CN1580827A - 具有电润湿驱动的分光镜 - Google Patents

Abstract

本文说明了使用电润湿技术改变一个或多个光束的传播特性的可调分光镜。具体来说，向装入外壳内的液体的一个区域应用电润湿原理以形成许多液体透镜。当光束入射到该许多透镜上时，该许多透镜转换对应的许多输出分离的光束中的部分光束。液体的区域可控制地在外壳内移动以修改所述的许多透镜中的至少第一透镜的至少第一光学特性，从而改变至少一个分离光束的传播特性。

Description

具有电润湿驱动的分光镜

技术领域

本发明涉及光学网络组件，具体来说，涉及由液体电润湿(electrowetting)驱动进行调节的分光镜。

背景技术

光信号在现代通信系统中非常有用。典型的光学通信系统包括光信号发射器(例如，产生所希望的波长(如1550nm)的光的基于激光的发射器)，耦接到光源的一段传输光纤，以及耦接到光纤的用于接收信号的接收器。沿着光纤可以配置一个或多个放大系统，用于对传输的信号进行放大。在这样的系统中的接收器或其他组件内，常常需要将单一的光束的传播拆分为在不同的方向(例如，至不同的光检测器)传播的两个或更多分离光束。传统上使用分光镜来实现此光束分离功能。

典型的分光镜是半反射方块(semi-reflective cube)和/或放在传播光束的路径上并与光束成所希望的预设的入射角的板。当以这样的入射角放置时，输入光束以某一角度到达分光镜的部分反射性表面，以便光束的一部分沿一个方向反射，而光束的至少另一部分允许沿另一个方向通过分光镜。精通本技术的人可以认识到，这些类型的分光镜的性能通常在很大程度上取决于分光镜相对于入射光束和目的地光学组件的准确定位。

发明内容

尽管现有技术的可调分光镜可以适用于许多应用场合，但是它们在某些方面是有局限性的。具体来说，现有技术的分光镜不可调，即，一旦现有技术的分光镜制造完成，它们的诸如最佳入射角之类的某些光学特性便已经固定。如此，分离光束的传播方向和/或分光镜的焦距的任何改变(调节)都需要手动移动分光镜和/或添加组件(如透镜)才能改变光束的传播特性。本发明的发明人认识到，随着光学通信系统变得越来越先进和复杂，就越来越需要新的、经济合算的可调的分光镜，以及使用这些设备以便改变所产生的分离的光信号的传播行为的方法。

因此，本发明的发明人发明了一种可调的分光镜，这种分光镜使用电润湿技术，用位于外壳上的液体液滴构成许多透镜。具体来说，当光束入射到该许多透镜上时，该许多透镜转换对应的许多输出分离光束中的部分光束。液体的区域可控制地在外壳内移动，以修改所述的许多透镜中的至少第一透镜的至少第一光学特性，从而改变至少一个分离光束的传播特性。在一个实施例中，第一光学特性是许多透镜中的至少一个透镜的曲率半径，当修改所述的曲率半径时，会改变对应的输出分离光束的收敛性或发散性。在第二个实施例中，第一光学特性是分光镜内的至少一个透镜的位置，当修改所述的位置时，会改变对应的输出分离光束的离开方向。

附图说明

图1显示了分光镜的现有技术的用法；

图2显示了使用电润湿原理改变微透镜的光学特性的现有技术的液体微透镜；

图3显示了装入通道中的现有技术的液滴，其中，液滴是使用电润湿原理可移动的；

图4A显示了根据本发明的原理的分光镜的侧视图，其中，液滴装入通道内，并且使用电润湿技术是可移动的；

图4B显示了图4A的分光镜的剖面图，代表了图4A中的平面A-A′处的视图；

图4C显示了图4A和4B的分光镜的剖面图，代表了图4B中的平面B-B′处的视图；

图5显示了图4A、4B和4C的分光镜如何操作以将入射光束分离为多个分离光束；

图6显示了如何调整图4A、4B和4C的分光镜以改变分离光束的发散性；

图7显示了如何调整图4A、4B和4C的分光镜以独立于其他分离光束改变单个分离光束的发散性；以及

图8显示了如何在图4A、4B和4C的分光镜中使用电极阵列以改变分离光束的传播方向。

具体实施方式

图1显示了说明性的已知的现有技术的光学系统，其中，使用了分光镜将传播的光束分离为按不同方向照射的两个分离光束。在该图中，位于光学网络设备内的分光镜101被放置在入射传播光束102的路径中。分光镜101的表面107具有部分反射性，当光束102入射到分光镜101的表面107上时，光束102的一部分103朝着设备105的方向反射，而光束102的另一部分104通过分光镜101朝着设备106的方向照射。设备105和设备106是光接收器中的光检测器。对于精通本技术的人所显而易见的是，分光镜101必须按这种方式安装在图1的光学系统内，即，使分光镜与入射光束以及设备105和106对齐。如果分光镜101不对准，则需要将分光镜与光束和设备进行物理上的重新对准。到目前为止，这种重新对准只能通过使用机械致动装置将分光镜设备在物理上重新定位和/或手动重新定位才是可能做到。

本发明的发明人认识到，使用可调的并且不需要对分光镜设备进行物理上的重新定位的分光镜是理想的。因此，本发明的发明人发明了一种可调的分光镜，这种分光镜使用电润湿技术改变一个或多个分离光束的传播特性(例如，传播方向和发散性)。所产生的设备消耗的功率很小(例如，在某些情况下＜1毫瓦)，生产起来相对便宜，并与常规的光学系统兼容。以前也使用电润湿原理(即，使用电场可变地改变基于液体的设备的特性)来改变液体微透镜的焦距和位置。这样的基于电润湿的微透镜是待审批的序列号为No.10/135973，标题为“Method and Apparatus for Aligning a Photo-Tunable Microlens”的美国专利申请和待审批的序列号为No.10/139124，标题为“Methodand Apparatus for Calibrating a Tunable Microlens”的美国专利申请的主题，在此对这两个申请进行了引用。在最简单的形式中，基于电润湿的微透镜使用透明的液滴将入射光聚焦到所希望的焦点上。

图2显示了一个现有技术的简单液体微透镜201的实施例，该实施例在上文引用的’973和’124美国专利申请中进行了描述，由此，可以使用电润湿现象可逆地改变导电液体(可以是透明的，也可以不是透明的)的液滴202与厚度为“d”和介电常数为εγ的介电绝缘层203之间的接触角θ。液滴和绝缘层之间的接触角θ是由面间表面张力(也称为界面能)“γ”确定的，面间表面张力通常以毫牛顿每米(mN/m)来度量。如这里所使用的，γ_s-v是绝缘层203和空气、气体或包围在液滴周围的其他液体之间的界面张力，γ_L-v是液滴202和空气、气体或包围在液滴周围的其他液体之间的界面张力，γ_s-L是绝缘层103和液滴202之间的界面张力。接触角θ₁是由下列关系确定的：

$\cos {\mathrm{\θ}}_1=\frac{{\mathrm{\γ}}_{S-V}-{\mathrm{\γ}}_{S-L}}{{\mathrm{\γ}}_{L-V}}---\left(1\right)$

诸如金属电极之类的电极204放置在介电层203下面并由该层与液滴202绝缘。液滴202例如可以是水滴，介电绝缘层203例如可以是Teflon/聚对二甲苯基表面。

当液滴202和电极204之间不存在电压差时，液滴202保持其由液滴的体积和接触角θ₁定义的形状，其中，θ₁如上所述由界面张力γ确定的。当电压V被施加于电极204时，电极204和液滴202之间的电压差使液滴扩散。虚线205说明了液滴202从其相对于电极204的中心位置跨层203均匀地扩散。具体来说，当在电极204和液滴202之间施加电压时，接触角θ从θ₁降到θ₂。实现这种扩散所需的电压V可以介于几伏特到几百伏特之间。扩散量，即，由θ₁和θ₂之间的差确定的值，是施加的电压V的函数。接触角θ₂可以由下列关系来确定：

$\cos {\mathrm{\θ}}_2\left(V\right)=\cos {\mathrm{\θ}}_1(V=0)+\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\γ}}}{{2\mathrm{d\γ}}_{L-V}}{V}^2---\left(2\right)$

其中，θ₁是当在液滴202和电极204之间不施加电压时绝缘层203和液滴202之间的接触角；γ_L-V是如上所述的液滴界面张力；ε_γ是绝缘层203的介电常数；ε₀是8.85×10^-12F/M-真空的介电常数。

图3显示了现有技术的结构301的实施例，该结构依靠如上所述的电润湿原理使导电液体302的液滴通过外壳309，例如，具有圆形截面的玻璃管。这样的实施例是待审批的序列号为No.10/231614，标题为“Optical Waveguide Devices With Electro-Wetting Actuation”的专利申请的主题，该申请在这里全部加以引用。与图2不同，图3的实施例使用刚性外壳包围导电液滴302以完全限制液滴在除x方向之外的所有方向的移动。在图3的实施例中，液滴受到具有圆截面的管子的限制。可以使用诸如如上所述的电润湿原理可逆地改变液体和外壳309的表面之间的接触角θ。液滴和绝缘层之间的接触角θ也是由面间表面张力确定，并可以参照等式1来计算。当液滴302和电极305之间不存在电压差时，液滴302在外壳309内保持其位置，接触角θ₁＝θ₂，其中，θ₁如上所述是界面张力γ确定的。

当电压V被施加于电极305时，电极305和液滴302之间的电压差使液滴试图扩散，如图2表示的情况那样。具体来说，当在电极305和液滴302之间施加电压时，接触角(在此边界303A与外壳309的表面相交切)从θ₂降低到θ₁。实现这种改变所需的电压V可以介于几伏特到几百伏特之间。移动量，即，由θ₁和θ₂之间的差确定的值，是施加的电压V的函数。接触角θ₂也可以参照等式2确定，其中，θ₁是当在液滴302和电极305之间不施加电压时外壳309的表面和液滴302之间的接触角；γ_L-V是液滴界面张力；ε_γ是绝缘层306的介电常数；ε₀是8.85×10^-12F/M-真空的介电常数。由于图3的液滴在除x方向之外的所有方向的移动都受到限制，因此，由施加的电压V所引起的接触角的差导致液滴的两个相对的侧面303A和303B之间的力不平衡。结果，在施加的较高的电压下液滴朝着液滴的侧面沿方向310移动。

本发明的发明人认识到，利用如前所述的电润湿技术制造可调的分光镜是有利的。因此，根据本发明的原理，图4A、4B和4C分别显示了通过电润湿原理控制液体移动的分光镜401的侧面剖面图、正面剖面图和顶视剖面图。在此实施例中，参考图4A，液滴403位于具有反射内表面408的示例性的外壳402内，所述的反射内表面408是反射性的介电材料层。可以在外壳402内设置润滑液，以降低液滴403和外壳402之间的摩擦。表面408可以具有设置在著名的Teflon^材料衬底上的CYTOP^透明涂层。CYTOP是由Asahi Glass，Inc.制造的非晶态氟碳化合物聚合物，其特征在于，其在某种程度上具有有利的憎水特性。精通本技术的人可以认识到，许多材料适合于获得诸如这里所描述的分光镜中的表面所需的这种特性。外壳402具有矩形截面，然而，那些精通本技术的人可以同样认识到，许多截面形状(例如，椭圆形)也是同样有益的。分别位于液滴403上方和下方的电极405和406由介电层407与液滴403分开。介电层407中的通道409通过使液体与接地电极412接触而允许液滴接地。如以前所讨论的，通过改变电极406和405的相对电压，液滴403的一个或多个部分可以在外壳402内沿x方向移动。接触角θ₂和θ₃(以后分别称为液滴的上升边和下降边的垂直接触角)可以参照等式1和2确定。

图4B显示了图4A的分光镜的截面。具体来说，图4B代表了分光镜401在如图4A所示的平面A-A′处的截面。在图4B中可以看出，与以前的在外壳内移动液滴的实施例不同，电极406A/C和406B/D只能部分地跨液滴403的宽度延伸。如此，液滴403被分成由区域404(以下称为过渡区域404)分开的部分403A和403B。

图4C显示了用于将示例性光束409分离为多个光束的图4A的分光镜的顶视剖面图。具体来说，图4C代表了分光镜401在如图4B所示的平面B-B′处的截面。在图4C的说明性的实施例中，当相等的电压被施加于电极406C(和/或如图4B所示的406A)和406D(和/或如图4B所示的406B)，使液滴403的部分403A和403B沿方向413移动。如此，对于施加于电极406C(和/或如图4B所示的406A)和406D(和/或如图4B所示的406B)的给定电压，可以说，部分403A和403B分别构成曲率半径为R2的两个透镜411和410。那些精通相关技术的人员将从前面对电润湿的讨论中知道，液滴部分403A和403B的位移量(因此，透镜411和410的曲率半径)与施加于电极406C(和/或如图4B所示的406A)和406D(和/或如图4B所示的406B)的电压量成正比。曲率半径为R3的过渡区域404用于将液滴分开以产生液滴403的两个部分403A和403B。此过渡区域是由于缺少施加于电极406C和406D之间的过渡区域404中的液滴的电压所造成的。过渡区域404中缺少电极产生了大的垂直接触角θ₃。结果，位于区域404的任何一侧的液滴构成两个具有半圆形断面的透镜，如图所示，定位于过渡区域404的边界420和侧壁421之间的中点处的透镜的位移最大。曲率半径R1、R2和R3分别取决于垂直接触角θ₁、θ₂和θ₃。具体来说，液滴的上升边上的过渡区域的曲率半径R3取决于液滴的下降边的曲率半径R1、下降边的接触角θ₁和过渡区域的接触角θ₃。过渡区域404的曲率半径R3可以表示为：

$R3=\frac{h}{2({\cos \mathrm{\θ}}_1-\cos {\mathrm{\θ}}_3)}-R1---\left(3\right)$

其中h是如图4A所示的外壳的高度。同样，图4C中的透镜410和411的曲率半径R2可以由下列等式确定：

$R2=R1-\frac{h}{2({\cos \mathrm{\θ}}_1-{\cos \mathrm{\θ}}_2)}---\left(4\right)$

如此，通过使用以前描述的电润湿技术改变垂直接触角θ₁、θ₂和θ₃，可以改变或调整曲率半径R1、R2和R3。

精通本技术的人可以认识到，虽然在此示范性的实施例中显示了两个透镜(透镜411和410)，通过以不同的方式安排电极(例如，通过添加彼此隔开的附加电极)，可以产生由诸如区域404之类的过渡区域分开的任意数量的透镜。再一次参考图4C的说明性实施例，使用了电极405，通过再一次依靠电润湿原理，构成液滴403的区域403C，如此构成半径为R1的第三透镜414。液滴403的表面中形成了透镜410和411的部分以下简称为液滴的第一表面，液滴403的表面中形成了透镜414的部分以下简称为液滴的第二表面。

图5显示了如何使用图4A、4B和4C的分光镜在操作上将入射光束409分离为示例性的多个光束503和505。具体来说，使用上文讨论的电润湿技术按以下方式选择透镜410和411的曲率半径(图4C中的R2)，即，当光束409入射到那些透镜上时，它们通过操作以将光束409的一部分聚焦到焦平面501内的不同的焦点415和416上。透镜410和411的焦距f由下列等式确定：

$f=\left[\frac{R}{n_{\mathrm{lens}}-n_{\mathrm{surround}}}\right]\·n_{\mathrm{lens}}---\left(5\right)$

其中，R是透镜的半径，n_lens是透镜的折射率，n_surround是透镜周围的介质的折射率。所产生的两个具有焦点415和416的分离光束穿过液体，直到到达透镜414，而透镜414的作用是引导分离输出光束502和504分别按所希望的方向(如方向503和505)照射。焦平面501(以下简称为主透镜焦平面)是透镜414的焦平面。将透镜410和411的焦点415和416设置在焦平面501内将导致输出光束502和504成为平行光束(即，既不是收敛光束，也不是发散光束)。如此，通过利用上文所讨论的电润湿技术调整透镜410和411的曲率半径，可以获得平行输出光束。

图6A、6B和6C说明了如何通过调节液滴403的特性(例如结合图4所讨论的那样调节曲率半径)来改变诸如透镜410和411之类的透镜的光学特性，从而改变分离光束的传播特性。具体来说，如图6A所示(类似于图5的分光镜)，当透镜410和411的曲率半径(图4C中的R2)使得焦点415和416位于主透镜焦平面501中，则输出光束605和606为平行光束。然而，如图6B和6C所示，通过改变透镜410和411的曲率半径(例如，通过改变液滴403的垂直接触角)，可以改变输出光束的收敛性或发散性。或者，通过改变图4C中的透镜414的曲率半径可以获得相同的收敛性或发散性。这在例如使分光镜及其他光学组件对齐或者增大或减小所产生的分离光束的功率时是需要的。在图6B的说明性的实施例中，透镜410和411的曲率半径相对于图6A中的曲率半径增大，相应地，透镜的焦距(由等式5确定)也增大。结果是，焦点415和416沿远离主透镜焦平面501的方向607移动。通过减小透镜414的曲率半径可以取得相同的结果(焦点415和416相对于焦平面501的位移)。结果，如输出光束601和602所示，输出光束在传播到目的地时收敛。相反，如图6C所示，当透镜410和411的曲率半径相对于图6A中的曲率半径减小时，透镜的焦距缩小。因此，在此情况下，焦点415和416沿远离主透镜焦平面501的方向608移动。通过增大透镜414的曲率半径可以取得相同的结果。因此，如输出光束603和604所示，输出光束在传播到目的地时发散。

在上面的讨论中，假定透镜410和411的曲率半径R2是相等的。然而，如图7所示，可以使用电润湿技术调整液滴403，以使得两个透镜中每一个透镜的曲率半径不同。具体来说，在此示例性的实施例中，向电极406C(以及图4B中的电极406A)施加的电压比向电极406D(以及图4B中的电极406B)施加的电压高。结果，透镜410的曲率半径比透镜411的曲率半径小，如此使透镜410的焦点415更接近于透镜410并且距主透镜焦平面501的距离为d。在此说明性的示例中，透镜411的曲率半径是这样的，即，使得焦点416位于主透镜焦平面501中。结果，输出光束702是沿方向703传播的平行光束，而输出光束701是沿方向704传播的发散光束。如上所述，希望能够彼此独立地调整各分离光束，以便例如调整单个分离光束的每单位面积的功率。

最后，图8A和8B说明了调节输出分离光束的传播特性的另一种方法。具体来说，通过使用电极阵列804而不是单个电极(如图7中的406D)，可以改变输出光束的出射角和/或强度(功率)。参考图8A和8B，这种改变是通过只向阵列804中的一部分电极施加电压来实现的。因此，液滴403的较小的部分沿方向809移动，如此构成了透镜805。精通本技术的人可以认识到，与例如透镜810相比，这种较小的透镜将使从方向801进入分光镜的光束的较小的部分聚焦。结果，输出分离光束807的功率将相应地降低。此外，由于较小的透镜805远离过渡区域404移动，所产生的沿方向802传播的输出光束807将具有出射角θ_D。如图8B所说明的，当透镜805沿相反方向更靠近过渡区域404移动时，当与图8A的透镜位置相比时，沿方向803传播的输出光束808的出射角θ_D降低。如前面所讨论的，由于焦点415位于主透镜焦平面501中，输出光束807和808是平行光束。

前述的内容只是说明本发明的原理。可以理解，那些精通本技术的人将能设计出各种方案(虽然这里没有明确地描述或显示)以实现本发明的原理，这些都在本发明的精神和范围内。此外，这里列举的所有示例和条件性语言只用于说明，以帮助读者理解本发明的原理，本发明不局限于这样的具体列举的示例和条件。此外，这里列举了本发明的各个方面和实施例的所有陈述以及特定的示例，都被认为涵盖其功能性等同物。

Claims (10)

1.一种设备，包括：

位于外壳内的导电液体的液滴，该外壳适合于包含所述液滴；以及

用于在导电液体的所述液滴的至少第一表面上形成多个液体透镜的装置。

2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述的用于形成多个液体透镜的装置包括多个电极，所述多个电极这样排列，以便响应于被施加到所述多个电极的第一电压，在导电液体的所述液滴的至少第一表面上形成多个液体透镜。

3.根据权利要求2所述的设备，其中，所述多个电极中的每一个电极位于所述外壳中并与所述多个电极中的其他电极电绝缘。

4.根据权利要求2所述的设备，其中，所述多个电极这样排列，以便响应于至少第二电压形成所述多个液体透镜。

5.根据权利要求4所述的设备，其中，所述第一电压与所述第二电压相同。

6.一种分光镜，包括：

位于外壳内的导电液体的液滴，该外壳适合于包含所述液滴；以及

多个电极，所述多个电极这样排列，以便响应于被施加到所述多个电极的第一电压，在导电液体的所述液滴的至少第一表面上形成多个液体透镜。

7.根据权利要求6所述的分光镜，其中，所述多个电极中的每一个电极位于所述外壳中并与所述多个电极中的其他电极电绝缘。

8.根据权利要求6所述的分光镜，其中，所述多个电极这样排列，以便响应于至少第二电压形成所述多个液体透镜。

9.一种分离光束的方法，所述方法包括：

向多个电极施加至少第一电压，由此在导电液体的液滴的至少第一表面上形成多个液体透镜；以及

以这种方式接收光束，以使得所述光束入射到所述多个液体透镜中的至少一个透镜上。

10.根据权利要求9所述的方法，进一步包括向所述多个电极施加第二电压。

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