光片，该干涉滤光片包括具有芯8 和包层9的光纤，在其倾斜的对接端有干涉滤光片的若干层，其是 具有低3折射率和高4折射率的交替层的多层光学结构。在这种情 况下，反射波被从光纤消除。在该多层光学结构的两侧有导电材料 层2。将控制电压施加于两个导电层。这样的滤光片可以用在激光 器或光放大器的出射狭缝处。因为反射波并不回到光信号源，所以 这样的滤光片增加了光学系统对抗自发激发的稳定性。
图18显示一种可控干涉滤光片的横截面，该干涉滤光片包括 具有芯8和包层9的光纤，在其包层上有导电透明材料的第一圆筒 形层11，该层涂覆以具有低13和高14折射率的交替层的第一多层 光学结构。该第一多层结构覆盖以低折射率材料的中间圆筒形层 12。在中间层12上形成有具有低和高折射率的交替层的第二多层 光学结构。该第二多层结构又涂覆以第二导电层11。该交替圆筒形 层的厚度满足以下关系：L＝m1*λ/(4*n)，式中，m1表示奇数，λ 表示滤光片的工作波长，而n表示相应的折射率(nL或nH)。选择 层12的厚度，条件是L＝m2*λ/(2*n)，式中，m2表示偶数，λ表 示滤光片的工作波长，而n表示层12的折射率。选择在这样的滤 光片中的层厚度，以便为滤光片的工作波长提供最大透射系数。施 加于导电层11的控制电压改变层12的折射率，其导致滤光片的透 射谱带的变化。在第二多层光学结构中的层顺序与在第一多层光学 结构中的层顺序相反。因而，图18显示具有以下层顺序的滤光片： E-H-L-H-2L-H-L-H-E，其中H表示高折射率层，L表示低折射率层， 而E表示导电层。施加于导电层的工作电压会移动滤光片的透射波 长。
图19显示一种可控干涉滤光片，该干涉滤光片包括具有芯8 和包层9的D形光纤，在其包层的扁平的抛光表面上有第一层导电 透明材料2，在其顶部上有具有低3和高4折射率的交替层的第一 多层光学结构。在第一多层结构的后面有低折射率材料的中间层7。 此外，还有具有低折射率和高折射率的交替层的第二多层光学结构 以及第二层导电透明材料2。该交替圆筒形层的厚度满足以下关系 L＝m1*λ/(4*n)，式中，m1表示奇数，λ表示滤光片的工作波长， 而n表示相应的折射率(nL或nH)。选择层7的厚度，条件是L＝ m2*λ/(2*n)，式中，m2表示偶数，λ表示滤光片的工作波长，而n 表示层7的折射率。用该条件选择这样的滤光片中的层厚度，以便 为光学滤光片的工作波长提供最大透射系数。施加于导电层2的控 制电压改变层7的折射率，其导致滤光片的透射谱带的变化。在第 二多层光学结构中的层顺序与第一多层光学结构中的层顺序相反。 因此，图19显示的滤光片具有以下层顺序：E-H-L-H-2L-H-L-H-E， 其中H表示高折射率层，L表示低折射率层，而E表示导电层。施 加于导电层的操作电压会移动滤光片的透射波长。施加于导电层的 工作电压移动滤光片的透射谱带。
在一个具体实施方式中，本发明的干涉滤光片包括至少一个偏 振片层、和/或至少一个相位差层、和/或至少一个配向层、和/或至 少一个保护层、和/或至少一个镜面反射或漫反射层、和/或至少一 个功能相当于所述各层中至少任意两层结合而它们同时作用的层。 在另一种具体实施方式中，干涉滤光片包括至少一对在DC和/或 AC电压下的电极。干涉滤光片的这一具体实施方式是可能的：其 中至少电极之一的至少一部分是由光学非透明材料制造的，该非透 明材料具有至少一个透明窗以允许光束的透射。
图20显示一种可控光学器件，该可控光学器件包括具有芯8 和包层9的光纤以及可控干涉滤光片。在光纤和滤光片之间有显微 透镜15。例如具有抛物线分布的折射率的显微透镜15进行操作以 将光线扩展成平行光束，其对于更好地与干涉滤光片相互作用是必 要的。显微透镜15的中心应精确放置得以与光纤的光轴重合。通 常，通过相对于光纤移动显微透镜，就可以确定光信号的最大透射 通过光纤和显微透镜的位置，然后可以利用环氧胶将在相对于光纤 的那个位置的显微透镜固定。机械夹具也可以用来将显微透镜固定 在光纤上。在这种光学器件中的可控干涉滤光片可以是带通透射 (带通)的以及带反射(带反)的。除此之外，可以优化多层光学 结构以便仅透射较高或较低波长的光信号。在这种情况下，控制电 压以控制滤光片的工作波长。
图21显示一种光纤装置(器件)，该装置(器件)包括一段长 度为L并具有芯8和包层9的光纤以及形成在该光纤段的相反对接 端的两个可控干涉滤光片。可以设计这些滤光片，以便它们的作用 是近乎完全地反射在很宽波长范围内的光辐射。如果使用单模光 纤，那么这样的光学器件可以起法布里-珀罗干涉仪的作用。这样的 干涉仪的芯的光程长可以借助于各种方法加以改变：弯曲光纤、加 热光纤、用声波影响光纤，或通过将光纤放置在磁场或电场中。因 此，可以调制相干光信号传播通过滤光片。除此之外，当使用两种 或两种以上波的多模光纤光信号时，用这样的滤光片可以在空间上 分成波长λ1、λ2、...λ1，这与使用法布里-珀罗干涉仪是一样的，这 是由于所述光信号的光程差所造成的。类似的构造可以用于窄带宽 反射式滤光片。
如图22所示，光源16可以产生相干或非相干光信号。这种光 信号入射到若干光纤的系统上。在每根光纤的对接端有可控干涉滤 光片。每个滤光片被调谐到各自波长，各自波长可以通过施加于滤 光片的电场而变化。这样的装置可以从多波长源分离出各自不同颜 色的光信号。
图23显示一种基于光纤的可控干涉滤光片，在光纤的芯8中 有周期为100-600μm的光栅17。这样的光栅将光辐射(其辐射场 被集中在光纤芯的中心，并且以基本模式或由光纤芯引导的其它任 何模式传播)转换成包层模式(包模)之一，并在光纤包层中传播。 该光栅还可以反过来起作用，即将包层模式的辐射转换成基本模式 (基模)或转换成任何其它在光导芯中被引导的模式。由于相位同 步，这种光栅可以在芯模式和包层模式之间提供有效的通信。因此， 这样的光栅对光与形成在光纤包层表面上的干涉滤光片的相互作 用进行增强。由于晶体薄膜具有高光学各向异性的特点，因此这种 装置能够选择具有各种偏振状态的光模。除此之外，由于晶体薄膜 具有吸收系数依赖于电场强度的特点，因此这样的装置允许借助于 调制吸收来调制具有一定波长的光。
图24图示说明一种干涉滤光片，其中，有形成在光纤芯8中 的两个光栅17，以及具有电极2的交替层3和4的活性多层系统形 成在它们之间，并在包层9的外侧。在这里，第一光栅分离出一定 的光模并将它们传输进入包层，而第二光栅则将它们传输回到芯。 滤光片的活性多层系统会影响通过芯的光传播。与前面的实施例相 类似，这种装置允许通过调节吸收来调制选择波长的光，这是因为 晶体薄膜具有吸收系数依赖于电场强度的特点，或通过调节其透射 系数来调节滤光片的反射系数，进而调制选择波长的光。在这种情 况下，调制依赖于其偏振状态的光也是可能的，因为晶体薄膜是各 向异性的。
图25图示说明一种可控电光装置，该可控电光装置是图23和 图24中例举的装置的结合。
以下表1总结了为1500nm波长而设计的反射式干涉滤光片的 层的特性。假定光束沿着法线(沿着轴OZ)入射到层1上。各向异 性电光材料层(其是各向异性晶体薄膜(TCF))的主光轴是沿着 OX轴(折射率n＝2.0)和沿着OY轴(折射率n＝1.6)进行定位。滤 光片的光学材料层假定是扁平的并且垂直于OZ轴放置。ITO层为 电极，这些电极用来控制滤光片的光学特性。
表1.为1500nm波长而设计的反射式干涉滤光片的各层特性
层数目 材料 折射率 厚度，nm 沿着OX 沿着OY 1 SnO2 2.0 193.75 2 ITO 1.76 220.17 3 SnO2 2.0 193.75 4 TCF 2.0 1.6 246.19 5 SnO2 2.0 193.75 6 TCF 2.0 1.6 246.19 7 SnO2 2.0 193.75 8 TCF 2.0 1.6 246.19 9 SnO2 2.0 193.75 10 TCF 2.0 1.6 246.19 11 SnO2 2.0 193.75 12 TCF 2.0 1.6 246.19 13 SnO2 2.0 193.75 14 TCF 2.0 1.6 246.19 15 SnO2 2.0 193.75 16 TCF 2.0 1.6 246.19 17 SnO2 2.0 193.75 18 TCF 2.0 1.6 246.19 19 SnO2 2.0 193.75 20 TCF 2.0 1.6 246.19 21 SnO2 2.0 193.75 22 TCF 2.0 1.6 246.19 23 SnO2 2.0 193.75 24 ITO 1.76 220.17 25 SnO2 2.0 193.75 26 基片 1.46 4000
图26图示说明多层系统的反射系数的光谱特性，其中没有在 线性偏振光的垂直入射方向作基片校正。示于图26的曲线对应于 偏振矢量相对于X轴的各种角取向：1)＝0°；2)＝30°；3) ＝60°；4)＝90°；
根据图26，沿着Y轴(曲线4)的偏振光被多层系统完全反射。 沿着X轴的偏振光，其反射系数(曲线1)取决于波长，并且在波 长λ＝1533nm处达到其最小值，等于3×10-5。因而，对于此波长的 透射系数接近一。这些数据说明多层系统相当于偏振片。
如图27所示，基片会影响反射光的光谱，并且降低其最大偏 振度。图27示出在基片厚度为4mm的情况下反射系数对线性偏振 光波长的依赖关系。图27所示的曲线对应于偏振矢量相对于X轴 的不同角取向：1)＝0°；2)＝30°；3)＝60°；4)＝90°； 在计算中所用的光谱分量的相干长度的倒数是-Δλ/λ2＝0.002μm-1。
图28图示说明在使用非偏振光并有4mm厚度的基片存在的情 况下，透射系数和反射系数对于波长的依赖关系。显然，透射光在 整个光谱范围内被沿着X轴线性偏振，并具有高于0.94的偏振度。 对于波长λ＝1533nm，透射系数高于0.45，其是显著的。甚至在最 糟的情况下(例如在λ＝1580-1600nm处)，透射系数也高于0.3， 并且偏振度大约为0.94。该反射光被沿着Y轴线性偏振(对于λ＝ 1533nm，偏振度达到0.87，而对于λ＝1600nm则降低到最小值0.4)。
提供了多层系统的一种简化构造以解释说明此现象的物理机 制，而不是以任何方式限制本发明的范围。考虑一种包括21层的 多层系统：(1)(2)(3)(4)...(19) (20)(21)。每层的厚度约为0.2μm，以致多层系统 的总厚度约为4.2μm。表示折射率为1.6的聚酰亚胺的光学各 向异性层，并且对应于TCF的折射率的较低值。为了提高效果，假 定TCF的折射率的较高值是2.4。那么，沿着X轴存在周期为0.4μm 的折射率的空间调制，同时沿着Y轴介质是均匀的。此系统对于X 轴偏振光的透射信号和反射信号的光谱示于图29中。在1400至 1900nm的波长范围内，有一100％反射的谱带。此效果与用胆甾型 液晶观察到的相类似，这些胆甾型液晶的特点在于选择性反射系数 的范围，其由它的螺旋节距所确定。其差异是，在胆甾型液晶的情 况下，反射光具有圆形偏振，而在本发明中，反射光具有线性偏振。
类似于用胆甾型液晶的情况，选择性反射系数的范围宽度能够 满足下面的关系：
式中Δn＝nx，TCF-nx，PI＝2.4-1.6＝0.8，λm表示选择性反射系数范 围的波长。
因为沿着Y轴方向介质是均匀的，所以当波长在选择性反射系 数的范围内时，Y轴偏振光被此系统完全透射，而X轴偏振光被干 涉滤光片反射。增加层的数目使反射系数的光谱关系曲线在选择性 反射系数的范围内变平，而反射系数本身的值则变得非常接近1。
表2提供同样为λ＝1550nm而设计的带通-透射滤光片的各层 的特性。类似于前述情况，假定光束沿着法线(沿着轴OZ)入射到 层1上。各向异性晶体薄膜的主光轴是沿着OX轴(n＝2.0)和OY 轴(n＝1.6)，其余层则是各向异性的。ITO层为电极，通过这些电 极控制滤光片的光学特性。滤光片的光学材料层假定是扁平的，并 且垂直于OZ轴放置。在图30和图31中提供了光学结构的反射系 数对波长的依赖关系，其适合于1500和1600nm之间波长范围以及 适合于入射光偏振的四种情况。因为场矢量在平面XOY中，所以 图30-31图示说明了以下偏振情况：＝0°、30°、60°以及90°，其 中表示OX轴和光波的电场矢量之间的角度。
表2.为1550nm波长而设计的带通-透射光学滤光片的各层特性
层数目 材料 折射率 厚度，nm 沿着OX轴 沿着OY轴 1 TiO2 2.3 168.48 2 SiO2 1.43 270.98 3 TiO2 2.3 168.48 4 SiO2 1.43 270.98 5 TiO2 2.3 168.48 6 ITO 1.76 220.17 7 TCF 2.0 1.6 387.5 8 ITO 1.76 220.17 9 TiO2 2.3 168.48 10 SiO2 1.43 270.98 11 TiO2 2.3 168.48 12 SiO2 1.43 270.98 13 TiO2 2.3 168.48
在表2中描述的滤光片的特点在于：如图30所示，对于沿着 X轴的偏振光的波长具有截然不同的选择范围。在图30中的曲线 (1-4)对应于相对X轴偏振的不同角的取向：1)＝0°；2) ＝30°；3)＝60°；4)＝90°。曲线5对应于非偏振光。对于波 长1550nm，反射系数的最低值大约等于3％。对于正交偏振，反射 系数大约是95％。因而，该滤光片对于1550nm的波长相当于一个 很好的偏振片。对于波长1555nm的偏振度等于0.93。
因为各向异性晶体薄膜(TCF)的折射率对电场强度敏感，所 以可以控制表2中所描述的滤光片的工作范围。图31表明了当各 向异性晶体薄膜的折射率的x分量从2(曲线1)变成1.95(曲线2) 时，光谱所发生的变化。显然，干涉滤光片的光谱特性是由电场控 制的。
实施例：用磺化阴丹酮的溶致液晶(LLC)制造电光各向异性晶体 薄膜
干涉滤光片的电极和各向异性材料层的制造是利用标准制造 技术进行的。因此，省去了有关制造基片、电极和各向异性层的描 述。在本发明中一个主要的意义是制造各向异性晶体薄膜的方法。
制造各向异性晶体薄膜的方法使用9.5％的磺化阴丹酮的水溶 液，该溶液在室温下形成六方相。在溶液中，这种有机染料的分子 聚集成不等轴的超分子复合物。这些复合物起薄膜晶体结构的基础 的作用。利用直接浇注和涂抹，最初的油墨在纯化后被涂覆到石英 玻璃基片上。然后通过某种外部作用降低胶体体系的粘度，这对于 进行后来的配向是必要的。这时，溶液形成向列相或向列相和六方 相的混合物。体系的粘度从1780mPa/sec下降到250mPa/sec。仅在 体系粘度降低的条件下，才能获得具有良好质量的各向异性晶体薄 膜。
下一步操作是对LLC的胶体体系的动力单位进行配向(取向) 的步骤。进行此步操作可以用各种配向工具。在本实施例中使用的 是直径为9.5mm并缠绕有金属丝的圆柱形配向迈尔(Mayer)棒4。 该棒的直径决定湿层的厚度。在配向作用过程中，该棒以13mm/sec 的速度移动。源于棒移动的剪切应力导致体系粘度的额外下降。
下一步操作是干燥过程。对此过程的要求是除去溶剂的速率应 较慢，以便防止损伤较早经配向的结构。在此实施例中，干燥是在 室温和60％的湿度下进行。
用上述制造技术制成的各向异性晶体薄膜具有0.3-0.4μm的厚 度、具有高度各向异性的光性能和电性能、在薄膜区域以及批次之 间具有良好的参数重现性。所获得薄膜的晶体结构的完整性是通过 光学X射线衍射法加以评估的。
以上本发明的特定具体实施方式的描述是用于说明和描述。它 们并非穷举或将本发明限制于所披露的精确形式，并且很显然根据 上述教导许多改进、具体实施方式、以及变化都是可能的。因此本 发明的范围由所附权利要求以及它们的等同替换所限定。
在一种具体实施方式中，干涉滤光片包括至少一层各向异性的 电光材料，该各向异性的电光材料用二价和三价金属的离子加以处 理。在另一种具体实施方式中，至少一种芳香族有机材料的分子含 有杂环。该干涉滤光片可以包括至少一层各向异性的电光材料，该 材料由基于至少一种二向色染料的溶致液晶制成。
电光各向异性晶体薄膜的独特光学性能(较小的厚度、较低的 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 向色比值以及制备的简单性)是源于材料的特殊性质以及用来制备 晶体薄膜的制作方法，尤其是晶体薄膜的分子晶体结构，其中晶体 薄膜是通过结晶至少一种有机材料(该有机材料形成溶致或热致液 晶相)的液晶相、再利用配向作用将该液晶施加(涂覆)在基片上、 然后再进行干燥而制得。作为有机材料，所披露的电光各向异性晶 体薄膜使用至少一种有机材料，其化学式包括至少一个可离子化 (离子源)基团(其提供在极性溶剂中的溶解性)、和/或至少一个 不可离子化(非离子源)基团(其提供在非极性溶剂中的溶解性)、 和/或至少一个抗衡离子，该抗衡离子在获得材料的过程中可以保留 或可以不保留在分子结构中。
电光各向异性晶体薄膜是通过一种或数种有机材料的许多超 分子复合物而形成(Jean-Marie Lehn，《Supramolecular Chemistry Concepts and Perspectives》，-Weinheim；New York；Basel；Cambridge； Tokyo：VCH Verlagsgesellschaft mbH，1995)。此外，以一定方式对超 分子复合物进行配向(取向)以提供其导电性以及对所经过的光线 的偏振。
为了制备电光各向异性晶体薄膜而对材料的最初选择是由下 述因素决定的：在芳香族共轭环中要存在共轭π键，并且在分子中 要存在如胺、酚、酮等基团，这些基团位于那些分子的平面中，并 且成为键合芳香体系的一部分。这些分子本身或它们的片段具有平 面结构。例如，这些分子可以是这样的有机材料，如阴丹酮(瓮蓝 4)、或二苯并咪唑1，4，5，8-苝四羧酸(瓮红14)、或二苯并咪唑4，9，10- 苝四羧酸、或喹吖啶酮(颜料紫19)等，其衍生物或它们的混合物 形成稳定的溶致液晶相。
当该有机化合物溶解于适宜的溶剂中时，它形成胶体体系(溶 致液晶(LLC))，这时分子结合成超分子复合物，该超分子复合物 是体系的动力单位(或称动力单元，专利申请RU2000104475 25.02.00)。该液晶相是体系的预有序化状态，从该状态，在对超分 子配向以及其后除去溶剂的过程中，出现固体电光各向异性晶体薄 膜(或换言之，电光各向异性晶体薄膜)。
由具有超分子的胶体体系获得薄的电光各向异性晶体薄膜的 方法包括以下步骤：
-在基片(或一种制品、或多层结构中的一层)上施加(涂覆) 上述胶体体系；该胶体体系也应该是触变的(Robert J.Hunter 《Foundations of Colloid Science》v.l，Clarendon Press.Oxford，1995， p.88)，为此胶体体系应存在于一定温度下并具有一定的分散相浓 度；
-借助于任何一种外部作用使已施加或正施加的胶体体系变 成高流动性状态，该外部作用(其可以是加热、剪切变形等)可降 低体系的粘度；在整个随后的配向过程中外部作用可以继续或持续 一必要的时间，以防止在配向期间体系弛豫成为更高粘度的状态；
-对体系的外部配向作用，可以通过机械以及任何其它方法进 行，例如外电场(例如，在常温或高温下并在有或没有同时照明的 情况下施加电场(poling))、磁场、或光辐射场(例如，源于相干 光致电压效应)；所述影响的程度应是足够的，以便胶体体系的动 力单位获得必要的配向并形成一种结构，该结构将是后来出现的电 光各向异性晶体薄膜的晶格的基础；
将自然形成层的定向区从较低粘度状态(其是通过对体系的最 初的外部作用而实现)转化成体系具有最初或甚至更高粘度的状 态；其进行的方式要避免自然形成的电光各向异性晶体薄膜结构发 生取向消失，并防止在其表面上形成缺陷；以及
干燥除去溶剂，在其过程中形成电光各向异性晶体薄膜的晶体 结构。
在获得的电光晶体薄膜中，分子的平面彼此平行并且在至少部 分晶体薄膜中分子形成三维晶体。通过优化制备工艺，可以获得单 晶电光各向异性晶体薄膜。这种晶体薄膜中的光轴垂直于分子的平 面。这样的晶体薄膜具有高度的各向异性，并且对于至少一个方向， 具有高折射率和/或吸收系数。
电光各向异性晶体薄膜的光学各向异性通过复折射率的虚数 (假想)部分与实数(真实)部分的椭球来加以描述，复折射率的 特点在于与吸收系数和相应的折射率(相应于各向异性复折射率的 虚数部分和实数部分)的角相关。对于光学各向异性晶体薄膜的复 折射率的虚数(Ki)部分和实数(ni)部分的分量，根据本发明， 应同时满足以下相互关系：
K1≥K2＞K3，
(n1+n2)/2＞n3，
其中K1、K2、K3和n1、n2、n3相应地是晶体薄膜材料的各向 异性复折射率的虚数部分和实数部分的椭球轴的主值。
各向异性复折射率的实数部分和虚数部分的分量、以及椭球轴 的方向，可以借助于现有的椭圆法或分光光度法通过实验测定。
通过将偏振膜中分子的一定的角分布施加于基片的表面，有可 能提供吸收系数(K1、K2、K3)和折射率(n1、n2、n3)以及主轴 的取向的必要的各向异性，即多层结构中电光各向异性晶体薄膜的 光学性能。
也可以混合胶体体系(在这种情况下结合的超分子将形成在溶 液中)以获得具有中间光学性能的晶体薄膜。获自胶体体系混合物 的电光各向异性晶体薄膜的吸收和折射可以在由初始分量确定的 限度内取各种值。混合各种胶体体系以获得结合的超分子是可能 的，这归功于各种有机化合物分子的一维尺寸(分子间间距)的一 致性
对电光各向异性晶体薄膜厚度的控制是通过控制被涂覆的溶 液中的固体物质的含量来进行的。在制备这些电光各向异性晶体薄 膜时的工艺变数是溶液的浓度，其在制备期间可以方便地加以控 制。
晶体薄膜的结晶度可以通过晶体学和/或光学方法来控制。
这样的制备各向异性晶体薄膜的方法允许使用各种材料，如半 导体、电介质、晶体、多晶体、玻璃、聚合物以及其它材料作为基 片材料。此外，该方法允许在各种表面上制备电光晶体薄膜，包括 复杂的形状(扁平面、圆柱形、锥形、球形等)，其允许在可控干 涉滤光片的最困难的构造中使用这些晶体薄膜，尤其是在光波导的 对接端和侧面，在这样的波导的扁平抛光侧平面，以及在光子晶体 纤维波导(即，光导，其包括在芯内的纵向空气通道系统和/或反射 式包层)的外表面和内表面。
涂覆以晶体薄膜的表面可以经受另外的处理，以向表面提供均 匀的可湿性，从而提供表面的亲水性。这可以是机械处理、退火处 理、机械化学处理。在基片表面上涂覆晶体薄膜之前，配向的各向 异性结构可以通过基片表面的机械处理来形成，该机械处理促进晶 体薄膜中分子的更高程度的有序化。
利用显著更低的工作电压的可能性是由于下述事实而实现的： 各向异性晶体薄膜具有较小的厚度(大约为100-800nm)，并且由于 静电强度由施加于试样的电压(U)及其厚度(D)通过以下公式： E＝U/D来确定的。
下述事实使得制造用于过滤偏振和非偏振光波(其中偏振光波 是受控的)的有源器件成为可能：该材料具有电学和光学各向异性 的特点并具有高度的双折射，以致所使用的厚度为0.3μm的晶体薄 膜具有最大的延迟值(no-ne)d＝0.24，这在使用传统材料的情况下 是通过200μm的厚度来达到的(Lazarev，P.and Paukshto，M.，“Thin Crystal Film Retarders”(2000).Proc.of the 7th International Display Workshops，Materials and Components，Kobe，Japan，November 29-December 1，1159-1160)。晶体薄膜的折射率可以显著不同于石 英玻璃的折射率，并且取决于外加电场的强度。除此之外，所考虑 的材料是光敏的，即，在激光辐射的影响下其光学特性会发生变化。 由于其非线性的光性能，这种材料也是有趣的，因为其折射率取决 于光辐射的强度。
所披露的可控光学器件对温度变化的低敏感性是由于下述事 实而实现的：和传统材料相比，所使用的晶体薄膜具有高热稳定性 的特点，它可以在温度高达180℃的空气和氩气中处理四小时，而 偏振效率的下降不超过0.8％。
较高的可制造性是由于下述事实而实现的：晶体薄膜材料容易 被涂覆于任何轮廓的表面，它容易适于制备并且是经济的。
晶体薄膜的高度可制造性、以及其参数控制的简单性，使得电 光各向异性晶体薄膜在光纤通信系统的可控干涉滤光片中的应用 很有前途。因而，晶体薄膜允许形成小型光纤滤光片，这是因为它 似乎容易在复杂轮廓表面上施加较小尺寸的晶体薄膜，包括光纤的 侧面和/或对接端面。光纤具有非常小的尺寸。因而，单模光纤的芯 具有5至10μm的直径，并且反射式包层的直径为125μm。
光纤可以在制备它们的材料上有所差别，尤其是，有多种光纤， 这些光纤基于石英玻璃、硫属玻璃和氟化物玻璃、卤化铊和其它无 机或有机晶体以及非晶体光学材料，以及尤其是聚合物、或这类材 料的组合。
有三种基本类型的光纤：具有玻璃芯和玻璃包层的玻璃纤维、 具有玻璃芯和塑料包层的纤维、以及具有塑料芯和塑料包层的塑料 纤维。
在纤维光导中，芯和/或一个或若干包层可以基于任何材料，如 石英玻璃、氟化物玻璃、硫属玻璃、基于卤化物与聚合物的多晶光 导。
所有列出的材料都可以涂覆以特征尺寸为几十至几百微米的 小尺寸电光各向异性晶体薄膜。此外，表面可以涂覆以晶体薄膜的 材料清单并不限于上述那些材料。
可控干涉滤光片的制造与在复杂几何形状的表面上制造电光 材料的需要有关。
所披露的制造晶体薄膜的方法允许将它置于平面上，以及二次 (阶)表面和更高次(阶)(例如，圆柱形、球形、锥形等)的复 杂表面上。因此，这种方法允许在光纤包层的圆柱面、在光纤劈裂 对接端的平面、在D形光纤(具有扁平抛光表面的弯曲光导，该抛 光表面的一部分靠近光纤的芯；或拉制的具有字母“D”形状的横 截面的光导，其具有靠近该扁平表面的芯)的包层的扁平抛光表面 上形成晶体薄膜。
本方法允许在光纤包层的表面上形成晶体薄膜，在其芯内有至 少一个长程光栅。该光栅可以用任何方法(例如，借助光纤的辐射 或掺杂)制造，并且它促进光信号与例如形成在包层上的干涉滤光 片的更强的相互作用。
各向异性晶体薄膜在可控干涉滤光片中的应用是基于以下事 实：这种材料的各向异性折射率和吸收系数取决于所施加电场的强 度，薄膜的厚度取决于所施加电场(电致伸缩)，以及折射率取决 于光辐射的电场。该薄膜为纤维状或平面光波导的外涂层，其与波 导模部分相互作用，该波导模部分从光波导的波导层渗入(进入) 电光膜涂层。
图1示出了晶体薄膜中X射线辐射的典型衍射图，其中晶体薄 膜是基于蓝色染料加以制造的。该晶体膜伦琴照片中的最大强度峰 的坐标与溶致液晶材料是相同的。考虑到溶致液晶材料 的结构，其中棒状聚集体(堆叠物)是由染料的平面环状分子所形 成的，可以认为芳香族分子的这种π-π共轭作用在形成晶体薄膜期 间得到保留。已经确定该晶体薄膜即是如图2所示的层状晶体结构 的多晶材料，其中层之间的距离大约等于分子的“厚度” 染料分子分布在层的内部，以使每个下一层相对于前一层具有一定 的取向。还发现，机械冲击会扰动晶体本体(crystalline block)的 微结构。该晶体薄膜具有一定的优势晶体取向，同时微晶的最大散 度(divergence)是在10°-25°之内。通过纹理分析和光学数据确定 的序参数大约等于0.9。
在一种具体实施方式中，干涉滤光片包括至少一层各向异性电 光材料，该各向异性电光材料用二价和三价金属的离子加以处理。 在另一种具体实施方式中，至少一种芳香族有机材料的分子含有杂 环。该干涉滤光片可以包括至少一层各向异性电光材料，该材料由 基于至少一种二向色染料的溶致液晶制造。
图3显示一种干涉滤光片，该干涉滤光片包括涂覆以一层导电 透明材料2的基片1，该导电透明材料覆盖以干涉滤光片的其它层， 而该其它层本身又是多层光学结构，该多层光学结构包括具有低nL 3折射率和高nH4折射率的交替层。在多层结构之上有第二层透明 导电材料2。选择交替层厚度的条件是L＝m*λ/(4*n)，式中，m 表示奇数，λ表示滤光片的工作波长，而n表示相应的折射率(nL 或nH)。如在文献中所指出的(参见Max Born，Emil Wolf，《Principles of Optics》，second edition，Pergamon Press，1964)，这样的多层结构 的反射系数会随着nH/nL比率和具有低和高折射率的成对层的数目 的增加而增加。图3表示的滤光片以下述方式进行工作。对导电层 2施加控制电压V，结果在多层光学结构中产生电场。所施加的电 场会改变结构中交替层的折射率。作为这种变化的结果，会改变滤 光片的工作波长，因为该工作波长的缘故，这种滤光片才具有最大 反射系数的特征。基片可以由光学透明或非透明材料制成；它可以 是金属、半导体、电介质，尤其是玻璃、石英、塑料。透明导电电 极可以由二氧化锡(SnO2)或氧化铟(In2O3)制成。电阻为 300Ohm/cm2或较小的SnO2层是通过在400-500℃的马弗炉中高温 分解SnCl4或SnCl2的水合物而获得。这种方法可以用来在基片上 形成电极(在淀积各向异性晶体薄膜之前)。这种方法可以用来获 得不同厚度的层，其取决于最重要的指标：光学透明度或电阻。利 用胶液，如充分稀释在乙醇中的BF-2或BF-4作为混合物，可以将 细金属线焊接到SnO2层。氧化铟层是通过在10-5托的真空下阴极 蒸发铟而获得。这种方法是更具可制造性，并且涂层性能(机械强 度、透光性、电阻)大致与SnO2相同。如果该导电透明涂层淀积 到有机玻璃或半导体上，那么可以使用Cu2S层。最后，将电极连 接于提供直流电压或交流电压的电源。
图4显示一种干涉滤光片，其包括基片1，基片1涂覆以一层 导电非透明材料5，在该导电非透明材料之上有干涉滤光片的其它 层，其是多层光学结构，该多层光学结构包括具有低nL3和高nH4 折射率的交替层。在该多层结构的顶部上有第二层导电非透明材料 5。选择交替层的厚度，条件与以上有关图3所描述的条件相同。 借助于金属的真空蒸发，导电非透明材料层5，例如铝，可以淀积 到多层光学结构的表面。其它金属如金和钛等可以用来形成导电非 透明层。导电非透明层应具有开口，以允许光信号透射入结构内部。 这些开口可以通过，例如，在真空蒸发期间利用掩模或其它方法来 形成。滤光片的工作原理类似于图3所示的情况。
图5显示一种干涉滤光片，其由于导电层是形成在多层光学结 构的侧面的事实而不同于图3和图4所示的干涉滤光片。
图6显示一种干涉滤光片，它包括基片1，该基片覆盖以具有 低nL3和高nH4折射率的交替层的第一多层光学结构。在第一多层 结构之上有一层导电的光学透明材料2，在该透明材料的顶部上有 一层低折射率材料7。该低折射率材料涂覆以第二层导电透明材料 2以及低和高折射率材料的交替层的第二多层光学结构。交替层的 厚度满足在图3-5所示实施例中满足的相同的关系。层7厚度的选 择条件是L＝m*λ/(2*n)，式中，m表示偶数，λ表示滤光片的工 作波长，而n表示层7的折射率。以此条件选择滤光片中的层厚度， 用以为滤光片的工作波长提供最大透射系数。因此，这种滤光片是 带通-透射滤光片。所施加的控制电压在层7中产生电场，电场实际 上改变它的折射率。由于这种折射率变化的结果，滤光片的透射带 会移动。可以与在层7中的厚度、交替层中的比率nH/nL以及多层 结构中的成对交替层的数目相适应的半波数越大，则带通-透射滤光 片的截止就越尖锐。
图7显示一种干涉滤光片，该干涉滤光片由于一层导电材料不 是形成在中间层7的表面上而是形成在基片表面上的事实而不同于 如图6所示的干涉滤光片。一般说来，可以任意放置导电材料层。 而在它们之间产生的电场必需透过滤光片中的电光材料层、从而改 变它们的折射率并控制滤光片的光学特性才是主要的。
图8显示一种干涉滤光片，该干涉滤光片包括具有芯8和包层 9的光纤，在该光纤中有干涉滤光片的多个层，这些层是具有低3 和高4折射率的交替层的多层光学结构。在多层光学结构的两侧， 有一层导电材料2。将控制电压施加于这两个导电层。交替层的厚 度满足以下关系L＝m*λ/(4*n)，式中，m表示奇数，λ表示滤光 片的工作波长，而n表示相应的折射率(nL或nH)。这样的滤光片 的特点在于对工作波长具有最大反射系数。所施加的电压在交替层 内产生电场，其结果是各个交替层的折射率发生变化，因此具有最 大反射系数特征的滤光片的工作波长也发生变化。
图9显示一种干涉滤光片，该干涉滤光片包括具有芯8和包层 9的光纤，在其内部有干涉滤光片的数个层，这些层是具有低3折 射率和高4折射率的交替层的多层光学结构。与如图8所示的干涉 滤光片的差异在于该交替层是倾斜的(即，这些层的法线方向和光 纤的轴构成0至90°的锐角)。在这种情况下，反射波被引导出光纤。 这样的滤光片可以用在激光器或光放大器的出射狭缝(孔)处。因 为反射波并不回到光信号源，所以这样的滤光片增加了光学系统对 抗自发激发的稳定性。
图10显示一种可控干涉滤光片，它包括具有芯8和包层9的 光纤，在其内部有具有低3和高4折射率的交替层的第一多层光学 结构。在第一多层结构的后面有一层导电光学透明材料2，在其后 面有一层低折射率材料7。此外，还提供了第二层导电透明材料2 和具有低和高折射率的材料的交替层的第二多层光学结构。该交替 层的厚度满足的关系与图8-9给出的实施例中的关系相同。层7厚 度的选择条件是L＝m*λ/(2*n)，式中，m表示偶数，λ表示滤光 片的工作波长，而n表示层7的折射率。利用该条件选择在这样的 滤光片中的层厚度，以便为滤光片的工作波长提供最大透射系数。 施加于导电层2的控制电压改变层7材料的折射率，其导致滤光片 的透射谱带的变化。在第二多层光学结构中层的顺序与第一多层光 学结构中层的顺序相反。因此，图10表示具有以下层顺序的滤光 片：H-L-H-L-H-E-2L-E-H-L-H-L-H，其中H表示高折射率层，L表 示低折射率层，而E表示导电层。
图11显示一种干涉滤光片，该干涉滤光片与图10所示的干涉 滤光片的不同之处在于导电材料层2的位置。一般说来，可以任意 放置导电材料层。而在它们之间形成的电场必需透过滤光片的电光 材料层，从而改变它们的折射率并控制滤光片的光学特性才是主要 的。
图13、图14和图15显示可控干涉滤光片，它们与图10、图 11和图12所示的滤光片的不同之处在于层的顺序： L-H-L-H-L-E-2H-E-L-H-L-H-L(图13)、 E-L-H-L-H-L-2H-E-L-H-L-H-L(图14)以及 E-L-H-L-H-L-2H-E-L-H-L-H-L(图15)，其中H表示高折射率层， L表示低折射率层，而E表示导电层。
图16显示一种可控干涉滤光片，该干涉滤光片包括具有芯8 和包层9的光纤，在其对接端有若干层，这些若干层是具有低3和 高4折射率的交替层的多层光学结构。在该多层光学结构的两侧， 有导电材料层2。将控制电压施加于两个导电层。该交替层的厚度 满足以下关系L＝m*λ/(4*n)，式中，m表示奇数，λ表示滤光片 的工作波长，而n表示相应的折射率(nL或nH)。这样的滤光片的 特点是对于工作波长具有最大反射系数。所施加的电压在交替层内 产生电场，其改变在这些层中所用的电光材料的折射率，因此导致 具有最大反射系数特点的滤光片的工作波长发生变化。
图17显示一种可控干涉滤光片，该干涉滤光片包括具有芯8 和包层9的光纤，在其倾斜的对接端有干涉滤光片的若干层，其是 具有低3折射率和高4折射率的交替层的多层光学结构。在这种情 况下，反射波被从光纤消除。在该多层光学结构的两侧有导电材料 层2。将控制电压施加于两个导电层。这样的滤光片可以用在激光 器或光放大器的出射狭缝处。因为反射波并不回到光信号源，所以 这样的滤光片增加了光学系统对抗自发激发的稳定性。
图18显示一种可控干涉滤光片的横截面，该干涉滤光片包括 具有芯8和包层9的光纤，在其包层上有导电透明材料的第一圆筒 形层11，该层涂覆以具有低13和高14折射率的交替层的第一多层 光学结构。该第一多层结构覆盖以低折射率材料的中间圆筒形层 12。在中间层12上形成有具有低和高折射率的交替层的第二多层 光学结构。该第二多层结构又涂覆以第二导电层11。该交替圆筒形 层的厚度满足以下关系：L＝m1*λ/(4*n)，式中，m1表示奇数，λ 表示滤光片的工作波长，而n表示相应的折射率(nL或nH)。选择 层12的厚度，条件是L＝m2*λ/(2*n)，式中，m2表示偶数，λ表 示滤光片的工作波长，而n表示层12的折射率。选择在这样的滤 光片中的层厚度，以便为滤光片的工作波长提供最大透射系数。施 加于导电层11的控制电压改变层12的折射率，其导致滤光片的透 射谱带的变化。在第二多层光学结构中的层顺序与在第一多层光学 结构中的层顺序相反。因而，图18显示具有以下层顺序的滤光片： E-H-L-H-2L-H-L-H-E，其中H表示高折射率层，L表示低折射率层， 而E表示导电层。施加于导电层的工作电压会移动滤光片的透射波 长。
图19显示一种可控干涉滤光片，该干涉滤光片包括具有芯8 和包层9的D形光纤，在其包层的扁平的抛光表面上有第一层导电 透明材料2，在其顶部上有具有低3和高4折射率的交替层的第一 多层光学结构。在第一多层结构的后面有低折射率材料的中间层7。 此外，还有具有低折射率和高折射率的交替层的第二多层光学结构 以及第二层导电透明材料2。该交替圆筒形层的厚度满足以下关系 L＝m1*λ/(4*n)，式中，m1表示奇数，λ表示滤光片的工作波长， 而n表示相应的折射率(nL或nH)。选择层7的厚度，条件是L＝ m2*λ/(2*n)，式中，m2表示偶数，λ表示滤光片的工作波长，而n 表示层7的折射率。用该条件选择这样的滤光片中的层厚度，以便 为光学滤光片的工作波长提供最大透射系数。施加于导电层2的控 制电压改变层7的折射率，其导致滤光片的透射谱带的变化。在第 二多层光学结构中的层顺序与第一多层光学结构中的层顺序相反。 因此，图19显示的滤光片具有以下层顺序：E-H-L-H-2L-H-L-H-E， 其中H表示高折射率层，L表示低折射率层，而E表示导电层。施 加于导电层的操作电压会移动滤光片的透射波长。施加于导电层的 工作电压移动滤光片的透射谱带。
在一个具体实施方式中，本发明的干涉滤光片包括至少一个偏 振片层、和/或至少一个相位差层、和/或至少一个配向层、和/或至 少一个保护层、和/或至少一个镜面反射或漫反射层、和/或至少一 个功能相当于所述各层中至少任意两层结合而它们同时作用的层。 在另一种具体实施方式中，干涉滤光片包括至少一对在DC和/或 AC电压下的电极。干涉滤光片的这一具体实施方式是可能的：其 中至少电极之一的至少一部分是由光学非透明材料制造的，该非透 明材料具有至少一个透明窗以允许光束的透射。
图20显示一种可控光学器件，该可控光学器件包括具有芯8 和包层9的光纤以及可控干涉滤光片。在光纤和滤光片之间有显微 透镜15。例如具有抛物线分布的折射率的显微透镜15进行操作以 将光线扩展成平行光束，其对于更好地与干涉滤光片相互作用是必 要的。显微透镜15的中心应精确放置得以与光纤的光轴重合。通 常，通过相对于光纤移动显微透镜，就可以确定光信号的最大透射 通过光纤和显微透镜的位置，然后可以利用环氧胶将在相对于光纤 的那个位置的显微透镜固定。机械夹具也可以用来将显微透镜固定 在光纤上。在这种光学器件中的可控干涉滤光片可以是带通透射 (带通)的以及带反射(带反)的。除此之外，可以优化多层光学 结构以便仅透射较高或较低波长的光信号。在这种情况下，控制电 压以控制滤光片的工作波长。
图21显示一种光纤装置(器件)，该装置(器件)包括一段长 度为L并具有芯8和包层9的光纤以及形成在该光纤段的相反对接 端的两个可控干涉滤光片。可以设计这些滤光片，以便它们的作用 是近乎完全地反射在很宽波长范围内的光辐射。如果使用单模光 纤，那么这样的光学器件可以起法布里-珀罗干涉仪的作用。这样的 干涉仪的芯的光程长可以借助于各种方法加以改变：弯曲光纤、加 热光纤、用声波影响光纤，或通过将光纤放置在磁场或电场中。因 此，可以调制相干光信号传播通过滤光片。除此之外，当使用两种 或两种以上波的多模光纤光信号时，用这样的滤光片可以在空间上 分成波长λ1、λ2、...λ1，这与使用法布里-珀罗干涉仪是一样的，这 是由于所述光信号的光程差所造成的。类似的构造可以用于窄带宽 反射式滤光片。
如图22所示，光源16可以产生相干或非相干光信号。这种光 信号入射到若干光纤的系统上。在每根光纤的对接端有可控干涉滤 光片。每个滤光片被调谐到各自波长，各自波长可以通过施加于滤 光片的电场而变化。这样的装置可以从多波长源分离出各自不同颜 色的光信号。
图23显示一种基于光纤的可控干涉滤光片，在光纤的芯8中 有周期为100-600μm的光栅17。这样的光栅将光辐射(其辐射场 被集中在光纤芯的中心，并且以基本模式或由光纤芯引导的其它任 何模式传播)转换成包层模式(包模)之一，并在光纤包层中传播。 该光栅还可以反过来起作用，即将包层模式的辐射转换成基本模式 (基模)或转换成任何其它在光导芯中被引导的模式。由于相位同 步，这种光栅可以在芯模式和包层模式之间提供有效的通信。因此， 这样的光栅对光与形成在光纤包层表面上的干涉滤光片的相互作 用进行增强。由于晶体薄膜具有高光学各向异性的特点，因此这种 装置能够选择具有各种偏振状态的光模。除此之外，由于晶体薄膜 具有吸收系数依赖于电场强度的特点，因此这样的装置允许借助于 调制吸收来调制具有一定波长的光。
图24图示说明一种干涉滤光片，其中，有形成在光纤芯8中 的两个光栅17，以及具有电极2的交替层3和4的活性多层系统形 成在它们之间，并在包层9的外侧。在这里，第一光栅分离出一定 的光模并将它们传输进入包层，而第二光栅则将它们传输回到芯。 滤光片的活性多层系统会影响通过芯的光传播。与前面的实施例相 类似，这种装置允许通过调节吸收来调制选择波长的光，这是因为 晶体薄膜具有吸收系数依赖于电场强度的特点，或通过调节其透射 系数来调节滤光片的反射系数，进而调制选择波长的光。在这种情 况下，调制依赖于其偏振状态的光也是可能的，因为晶体薄膜是各 向异性的。
图25图示说明一种可控电光装置，该可控电光装置是图23和 图24中例举的装置的结合。
以下表1总结了为1500nm波长而设计的反射式干涉滤光片的 层的特性。假定光束沿着法线(沿着轴OZ)入射到层1上。各向异 性电光材料层(其是各向异性晶体薄膜(TCF))的主光轴是沿着 OX轴(折射率n＝2.0)和沿着OY轴(折射率n＝1.6)进行定位。滤 光片的光学材料层假定是扁平的并且垂直于OZ轴放置。ITO层为 电极，这些电极用来控制滤光片的光学特性。
表1.为1500nm波长而设计的反射式干涉滤光片的各层特性
层数目 材料 折射率 厚度，nm 沿着OX 沿着OY 1 SnO2 2.0 193.75 2 ITO 1.76 220.17 3 SnO2 2.0 193.75 4 TCF 2.0 1.6 246.19 5 SnO2 2.0 193.75 6 TCF 2.0 1.6 246.19 7 SnO2 2.0 193.75 8 TCF 2.0 1.6 246.19 9 SnO2 2.0 193.75 10 TCF 2.0 1.6 246.19 11 SnO2 2.0 193.75 12 TCF 2.0 1.6 246.19 13 SnO2 2.0 193.75 14 TCF 2.0 1.6 246.19 15 SnO2 2.0 193.75 16 TCF 2.0 1.6 246.19 17 SnO2 2.0 193.75 18 TCF 2.0 1.6 246.19 19 SnO2 2.0 193.75 20 TCF 2.0 1.6 246.19 21 SnO2 2.0 193.75 22 TCF 2.0 1.6 246.19 23 SnO2 2.0 193.75 24 ITO 1.76 220.17 25 SnO2 2.0 193.75 26 基片 1.46 4000
图26图示说明多层系统的反射系数的光谱特性，其中没有在 线性偏振光的垂直入射方向作基片校正。示于图26的曲线对应于 偏振矢量相对于X轴的各种角取向：1)＝0°；2)＝30°；3) ＝60°；4)＝90°；
根据图26，沿着Y轴(曲线4)的偏振光被多层系统完全反射。 沿着X轴的偏振光，其反射系数(曲线1)取决于波长，并且在波 长λ＝1533nm处达到其最小值，等于3×10-5。因而，对于此波长的 透射系数接近一。这些数据说明多层系统相当于偏振片。
如图27所示，基片会影响反射光的光谱，并且降低其最大偏 振度。图27示出在基片厚度为4mm的情况下反射系数对线性偏振 光波长的依赖关系。图27所示的曲线对应于偏振矢量相对于X轴 的不同角取向：1)＝0°；2)＝30°；3)＝60°；4)＝90°； 在计算中所用的光谱分量的相干长度的倒数是-Δλ/λ2＝0.002μm-1。
图28图示说明在使用非偏振光并有4mm厚度的基片存在的情 况下，透射系数和反射系数对于波长的依赖关系。显然，透射光在 整个光谱范围内被沿着X轴线性偏振，并具有高于0.94的偏振度。 对于波长λ＝1533nm，透射系数高于0.45，其是显著的。甚至在最 糟的情况下(例如在λ＝1580-1600nm处)，透射系数也高于0.3， 并且偏振度大约为0.94。该反射光被沿着Y轴线性偏振(对于λ＝ 1533nm，偏振度达到0.87，而对于λ＝1600nm则降低到最小值0.4)。
提供了多层系统的一种简化构造以解释说明此现象的物理机 制，而不是以任何方式限制本发明的范围。考虑一种包括21层的 多层系统：(1)
类似于用胆甾型液晶的情况，选择性反射系数的范围宽度能够 满足下面的关系：
式中Δn＝nx，TCF-nx，PI＝2.4-1.6＝0.8，λm表示选择性反射系数范 围的波长。
因为沿着Y轴方向介质是均匀的，所以当波长在选择性反射系 数的范围内时，Y轴偏振光被此系统完全透射，而X轴偏振光被干 涉滤光片反射。增加层的数目使反射系数的光谱关系曲线在选择性 反射系数的范围内变平，而反射系数本身的值则变得非常接近1。
表2提供同样为λ＝1550nm而设计的带通-透射滤光片的各层 的特性。类似于前述情况，假定光束沿着法线(沿着轴OZ)入射到 层1上。各向异性晶体薄膜的主光轴是沿着OX轴(n＝2.0)和OY 轴(n＝1.6)，其余层则是各向异性的。ITO层为电极，通过这些电 极控制滤光片的光学特性。滤光片的光学材料层假定是扁平的，并 且垂直于OZ轴放置。在图30和图31中提供了光学结构的反射系 数对波长的依赖关系，其适合于1500和1600nm之间波长范围以及 适合于入射光偏振的四种情况。因为场矢量在平面XOY中，所以 图30-31图示说明了以下偏振情况：＝0°、30°、60°以及90°，其 中表示OX轴和光波的电场矢量之间的角度。
表2.为1550nm波长而设计的带通-透射光学滤光片的各层特性
层数目 材料 折射率 厚度，nm 沿着OX轴 沿着OY轴 1 TiO2 2.3 168.48 2 SiO2 1.43 270.98 3 TiO2 2.3 168.48 4 SiO2 1.43 270.98 5 TiO2 2.3 168.48 6 ITO 1.76 220.17 7 TCF 2.0 1.6 387.5 8 ITO 1.76 220.17 9 TiO2 2.3 168.48 10 SiO2 1.43 270.98 11 TiO2 2.3 168.48 12 SiO2 1.43 270.98 13 TiO2 2.3 168.48
在表2中描述的滤光片的特点在于：如图30所示，对于沿着 X轴的偏振光的波长具有截然不同的选择范围。在图30中的曲线 (1-4)对应于相对X轴偏振的不同角的取向：1)＝0°；2) ＝30°；3)＝60°；4)＝90°。曲线5对应于非偏振光。对于波 长1550nm，反射系数的最低值大约等于3％。对于正交偏振，反射 系数大约是95％。因而，该滤光片对于1550nm的波长相当于一个 很好的偏振片。对于波长1555nm的偏振度等于0.93。
因为各向异性晶体薄膜(TCF)的折射率对电场强度敏感，所 以可以控制表2中所描述的滤光片的工作范围。图31表明了当各 向异性晶体薄膜的折射率的x分量从2(曲线1)变成1.95(曲线2) 时，光谱所发生的变化。显然，干涉滤光片的光谱特性是由电场控 制的。
实施例：用磺化阴丹酮的溶致液晶(LLC)制造电光各向异性晶体 薄膜
干涉滤光片的电极和各向异性材料层的制造是利用标准制造 技术进行的。因此，省去了有关制造基片、电极和各向异性层的描 述。在本发明中一个主要的意义是制造各向异性晶体薄膜的方法。
制造各向异性晶体薄膜的方法使用9.5％的磺化阴丹酮的水溶 液，该溶液在室温下形成六方相。在溶液中，这种有机染料的分子 聚集成不等轴的超分子复合物。这些复合物起薄膜晶体结构的基础 的作用。利用直接浇注和涂抹，最初的油墨在纯化后被涂覆到石英 玻璃基片上。然后通过某种外部作用降低胶体体系的粘度，这对于 进行后来的配向是必要的。这时，溶液形成向列相或向列相和六方 相的混合物。体系的粘度从1780mPa/sec下降到250mPa/sec。仅在 体系粘度降低的条件下，才能获得具有良好质量的各向异性晶体薄 膜。
下一步操作是对LLC的胶体体系的动力单位进行配向(取向) 的步骤。进行此步操作可以用各种配向工具。在本实施例中使用的 是直径为9.5mm并缠绕有金属丝的圆柱形配向迈尔(Mayer)棒4。 该棒的直径决定湿层的厚度。在配向作用过程中，该棒以13mm/sec 的速度移动。源于棒移动的剪切应力导致体系粘度的额外下降。
下一步操作是干燥过程。对此过程的要求是除去溶剂的速率应 较慢，以便防止损伤较早经配向的结构。在此实施例中，干燥是在 室温和60％的湿度下进行。
用上述制造技术制成的各向异性晶体薄膜具有0.3-0.4μm的厚 度、具有高度各向异性的光性能和电性能、在薄膜区域以及批次之 间具有良好的参数重现性。所获得薄膜的晶体结构的完整性是通过 光学X射线衍射法加以评估的。
以上本发明的特定具体实施方式的描述是用于说明和描述。它 们并非穷举或将本发明限制于所披露的精确形式，并且很显然根据 上述教导许多改进、具体实施方式、以及变化都是可能的。因此本 发明的范围由所附权利要求以及它们的等同替换所限定。
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