CN100439270C - 偏振器和隔离器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了偏振玻璃制品、含有偏振玻璃制品光学隔离器、以及制造偏振玻璃制品和光学隔离器的方法。该制造方法可用于制造具有改进对比度的隔离器。

Description

偏振器和隔离器及其制造方法

技术领域

本发明涉及偏振玻璃制品、制造该制品的方法及包含该制品的装置。

发明背景

在含有诸如卤化银、卤化铜或者铜-镉卤化物晶体的金属卤化物晶体的玻璃中可以获得偏振效果。根据本领域已知工艺在包括但不局限于含有适量指示金属和卤素成分的硼硅酸盐玻璃的玻璃中沉淀这些晶体。

通过拉伸玻璃，和然后将已拉伸的玻璃表面暴露于还原性气氛中在含有这些晶体的玻璃中产生偏振效果。将玻璃置于压力状态下，一般地在高于玻璃退火温度的温度下拉长玻璃，从而拉长和定向晶体。然后将拉长的制品暴露在高于约250℃，但不高于玻璃退火点约100℃的还原性气氛中。由此形成了其中至少一部分卤化物晶体被还原成诸如银或铜的元素金属的表面层。在美国专利号4,304,584和4,479,819中详细描述了偏振玻璃的制造工艺实施例，此处引入其中的内容供参考。

使用上述类型的偏振玻璃制备用于包括但不限于光学通信设备、光学记录设备、光学传感器和光学干涉仪设备中的偏振元件。用于光学通信系统的光学隔离器一般包括安装在固定器内的光学轴上的一个第一偏振器、一个法拉第旋转器和一个第二偏振器。光学隔离器的两个主要用途是用于光学传输系统和光纤放大器。

光学隔离器的一个功能是在包括一个光源例如激光器的光学传输系统中阻止光向后传播。通常将隔离器放置在向前传播光线的路径上以防止“背反射”或向后传播的光线。例如，当从光源例如激光器中发射出的光遇到不规则状态例如邻接材料之间折射率的变化或系统中光纤没有对准的时候，在光纤系统中会发生背反射。背反射导致系统的还原性能并且有时会对通常为激光器的传输源有不利影响。隔离器只允许从光源发出以向前方向行进的光线通过同时防止光线被反射回光源。虽然制造偏振玻璃制品和光学隔离器有不同的方法，但是提供改进的制造方法还是值得期望的。

发明概要

本发明的一些实施方案涉及偏振玻璃制品，其他实施方案涉及采用偏振玻璃制品的光学隔离器。其他实施方案涉及制造偏振玻璃制品的方法。该制备方法可用于制造具有改善隔离性或对比度的隔离器。

从下面的详细描述中可看出本发明的优点是显然的。应该认识到前面的一般性描述和下面的详细描述都是典型的而且是用来对所要求的发明提供进一步说明。

附图的简要说明

图1A和1B表示了根据本发明的一个实施方案的光穿过与偏振相关的含有偏振制品的光学隔离器；

图2是根据本发明的一个实施方案制造偏振玻璃制品的方法的示意图；和

图3是根据本发明的一个实施方案的对比度与两片偏振玻璃的偏振轴之间夹角的关系图。

详细描述

根据本发明的某些实施例，优化了用于光学通信系统中的偏振玻璃制品和光学隔离器的性能。提供了具有改善偏振轴均匀性的偏振玻璃制品和具有改善对比度的光学隔离器。

图1A和1B表示了一般的与偏振相关的光学隔离器10。该光学隔离器10由两个偏振器12和14构成，一个第一偏振器12和一个称为检偏器的第二偏振器14，这两个偏振器在它们的光传输轴的方向上有45°的差别。隔离器还包含有一个插入两个偏振器之间的45°法拉第旋转器16。当向前的光穿过第一偏振器12时，入射光被转换为线性偏振光，然后当光穿过法拉第旋转器16时，线性偏振光的偏振平面被旋转45°。线性偏振光穿过检偏器14没有损失是由于光的偏振平面这时与检偏器的光传输轴在同一方向上，检偏器在法拉第旋转的方向上与偏振器倾斜45°。向后的光一穿过检偏器14就被转换为在传输轴上带有45°倾斜的线性偏振光，然后当穿过法拉第旋转器时，向后光的偏振平面被旋转45°与初始倾斜在同一方向上。因为向后的光的偏振平面这时偏离偏振器的光传输轴90°，所以偏振器使向后的光几乎完全消失。

已发现一些含有已拉长的金属颗粒的偏振玻璃的偏振轴并没有一致地被定向穿过玻璃片或层。换言之，作为线性位移或位置的函数，偏振轴穿过偏振玻璃片表面稍微有角度变化。根据现有技术，经测量穿过Polarcor^TM玻璃偏振器的一8mm×8mm正方形片的偏振轴上的变化高达约0.35°，在偏振轴上变化是0.043°/mm。根据本发明的某些实施方案，可制备具有0.0375°/mm的偏振轴变化的改善的偏振玻璃片，即在超过8mm距离上约0.3°。根据本发明中的某些实施方案，可以制造出用于片尺寸为8mm×8mm，11mm×11mm，15mm×15mm，30mm×30mm在偏振轴上出现约0.030°/mm变化的改善偏振玻璃片。将穿过玻璃片的位移乘以偏振轴上的变化计算出偏振角度的变化量。由此可以制造穿过该片时具有0.24°偏振角变化的8mm×8mm的偏振玻璃片、穿过该片具有0.33°偏振角变化的11mm×11mm的偏振玻璃片、穿过整片具有0.45°偏振角变化的15mm×15mm的偏振玻璃片和穿过该片在偏振轴上具有0.9变化的30mm×30mm的偏振玻璃片。按照本发明中的某些实施方案，可以制造出具有尺寸至30mm×30mm具有约0.020°/mm的偏振轴变化，或穿过8mm×8mm片具有0.16°的偏振角变化，穿过15mm×15mm片的具有0.3°偏振角变化，和穿过30mm×30mm片具有0.6°偏振角变化的改善偏振玻璃片。

根据本发明中的某些实施方案，可以将用于制造偏振玻璃制品的标准工艺修改为改变制造参数诸如穿过玻璃表面的温度曲线图和/或偏振玻璃制品回火过程中的压力，来最小化样品偏振轴变化。同时本发明并不局限于一种特定理论，认为偏振角的变化是由于偏振玻璃中金属粒子的长轴因在玻璃制备过程中部分非均布应力和/或温度原因不是平行穿过样品表面。

图2表示了用于制造偏振玻璃制品的一般装置40。装置40包括在形成偏振玻璃片材料的领域中已知的一般由回火炉提供的加热带42。使包含金属卤化物晶体的玻璃预成型坯44通过加热带42并在拉伸辊46的拉力作用下拉伸以形成拉伸的玻璃片48。申请人已经完成实验表明在玻璃的回火过程中(即，穿过被回火的片的宽度方向)穿过玻璃表面的压力或拉力在通常垂直于所加应力的方向上是不均布的。认为通过调整加热带42的温度和回火过程中通过调整施加于玻璃上的压力或拉力以使应力在通常垂直于应力的方向(即穿过片的宽度方向)更接近均布。

根据本发明的某些实施方案，通过回火玻璃片、测量偏振角变化量以及调整能减少偏振角变化量的回火压力或拉力和温度来减少偏振玻璃片的偏振角变化量。该方法包括在温度升高到能在应力方向上拉伸晶体的温度下受力拉伸含有金属卤化物晶体的玻璃制品，和然后在温度升高到开始将晶体还原为金属的温度下将已拉伸的玻璃制品暴露于还原性气氛内。形成制品后，测量在通常垂直于的所加应力的方向上位于距离L之间偏振轴上的角度变化。然后，以某种方式调整至少用于制造玻璃的工艺温度曲线图和/或工艺应力曲线图以使位于距离L之间在偏振轴上的变化减小。可以重复步骤的顺序直到将偏振角变化量减小到一个可接受的数值。在某些优选的实施方案中，可以调整压力或拉力以使回火过程中穿过玻璃的应力在通常垂直于玻璃拉伸的方向上是均布的。

在某些优选的实施方案中，穿过玻璃片的至少8mm的距离偏振角变化量小于约0.3°，也可以表示为小于约0.0375°/mm。在其他优选的实施方案中，穿过至少8mm的距离在偏振轴上的变化小于0.1°，也可以表示为小于约0.0125°/mm。在其他实施方案中，至少15mm的距离L之间在偏振轴上的变化小于约0.3°，也可以表示为小于约0.02°/mm。在其他实施方案中，超过15mm距离在偏振轴上的变化小于约0.1°，也可以表示为小于约.0067°/mm。

在偏振玻璃片中偏振角变化量将影响插入到该片中的隔离器的对比度。虽然通过有效对齐偏振器可以补偿变化，但有效对齐是消耗时间的而且需要昂贵的设备，增加了隔离器的制造成本。理想地，如果将中间夹有法拉第旋转器的大偏振器片能被动地对齐和层叠以提供具有可接受的对比度或隔离值的隔离器，这将是有利的。

现在参考图3，这是对比度或隔离性与互相以约90°层叠在一起的两偏振器的偏振轴之间夹角的关系图表。在X-轴上偏振之间的夹角代表两个具有相同偏振角变化的偏振器最坏的情况。因此，在最好的情况设想中，如果完全对齐偏振器并且没有偏振角变化，对比度将是两偏振器对比度的一个函数，相当于有最高对比度的偏振器。如果每一样品的偏振角变化量是0.10°，且如果在一选定的位置偏振器完全对齐，则存在其中两样品偏振轴之间的夹角将是0.10°或0.20°的两倍的区域。该图表示了这种样品将最大隔离值或对比度限制在约50dB。同样地，如果每一偏振器的偏振角变化为约0.29°以及两完全对齐偏振器的偏振之间的夹角为约0.58°，那么隔离值或对比度将为约40dB。

这样，根据本发明的某些实施方案，通过层叠包含中间夹有法拉第旋转器层的两偏振玻璃层的原料层可以提供被动对齐的光学隔离器，其中隔离器的对比度大于约40dB。在一些优选的实施方案中，这些层具有至少8mm的长度和宽度，以及在其他优选的实施方案中，这些层具有至少15mm的长度和宽度。在某些优选的实施方案中，提供隔离值或对比度大于约50dB的被动对齐的光学隔离器。在某些实施方案中，通过将带有法拉第旋转器的偏振玻璃片层叠在一起提供隔离器，其中该片具有至少8mm的长度和宽度，并且在一些实施方案中，长度和宽度大约为15mm。制造出较大的隔离器片之后，可以从较大的片上切割较小的隔离器片，一般为0.5×0.5mm或2×2mm正方形。在通常指定的美国专利申请序号10/139,664，2002年5月2日申请的，题为“光学隔离器及其制造方法，”中描述了用于叠层和直接粘结原料片以制造光学隔离器的方法，此处引入其中的内容供参考。

根据本发明中的其他实施方案，通过回火含有拉长的金属卤化物晶体的偏振玻璃片和还原金属卤化物晶体可以提供具有改进的隔离值性或对比度的光学隔离器。制造出片之后，测量相对于穿过片的距离的偏振角的变化量，和参考相对于该片的至少一边的偏振角的变化量。一旦知道穿过该片的偏振角变化量，就可以选择具有最小偏振角变化的玻璃片的面积。优选玻璃的面积以便于可以使用从该片上切割的面积能用于与另一块偏振玻璃片被动对齐来制造对比度高于40dB的光学隔离器。

对本领域内技术人员来说在不背离本发明的精神或范围的情况下可以对本发明进行各种修改和变化是显而易见的。因此，本发明意图包括在所附的权利要求书和它们的等效替代范围内提供的本发明的修改和变化。

Claims (10)

1、一种偏振玻璃制品，含有拉长的金属粒子，所述偏振玻璃制品在距离玻璃制品表面至少8mm的距离上所测得的偏振轴变化小于约0.3°。

2、根据权利要求1的偏振玻璃制品，在距离玻璃制品表面至少8mm的距离上所测得的偏振轴变化小于0.16°。

3、根据权利要求1的偏振玻璃制品，其中在距离玻璃制品表面至少15mm的距离上所测得的偏振轴变化小于0.3°。

4、根据权利要求1的偏振玻璃制品，其中玻璃制品呈片状并且含有被拉长的金属粒子，并在最多15mm距离上具有0.030°/mm的偏振轴变化。

5、一种被动对齐的光学隔离器，包括：叠层原料层，包括中间夹有法拉第旋转器层的两个偏振玻璃层，每个偏振玻璃层包括被拉长的金属粒子，并且在距离玻璃制品表面至少8mm的距离上所测得的偏振轴变化小于约0.3°，其中隔离器的对比度大于40dB。

6、权利要求5的光学隔离器，其中每个偏振玻璃层的长度和宽度至少为8mm。

7、权利要求5的光学隔离器，其中隔离器的对比度大于50dB。

8、一种制造光学隔离器的方法，包括：

选择至少两个偏振玻璃片，每个偏振玻璃片包括被拉长的金属粒子并且在距离玻璃制品表面至少8mm的距离上所测得的偏振轴变化小于约0.3°；和

将夹在玻璃片之间的法拉第旋转器同偏振玻璃片层叠在一起以制造光学隔离器。

9、根据权利要求8的方法，其中每个偏振玻璃片的宽度和长度至少为8mm×8mm。

10、根据权利要求8的方法，其中每个偏振玻璃片的宽度和长度至少为15mm×15mm。

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