專利名稱：偏振器和隔離器及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及偏振玻璃制品、制造該制品的方法及包含該制品的裝置。
背景技術：
在含有諸如鹵化銀、鹵化銅或者銅-鎘鹵化物晶體的金屬鹵化物晶體的玻璃中可以獲得偏振效果。根據(jù)本領域已知工藝在包括但不局限于含有適量指示金屬和鹵素成分的硼硅酸鹽玻璃的玻璃中沉淀這些晶體。
通過拉伸玻璃，和然后將已拉伸的玻璃表面暴露于還原性氣氛中在含有這些晶體的玻璃中產(chǎn)生偏振效果。將玻璃置于壓力狀態(tài)下，一般地在高于玻璃退火溫度的溫度下拉長玻璃，從而拉長和定向晶體。然后將拉長的制品暴露在高于約250℃，但不高于玻璃退火點約100℃的還原性氣氛中。由此形成了其中至少一部分鹵化物晶體被還原成諸如銀或銅的元素金屬的表面層。在美國專利號4,304,584和4,479,819中詳細描述了偏振玻璃的制造工藝實施例，此處引入其中的內(nèi)容供參考。
使用上述類型的偏振玻璃制備用于包括但不限于光學通信設備、光學記錄設備、光學傳感器和光學干涉儀設備中的偏振元件。用于光學通信系統(tǒng)的光學隔離器一般包括安裝在固定器內(nèi)的光學軸上的一個第一偏振器、一個法拉第旋轉器和一個第二偏振器。光學隔離器的兩個主要用途是用于光學傳輸系統(tǒng)和光纖放大器。
光學隔離器的一個功能是在包括一個光源例如激光器的光學傳輸系統(tǒng)中阻止光向后傳播。通常將隔離器放置在向前傳播光線的路徑上以防止“背反射”或向后傳播的光線。例如，當從光源例如激光器中發(fā)射出的光遇到不規(guī)則狀態(tài)例如鄰接材料之間折射率的變化或系統(tǒng)中光纖沒有對準的時候，在光纖系統(tǒng)中會發(fā)生背反射。背反射導致系統(tǒng)的還原性能并且有時會對通常為激光器的傳輸源有不利影響。隔離器只允許從光源發(fā)出以向前方向行進的光線通過同時防止光線被反射回光源。雖然制造偏振玻璃制品和光學隔離器有不同的方法，但是提供改進的制造方法還是值得期望的。
發(fā)明概要本發(fā)明的一些實施方案涉及偏振玻璃制品，其他實施方案涉及采用偏振玻璃制品的光學隔離器。其他實施方案涉及制造偏振玻璃制品的方法。該制備方法可用于制造具有改善隔離性或?qū)Ρ榷鹊母綦x器。
從下面的詳細描述中可看出本發(fā)明的優(yōu)點是顯然的。應該認識到前面的一般性描述和下面的詳細描述都是典型的而且是用來對所要求的發(fā)明提供進一步說明。
附圖的簡要說明

圖1A和1B表示了根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的光穿過與偏振相關的含有偏振制品的光學隔離器；圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案制造偏振玻璃制品的方法的示意圖；和圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的對比度與兩片偏振玻璃的偏振軸之間夾角的關系圖。
詳細描述根據(jù)本發(fā)明的某些實施例，優(yōu)化了用于光學通信系統(tǒng)中的偏振玻璃制品和光學隔離器的性能。提供了具有改善偏振軸均勻性的偏振玻璃制品和具有改善對比度的光學隔離器。
圖1A和1B表示了一般的與偏振相關的光學隔離器10。該光學隔離器10由兩個偏振器12和14構成，一個第一偏振器12和一個稱為檢偏器的第二偏振器14，這兩個偏振器在它們的光傳輸軸的方向上有45°的差別。隔離器還包含有一個插入兩個偏振器之間的45°法拉第旋轉器16。當向前的光穿過第一偏振器12時，入射光被轉換為線性偏振光，然后當光穿過法拉第旋轉器16時，線性偏振光的偏振平面被旋轉45°。線性偏振光穿過檢偏器14沒有損失是由于光的偏振平面這時與檢偏器的光傳輸軸在同一方向上，檢偏器在法拉第旋轉的方向上與偏振器傾斜45°。向后的光一穿過檢偏器14就被轉換為在傳輸軸上帶有45°傾斜的線性偏振光，然后當穿過法拉第旋轉器時，向后光的偏振平面被旋轉45°與初始傾斜在同一方向上。因為向后的光的偏振平面這時偏離偏振器的光傳輸軸90°，所以偏振器使向后的光幾乎完全消失。
已發(fā)現(xiàn)一些含有已拉長的金屬顆粒的偏振玻璃的偏振軸并沒有一致地被定向穿過玻璃片或?qū)?。換言之，作為線性位移或位置的函數(shù)，偏振軸穿過偏振玻璃片表面稍微有角度變化。根據(jù)現(xiàn)有技術，經(jīng)測量穿過PolarcorTM玻璃偏振器的一8mmX8mm正方形片的偏振軸上的變化高達約0.35°，在偏振軸上變化是0.043°/mm。根據(jù)本發(fā)明的某些實施方案，可制備具有0.0375°/mm的偏振軸變化的改善的偏振玻璃片，即在超過8mm距離上約0.3°。根據(jù)本發(fā)明中的某些實施方案，可以制造出用于片尺寸為8mm×8mm，11mm×11mm，15mm×15mm，30mm×30mm在偏振軸上出現(xiàn)約0.030°/mm變化的改善偏振玻璃片。將穿過玻璃片的位移乘以偏振軸上的變化計算出偏振角度的變化量。由此可以制造穿過該片時具有0.24°偏振角變化的8mm×8mm的偏振玻璃片、穿過該片具有0.33°偏振角變化的11mm×11mm的偏振玻璃片、穿過整片具有0.45°偏振角變化的15mm×15mm的偏振玻璃片和穿過該片在偏振軸上具有0.9變化的30mm×30mm的偏振玻璃片。按照本發(fā)明中的某些實施方案，可以制造出具有尺寸至30mm×30mm具有約0.020°/mm的偏振軸變化，或穿過8mm×8mm片具有0.16°的偏振角變化，穿過15mm×15mm片的具有0.3°偏振角變化，和穿過30mm×30mm片具有0.6°偏振角變化的改善偏振玻璃片。
根據(jù)本發(fā)明中的某些實施方案，可以將用于制造偏振玻璃制品的標準工藝修改為改變制造參數(shù)諸如穿過玻璃表面的溫度曲線圖和/或在偏振玻璃制品回火過程中的壓力，來最小化樣品偏振軸變化。同時本發(fā)明并不局限于一種特定理論，認為偏振角的變化是由于偏振玻璃中金屬粒子的長軸因在玻璃制備過程中部分非均布應力和/或溫度原因不是平行穿過樣品表面。
圖2表示了用于制造偏振玻璃制品的一般裝置40。裝置40包括在形成偏振玻璃片材料的領域中已知的一般由回火爐提供的加熱帶42。使包含金屬鹵化物晶體的玻璃預成型坯44通過加熱帶42并在拉伸輥46的拉力作用下拉伸以形成拉伸的玻璃片48。申請人已經(jīng)完成實驗表明在玻璃的回火過程中(即，穿過被回火的片的寬度方向)穿過玻璃表面的壓力或拉力在通常垂直于所加應力的方向上是不均布的。認為通過調(diào)整加熱帶42的溫度和回火過程中通過調(diào)整施加于玻璃上的壓力或拉力以使應力在通常垂直于應力的方向(即穿過片的寬度方向)更接近均布。
根據(jù)本發(fā)明的某些實施方案，通過回火玻璃片、測量偏振角變化量以及調(diào)整能減少偏振角變化量的回火壓力或拉力和溫度來減少偏振玻璃片的偏振角變化量。該方法包括在溫度升高到能在應力方向上拉伸晶體的溫度下受力拉伸含有金屬鹵化物晶體的玻璃制品，和然后在溫度升高到開始將晶體還原為金屬的溫度下將已拉伸的玻璃制品暴露于還原性氣氛內(nèi)。形成制品后，測量在通常垂直于的所加應力的方向上位于距離L之間偏振軸上的角度變化。然后，以某種方式調(diào)整至少用于制造玻璃的工藝溫度曲線圖和/或工藝應力曲線圖以使位于距離L之間在偏振軸上的變化減小?？梢灾貜筒襟E的順序直到將偏振角變化量減小到一個可接受的數(shù)值。在某些優(yōu)選的實施方案中，可以調(diào)整壓力或拉力以使回火過程中穿過玻璃的應力在通常垂直于玻璃拉伸的方向上是均布的。
在某些優(yōu)選的實施方案中，穿過玻璃片的至少8mm的距離偏振角變化量小于約0.3°，也可以表示為小于約0.0375°/mm。在其他優(yōu)選的實施方案中，穿過至少8mm的距離在偏振軸上的變化小于0.1°，也可以表示為小于約0.0125°/mm。在其他實施方案中，至少15mm的距離L之間在偏振軸上的變化小于約0.3°，也可以表示為小于約0.02°/mm。在其他實施方案中，超過15mm距離在偏振軸上的變化小于約0.1°，也可以表示為小于約.0067°/mm。
在偏振玻璃片中偏振角變化量將影響插入到該片中的隔離器的對比度。雖然通過有效對齊偏振器可以補償變化，但有效對齊是消耗時間的而且需要昂貴的設備，增加了隔離器的制造成本。理想地，如果將中間夾有法拉第旋轉器的大偏振器片能被動地對齊和層疊以提供具有可接受的對比度或隔離值的隔離器，這將是有利的。
現(xiàn)在參考圖3，這是對比度或隔離性與互相以約90°層疊在一起的兩偏振器的偏振軸之間夾角的關系圖表。在X-軸上偏振之間的夾角代表兩個具有相同偏振角變化的偏振器最壞的情況。因此，在最好的情況設想中，如果完全對齊偏振器并且沒有偏振角變化，對比度將是兩偏振器對比度的一個函數(shù)，相當于有最高對比度的偏振器。如果每一樣品的偏振角變化量是0.10°，且如果在一選定的位置偏振器完全對齊，則存在其中兩樣品偏振軸之間的夾角將是0.10°或0.20°的兩倍的區(qū)域。該圖表示了這種樣品將最大隔離值或?qū)Ρ榷认拗圃诩s50dB。同樣地，如果每一偏振器的偏振角變化為約0.29°以及兩完全對齊偏振器的偏振之間的夾角為約0.58°，那么隔離值或?qū)Ρ榷葘榧s40dB。
這樣，根據(jù)本發(fā)明的某些實施方案，通過層疊包含中間夾有法拉第旋轉器層的兩偏振玻璃層的原料層可以提供被動對齊的光學隔離器，其中隔離器的對比度大于約40dB。在一些優(yōu)選的實施方案中，這些層具有至少8mm的長度和寬度，以及在其他優(yōu)選的實施方案中，這些層具有至少15mm的長度和寬度。在某些優(yōu)選的實施方案中，提供隔離值或?qū)Ρ榷却笥诩s50dB的被動對齊的光學隔離器。在某些實施方案中，通過將帶有法拉第旋轉器的偏振玻璃片層疊在一起提供隔離器，其中該片具有至少8mm的長度和寬度，并且在一些實施方案中，長度和寬度大約為15mm。制造出較大的隔離器片之后，可以從較大的片上切割較小的隔離器片，一般為0.5×0.5mm或2×2mm正方形。在通常指定的美國專利申請序號10/139,664，2002年5月2日申請的，題為“光學隔離器及其制造方法，”中描述了用于疊層和直接粘結原料片以制造光學隔離器的方法，此處引入其中的內(nèi)容供參考。
根據(jù)本發(fā)明中的其他實施方案，通過回火含有拉長的金屬鹵化物晶體的偏振玻璃片和還原金屬鹵化物晶體可以提供具有改進的隔離值性或?qū)Ρ榷鹊墓鈱W隔離器。制造出片之后，測量相對于穿過片的距離的偏振角的變化量，和參考相對于該片的至少一邊的偏振角的變化量。一旦知道穿過該片的偏振角變化量，就可以選擇具有最小偏振角變化的玻璃片的面積。優(yōu)選玻璃的面積以便于可以使用從該片上切割的面積能用于與另一塊偏振玻璃片被動對齊來制造對比度高于40dB的光學隔離器。
對本領域內(nèi)技術人員來說在不背離本發(fā)明的精神或范圍的情況下可以對本發(fā)明進行各種修改和變化是顯而易見的。因此，本發(fā)明意圖包括在所附的權利要求書和它們的等效替代范圍內(nèi)提供的本發(fā)明的修改和變化。
權利要求
1.一種偏振玻璃制品，含有拉長的金屬粒子并且在偏振軸上具有小于約0.0375°/mm的變化。
2.根據(jù)權利要求1的偏振玻璃制品，在偏振軸超過至少8mm上具有小于約0.16°的變化。
3.根據(jù)權利要求1的偏振玻璃制品，其中在偏振軸約至少15mm的距離上變化小于約0.3°。
4.根據(jù)權利要求1的偏振玻璃制品，其中在偏振軸約至少30mm的距離上變化小于約0.6°。
5.一種偏振玻璃制品，呈片狀并且含有在偏振軸上在超過高達15mm距離上具有0.030°/mm變化的被拉長的金屬粒子。
6.一種被動對齊的光學隔離器，由包括中間夾有法拉第旋轉器層的兩個偏振玻璃層的疊層原料組成，其中隔離器的對比度大于約40dB。
7.權利要求6的光學隔離器，其中層的長度和寬度至少為8mm。
8.權利要求6的光學隔離器，其中層的長度和寬度至少為15mm。
9.權利要求8的光學隔離器，其中隔離器的對比度大于約50dB。
10.一種生產(chǎn)偏振玻璃制品的方法，包括對含有拉長的金屬鹵化物粒子的偏振玻璃片進行退火；測量相對于穿過該片的距離的偏振角變化；參照相對于該片的至少一邊的偏振角變化；選擇具有最小偏振角變化的玻璃片面積；和切割出具有最小偏振角變化的玻璃片面積。
11.一種制造光學隔離器的方法，包括選擇至少兩個在偏振軸上具有變化小于約0.02°/mm的偏振玻璃片；和將在玻璃片之間夾有的法拉第旋轉器同偏振玻璃片層疊在一起以制造光學隔離器。
12.根據(jù)權利要求11的方法，其中片的寬度和長度至少為8mm×8mm。
13.根據(jù)權利要求11的方法，其中片的寬度和長度至少為15mm×15mm。
14.根據(jù)權利要求12的方法，其中光學隔離器的對比度高于約40dB。
全文摘要
本發(fā)明公開了偏振玻璃制品、含有偏振玻璃制品光學隔離器、以及制造偏振玻璃制品和光學隔離器的方法。該制造方法可用于制造具有改進對比度的隔離器。
文檔編號C03C14/00GK1729148SQ200380106770
公開日2006年2月1日 申請日期2003年12月9日 優(yōu)先權日2002年12月19日
發(fā)明者R·S·小帕夫利克, R·薩比亞, D·M·小特羅特, A·J·那亞羅, J·L·紐曼, K·R·羅辛頓 申請人:康寧股份有限公司