CN1439108A - 光波导及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了光波导，该光波导包括一个光传输芯和一个在所述芯上的包层。该光波导可以是平面或圆柱的，例如光纤。该光波导被设置上一层双轴或单轴晶体材料附加层，该附加层沿不同的方向具有不同的折射率。

Description

光波导及其制造方法

相关申请

本申请要求于2000年11月14日提交的美国临时申请第60/249,034号的优先权。

技术领域

本发明涉及用于光纤系统的部件，例如用于通信装置的光波导，还涉及用于控制穿过光波导的光的传播并提供有关波导横截面内光的电磁场的空间和方向分布的选择性的部件。

背景技术

光具有一些基本的性质，例如亮度、波长(或颜色)和偏振。在光学器件中，人们希望控制所有的这些性质并通过调制这些性质将富有意义的事情发信号至位于波导另一端的接收器。

因为相干检测系统例如零差和外差的需要(J.M.Senior，OpticsFiber Communications，N.Y.，1992，908p)，偏振的维持(或模的选择)是光传输装置中的一个重要特征。

在另一些情形下，在非均匀平面波导或光纤内，光学参数的结合限制了某些模的存在或能量占有率，并且造成了波导或光纤的有用性质。工业上在制造在光纤芯中具有双折射特定结构的可选择性光纤方面投入了大量的费用。这些光纤被命名为偏振保持光纤(Ivan.P.Kaminow，“Polarization In Opitcal Fibers”，IEEE Journal ofQuantum Electronics，Vol，QE-17，No.1，January 1981，15-221)。该光纤保持了特定的传输模或模的结合，该模具有在波导或光纤内电磁场特定空间和场矢量的分布。在本申请中将使用在描述光传输模结构的论文和专利中公认的术语(J.D.Dai，C.K.Jen，Analysis ofcladded uniaxial single-crystal fibers.J.Optical Soc.Am.A.2022-2026；A.Tonning，Circularly symmetrical optical waveguidewith strong anisotropy.IEEE Trans.Microwave Theory Technol.MTT-30，790-794，1982 John A.Buck，“Fundamentals of OpticalFibers”，John Wiley & Sons，New York，p.259)，从我们的视点来看，使用这些术语描述本发明最合适的。另两篇和本发明紧密相关的公开是Sorin等人的美国专利第4,721,352号以及R.A.Bergh，H.C.Lefevre，H.J.Shaw，“Single-mode fiber-optic polarizer”，Optics Letters，1880，vol.5，No.11，479-481。

本发明中对光传输器件或波导的定义非常广泛。它包括所有在一个偏振光源和一个如外差或零差的检测器之间传输光的器件或波导。偏振光源被理解为一个激光器或带有偏振控制器的非偏振光源。非偏振光源可以是任何的发光源，例如发光二极管、灯、日光或阳光。

在通常的光学系统中，通过在该系统采用如偏振保持光纤不对称芯的双折射元件来保持偏振。但是，它产生了另一个问题，即信号的偏振色散。本发明提供了在光学系统中没有偏振色散固有问题的偏振保持。本发明抑制了光波导中一个模(TE或TM)的传输，并且提供了用于传输一种偏振态的偏振信号同时消除另一种偏振态的光的部件。这些部件可被用作偏振控制器，偏光镜和偏振保持传输波导，如平面扁平波导和光纤。

从文献(R.A.Bergh等人，“Single-mode filber optic polarizers”，Optics Letters，vol.5，No.11，1980，pp.479-481)中可知，晶体材料可以在如光纤的波导中产生特定的偏振特性。类似的特性可由芯和包层的不对称提供，该芯和包层的不对称可通过光纤自身如被光子晶体和“偏振保持光纤”(A.Ferrando等人，“Vector description ofhigher-order modes In photonic crystral fibers”，J.Opt.Soc.Am.A/Vol.17，No.7，July 2000，1333-1340)所示的设计产生。同时也可知(P.Yeh和C.Gu，“Optics of Liquid Crystal Displays”，N.Y.，1999，427)某些晶体具有偏振性能并且能保持光的偏振。

发明概述

本发明使用了在I.G.Khan等人的美国专利第5,739,296号和I.G.Khan等人的美国专利第6,049,428号中所披露的可容易控制结晶轴方向的材料，该材料提供了各向异性的晶体涂层或如美国专利第2,400,877号、第2,481,830号和第2,524,286号中描述的涂层。

本发明提供了一种光波导，其中通过该波导传输的光的偏振被保持或被偏振化。该光波导可以是平面的或圆柱的。该波导包括一个芯、一个包层和一层双轴或单轴晶体材料膜或涂层，该晶体材料沿不同的方向具有不同的折射率。按照使该膜沿不同的轴具有不同的光学性质的方式沉积该材料。在一个实施例中，该膜材料是由一种经过改良的扁平分子有机组合物构成，该扁平分子具有在水中形成的并基于疏水性-亲水性相互作用的液晶相结构。该溶致液晶材料可在剪力的作用下被涂覆在包层上作为一层分子定向薄膜。在美国专利第5,739,926号和第6,049,428号中描述了该类型的材料。其它的偏振模，如在美国专利第2,400,877号、第2,481,830号和第2,524,286号中描述的，也可用于本发明。

附图简要说明

从下面结合附图的描述可以理解本发明，其中：

图1是根据本发明带有一层涂层或膜的平面波导一部分的透视图；

图2是根据本发明带有一层膜的圆柱波导的横剖面图；

图3是示出带有根据本发明涂层膜的阶跃型光纤中一些模的本征值的图表；

图4是根据本发明一个实施例的圆柱波导的透视图；

图5是带有另一种涂层膜结构的光纤的透视图；

图6是带有分子在膜中被螺旋定向的光纤的透视图；

图7是带有绕光纤圆周分裂的膜的光纤的透视图；

图8是向光纤涂晶体膜的一个机器的示意图；

图9是图8涂层单元的横截面视图；

图10是另一种适当的模涂层单元的示意图；

图11是带有被活性等离子刻蚀变细了的包层的光纤的透视图；

图12是从光纤的一侧被处理以使包层变细的光纤的透视图。

发明详述

本发明涉及新的偏振保持和偏振光波导，如扁平的平面波导或圆柱波导或光纤。同时也描述了一种制造模选择型光波导的方法，例如平面多层波导或圆柱波导或光纤的制造方法。该波导的设计具有一个重要的特性：其中的一层是由涂覆有沿不同方向折射率也不同的高各向异性晶体材料制成。利用沉积技术，可以控制最后一层内晶体结晶轴的方向。结晶层的光学性能沿结晶轴各不相同，从而就可通过选择材料和沉积的方向或图案来影响光波导的性能。

图1的平面波导是透射光的材料层。透射层11夹在包层12之间。一个或数个各向异性层13对光发生作用使得一种偏振模沿层11进行传输而另一种偏振模被层13吸收或分离导出波导。例如，假定在单轴各向异性层的情形下。

光波点场矢量为

               Eexp[i(ωt-k·r)]

磁场矢量为

               Hexp[i(ωt-k·r)]，

其中

E＝(E₁，E₂，E₃)和H＝(H₁，H₂，H₃)是一些常矢量；r＝(x，y，z)；k＝(k，0，β)-波导矢量。

假定两个各向异性层13和具有界面x＝a的包层12之间的相互作用使得单轴介质的层位于x＞a、包层12位于x＜a。其公共的表面在x＝a。波传播的方向是z。

首先假定单轴介质的非常方向是z轴。介电张量ε的第一坐标系与(x，y，z)相符。对于单轴各向异性介质，ε_x＝ε_y＝ε₀n₀ ²，其中n₀是层13的一般折射率，n_e是层13的非常折射率。

如果

((ω/c)²n₀ ²-β²)E₁+kβE₃＝0，

((ω/c)²n₀ ²-k²-β²)E₂＝0，

kβE₁+((ω/c)²n_e ²-k²)E₃＝0.

就满足了麦克斯韦方程。

该方程有两个解。

第一个解是：

E＝(0，1，0)；k²＝((ω/c)²n₀ ²-β²).

第二个解是：

E＝α(β，0，-(1/k)((ω/c)²n₀ ²-β²))；α²＝1/((n₀/n_e)⁴k²+β²)，α＞0；k²＝(n_e/n₀)²((ω/c)²n₀ ²-β²).

很明显，这两个解是正交的矢量。因此，x＞a的任意层内解的一般形式为：

E_x＝αβ(C₁Exp[-ix(n_e/n₀)k-izβ+iωt]+C₂Exp[ix(n_e/n₀)k-izβ+iωt])；

E_y＝D₁Exp[-ixk-izβ+iωt]+D₂Exp[ixk-izβ+iωt]；

E_z＝-α(n₀/n_e)k(C₁Exp[-ix(n_e/n₀)k-izβ+iωt]-C₂Exp[ix(n_e/n₀)k-izβ+iωt]).此处，C₁，C₂，D₁，D₂都是任意常数，并且 $a=\frac{1}{\sqrt{\frac{n_o^2}{n_e^2}(\frac{{\mathrm{\ω}}^2}{c^2}{n}_o^2-{\mathrm{\β}}^2)+{\mathrm{\β}}^2}},k=\sqrt{\frac{{\mathrm{\ω}}^2}{c^2}{n}_o^2-{\mathrm{\β}}^2}.$ 此时磁场的矢量分量是：H_x＝-(1/ωμ)β(D₁Exp[-ixk-izβ+iωt)+D₂Exp[ixk-izβ+iωt])；H_y＝(1/ωμ)(ω²n₀ ²/c²)α(C₁Exp[-ix(n_e/n₀)k-izβ+iωt]+C₂Exp[ix(n_e/n₀)k-izβ+iωt])；H_z＝(1/ωμ)k(D₁Exp[-ixk-izβ+iωt]-D₂Exp[ixk-izβ+iωt]).在各向同性介质(层12)的情形下，任意层的解如下：E_x＝αβ(N₁Exp[-ixk-izβ+iωt]+N₂Exp[ixk-izβ+iωt])；E_y＝M₁Exp[-ixk-izβ+iωt]+M₂Exp[ixk-izβ+iωt]；E_z＝-αk(N₁Exp[-ixk-izβ+iωt]-N₂Exp[ixk-izβ+iωt])；H_x＝-(1/ωμ)β(M₁Exp[-ixk-izβ+iωt]+M₂Exp[ixk-izβ+iωt])；H_y＝(1/ωμ)(ωn/c)(N₁Exp[-ixk-izβ+iωt]+N₂Exp[ixk-izβ+iωt])；H_z＝(1/ωμ)k(M₁Exp[-ixk-izβ+iωt]-M2Exp[ixk-izβ+iωt])，其中 $\mathrm{\α}=\frac{c}{\mathrm{\ωn}},k=\sqrt{\frac{{\mathrm{\ω}}^2}{c^2}{n}^2-{\mathrm{\β}}^2}$ 并且n是各向同性包层介质(层12)的折射率。

在界面x＝a处包层介质和单轴介质之间连续的状态致使：

E_y＝M₁Exp[-iak₁]+M₂Exp[iak₁]＝D₁Exp[-iak₂]+D₂Exp[iak₂];

E_z＝-α₁k₁(N₁Exp[-iak₁]-N₂Exp[iak₁])＝

    -α₂(n₀/n_e)k₂(C₁Exp[-ia(n_e/n₀)k₂]-C₂Exp[ia(n_e/n₀)k₂])；

H_y＝(1/ωμ)(ωn/c)(N₁Exp[-iak₁]+N₂Exp[iak₁])＝

    (1/ωμ)(ω₂n₀ ²/c₂)α₂(C₁Exp[-ia(n_e/n₀)k₂]+C₂Exp[ia(n_e/n₀)k₂])；

H_z＝(1/ωμ)k₁(M₁Exp[-iak₁]-M₂Exp[iak₁])＝

    (1/ωμ)k₂(D₁Exp[-iak₂]-D₂Exp[iak₂])

此处，k₂和α₂是单轴介质的常数k和α；k₁和α₁是各向同性介质的常数k和α。

应当注意，被称作TE的模对应于{M₁，M₂，N₁＝0，N₂＝0}，TM的模对应于{M₁＝0，M₂＝0，N₁，N₂}。设法使各向同性介质的TE模只与单轴介质的TE模耦合，各向同性介质的TM模只与单轴介质的TM模耦合。对于理想的界面，这两种模之间并不相互作用。

因此，对于TE模：

E_y＝M₁Exp[-iak₁]+M₂Exp[iak₁]＝D₁Exp[-iak₂]+D₂Exp[iak₂]；

H_z＝k₁(M₁Exp[-iak₁]-M₂Exp[iak₁])＝k₂(D₁Exp[-iak₂]-D₂Exp[iak₂])

对于TM模：

E_z＝-α₁k₁(N₁Exp[-iak₁]-N₂Exp[iak₁])＝

    -α₂(n₀/n_e)k₂(C₁Exp[-ia(n_e/n₀)k₂]-C₂Exp[ia(n_e/n₀)k₂])；

H_y＝(ωn/c)(N₁Exp[-iak₁]+N₂Exp[iak₁])＝

    (ω²n₀ ²/c²)α₂(C₁Exp[-ia(n_e/n₀)k₂]+C₂Exp[ia(n_e/n₀)k₂])

可以看出，尽管TM模依赖于非常折射率和一般折射率，但是TE模只依赖于一般折射率。

结论1：如果假定单轴材料的涂覆方向是z轴，并且单轴材料对通常的方向x和y具有高吸收系数，那么TE模将会是一种消逝波，而且在各向同性介质TE模中偶然出现的任何波都会因为与单轴材料的相互作用而衰减。TM模的消光系数依赖于β和比值n_e/n₀。

现在假定另一种设计，其中单轴介质的非常方向是y轴。介电张量ε的第一坐标系与(x，y，z)相符。对于单轴各向异性介质，ε_x＝ε_z＝ε₀n₀ ²，ε_y＝ε₀n_e ²，如果

((ω/c)²n₀ ²-β²)E₁+kβE₃＝0，

((ω/c)²n_e ²-k²-β²)E₂＝0，

kβE₁+((ω/c)²n₀ ²-k²)E₃＝0.

就满足了麦克斯韦方程。

该系统有两个解。

第一个解是：

E＝(0，1，0)；k_e ²＝((ω/c)²n_e ²-β²).

第二个解是：

E＝α(β，0，-k₀)；α＝c/ωm₀；k₀ ²＝((ω/c)²n₀ ²-β²).

很明显，这两个解是正交的矢量。因此，x＞a的任意层内解的一般形式是：

E_x＝αβ(C₁Exp[-ixk₀-izβ+iωt]+C₂Exp[ixk₀-izβ+iωt])；

E_y＝D₁Exp[-ixk_e-izβ+iωt]+D₂Exp[ixk_e-izβ+iωt]；

E_z＝-αk₀(C₁Exp[-ixk₀-izβ+iωt]-C₂Exp[ixk₀-izβ+iωt]).

此处，C₁，C₂，D₁，D₂都是任意常数，并且 $k_0=\sqrt{\frac{{\mathrm{\ω}}^2}{c^2}{n}_0^2-{\mathrm{\β}}^2},k_e=\sqrt{\frac{{\mathrm{\ω}}^2}{c^2}{n}_e^2-{\mathrm{\β}}^2}$ 磁场的矢量分量是：H_x＝-(1/ωμ)β(D₁Exp[-ixk_e-izβ+iωt]+D₂Exp[ixk_e-izβ+iωt])H_y＝(1/ωμ)(ωn₀/c)(C₁Exp[-ixk₀-izβ+iωt]+C₂Exp[ixk₀-izβ+iωt])H_z＝(1/ωμ)k_e(D₁Exp[-ixk_e-izβ+iωt]-D₂Exp[ixk_e-izβ+iωt])

在界面x＝a处各向同性介质和单轴介质之间连续的状态致使：

E_y＝M₁Exp[-iak]+M₂Exp[iak]＝D₁Exp[-iak_e]+D₂Exp[iak_e]；

E_z＝-α₁k(N₁Exp[-iak]-N₂Exp[iak])＝

    -α₂k₀(C₁Exp[-iak₀]-C₂Exp[iak₀])；

H_y＝(1/ωμ)(ωn/c)(N₁Exp[-iak]+N₂Exp[iak])＝

    (1/ωμ)(ωn₀/c)(C₁Exp[-iak₀]+C₂Exp[iak₀])；

H_z＝(1/ωμ)k(M₁Exp[-iak]-M₂Exp[iak])＝

    (1/ωμ)k_e(D₁Exp[-iak_e]-D₂Exp[iak_e])

此处，α₂是单轴介质的常数α；α₁是各向异性介质的α。

设法使各向同性介质的TE模只与单轴介质的TE模耦合，各向同性介质的TM模只与单轴介质的TM模耦合。对于理想的界面，这两种模之间并不相互作用。

因此，对于TE模：

E_y＝M₁Exp[-iak]+M₂Exp[iak]＝D₁Exp[-iak_e]+D₂Exp[iak_e]；

H_z＝k(M₁Exp[-iak]-M₂Exp[iak])＝k_e(D₁Exp[-iak_e]-D₂Exp[iak_e])

对于TM模：

E_z＝-α₁k(N₁Exp[-iak]-N₂Exp[iak])＝-a₂k₀(C₁Exp[-iak₀]-C₂Exp[iak₀])；

H_y＝(ωn/c)(N₁Exp[-iak₁]+N₂Exp[iak₁])＝(ωn₀/c)(C₁Exp[-iak₀]+C₂Exp[iak₀])

可以看出，尽管TM模仅依赖于一般折射率，但是TE模却只依赖于非常折射率。

结论2：如果假定单轴材料的涂覆方向是y轴，并且该单轴材料对于通常的方向x和z具有高吸收系数，那么TE模将会穿过各向同性介质(芯)而不会衰减，尽管TM模将会是一种消逝模。任何偶然出现在各向同性介质TM模中的模将会因为与单轴材料的相互作用而衰减。

因此，从上面的结论1和2来看，通过正确的定向单轴介质，就能在消除其它的模的同时使TM和TE偏振模透射。

在根据图1的平面波导内，涂层是由单轴材料组成并与包层相互作用。相互作用率和因此的衰减依赖于包层的厚度。

考虑如图2所示的具有圆柱形横截面的波导。就圆柱形对称而言，对这一设计的模拟是更加复杂的，但是最后的结果接近对平面设计的模拟。该波导包括了一个芯17，包层18和单轴或双轴各向异性膜19。

根据图2，包层的厚度是h＝a₁-a₀。主要的参数是芯半径-a₀，厚度h，芯层的折射率-n_c，包层的折射率-n_c1，涂覆层的折射率no＝no₁-i*no₂和ne＝ne₁-i*ne₂。现在设想此情形；n_c＞n_c1，n_c＞no₁(即是光传播的必要情形)，并且涂覆层的非常方向是沿光纤的方向。

其目的在于找到最终的传播模、截止状态和对输入参数的依赖条件。假定：

{E_r(r)，E_θ(r)，E_z(r)，H_r(r)，H_θ(r)，H_z(r)}e^iωt e^i(nθ-βz)

本征值β的方程具有形式

det(M)[β]＝0                     (1)

其中det(M)是对应于此情形的矩阵M的行列式。该矩阵具有下表1表示的形式。可以确定，无量纲变量中行列式det(M)并不依赖于c、μ、ε₀。将符号a_k记作a_k*(ω/c)，k＝0，1；将β记作βc/ω；pa0²＝n_c ²-β²，pa1²＝no²-β²，pa2²＝n_cl ²-β²， $p_1=\sqrt{{\mathrm{\β}}^2-n_0^2};q_1=\sqrt{\frac{n_e^2}{n_0^2}{\mathrm{\β}}^2-n_e^2}$ $p_0=q_0=\sqrt{n_c^2-{\mathrm{\β}}^2}$ $p_2=q_2=\sqrt{{\mathrm{\β}}^2-n_{\mathrm{cl}}^2}$ 表1中函数I、J、K和Y是贝塞尔函数。

表1

J[a0p0]pa02	0	-J[a0p1]pa12	-Y[a0p1]pa12	0	0	0	0
								0	J[a0q0]pa02	0	0	-J[a0q1]pa12	-Y[aOq1]pa12	0	0
βnJ[a0p0]/a0	-nc 2q0J’[a0q0]	-βnJ[a0p1]/a0	-βnY[a0p1]/a0	n0 2q1J’[a0q1]	n0 2q1Y’[a0q1]	0	0
								-p0J’[a0p0]	βnJ[a0q0]/a0	p1J’[a0p1]	p1Y’[a0p1]	-βnJ[a0q1]/a0	-βnY[a0q1]/a0	0	0
0	0	βnJ[a1p1]/a1	βnY[a1p1]/a1	-n0 2q1J’[a1q1]	-n0 2q1Y’[a1q1]	-βnK[a1p2]/a1	nc1 2q2K’[a1q2]
								0	0	-p1J’[a1p1]	-p1Y’[a1p1]	βnJ[a1q1]/a1	βnY[a1q1]/a1	p2K’[a1p2]	-βnK[a1q2]/a1
0	0	J[alp1]pa12	Y[a1p1]pa12	0	0	-K[a1p2]pa22	0
								0	0	0	0	J[a1ql]pa12	Y[alpl]pa12	0	-K[a1q2]pa22

方程(1)的每一个解β都对应于一种传播模。对于每个整数n，仅有有限数目的本征值β_n，k。如果β是一个实数，则传播的模就没有吸收损耗。在本发明的情形下，涂覆层具有复杂的折射率，因此方程(1)的每个解β都是复数。

如果波数β的虚数部分足够小(以至于吸收损耗足够小)，那么这样的模就是一种传播模。

波数Im[β]虚数部分的大小基本上依赖于包层的厚度h和吸收系数no₂和ne₂。不同的模具有不同的吸收率，该吸收率是模选择(偏振选择)的基础。此外，高双折射率Δn＝no₁-ne₁(大约是0.6-0.9)和高折射率no₁(大约是2.5)确保了高模选择性。

如果本征值β_n，k是由方程(1)确定，那么就能从麦克斯韦方程得出电场和磁场的分布。从这些场分布又可得出芯中模强度η_n，k的分式。 ${\mathrm{\η}}_{n,k}=\frac{\underset{0}{\overset{a}{\∫}}(E_r{H}_{\mathrm{\θ}}-E_{\mathrm{\θ}}{H}_r)\mathrm{rdr}}{\underset{0}{\overset{a}{\∫}}(E_r{H}_{\mathrm{\θ}}-E_{\mathrm{\θ}}{H}_r)\mathrm{rdr}+\underset{a}{\overset{\∞}{\∫}}(E_r{H}_{\mathrm{\θ}}-E_{\mathrm{\θ}}{H}_r)\mathrm{rdr}}$

其中E_r，E_θ，H_r，H_θ是对应于本征值β_n，k的场分布。

模强度η_n，k的分式实质上依赖于折射率no＝no₁-i*no₂和ne＝ne₁-i*ne₂，从而在波导的横截面内不同的模具有不同的模强度和不同的分布。图3是具有附加的单轴涂覆层的阶跃型光纤一些最低模的截止状态的数字举例。图3示出了带有涂覆层的阶跃型光纤的一些最低模的本征值。芯折射率n_c＝1.51；包层折射率n_c1＝1.505；涂覆层的一般折射率no＝1.5-i*0.01；非常折射率ne＝2.5-i*0.5；包层半径为15微米，波长-1.31。部分涂覆的TCF可以改变特定模的模强度的分式。

因此，像传统光导一样，该波导、平面或圆柱的(光纤)包括了一层各向同性中心层或芯和一包层。但是，根据本发明，在包层上施加了一层偏振膜或涂层。该膜或涂层包括平行分子或晶体，这些分子或晶体被排列以使对于沿芯传输的光的两种正交偏振能呈现出不同的折射率。该涂层传播或吸收一种偏振光而反射另一种偏振光，从而就使沿波导传输的光具有单一的偏振。也就是说，保持了它的偏振态。

图4示出了带有包层18的光纤波导芯17，包层18沿其整个长度被施加了一层均匀的偏振膜或涂层19，以使传输光的偏振能被继续保持。

图5示出了包括有芯22和包层23的波导21。偏振膜24被间隔施加以选择保持偏振，同时使用较少的偏振材料。

图6示出了带有芯27和包层28的波导26，在包层28中施加了膜29，其分子轴线是沿箭头31所示的螺旋。

图7示出了带有芯33和包层34的波导32。沿光纤沿平行的隔开段36的纵向涂敷偏振膜。

在所有的实施例中，该偏振膜被应用在具有一般和非常折射率的包层上，以将一方向的偏振光反射回芯中，并且将其他方向的光透过或吸收，从而保持被传输光的偏振状态。很显然，也可采用其它膜结构。该膜最重要的特点在于其保持了膜中晶体或分子的定向，从而就保持了折射率的方向。

实际上，薄的晶体覆盖层引起了TM或TE模的指数增长边界层。由于吸收系数的差别，其中一种模将成为消逝模。如果将双折射晶体用作晶体的一般和非常折射率，那么通过正确的定向该晶体，偏振中的一个将会“看到”指数比有效指数低的涂覆层，因此，将被导入。其它的偏振就会“看到”涂覆层指数高于有效指数，因此，将被漏出。

通过涂覆包含分子的一层液体溶液薄层来向包层的表面涂覆该膜。在涂覆层时，分子就被适当的排列。通过沿所需排列的方向施加摩擦力，也可将分子进行力学排列。作为选择，分子可通过施加电场或磁场来进行排列。在分子被排列后，膜被干燥成固态膜，该固态膜保持了分子或晶体的排列，从而就提供偏振膜。该物质可以是例如美国专利第2,400,877号和第2,481,830号描述的一种非晶体定向分子膜，也可以是美国专利第5,739,296号和第6,049,428号描述的各向异性晶体型涂层。

该涂层是通过涂覆包括以分子或晶体形式的有机化合物的液体溶液来形成的。该分子或晶体在液体状态时作为一薄膜被定向在包层内，然后通过该液体的蒸发来对该溶液进行干燥，从而形成具有定向分子或晶体的固态膜，该定向分子或晶体沿形成偏振膜的两个方向提供了不同的折射率。

图8示意性地图解了一个涂覆机。要被涂覆偏振分子的光纤41被拖拉穿过一个液晶材料槽42。该光纤和液晶材料被拖拉穿过一个涂覆单元43，该涂覆单元43带有例如图9中所示的细纹44。多余的材料被该涂覆单元移除。与此同时，涂覆单元向分子施加剪力，从而排列它们。带有定向分子的光纤接着穿过一个干燥单元46。于是就形成了一个具有带有定向分子的固态膜的光纤41。

图10示意性地图解了一个包括有圆周细纹48的涂覆单元47。液晶材料被提供进光纤和涂覆单元之间的空隙49内。在光纤被拖拉穿过该单元时，该涂覆单元旋转。这就提供了颗粒的螺旋定向。

图11示出了带有芯54、包层52和变细的包层51的一个波导，该变细了的包层51准备用于涂覆偏振膜。

图12示出了带有芯57、包层59和变细了的包层58的一个波导，该变细了的包层58准备用于涂覆偏振膜。

在涂覆之前，光纤被处理以使包层变细，如图11所示(参看，例如，H.Kamazaki等人，“Tunable wavelength filter with asinglemode grating fiber thinned by plasma etching，”Technical Digest，OFC2001，Anaheim，California，MC5)，和图12所示(参看，例如，美国专利第4,795,233号，其中，移除了包层的一部分)。对于标准光纤，该处理是重要的，用以增强光与涂层的相互作用。

偏振膜也可以用美国专利第2,481,830号和第5,739,296号描述的方式来涂覆在平面波导上。

因此，本发明描述了一种光波导，其中，穿过该波导传输的光的偏振被保持或被偏振化。该光波导可以是平面或圆柱的。该波导包括一个芯、一个包层和一层膜或涂层材料，该涂层材料沿不同的方向具有不同的折射率。该材料被沉积使得膜沿不同的结晶轴或分子轴具有不同的光学性能。该膜材料是由改良的有机化合物分子组成，该分子具有液晶相结构。该液晶材料是在剪力作用下被涂覆在包层上，并被干燥成一层分子定向薄膜。该薄膜作用于穿过波导的光波以保持该光波的偏振面。

Claims (25)

1.一种光波导，包括：

一个光传输芯；

一个在所述芯上的包层，以及

至少一个附加层，包括一层分子或晶体被永久定向的膜，所述分子或晶体的至少一个光轴与所述芯的轴形成一个介于零度和九十度之间的角度。

2.根据权利要求1所述的光波导，其中，所述芯、包层和附加层是平面的。

3.根据权利要求1所述的光波导，其中，所述芯、包层和附加层是柱面的。

4.根据权利要求1所述的光波导，其中，该包层被处理使其一部分被移除。

5.根据权利要求1或4所述的光波导，其中，所述芯是光纤。

6.根据权利要求3所述的光波导，其中，所述波导是单模波导。

7.根据权利要求3所述的光波导，其中，所述波导是多模波导。

8.根据权利要求1、2或3所述的光波导，其中，所述附加层具有各向异性吸收系数。

9.根据权利要求1、2或3所述的光波导，其中，所述芯和包层沿波导具有不变的横截面。

10.根据权利要求1所述的光波导，其中，所述分子或晶体的光轴平行于芯轴。

11.根据权利要求1所述的光波导，其中，所述附加层沿波导被涂在包层的整个表面上。

12.根据权利要求3所述的光波导，其中，所述附加层沿波导被以隔开的间距进行涂覆。

13.根据权利要求3所述的光波导，其中，所述附加层绕波导被以隔开的间距进行涂覆。

14.根据权利要求3所述的光波导，其中，所述分子或晶体的轴沿波导被螺旋定向。

15.根据权利要求1、2或3所述的光波导，其中，所述附加层包括一种易溶材料。

16.根据权利要求1、2或3所述的光波导，其中，所述芯沿垂直于波导的方向具有比附加层更高的折射率。

17.根据权利要求1、2或3所述的光波导，其中，所述附加层具有高于0.001的双折射。

18.一种用于制造光波导的方法，所述方法能保持穿过光导管中光偏振，包括步骤：

选择一种具有芯和包层类型的光波导，

形成至少一个双轴或单轴材料的附加层，通过用各向同性或各向异性材料涂覆所属包层，该双轴或单轴材料具有在所属包层至少一个部分上的任何给定的定向的至少一个光轴，定向所述分子或晶体的光轴，以及

接着进行永久保持所述定向的处理。

19.根据权利要求18所述的制造波导的方法，其中，当涂覆涂层时，所述分子或晶体的定向是通过施加的剪力来实现。

20.根据权利要求18所述的制造波导的方法，其中，当涂覆涂层时，所述分子或晶体的定向是通过施加的磁场来实现。

21.根据权利要求18所述的制造波导的方法，其中，当涂覆涂层时，所述分子或晶体的定向是通过施加的温度梯度来实现。

22.根据权利要求18所述的制造波导的方法，其中，当涂覆涂层时，所述分子或晶体的定向是通过施加的电场来实现。

23.根据权利要求18、19、20、21或22所述的制造波导的方法，其中，所述包层具有细纹，用于所述附加层的优先定向。

24.根据权利要求18所述的制造波导的方法，其中，被涂覆在所述包层表面上的所述附加层是选自各向同性液晶或聚合物。

25.根据权利要求1、2或3所述的光波导，其中，所述附加层具有介于0.001和1.200之间的双折射。

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