光學(xué)系統(tǒng)的制作方法

專利名稱:光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
一般說來，本發(fā)明是關(guān)于光學(xué)系統(tǒng)，例如光通信系統(tǒng)和光計算機(jī)。
光學(xué)系統(tǒng)，例如光通信系統(tǒng)和光計算機(jī)的使用和不斷發(fā)展，是由于這種系統(tǒng)有能力，或者說有可能傳輸和/或處理大量的信息，其速度之快是純電子系統(tǒng)所不及的。
上述的光學(xué)系統(tǒng)，一般包括一個或多個電磁射束發(fā)射源，例如一個或多個半導(dǎo)體激光器;處理由源發(fā)射的電磁射束的一個器件(或多個器件);一個或多個檢測處理過的電磁射束的檢測器。由源發(fā)射的電磁射束被傳送到一個處理器件上(或多個處理器件上)，然后通過空氣、真空或通過諸如光纖的光波導(dǎo)傳送到多個檢測器。
用于光學(xué)系統(tǒng)的處理裝置包括，例如開關(guān)(將電磁射束從系統(tǒng)的一個光波導(dǎo)轉(zhuǎn)換到另一個光波導(dǎo)的裝置)，幅度調(diào)制器(改變電磁射束強(qiáng)度的器件)和多路復(fù)用器/多路分離器(用來把多個光波導(dǎo)傳送的電磁射束集中到一個光波導(dǎo)上的器件，或反之)。目前這些器件一般用電一光材料制造，例如鈮酸鋰。這種處理是用電子學(xué)方法實(shí)現(xiàn)的，例如一個開關(guān)包含一個或多個平面波導(dǎo)(一般在光通信中使用其他形式的光波導(dǎo)，例如光通信系統(tǒng)中的光纖)，是用淀積摻雜的方法在鈮酸鋰基片上形成的，例如鈦。在基片表面形成平面波導(dǎo)所要求的圖形，然后用加熱基片擴(kuò)散摻雜到基片之中，從而形成平面波導(dǎo)。另外在一個或多個平面波導(dǎo)的背面形成電極。為了產(chǎn)生開關(guān)作用，將一個電壓加到這些電極之間，從而導(dǎo)至鈮酸鋰產(chǎn)生局部的光學(xué)極化變化，使之局部改變折射系數(shù)，因此改變光從一個平面光波導(dǎo)到另一個平面光波導(dǎo)的光路。重要的是開關(guān)速度依賴于電極的圖形結(jié)構(gòu)。例如，當(dāng)電壓加在塊形電極時，開關(guān)時間由電極的時間常數(shù)R.C所限制，一般為幾個毫微秒(ns)。去掉所施加的電壓引起光學(xué)極化的變化和折射系數(shù)變化的消失幾乎是同時發(fā)生的)。結(jié)果，周期時間(相繼兩個開關(guān)動作間隔時間)被限制在幾個毫微秒范圍內(nèi)(不小于)。重復(fù)速率(每單位時間內(nèi)開關(guān)操作的次數(shù)等于周期時間的倒數(shù))被限制在3×108HZ數(shù)量級之內(nèi)。另一方面，當(dāng)使用一種行波(傳輸線型)電極圖形時，幾百微微秒(ps)的開關(guān)時間和周期時間是容易做到的，得到的重復(fù)速率可高達(dá)3×109HZ。
為了實(shí)現(xiàn)如此之短的周期時間和較高的重復(fù)速率，本發(fā)明所建議和探索的裝置采用純光學(xué)方法來處理。也就是，所建議的裝置一般包含一個作為處理電磁射束(下文稱為信號束)的傳輸介質(zhì)的材料區(qū)。重要的是選擇傳輸介質(zhì)，當(dāng)用第二個電磁射束(下文稱為控制束)照射時，該介質(zhì)呈現(xiàn)非線性光學(xué)響應(yīng)(折射系數(shù)和/或光學(xué)吸收的變化)，利用這種非線性光學(xué)響應(yīng)束實(shí)現(xiàn)對信號光束的處理。
捷威爾等人披露了一種使用純光學(xué)處理的典型裝置。J.L.Jewell et al.，“Parallel Operation and Crosstalk Measurements in GaAs Etalon Optical Logic Devices，”Applied Physics Letters，Vol.48，No。20，19 May 1986，pp.1342-1344。這一裝置是一個砷化鎵(GaAs)樣品塊，它包含一層GaAs層(一種無機(jī)半導(dǎo)體材料)，其厚度小于1μm，夾在兩層介質(zhì)鏡面之中。鏡面的設(shè)計是使其對于約890nm波長的電磁射束呈現(xiàn)較高的反射率，同時對波長約為800nm的電磁波束具有較低的反射率。并且將這個樣品塊設(shè)計成在890nm波長情況下傳輸曲線上出現(xiàn)一個峰值。在工作時，當(dāng)沒有控制束照射到GaAs上的情況下，890nm波長的信號束受到較小的吸收，因此大部分被傳輸了。另一方面，當(dāng)用具有800nm波長的控制束照射砷化鎵的情況下，砷化鎵上的價帶電子被激發(fā)為導(dǎo)帶電子，改變了砷化鎵的折射系數(shù)，因此(實(shí)際上是同時的)使樣品塊的傳輸峰離開了890nm，結(jié)果使具有890nm波長的信號束受到較低的傳輸。取決于GaAs的厚度，樣品塊傳輸?shù)臏p小呈現(xiàn)為一個衰退期特性τ，(在切斷控制束后，傳輸系數(shù)衰減到原來數(shù)值1/e時的時間間隔)，其范圍為200ps-15ps。重要的是上述衰退期限制了該器件的速度，也就是說，在樣品塊的傳輸上產(chǎn)生一個大的衰減后，直到第一次傳輸衰減已經(jīng)絕大部分消失之前，不能第二次接通控制射束，其典型值約取2τ。因此，取決于砷化鎵的厚度，該器件的周期時間(兩個相繼的低傳輸率狀態(tài)的間隔時間)的范圍為400ps-30ps。因此，重復(fù)速率的范圍為2.5×109HZ-3.3×109HZ。
與使用光機(jī)半導(dǎo)體材料，例如砷化鎵，不同，還建議處理器件采用有機(jī)材料，例如聚二乙炔(PDA)Polydiacetylene(PDA)，關(guān)于這一問題，我們知道一種PDA的特殊結(jié)晶結(jié)構(gòu)，例如聚-2，4-乙二炔-1，6二醇雙(對甲笨硫酸鹽)(PDA-PTS)Poly-2，4-hexadiyn-1，6-diol bis(p-toluene sulfonate)(PDA-PTS)其所呈現(xiàn)的吸收頻譜如圖1所示，它包含一個較高吸收的波長范圍(這個范圍的吸收系數(shù)α約大于或等于2×104cm-1)從640nm延伸到較短的波長。眾所周知，這個較高的吸收范圍是與由于光子吸收所產(chǎn)生的電子從較低的電子能級(基態(tài))激發(fā)到較高電子能級有關(guān)系。重要的是，人們早已知道，PDA在某些具有較低吸收率的波長上呈現(xiàn)出較大的非線性光學(xué)響應(yīng)(與其他材料相比較)，也就是在α小于2×104cm-1的波長上，基本上認(rèn)為這種響應(yīng)和衰退是同時發(fā)生的，例如在10-15秒之內(nèi)。不幸的是這種非線性響應(yīng)的數(shù)值一般說來是太小了(雖然與其他材料相比較還是較大的)，以致于對器件的實(shí)際應(yīng)用而言，是毫無用途的。另一方面，從們早已認(rèn)為，呈現(xiàn)較高吸收的波長下的非線性光學(xué)響應(yīng)(α等于或大于2×104cm-1)將具有更長的衰退期。
在PDA-PTS上產(chǎn)生的，其波長范圍從651.5nm(這一波長是外于從大約640nm向較短的波長延伸，相對于高吸收率范圍的長波長的邊緣)到大約701.5nm的非線性光學(xué)響應(yīng)及其衰退期的實(shí)驗研究已經(jīng)在開展，并且由卡特等人在下述文獻(xiàn)中已有所描述“Time and Wavelength Resolved Nonlinear Optical Spectroscopy of a Polydiacetylene in the Solid State Using Picosecond Dye Laser Pulses，”Applied Pkysics Letters Vol.47，No.5(September 1，1985)，pp 457-459。這一研究包括使用常規(guī)的，簡并四波混合degenerate four-Wave mixing，也就是兩個相同波長的電磁射束脈沖在PDA-PTS區(qū)進(jìn)行干涉，產(chǎn)生周期性強(qiáng)度的變化，從而導(dǎo)至折射系數(shù)周期性變化的非線性光學(xué)響應(yīng)，實(shí)際上這就是體積衍射光柵。這些脈沖具有持續(xù)期約為6ps的寬度和2.5×107w/cm2的峰值強(qiáng)度。第三個具有相同波長、持續(xù)期和強(qiáng)度的電磁射束照射在PDA-PTS上，并被衍射光柵所衍射而產(chǎn)生第四個電磁射束，它傳過PDA-PTS的厚度，然后被檢測器所檢測。通過改變相對于最初兩個脈沖之后的第三個脈沖的到達(dá)時間，較高吸收區(qū)的PDA-PTS的邊緣部分的非線性光學(xué)響應(yīng)的持續(xù)時間被確定為小于脈沖的持續(xù)時間，也就是小于6ps?；谏鲜鰧?shí)驗數(shù)據(jù)并做出若干個假設(shè)，這意味著在較高吸收的波長上，例如625nm處，非線性光學(xué)響應(yīng)將會有一個小于6ps的袁退期。其中一個假設(shè)是基于這樣一種結(jié)論，也就是在PDA-PTS的吸收歸結(jié)于僅僅存在單一的電子激發(fā)狀態(tài)，并且這種狀態(tài)是由于兩個干涉脈沖的存在而產(chǎn)生的。
至今，尚沒有這樣的實(shí)驗結(jié)果的報道，這就是PDA確實(shí)在在相當(dāng)高的吸收的波長上，存在一種具有衰退期約小于6ps的非線性光學(xué)響應(yīng)。由于缺乏這種證實(shí)，PDA在快速光學(xué)處理器件上的實(shí)際應(yīng)用上仍然存在問題。
因此，從事光學(xué)處理器件開發(fā)的專家們已經(jīng)探索出了，并繼續(xù)探索能實(shí)現(xiàn)高重復(fù)速率的快速器件。
本發(fā)明包括在材料中，例如PDA有機(jī)材料，經(jīng)諧振光學(xué)(控制束)的激發(fā)，即在α大于或等于2×104cm-1波長的光激發(fā)下，找到容易增值的多種狀態(tài)。這些狀態(tài)包括較短壽命狀態(tài)和較長壽命的狀態(tài)。并且通過選取波長、持續(xù)時間和控制射束的強(qiáng)度來確定哪一種狀態(tài)或哪些種狀態(tài)。例如，在PDA-PTS情況下，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)只有在第一電子能級(在…住…S1)，在所提供的入射控制束是波長為625nm的脈沖形式，持續(xù)時間約為2ps或長些(半峰值寬度)以及強(qiáng)度(每單位面積脈沖能量與脈沖寬度之比)等于或者小于4×606w/cm2時，具有衰退期約為2ps的狀態(tài)增殖。如果相應(yīng)的非線性光學(xué)響應(yīng)具有等于S1的衰退期，那未控制束脈沖持續(xù)時間應(yīng)當(dāng)小于或等于2ps(避免使S1重復(fù)增值，從而產(chǎn)生較長的非線性光學(xué)響應(yīng))。結(jié)果，周期時間(在這個非線性光學(xué)響應(yīng))小到4ps(兩倍于非線性光學(xué)響應(yīng)的衰退期)，相應(yīng)的重復(fù)速率約高達(dá)2.5×1011HZ是容易實(shí)現(xiàn)的。
相反，還發(fā)現(xiàn)這樣的情況，波長等于625nm的控制束脈沖，持續(xù)時間等于或大于2ps，強(qiáng)度大于4×106w/cm2，結(jié)果在三重狀態(tài)增殖(在此用T1表示)如同S1。重要的是這一三重狀態(tài)呈現(xiàn)的衰退期等于40μs。因此，如果控制束脈沖(波長等于625nm)具有例如2ps的持續(xù)時間以及控制束具有2.5×107w/cm2的強(qiáng)度(Carter等人使用過的強(qiáng)度)，因此使非線性光學(xué)響應(yīng)包含有兩種成分，一種是2ps的衰退期成分，另一種是40μs的衰退期的成分。由小于40μs時間間隔分割的相繼重復(fù)的控制束脈沖，必然導(dǎo)至在T1中的不斷增加增殖(直至建立穩(wěn)定的增殖狀態(tài))。它將顯現(xiàn)出相應(yīng)的非線性光學(xué)響應(yīng)，也就是這個響應(yīng)包含(一個較慢的)呈現(xiàn)衰退期等于40μs的成分，結(jié)果在周期時間約小于40μs以及重復(fù)速率約高于2.5×104HZ情況下，非線性光學(xué)響應(yīng)的形式將取決于重復(fù)速率，也就是較慢的成分的相對幅度將隨著重復(fù)速率的增加而增加。
還進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，甚至在相當(dāng)?shù)偷膹?qiáng)度情況下，使較短的波長(高頻率)控制束來發(fā)射，例如488nm波長的控制射束，結(jié)果導(dǎo)至在PDA-PTS中T1的增值。因而也導(dǎo)至如上述討論過的相當(dāng)慢的非線性光學(xué)響應(yīng)。
本發(fā)明參照如下附圖進(jìn)行說明圖1是關(guān)于PDA-PTS的吸收系數(shù)α作為光子能量和波長入的函數(shù)的曲線;
圖2描述本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng);
圖3和圖5-9描述本發(fā)明光學(xué)處理器件的實(shí)施例;
圖4描述PDA的結(jié)構(gòu);
圖10描述在PDA-PTS中使用單一控制束脈沖，其波長為625nm，持續(xù)時間等于70毫微微秒(mps)，強(qiáng)度等于1010w/cm2;
圖11-12描述在PDA-PTS中使用相同波長和持續(xù)時間，但強(qiáng)度不同的控制束脈沖導(dǎo)致的諧振非線性光學(xué)響應(yīng);
圖13描述本發(fā)明的光學(xué)處理器件的另一實(shí)施例;
圖14描述圖13所描述的形式的光學(xué)處理裝置所實(shí)現(xiàn)的暫態(tài)-吸收頻譜的實(shí)驗結(jié)果。
本發(fā)明包含一個光學(xué)系統(tǒng)，例如一個光學(xué)通信系統(tǒng)或一個光計算機(jī)，它包含一個或多個光學(xué)處理器件，至少使用一個這種器件，至少部分地采用純光學(xué)處理。重要的是這種器件包含例如有機(jī)材料的一種材料，這種材料在一個或多個諧振波長上呈現(xiàn)非線性光學(xué)響應(yīng)。另外，這些器件至少包括一個電磁波射束源，該射束源發(fā)射一個控制波束，其波長、持續(xù)期和強(qiáng)度選擇得在上述材料中產(chǎn)生一種諧振，在相當(dāng)短的時間內(nèi)的非線性光學(xué)響應(yīng)，使基本上沒有任何較慢的成分，甚至在重復(fù)速率高于2.5×104HZ(也就是使用卡特(Carter)教導(dǎo)的持續(xù)時間和強(qiáng)度時，產(chǎn)生較慢的成分的重復(fù)速率)，或者高于3.3×1010HZ(高于用砷化鎵樣品塊可實(shí)現(xiàn)的)，或者高于2.5×1011HZ(在PDA中提供適當(dāng)?shù)牟ㄩL、持續(xù)時間和強(qiáng)度很容容易實(shí)現(xiàn)的)。
參照圖2，本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)10包括至少一個電磁射束源20(信號)。例如至少一個半導(dǎo)體激光器，在光學(xué)通信中有一個或多個裝置用來處理由這個源20(或幾個源)發(fā)射的電磁射束(信號)。在這些處理裝置中至有有一個處理裝置40，該裝置(至少部分地)使用純光學(xué)處理。在利用處理裝置40進(jìn)行光通信中，系統(tǒng)10中還至少包含一個電磁射束檢測器60。在本發(fā)明的另一個實(shí)施例中，源20與處理裝置40相聯(lián)接，它依次通過光波導(dǎo)30和50，正如圖2所示的光纖與檢測器60相聯(lián)接。另外，光通信是通過在空氣中或真空中傳輸未處理的和處理過的電磁射束來完成的。
根據(jù)本發(fā)明，處理裝置40包含一個材料區(qū)42(如圖3所示)，它呈現(xiàn)一個或多個諧振波長，也就是材料42所呈現(xiàn)的吸收系數(shù)α在每個上述波長下都大于或等于2×104cm-1。(就本發(fā)明而言，在上述波長下，所產(chǎn)生的諧振是與一種或多種材料激發(fā)相連系的，例如電子激發(fā)、振動激發(fā)等等)。另外，該裝置40包含一個(或多個)能夠在一個諧振波長上或在多個波長上提供控制束的電磁射束源44。重要的是材料42與控制束的持續(xù)時間、強(qiáng)度、諧振波長(或多個波長)一樣，應(yīng)該這樣來選擇，即僅僅使具有衰退期約小于40μs，或約小于15ps，或甚至于小于2ps，或更小的一個能級狀態(tài)(或多個能級狀態(tài))增值。(這里一個能級的衰退期表示激發(fā)狀態(tài)衰退到原來值的1/e的時間間隔)。
如果控制束的持續(xù)時間長于材料42的激發(fā)狀態(tài)的衰退時間，那未激發(fā)狀態(tài)將必然要重復(fù)增值，從而導(dǎo)至一個相應(yīng)的持續(xù)時間等于或長于發(fā)射的非線性光學(xué)響應(yīng)。因此，為了得到象激發(fā)狀態(tài)一樣短的具有τ衰退期的非線性光學(xué)響應(yīng)，這個發(fā)射的持續(xù)期應(yīng)當(dāng)?shù)扔诨蛐∮诩ぐl(fā)狀態(tài)的衰退期(這里τ表示非線性光學(xué)響應(yīng)降低到原來值的1/e所需要的時間間隔)。
使周期時間(所用的控制束之間的時間間隔)等于(或大于)2τ，已發(fā)現(xiàn)在材料42引起諧振，非線性光學(xué)響應(yīng)，甚至在較高的重復(fù)速率(所用的控制射束的速率等于周期時間的倒數(shù))，基本上無任何較慢的成分。例如，下述材料，的確它的重復(fù)速率高于2.5×104HZ(τ＝40μs)，或者高于3.3×1010HZ(τ＝15ps)，或者甚至高達(dá)或高于2.5×1011HZ(τ＝2ps)。(就本發(fā)明而言，在材料42中的非線性光學(xué)響應(yīng)，在一個特定的重復(fù)頻率上，基本上沒有任何較慢的成分。倘若最初未激發(fā)的材料42受到上述重復(fù)速率的100個控制束脈沖的作用后，由滿足特定標(biāo)準(zhǔn)的最后一個脈沖產(chǎn)生非線性光學(xué)響應(yīng)。這個標(biāo)準(zhǔn)是最大響應(yīng)的數(shù)值(相對于未激發(fā)材料為0定義的)與一個時間間隔(在第100個脈沖之后)的響應(yīng)數(shù)值之比等于周期時間，等于或者大于0)。
如上討論，根據(jù)本發(fā)明使用兩步方法很容易找到呈現(xiàn)較短(激發(fā)狀態(tài))衰退期的材料。這個方法的第一步是找到密集型材料，例如具有如前面所定義的諧振波長的吸收光譜的固體或液體材料。關(guān)于這一點(diǎn)，許多材料的吸收譜可從多種資料中查到(例如見CRC Handbook of Chemistry and Physics，edited by R.C.Weast(CRC Press，Inc.，Bcca Raton，F(xiàn)la.)，60th edition，1980)，或者利用常規(guī)技術(shù)很容易測出(關(guān)于這些技術(shù)可以參考，例如P.Laszlo and P.Stang，Organic Spectroscopy(Harper & Row Publishers，N.Y.)，1971)。第二步是改變控制射束波長、強(qiáng)度和持續(xù)時間，直至找到一種波長-強(qiáng)度-持續(xù)時間范圍(或多個范圍)，在該范圍下產(chǎn)生具有所要求的衰退期的激發(fā)狀態(tài)(或多個激發(fā)狀態(tài))。上述激發(fā)狀態(tài)的存在和持續(xù)時間使用常規(guī)技術(shù)是很容檢測到的，例如，使用時間分析吸收光譜學(xué)或時間分析發(fā)光學(xué)的技術(shù)是可以檢測到的。(關(guān)于這方面的技術(shù)請參見例如，“An Apparatus for Obtaining Accurate Transient Absorption Spectra on the Picosecond Time Scale，”by R.B.Weisman and B.I.Greene in Multichannel Image Detectocs，edited by Y.Talmi〔American Chemical Society，Washington，D.C.，1979〕)典型的具有諧振波長的材料是有機(jī)材料，但是也并不排除其他材料。正如討論過的那樣，這種材料之一是PDA。就本發(fā)明而言，PDA具有如圖4所示的結(jié)構(gòu)的聚合物。其中R表示任何多種側(cè)基的一種，例如對甲笨硫酸鹽(PTS)。其他有用的側(cè)基在以下文獻(xiàn)中有所描述“Structural Aspects of the Topochemical Polymeri-zation cf Diacetylenes，”by V.Enkelman in Advances in Polymer Science 63(Springer-Verlag，Berlin，Heidelberg，1984)。重要的是這個側(cè)基在確定PDA的光學(xué)特性時僅僅起到了較小的作用，一般僅僅用來移動PDA的長波長的吸收峰。這一吸收峰在典型情況下位于630nm(參見圖1，是PDA-PTS的吸收曲線)如果R是PTS，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)利用如上所述的方法，PDA呈現(xiàn)兩種能級狀態(tài)。一個是較短壽命電子能級狀態(tài)，在此用S1表示;另一個是較長壽命的電子三重狀態(tài)，在此用T1表示。這就是當(dāng)提供的強(qiáng)度等于或小于4×106W/cm2的控制射束情況下，使用2ps長度的控制束脈沖可以發(fā)現(xiàn)S1有2ps的衰退期，而且單獨(dú)在例如625nm的激發(fā)波長上增值。另一方面，在較強(qiáng)的強(qiáng)度情況下，發(fā)現(xiàn)S1和T1同時增值，T1具有40μs的衰退期。
不僅S1呈現(xiàn)較短的衰退期，而且還意外地發(fā)現(xiàn)相應(yīng)的非線性光學(xué)響應(yīng)在數(shù)量上如此之大超過了我們的想象。例如，當(dāng)S1增值時(使用前面所描述的控制射束諧振波長、持續(xù)時間和強(qiáng)度)，在相應(yīng)的諧振波長(625nm)將可以發(fā)現(xiàn)信號射束(正如所考慮的那樣)折射系數(shù)從約6.0到5.95發(fā)生了一個較大的變化。同樣也可以發(fā)現(xiàn)，信號射束在吸收系數(shù)上發(fā)生了從約8×105cm-1到約7.96×105cm-1的變化，這也是一個相當(dāng)大的變化。
可以發(fā)現(xiàn)S1增值，不僅產(chǎn)生了諧振信號束的折射系數(shù)或吸收系數(shù)的較大變化，而且出乎意料地發(fā)現(xiàn)，非諧振波長的信號射束的折射系數(shù)和吸收系數(shù)也產(chǎn)生了相當(dāng)大的變化。(具體起作用的非諧振波長一般由經(jīng)驗來確定)。
能夠在較高的重復(fù)速率下工作(依靠材料42相當(dāng)短的衰退期)的各種光學(xué)處理裝置40已經(jīng)有了很大發(fā)展，并在圖5-9中分別做了描述。例如，圖5描述的裝置40是一個幅度調(diào)制器。在工作時，諧振控制射束46(由源44發(fā)射)，用來使較短壽命的能級增值，從而產(chǎn)生吸收系數(shù)的變化。一個諧振或非諧振的信號束22(由源20發(fā)射)照射到材料42上產(chǎn)生吸收，并因此而調(diào)制，也就是產(chǎn)生了強(qiáng)度的變化。
圖6描述的裝置40的實(shí)施例對于例如用作多路信號分離器是有用的。在工作時，兩個諧振控制射束46和48(例如由兩個控制射束源發(fā)射的)在材料42的表面上干涉(與材料42的容積成反比)產(chǎn)生周期性的強(qiáng)度變化，從而產(chǎn)生折射系數(shù)的周期性變化，進(jìn)而在材料42的表面產(chǎn)生衍射光柵。與衍射光柵的形式一致，一個諧振或諧振的信號射束22入射到材料42的表面，從材料42表面反射并衍射。如果信號射束22是由多個光脈沖組成的，則這些光脈沖被復(fù)接到一個光波導(dǎo)上，例如光纖上，連接這些光脈沖到裝置40上，然后被選擇的脈沖很容易地被衍射，依靠有選擇性地形成在材料表面上的衍射光柵實(shí)現(xiàn)多路分離。為了避免衍射非選擇的那些脈沖，脈沖的時間間隔應(yīng)當(dāng)?shù)扔诨虼笥谘苌涔鈻诺乃ネ似凇?br> 圖7描述了裝置40用作開關(guān)的第三個實(shí)施例。這個實(shí)施例包括兩個相交的平面光波導(dǎo)47和49。這些光波導(dǎo)是利用例如PDA薄層42，通過對所選擇的晶體表面區(qū)域進(jìn)行能量束，例如熱能量束或電子束，照射在晶體上形成的。關(guān)于從單晶聚合PDA的技術(shù)，請參見J.Berrehar，C.Lapersonne-Meyer and M.Schott，“Polydiacetylene Single Crystal Thin Films，”Applied Physics Letter，Vol.48，No.10，1986，pp.630-631.)在工作時，兩個諧振控制束46和48在兩個公共的平面光波導(dǎo)單晶區(qū)域表面進(jìn)行干涉，從而產(chǎn)生一個衍射光柵。同時，一個諧振或非諧振信號射束22傳播進(jìn)一個光波導(dǎo)，例如光波導(dǎo)47，該信號射束被衍射(由衍射光柵，并因此被轉(zhuǎn)換，從而進(jìn)入另一個光波導(dǎo)，例如光波導(dǎo)49。
圖8中描述裝置40用作調(diào)制器的第四個實(shí)施例。這個實(shí)施例包括一個平面波導(dǎo)47，例如形成在單晶基片上的PDA薄層，在工作時，兩個諧振控制束46和48在波導(dǎo)47的上表面進(jìn)行干涉，產(chǎn)生折射系數(shù)周期性的變化。同時，一個信號射束22傳入光波導(dǎo)47。如果相鄰的周期性折射系數(shù)變化的最小值之間的距離d等于信號射束的波長的一半(在該光波導(dǎo)內(nèi))，則這種折射系數(shù)的周期性變化如同布拉格(Bragg)反射器所起的作用一樣，它反射信號射束。因此，在所選擇的時間瞬間，通過形成布拉格反射器，使信號射束22被調(diào)制，也就是其強(qiáng)度被有選擇地減小。
圖9描述了裝置40的第5個實(shí)施例，該實(shí)施例也是用作調(diào)制器。該實(shí)施例(是公知的Mach-Zender開關(guān)的一種變形)包含一個光波導(dǎo)45，它分成兩叉波導(dǎo)47和49，然后匯合在一起成為一個單個波導(dǎo)45。該實(shí)施例還包括位于由于分叉而形成的一個波導(dǎo)，例如波導(dǎo)47，上的一個材料區(qū)42(呈現(xiàn)諧振，非諧振光學(xué)響應(yīng))。工作時，信號射束22傳到波導(dǎo)45(如圖9所示從左至右)，因而分成兩部分光信號通過兩個光波導(dǎo)47和49。用諧振控制束46照射材料區(qū)42，而材料區(qū)42上產(chǎn)生折射系數(shù)的變化，這種變化將影響部分信號射束22通過波導(dǎo)47。折射系數(shù)的變化必然引起在波導(dǎo)47和49匯合處兩個射束之間的相位差。如果折射系數(shù)的變化足夠大，經(jīng)過足夠長的通路，很容易產(chǎn)生180°的相位差，因此信號射束部分將在波導(dǎo)47與49的匯合處相互抵消干涉，由此，信號射束減小了強(qiáng)度。因此，利用控制射束46對材料區(qū)42進(jìn)行有選擇的照射，則很容地實(shí)現(xiàn)對信號射束的調(diào)制。
如上所述J.L.Jewell等提出的GaAs樣品塊作為一個光處理器是有用的，然而除了重復(fù)速率達(dá)不到3.3×1010HZ之外，這種器件還有其他限制，例如當(dāng)不存在控制射束時，這種樣品塊出現(xiàn)許多傳輸峰，每個峰都集中在波長λm處，λm滿足下列關(guān)系式mλm/α＝nl (1)其中m是正整數(shù)(m＝1，2，3……)，n表示GaAs(在被控制束照之前)的折射率，l表示GaAs的厚度。重要的是在樣品塊工作時，要選擇控制射束的波長使之對應(yīng)的光子能量等于或大于GaAs的帶隙，例如控制射束的波長選在800nm(如上所述)，因此控制射束被吸收，從而在GaAs內(nèi)形成電子空穴對。如上所述，這些電子一空穴對的出現(xiàn)使GaAs的折射率產(chǎn)生很大的變化，但僅僅在很窄的電磁射束波長范圍內(nèi)，即在室溫下這個范圍從大約870nm(相當(dāng)于GaAs帶隙邊緣光子能量的波長)擴(kuò)展到大約900nm左右。因此，選擇GaAs的厚度l，就可以使樣品塊的一個傳輸峰處在高于波長30nm的范圍之內(nèi)，例如在890nm(如上所述)，所以由于控制射束引起的折射率的變化有助于使這個傳輸峰在該波長位置上產(chǎn)生一個相應(yīng)的位移(這個位移可以用(1)式計算)。因此，如果信號束的波長選擇在初始無位移的傳輸峰的波長上，那么后來的傳輸峰的位移(由控制射束引起的)使信號束的傳輸明顯下降(相應(yīng)地由樣品塊反射的信號射束量增加)，這樣就達(dá)到了所需要的對信號束的處理。然而，因為GaAs樣品塊不能使位于大于900nm(0.9μm)波長的傳輸峰產(chǎn)生足夠的位移，這種GaAs樣品塊不能處理目前流行使用的波長的信號束，例如目前光纖通信系統(tǒng)中最常用的波長1.31μm和1.55μm(目前商品化實(shí)用的二氧化硅光導(dǎo)纖維典型的最小色散波長是1.31μm，而典型的最低損耗波長是1.55μm)。
GaAs樣品塊不僅受到最大可達(dá)到的重復(fù)速率和能夠處理的信號射束波長的限制，而且受到空間分辨率的限制，已經(jīng)建議把一對控制束和信號束同時射到GaAs校準(zhǔn)器兩個不同的區(qū)域上，以同時對信號束的實(shí)現(xiàn)并行處理。但是在GaAs的每個區(qū)域中形成的電子一空穴對的壽命期大約為20ns，由于控制束吸收的結(jié)果，在此期間它們擴(kuò)散了大約20μm，為了避免由于從GaAs的一個空間區(qū)(處理第一信號束的地方)到第二空間區(qū)(處理第二信號束的地方)的擴(kuò)散引起的可能的互相干擾，這些空間區(qū)的尺寸必須大于20μm，這就限制了該樣品塊能同時處理信號束的數(shù)量。
GaAs樣品塊還有一個限制是它的溫度敏感性，即溫度的變化會產(chǎn)生與GaAs價帶有關(guān)的導(dǎo)帶邊緣的飄移，這個帶邊飄移導(dǎo)致折射率的很大的變化，這種變化又引起樣品塊的所有傳輸峰的位移，特別是與帶隙邊緣最密切相關(guān)的波長的傳輸峰。結(jié)果這種器件處理波長等于無位移傳輸峰的波長信號束的能力就下降了。
人們發(fā)現(xiàn)許多種材料42可以取代GaAs用于上述實(shí)施例的光處理器件40，這些材料都可以克服GaAs樣品塊的限制，如上所述人們還發(fā)現(xiàn)許多種材料42(呈現(xiàn)諧振非線性光學(xué)響應(yīng)，衰變時間約小于40μs或約小于2ns或約小于15ps或約小于等于2ps的材料)在其他波長上也常常呈現(xiàn)感應(yīng)吸收(具有相當(dāng)短的衰變時間)。(對本發(fā)明來說，感應(yīng)吸收是以單位面積單位入射吸收光子能量(單位是每微微焦耳平方厘米CM2/pj)的吸收的實(shí)際變化和/或單位面積單位入射吸收光子能量(單位也是CM2/pj)的折射率的實(shí)際變化為特征的量。在這一點(diǎn)上，對本發(fā)明來說單位面積單位入射吸收(光子)能量的吸收的實(shí)際變化是絕對量。它等于或大于大約103CM2/pj(而單位面積單位入射吸收光子能量的折射率的實(shí)際變化絕對量等于或大于大約10CM2/pj)。另外，人們還發(fā)現(xiàn)材料42中的許多種在非諧振波長下也呈現(xiàn)顯著的非線性光學(xué)響應(yīng)。它們也有約小于40μs，或約小于2μs，或約小于15ps或約小于等于2ps的衰變時間，而且也導(dǎo)致如上面討論的同類型的感應(yīng)吸收(有相當(dāng)短的衰變時間)。(對本發(fā)明來說如果非諧振波長下吸收系數(shù)α小于2×104CM-1，而大于1×103CM-1，那么在這個諧振波長下，這種材料就基本上呈現(xiàn)非線性光學(xué)響應(yīng))。另外，人們發(fā)現(xiàn)在許多情況下出現(xiàn)感應(yīng)吸收的波長通常都高于0.9μm，這個感應(yīng)吸收經(jīng)常超出大于30μm的波長范圍，并且感應(yīng)吸收波長經(jīng)常包括有商業(yè)意義的波長。
如果在一個樣品塊上采用那種在一個或多個波長下呈現(xiàn)上述類型的感應(yīng)吸收的材料42，如果該感應(yīng)吸收最初導(dǎo)致單位面積單位入射吸收光子能量的吸收量增大，如果樣品塊的厚度選得能在感應(yīng)吸收波長上產(chǎn)生樣品塊的傳輸峰，那么把一個(諧振或非諧振)控制束射到這個樣品塊上，則必將在感應(yīng)吸收波長上使吸收有很大的增加，因此而使傳輸峰的幅度減小。這樣，如果射到樣品塊的信號束具有與樣品塊傳輸峰之一的波長相等的波長的話，當(dāng)控制射束射到樣品塊時，信號束通過樣品塊的傳輸就大大下降，相應(yīng)地由樣品塊的反射增大，這就對信號束進(jìn)行了處理。下面將更加充分地進(jìn)行討論，容易選出能使之允許處理波長大于0.9μm信號束，例如波長1.31μm和1.55μm的材料42和控制束，但用GaAs樣品塊是不可能的。另外，如果材料42有小于15ps衰變時間的非線性光學(xué)響應(yīng)和感應(yīng)吸收，(如下所述呈現(xiàn)這種衰變時間的材料容易找到)，那么，樣品塊就能以高于3.3×1010HZ的重復(fù)速率工作，這一點(diǎn)利用GaAs校準(zhǔn)器是達(dá)不到的。
如上述討論的，用上述的兩步方法可以容易地找到材料42，該種材料42呈現(xiàn)非線性光學(xué)響應(yīng)，即諧振的非線性光學(xué)響應(yīng)和/或非諧振波長下大體上非線性的光學(xué)響應(yīng)，同時，在較大的波長下如0.9μm和/或超出大于30nm的波長范圍下又呈現(xiàn)與非線性光學(xué)響應(yīng)及具有相當(dāng)短的衰變時間的感應(yīng)吸收相結(jié)合的感應(yīng)吸收。也就是說第一步是找出包含諧振波長和/或基本上呈現(xiàn)非線性光學(xué)響應(yīng)的非諧振波長的吸收光譜密集型材料。然后第二步是改變控制束的波長，持續(xù)時間和強(qiáng)度直到找到一個波長-強(qiáng)度-持續(xù)時間的范圍為止，這個范圍產(chǎn)生諧振的或非諧振的非線性光學(xué)響應(yīng)和在所要求的一個或多個波長下具備所要求的衰變時間的感應(yīng)吸收。利用例如時分吸收光譜學(xué)的常規(guī)技術(shù)很容易檢測出諧振或非諧振非線性光學(xué)響應(yīng)以及感應(yīng)吸收的存在和持續(xù)期。(見R.B.weisman和B.I.Greene的文章)。
用上述的方法可以發(fā)現(xiàn)，例如在PDA-PTS的情況下，在大約2ps的衰變期內(nèi)衰變到基態(tài)的單個激發(fā)態(tài)(經(jīng)過一個相當(dāng)短壽命的中間態(tài))，用諧振波長為0.64μm，持續(xù)期為0.2ps(半峰值帶寬)和強(qiáng)度為5×108W/CM2(單位面積脈沖能量和脈沖寬度的比)的控制束脈沖照射下容易增加。而且，這個激發(fā)態(tài)的增加引起感應(yīng)吸收。這種感應(yīng)吸收的主要特征是單位面積單位入射吸收光子能量的吸收量明顯增加，所有有效波長都從0.7μm復(fù)蓋到至少1.7μm范圍之內(nèi)，其中包括1.31μm和1.55μm波長，而且呈現(xiàn)大約0.8ps的衰退期(這些感應(yīng)吸收的存在僅僅測到了1.7μm，在更高的波長上可能也存在)。因此，包含有PDA-PTS的樣品塊可以進(jìn)行具有光纖通信系統(tǒng)中目前最好用的波長信號的光學(xué)處理，也可以處理超過波長范圍30μm以上的信號束，而重復(fù)速率可以達(dá)到2.5×1011HZ。
如果選擇材料42使之呈現(xiàn)一個激發(fā)態(tài)和一個具有小于GaAs中產(chǎn)生電子-空穴對的衰退期小于15ps的感應(yīng)吸收，而且如果與材料42的激發(fā)有關(guān)的能量轉(zhuǎn)換速率和在GaAs中電子-空穴對的擴(kuò)散速率相似的話，那么，在這個激發(fā)態(tài)和感應(yīng)吸收的相當(dāng)短的衰退期間，這個能量(與材料42的激發(fā)有關(guān))將被傳播一段距離，但這個距離比在較長的衰退期中GaAs的電子-空穴對橫越的距離要小。因此采用這種材料42的樣品塊將能夠克服GaAs樣品塊的其他限制，即它將能同時處理比相同尺寸的GaAs樣品塊更多的信號射束。
如上所述，典型的材料42(雖然不是唯一的)是有機(jī)材料而不是無機(jī)材料，像是用GaAs的情況。重要的是已經(jīng)發(fā)現(xiàn)采用有機(jī)材料的樣品塊的性能不像采用GaAs樣品塊對溫度的波動那么敏感。
由于上面的這些發(fā)現(xiàn)，又發(fā)展了光處理器40的新的實(shí)施例，它可以用于上面討論的光處理系統(tǒng)10。這個新的實(shí)施例在圖13上做了描述，它包括一個樣品塊70以及一個控制射束46的發(fā)射源44見圖3)。樣品塊70包括一個夾在兩個向內(nèi)對面(如圖13的視圖)的鏡面表面66的材料區(qū)64之間的材料區(qū)42。選擇材料區(qū)42，使之呈現(xiàn)諧振的非線性光學(xué)響應(yīng)和/或在非諧振波長下基本上非線性的光學(xué)響應(yīng)以及在一個或多個波長下具有相當(dāng)短的衰退期的復(fù)合感應(yīng)吸收，如上所討論的那樣。這個感應(yīng)吸收最好是在大于0.9μm的波長上和/或超過大于30μm的波長范圍。
典型的材料區(qū)64是介質(zhì)材料，如磁性材料的氟化物或硫化鋅，它們都有向內(nèi)的表面66和一個向外的表面68，尤其是兩個向外的表面68對控制束46和信號束22都呈現(xiàn)相當(dāng)?shù)偷姆瓷渎?，即在控制束和信號束波長下，表面68的反射小于入射束的5%(允許控制束和信號束穿透進(jìn)入樣品塊內(nèi)部)。把普通(單層)抗反射涂層涂復(fù)到表面68上，就可以達(dá)到這樣低的反射率。另外，至少一個內(nèi)表面66即最初由控制束照射的表面66，設(shè)計為在控制束波長下對射束呈現(xiàn)相當(dāng)?shù)偷姆瓷渎剩?如上所限定的)，而兩個內(nèi)表面66均設(shè)計得對信號束波長下的射束呈現(xiàn)相當(dāng)高的反射率，(即反射率大于50%)。在表面66上采用多層鍍膜的方法可以做到在兩種波長下有不同的反射率。
在樣品塊70工作期間，信號束22的波長必須等于感應(yīng)吸收波長中的一個。這樣，材料區(qū)42的厚度就要如此來選擇，即在這個特定的感應(yīng)吸收的波長下，產(chǎn)生一個樣品塊的傳輸峰，一般材料區(qū)42的厚度最好小于50μm，不希望這個厚度大于50μm，因為這會使器件的反差相當(dāng)?shù)汀?br> 圖13所描述的樣品塊是用作幅度調(diào)制，以及時分和波分的多路復(fù)用和多路分離，例如如果要使單個信號束22進(jìn)行調(diào)制，那么，用控制束46有選擇地照射樣品塊，就使最初集中干信號束波長的傳輸峰產(chǎn)生位移和/或幅度的變化，就被有選擇地降低了通過樣品塊的信號束的傳輸，就完成了所要求的幅度調(diào)制。另外，如果一個單個的未調(diào)制的即強(qiáng)度恒定的，波長等于樣品塊的一個傳輸峰波長的信號束照射到樣品塊上，并且有兩個或多個經(jīng)調(diào)制的即包含信息的控制束46射在樣品塊上，那么，控制束所包含的信息被加到了原來末被調(diào)制的信號上，導(dǎo)致產(chǎn)生時分多路復(fù)用信號束。同樣，如果材料區(qū)42在兩個或多個波長下呈現(xiàn)感應(yīng)吸收，而在這些波長上樣品塊又有傳輸峰，同時樣品塊被單個的包含有樣品塊傳輸峰的波長的未調(diào)制信號束照射，那么，用兩個或多個包含信息的控制束46照射樣品塊，將把單個的未調(diào)制的信號束變換成為波分的多路復(fù)用信號束。另一方面，如果樣品塊被一個時分或波分多路復(fù)用信號束照射的話，那么用一個或多個控制束46有選擇地照射樣品塊，會引起一個或多個包含在時分或波分多路復(fù)合信號束有選擇地從樣品塊反射，因此而完成了分離信號的處理。
例1.
一個形狀不規(guī)則的PDA-PTS樣品，長寬大約都是1CM，厚2mm，利用上述J.Berrehar等提供的方法熱聚合成為單晶體。這個樣品包括一個自然生長晶面(一個表面)，它包含晶體的b軸(即b軸平行于由該晶面所限定的平面)，樣品的長和寬都是大約1CM。
用一個單個的被放大了的碰撞脈沖鎖模(CPM)染色激光器產(chǎn)生照射在PDA-PTS晶面上的信號束脈沖和控制束脈沖，這個激光器以10HZ的重復(fù)速率產(chǎn)生光脈沖，波長集中在625nm(FWHM7nm)，持續(xù)時間等于70毫微微秒，能量是每個脈沖400微焦耳。工作時，由激光束發(fā)射的每個光脈沖分成為兩個脈沖，即一個信號束脈沖和一個控制束脈沖，其中一個脈沖(信號束脈沖)相對于另一個脈沖(控制束脈沖)可調(diào)延時，(用普通的光學(xué)延遲線)。
由激光器發(fā)射的控制束脈沖被會聚(用普通透鏡)到PDA-PTS晶面上，直徑大約1mm。在聚會之前，先用普通的中透明度濾光器把每一個控制束脈沖進(jìn)行衰減，以改變控制束強(qiáng)度，另外，每個控制束脈沖通過極化器進(jìn)行控制束平行于晶體b軸的極化。
把每個信號束脈沖會聚到一個盛有水的小容器中(用普通透鏡)，使之有3CM的光通路，以完成連續(xù)振蕩，即產(chǎn)生一個持續(xù)期(70mps)基本上不變的光譜加寬激光脈沖。然后把連續(xù)脈沖通過一個波長集中于625nm(FWHM9nm)的頻譜陷波濾波器選出所需要的波長，經(jīng)過頻譜過濾的脈沖再經(jīng)過中透明度濾光器使信號束脈沖的強(qiáng)度小于相應(yīng)的控制束脈沖的強(qiáng)度。另外，每個信號束脈沖通過一個極化器，使信號束極化，與控制束的極化方向一致。然后再把信號束脈沖會聚到晶面上(用普通透鏡)成一個與控制束脈沖相同的光點(diǎn)。
把一個普通的50/50光束分離器安置在信號束通路上，使一部分信號束改變方向而離開晶面達(dá)到第一硅光電二極管檢測器，信號束剩余部分則射到晶面上，反射并由第二硅光電二極管檢測器檢測。
由兩個檢測器產(chǎn)生的信號相減，得到一個結(jié)果信號，在沒有控制束脈沖的情況下，結(jié)果信號的幅度沒有變化，而在控制束射到晶面上時，由于諧振非線性光學(xué)響應(yīng)產(chǎn)生反射率的變化△R，這就引起結(jié)果信號幅度的變化。
測出在PDA-PTS中感應(yīng)的諧振非線性光學(xué)響應(yīng)的瞬時成分或分量，并把△R對于不同的延時時間和不同的控制束脈沖強(qiáng)度作為延時時間的函數(shù)繪制下來。對于控制束脈沖強(qiáng)度為1010W/CM2的這樣一條曲線表示在圖10上。分析這條曲線表明存在著壽命期大約為為2ps延時的第一瞬時成分和壽命期長得多的第二瞬時成分。
降低信號束脈沖的強(qiáng)度，就產(chǎn)生一個被降低的結(jié)果信號(比圖10上所示的信號)。特別是第二瞬時成分比第一瞬時成分下降的更多。
例2.
如上述的RDA-PTS樣品，再次用信號束和控制束脈沖照射，如上所述，信號束脈沖可調(diào)延時，但是，先照射在樣品上的控制束脈沖用普通的50/50光束分離成為兩個脈沖，然后，被分離的控制束脈沖穿過一樣長度的通路之后用鏡面在晶面的表面上重新會合，這些有大約16°的交角的重新結(jié)合的脈沖在晶面表面處，借助于諧振非線性光學(xué)響應(yīng)，相互干涉形成強(qiáng)度周期性變化的圖形，并使入射到晶面上的那部份信號束脈沖發(fā)生衍射。
把來自兩個檢測器的檢測信號不是相減，而是相除，(信號束脈沖的衍射部分產(chǎn)生的檢測信號與信號脈沖改變方向部分產(chǎn)生的檢測信號相除)得到一個結(jié)果信號。對于相干控制束脈沖強(qiáng)度為6×109W/CM2的情況，這樣的結(jié)果信號表示在圖11上。如上所述，表明這個結(jié)果即包括短壽命期的瞬時成分，又包含長壽命期的成分，把相干控制束脈沖強(qiáng)度降低到6×108W/CM2，產(chǎn)生了圖12所示的結(jié)果。分析表明，基本上只出現(xiàn)短壽命期的瞬時成份。
例3.
厚度為1.7μm的PDA-PTS單晶薄膜，是用M.Thakur和S.Meyler提供的方法生長的，(見“Growth of Large-Area Thin Film Single Crystals of Poly(diacetylenes)”，Macromolecules，Vol.18，P.2341，1985。
R.B.Welsman和B.I.Greene描述的瞬態(tài)吸收光譜技術(shù)，用來檢測PDA-PTS的感應(yīng)吸收，就是用一個單個的CPM染色激光器，產(chǎn)生波長630nm和持續(xù)期為200mps的光脈沖，這些脈沖用釹-YAG泵浦的染色激光器/放大器，達(dá)到脈沖能量500微焦耳，每個由CPM激光器產(chǎn)生的被放大的光脈沖(用一個普通的光束分離器)分離成兩個脈沖，即一個信號束脈沖和一個控制束脈沖。這些脈沖的其中之一(信號束脈沖)相對于另一個(控制束脈沖)可調(diào)延時，在兩個脈沖射到PDA-PTS之前，探測PDA-PTS的瞬態(tài)響應(yīng)。兩個脈沖的光點(diǎn)尺寸在PDA-PTS表面都是大約1mm直徑，控制束脈沖能量在PDA-PTS表面上大約是1微焦耳，用普通的光電二極管來檢測由PDA-PTS傳輸?shù)男盘柺}沖。
每個信號束和控制束脈沖都經(jīng)過例1所述的連續(xù)振蕩，以達(dá)到光譜加寬脈沖，即光脈沖的波長范圍加寬到從0.4μm到1.7μm，然而，光譜加寬的控制束脈沖通過一個僅能傳輸640±5nm的光譜陷波濾光器，就產(chǎn)生了波長為640nm的控制束脈沖，因此，在信號束波長范圍為0.4μm到1.7μm內(nèi)，可測出PDA-PTS的瞬態(tài)響應(yīng)。
由上述光譜技術(shù)的結(jié)果，清楚表明對應(yīng)于控制束脈沖在PDA-PTS之內(nèi)存在一個感應(yīng)吸收，其波長范圍大約從0.7μm到1.7μm，衰退期為0.8ps。
例4.
用光學(xué)粘結(jié)劑把例3的PDA-PTS薄膜粘結(jié)到兩個介質(zhì)涂復(fù)的鏡面上，制成一個樣品塊，這種介質(zhì)涂復(fù)鏡面是從新墨西哥州，A lbuguerque CVI公司購買的。這種鏡面對0.96μm光波的反射為95%(1.0μm的波長的光波反射也是95%)，而對0.64μm波長的光傳輸效率大于85%。
用例3的瞬態(tài)吸收光譜學(xué)方法得到的對不同信號束波長，作為控制束脈沖和信號束脈沖間延時時間的函數(shù)的瞬態(tài)響應(yīng)曲線表示在圖14上，此處，信號束光點(diǎn)尺寸是直徑25μm，控制束光點(diǎn)尺寸直徑100μm，控制束脈沖能量大約為8微焦耳。這個曲線表示在1μm波長下，(樣品塊的一個傳輸峰)校準(zhǔn)器傳輸?shù)乃矐B(tài)變化，同時也表示該瞬態(tài)變化有大約1ps的衰退期。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)系統(tǒng)包括至少一個第一電磁波源；在與所說的第一波源相聯(lián)的光學(xué)系統(tǒng)中，用來處理由第一波源發(fā)射的射束的裝置；在與所說的裝置相聯(lián)的光學(xué)系統(tǒng)中的波束檢測器，其特征在于，上述裝置包括一個材料區(qū)，該材料區(qū)在一個或多個電磁射束的諧振波長上呈現(xiàn)一種非線性光學(xué)響應(yīng)，或者在電磁波射束的一個或多個非諧振波長上呈現(xiàn)顯著的非線性光學(xué)響應(yīng)，并且在一個或多個電磁射束的波長上或在(a)和(b)兼有的情況下呈現(xiàn)一種與非線性光學(xué)響應(yīng)相連系的感應(yīng)吸收；還包括與上述材料區(qū)有光學(xué)連系的，至少一個第二電磁射束源；由所述第二電磁射束源發(fā)射的電磁射束的波長，持續(xù)期和強(qiáng)度的選擇應(yīng)實(shí)現(xiàn)上述(a)狀態(tài)或(b)狀態(tài)或(a)和(b)兼有的狀態(tài)，從而使上述材料區(qū)中，當(dāng)重復(fù)速率約大于3.3×1010Hz情況下，基本上沒有任何比較慢的成分，上述，重復(fù)速率約大于由基本上沒有GaAs的材料區(qū)提供的2·5×104的重復(fù)速率。
2.按照權(quán)利要求
1的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述的材料區(qū)在一個或多個電磁射束的波長下，呈現(xiàn)感應(yīng)吸收，并在一個或多個電磁射束的諧振波長上伴隨有非線性光學(xué)響應(yīng);所述的由第二個源發(fā)射的電磁射束的波長，持續(xù)時間和強(qiáng)度，應(yīng)該選擇得實(shí)現(xiàn)上述的諧振，非線性光學(xué)響應(yīng)和與之相聯(lián)系的感應(yīng)吸收，在上述材料中在重復(fù)速率大約3.3×1010HZ的情況下，基本上沒有任何比較慢的分量，上述重復(fù)速率大于由基本上沒有GaAs的材料區(qū)提供的2.5×104的重復(fù)速率。
3.按照權(quán)利要求
2的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所說的裝置包括一個含有所說的材料區(qū)的樣品塊。
4.按照權(quán)利要求
3的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于由上述第一個電磁波源發(fā)射的電磁波束包含有在該波長下上述材料區(qū)呈現(xiàn)感應(yīng)吸收的射束，并且，上述材料區(qū)的厚度應(yīng)選擇為對于上述樣品塊而言，出現(xiàn)一個傳輸峰，從而在上述重復(fù)速率下，基本上沒有比較慢的成份。
5.按照權(quán)利要求
3的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所說的感應(yīng)吸收在上述的重復(fù)速率下，在波長范圍延伸大于大約30nm情況下，基本上沒有任何較慢的成份。
6.按照權(quán)利要求
3的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于以上述重復(fù)速率，在波長等于1.31μm情況下的感應(yīng)吸收，基本上沒有較慢的成份。
7.按照權(quán)利要求
3的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于以上述重復(fù)速率，在波長等于1.55μm的情況下的感應(yīng)吸收，基本上沒有較慢成份。
8.按照權(quán)利要求
3的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所速的材料區(qū)的成分，應(yīng)選擇得能在大于0.9μm的波長情況下實(shí)現(xiàn)感應(yīng)吸收，并伴隨上述諧振和非諧振非線性光學(xué)響應(yīng)。
9.按照權(quán)利要求
1或2或3的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所說的材料區(qū)包括有機(jī)材料。
10.按照權(quán)利要求
9的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所說的有機(jī)材料包括聚丁二炔。
11.按照權(quán)利要求
1或2或3的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所說的裝置包括一個幅度調(diào)制器。
12.按照權(quán)利要求
1或2或3的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所說的裝置包括一個多路分離器。
13.按照權(quán)利要求
1或2或3的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所說的裝置包括一個開關(guān)。
專利摘要
本發(fā)明披露了一種光學(xué)系統(tǒng)，它包括第一電磁波(信號波束)波源(20)，一個信號波束處理器(40)和一個檢測被處理信號波束的檢測器(60)，該處理器起幅度調(diào)制器，分離器或開關(guān)的作用，它包括一個在一個或多個諧振波長下，呈現(xiàn)非線性光學(xué)響應(yīng)的材料區(qū)，以及至少一個有選擇地感應(yīng)非線性光學(xué)響應(yīng)的第二電磁波(控制射束)波源(44)。特別是控制束的波長，持續(xù)時間和強(qiáng)度的選擇，要在所說的材料區(qū)內(nèi)，以高于2.5×10
文檔編號G02F1/35GK87105128SQ87105128
公開日1988年5月11日 申請日期1987年6月17日
發(fā)明者本杰明·歐文·格林, 麗貝卡·魯恩·米勒德, 約瑟夫·奧倫斯坦, 戴國洲, 姆林納爾·撒克爾, 利厄·魯比·威廉斯 申請人:美國電話電報公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan