至少五层的光学装置 本发明属于光学元件领域，更具体地，涉及聚合物光学元件。本文中光学元件意指热-光元件、电-光元件或无源元件。
热光和电光元件是公知的。热光元件的工作是基于所用光波导材料表现出与温度相关的折射率这一现象。聚合物热光元件一般包括在基质上的三层聚合物结构。该三层结构包括低折射率的下包层、高折射率的芯层、和低折射率的上包层。在上包层上面，设有加热元件(通常为金属丝)加热所述聚合物包层材料，以改变折射率用于转换开关。
电光装置的工作是基于所用非线性旋光材料表现出与电场相关的折射率这一现象。聚合物电光元件一般也包括三层聚合物结构。这三层结构包括低折射率的下包层、非线性旋光的高折射率的芯层、和低折射率的上包层。在上包层上面，设有电极以向非线性旋光材料施加电场，改变折射率用于转换开关。
已知的光学元件还有以下缺点：宽范围的光损失；此外，在热光元件中，开关速度不是最佳，而在电光元件中，开关效率还有许多有待改进之处。
本发明减轻这些问题。
为此，本发明涉及一种光学元件，在基质上有至少五层聚合物结构，包括：
A)低折射率的下包层，
B)折射率与芯匹配的下包层，
C)芯层，
D)折射率与芯匹配的上包层，和
E)低折射率的上包层。
有此特殊的层结构，可获得最佳的横断界限(transversalconfinement)，导致光损失减少和开关效率改善。
对于光元件，优选使用硅基质。这些基质在市场上易购得且厚度均匀。此外，它们常用于集成电路技术和设备中。硅的缺点之一是其折射率高。由于此高折射率，该传播方式的光可能渗漏至硅基质。低折射率的下包层A用于防止此传播方式地光渗漏至硅基质。使用其它基质时，该低折射率的下包层A在控制传播方式的界限方面也是有利的。
使用适当折射率和厚度的低折射率的下包层A，在设计折射率与芯匹配的包层B和D及芯层C时可有充足的自由度。
如上所述，光元件通常包括在上包层之上的金属电极，用于作为加热元件或用于施加电场。这些电极通常由金和/或其它金属如铬、铜、铂或其组合或合金制成。低折射率的上包层E用于防止光由此传播方式渗漏至衰减(金)电极。低折射率的下和上包层A和E的折射率通常是相同的(近似地)。使用厚度大于低折射率的下包层A厚度的低折射率的上包层E，则有可能使用比折射率与芯匹配的下包层B薄的折射率与芯匹配的上包层D。在此情况下，所得低折射率上包层D和折射率与芯匹配的上包层E的总厚度小于低折射率的下包层A和折射率与芯匹配的下包层B的总厚度。因此，该结构是横向不对称的，芯层靠近电极，而感受到较强的感应热光或电光效应，从而产生更有效的元件。
本发明还涉及一种光学元件，其中低折射率的上包层D比低折射率的下包层A厚。
折射率与芯匹配的下包层B和折射率与芯匹配的上包层D用于获得传播方式的横断界限。可在相对较宽的范围内选择折射率，以取得要求的性能，如：单波型状态，与标准单波型纤维(SMF)很好地重叠。
横向界限可用在平面波导元件中确定通道的公知方法实现。适用的方法是：
1.用蚀刻技术(例如用氧等离子体活性离子蚀刻)使芯层成形，而得到嵌入式通道波导，
2.漂白芯层而得到嵌入式通道波导，
3.使折射率与芯匹配的上下包层B和D成形，得到脊状(加装窄条)或倒脊状波导，
4.漂白折射率与芯匹配的上下包层B和D，得到脊状(加装窄条)或倒脊状波导。
所有这些技术为本领域技术人员所熟知，本文不需进一步说明。当使用技术1时，将芯层蚀刻掉，仅留下通道波导。随后，将折射率与芯匹配的上包层材料涂于芯层C之上和芯层材料被蚀刻掉的区域之上。此技术和技术2是优选的，因为它们可产生对称通道的波导。对称通道的波导表现出受偏振影响小的模态性能。使用漂白技术时，折射率与芯匹配的包层B和D的折射率应与芯的漂白部分的折射率相适应。使用芯成形技术时，折射率与芯匹配的上包层材料的折射率这样选择，以得到要求的性能，如单波型状态，与标准单波型纤维(SMF)很好地重叠，与偏振相关，弯曲损失低。
用于本发明热光装置的聚合物是所谓的光学聚合物。光学聚合物是公知的，本领域技术人员能选择有适合折射率的聚合物，或通过化学改性如引入影响折射率的单体单元以修改聚合物的折射率。例如，可通过改变各层所用聚合物材料的单体中氟原子和溴原子的量，调整各层的折射率。增加氟原子的量以降低折射率，而增加溴原子的量以得到较高的折射率。本领域技术人员已知可用于增加或降低折射率的其它基团。适用于增加折射率的基团的例子是二羟苯基二苯基甲烷、双酚S、2，2-双(4-羟-3，5-二溴苯基)-1，1，1，3，3，3-六氟丙烷、酚酞、四溴酚酞、2，2-双(4-羟-3，5-二氯苯基)-1，1，1，3，3，3-六氟丙烷、酚酞、四氯酚酞、及其二氯甲酸酯。适用于降低折射率的基团的例子是2，2-双(4-羟苯基)-1，1，1，3，3，3-六氟丙烷、八氟二羟二苯基、1，4-双(2-羟六氟异丙基)苯、2，2，3，3，4，4，5，5-八氟己烷1，6二醇、2，2，3，3，4，4，5，5，6，6，7，7-十二氟1，8二醇、1H，1H，10H，10H-全氟癸烷1，10二醇。由于所有聚合物均表现出热光效应，所以基本上任何对所用波长有足够透光度的聚合物均可用作芯层材料。所述透光度要求也适用于包层，但折射率必须与芯层的折射率相适应。特别适用的光学聚合物包括多芳基化合物、聚碳酸酯、聚酰亚胺、聚脲、聚丙烯酸酯。
适用于在电光元件中作芯层材料的聚合物是非线性旋光性聚合物。这些类聚合物也是公知的。在这些类聚合物中，在外力场(如电场)的影响下发生非线性偏振。非线性电偏振可产生若干非线性光学现象，如倍频、Pockels效应和Kerr效应。为使非线性光学聚合物材料活化(获得要求的低倍NLO效应)，聚合物中存在的基团(通常为可过极化的侧基)首先必须成一直线(极化poled)。使聚合物材料暴露于电(DC)压(所谓极性场)常产生此直线排列，加热将使聚合物链充分地移动取向。NLO聚合物描述在例如EP350 112、EP350 113、EP358 476、EP445 864、EP378185、EP359 648、EP645 413和EP申请No.9500598.1中。对于包层，可使用与热光元件中相同的材料。
各层可通过旋涂涂敷。为能叠层旋涂，通常必须在涂下一层之前交联一层。因此，优选通过加入可交联单体或向聚合物中混入交联剂如聚异氰酸酯、聚环氧化物等，使光学聚合物或NLO聚合物可交联。
为增强热光元件的稳定性，可向光学聚合物中加入氧气捕获剂和自由基捕获剂等。
各层的典型层厚度和典型折射率示于下表I。
表I
层 厚度(μm) 折射率
E 4-8 1.4-148
D 0-4 1.50-1.52
C 4-8 1.51-1.525
B 6-8 1.50-1.52
A 2-4 1.4-1.48
通过以下非限制性实施例进一步说明本发明。
实施例
实施例1
聚合50mol％2，2-双(4-羟苯基)-1，1，1，3，3，3-六氟丙烷的二氯甲酸酯、25mol％2，2-双(4-羟苯基)-1，1，1，3，3，3-六氟丙烷和25mol％2，3-二羟丙基-甲基丙烯酸酯，制备低折射率的包层材料。该材料用于低折射率的包层A和E。
聚合25mol％2，3-二羟丙基-甲基丙烯酸酯、40mol％丙烷的二氯甲酸酯(bischloroformate propane)、25mol％2，2-双(4-羟苯基)-1，1，1，3，3，3-六氟丙烷和10mol％2，2-双(4-羟苯基)-1，1，1，3，3，3-六氟丙烷的二氯甲酸酯，制备折射率与芯匹配的包层材料。该材料用于折射率与芯匹配的包层B和D。
聚合25mol％2，3-二羟丙基-甲基丙烯酸酯、50mol％2，2-双(4-羟-3，5-二溴苯基)-1，1，1，3，3，3-六氟丙烷的二氯甲酸酯和25mol％2，2-双(4-羟苯基)-1，1，1，3，3，3-六氟丙烷，制备芯层。
将各层旋涂在硅基质上，制备热光元件。用氧等离子体活性离子蚀刻确定通通。在上包层之上，施加由薄Cr层和Au层制成的电热丝式加热器，有3-5μm厚的结合区。用标准单波道纤维给所述热光元件引线。各层的性能示于下表。
层 厚度(μm) 折射率(TE)
在1305nm 在1565nm
A 4.18 1.4877 1.4861
B 3.91 1.5092 1.5074
C 3.70 1.5147 1.5131
D 3.90 1.5092 1.5074
E 4.20 1.4877 1.4861
所述热光元件表现出小于2dB的低插入损失，小于100mW的开关功率，-20dB的串话干扰。开关时间为1ms这样低，偏振相关低于0.3dB。