專利名稱：光隔離器及其直接連接制造法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光隔離器和制造光隔離器的方法。具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及直接連接構(gòu)成光隔離器的各材料和進(jìn)行這種直接連接的方法。
背景技術(shù)：
在光傳輸系統(tǒng)中，可用光隔離器防止光纖中的背反射。當(dāng)通過(guò)光纖系統(tǒng)的光遇到不規(guī)則因素，如相鄰材料之間的折射指數(shù)存在差異或者光纖系統(tǒng)中的光纖沒(méi)有對(duì)齊時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)背反射現(xiàn)象。背反射會(huì)降低系統(tǒng)的性能，有時(shí)會(huì)對(duì)傳輸源，通常是激光造成負(fù)面影響。
基于偏振現(xiàn)象的隔離器是將起偏器，如起偏玻璃片夾在法拉第旋光器中間。在實(shí)際應(yīng)用中，隔離器放置在兩個(gè)光纖或透鏡之間，使光通過(guò)第一起偏器，然后通過(guò)法拉第旋光器，再通過(guò)第二起偏器。在前進(jìn)或通過(guò)操作模式下，諸如激光器這樣的光源發(fā)射的入射光穿過(guò)第一起偏器。剩下50％的光在法拉第旋光器作用下旋轉(zhuǎn)45°，然后通過(guò)第二起偏器，此起偏器與第一起偏器相差45°，以此防止信號(hào)的損失。偏振光從第二起偏器射出。在返回或阻斷操作模式下，通過(guò)隔離器返回來(lái)的背反射信號(hào)經(jīng)過(guò)第二起偏器偏振化，然后在與方向無(wú)關(guān)的法拉第旋光器作用下旋轉(zhuǎn)45°，形成與第一起偏器成90°的偏振模式。因此，沒(méi)有信號(hào)透射返回到激光器。
另一種類型的起偏器設(shè)計(jì)采用單起偏器，其中在通過(guò)模式下，發(fā)射的信號(hào)先通過(guò)石榴石，然后通過(guò)起偏器。返回的信號(hào)在通過(guò)石榴石之前偏振化，石榴石使返回信號(hào)發(fā)生旋轉(zhuǎn)，使之與發(fā)射信號(hào)相位不同。此方法提高了最小激光干涉。盡管這種設(shè)計(jì)不如上述含有兩個(gè)起偏器的隔離器，但這種單隔離器比雙起偏器隔離器便宜。
與偏振無(wú)關(guān)的隔離器適用于入射信號(hào)原本沒(méi)有經(jīng)過(guò)偏振的應(yīng)用。但是，發(fā)射的光束是沒(méi)有經(jīng)過(guò)偏振的。與偏振無(wú)關(guān)的隔離器包含一個(gè)夾在兩個(gè)分束器之間的法拉第旋光器，它可以是楔形或平板形雙折射材料，或者帶有薄膜涂層的棱鏡。在前進(jìn)操作模式下，激光器發(fā)射的入射光經(jīng)第一分束器偏振后，成為兩個(gè)獨(dú)立的偏振模式。每種模式的光通過(guò)一個(gè)法拉第旋光器和一個(gè)可用的半波板，后者校正法拉第旋光器引起的45°旋轉(zhuǎn)。這兩種模式的光接著由第二分束器重新合并成非偏振發(fā)射光。在返回或阻斷操作模式下，通過(guò)隔離器透射返回的背反射光經(jīng)第二分束器分離成兩個(gè)獨(dú)立的偏振模式。當(dāng)每種模式的光通過(guò)法拉第旋光器和可用的半波板后，信號(hào)旋轉(zhuǎn)90°(由于半波板的方向依賴性)。當(dāng)兩種旋轉(zhuǎn)模式的光在第一分束器處重新合并后，合并的信號(hào)透射時(shí)與輸入信號(hào)相差90°，因而避免透射(即背反射)返回到激光器中。
法拉第旋光器通常這樣制造，即在一片石榴石晶體周圍包一層磁體，用來(lái)提供磁場(chǎng)，使晶體具有晶體光學(xué)活性。這種類型的石榴石稱作非閉鎖石榴石。另一種類型的法拉第旋光器采用不需要外部磁場(chǎng)的永久磁化的或閉鎖的石榴石。
基于偏振(法拉第旋光器和起偏器)和非基于偏振(分束器和法拉第旋光器)的光隔離器的各種部件一般都是用機(jī)械裝置或環(huán)氧樹(shù)脂、聚合物樹(shù)脂膠粘劑連接起來(lái)的。機(jī)械連接的缺陷包括由于相鄰部件的表面之間容易存在空隙而導(dǎo)致的光學(xué)信號(hào)損失，以及切成最終尺寸后需要對(duì)齊和包裝各組件。另一種方法涉及在切塊以前用膠粘劑大量組裝或?qū)訅捍笃牧?，這免除了包裝一個(gè)個(gè)預(yù)切部件的費(fèi)用。但是，用膠粘劑組裝的缺陷是，當(dāng)環(huán)氧樹(shù)脂或膠粘劑在隔離器的光路上時(shí)，會(huì)引起光學(xué)損失。用膠粘劑組裝的另一個(gè)缺陷是，當(dāng)隔離器組裝物遇到溫度變化時(shí)，環(huán)氧樹(shù)脂或膠粘劑會(huì)因CTE不匹配和/或膠粘劑的折射指數(shù)隨溫度變化而失效，使組件之間脫層。用膠粘劑組裝的第三個(gè)缺陷是環(huán)氧樹(shù)脂容易受到激光的損壞，引起光學(xué)損失，或者在某些情況下會(huì)使器件在高功率用途中完全失效。
因此，需要一種廉價(jià)、可靠的方法，用來(lái)將光隔離器的各個(gè)部件連接起來(lái)。此外，還希望在連接隔離器組件時(shí)不用膠粘劑或環(huán)氧樹(shù)脂，同時(shí)保持塊體組裝物在切割成最終尺寸前的優(yōu)點(diǎn)。
發(fā)明概述本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式涉及含法拉第旋光器的光隔離器，所述法拉第旋光器連接到至少一個(gè)分束元件或起偏器上，所述連接是通過(guò)不用膠粘劑和不用環(huán)氧樹(shù)脂的化學(xué)鍵形成的，或者在低于法拉第旋光器居里溫度的溫度利用真空形成的。在一些實(shí)施方式中，該溫度低于大約200℃。在某些實(shí)施方式中，所述化學(xué)鍵是共價(jià)鍵和/或氫鍵。在某些實(shí)施方式中，鍵界面包含鋰，而且法拉第旋光器和分束器或起偏器中較好有一個(gè)包含鋰，或者都包含鋰。
本發(fā)明的某些實(shí)施方式涉及基于偏振的隔離器，它包含夾持法拉第旋光器并通過(guò)化學(xué)鍵或真空作用連接到其上面的起兩個(gè)偏器。其他實(shí)施方式同樣涉及不基于偏振的隔離器，它包含夾持并連接到法拉第旋光器上的兩個(gè)分束元件。法拉第旋光器可包含一個(gè)閉鎖或非閉鎖石榴石。不基于偏振的隔離器還可包含位于一個(gè)分束器與法拉第旋光器之間的半波板，半波板通過(guò)不用膠粘劑和不用環(huán)氧樹(shù)脂的化學(xué)鍵或真空作用連接到法拉第旋光器和分束器上。根據(jù)某些實(shí)施方式，法拉第旋光器和分束元件或起偏器包含涂有逆反射涂層的連接表面，該涂層可以是氧化硅。
本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式涉及制造光隔離器的方法，它包括在法拉第旋光器和分束元件或起偏器之間形成不用膠粘劑、不用環(huán)氧樹(shù)脂的化學(xué)鍵連接或真空連接。在某些實(shí)施方式中，法拉第旋光器夾在一對(duì)起偏器或分束元件之間并連接到它們上面。
化學(xué)鍵可在具有第一連接面的法拉第旋光器和具有第二連接面的分束元件或起偏器之間形成，兩個(gè)連接面至少有一個(gè)與一種溶液接觸，以利于第一和第二連接面之間的化學(xué)鍵合?？梢圆捎盟嵝匀芤夯騪H大于8的溶液。氫氧化物溶液如氫氧化銨溶液是高pH溶液的例子，可用于本實(shí)施方式。在至少一個(gè)連接面上形成端基可以促進(jìn)連接作用，這些端基包括-OH、≡Si-OH、＝Si-(OH)2、-Si-(OH)3、-O-Si-(OH)3和它們的組合。在一些優(yōu)選實(shí)施方式中，大多數(shù)端基包括＝Si-(OH)2、-Si-(OH)3、-O-Si-(OH)3和它們的組合。連接作用還可通過(guò)在至少一個(gè)連接面上包含鋰得到促進(jìn)。
在某些實(shí)施方式中，方法可包括在至少一個(gè)連接面上形成逆反射涂層，在一些優(yōu)選實(shí)施方式中，該涂層是氧化硅。在其他實(shí)施方式中，連接可涉及在至少一個(gè)連接面上形成吸附的羥基。這樣，連接面之間界面上的吸附羥基可通過(guò)將連接面加熱到低于法拉第旋光器居里溫度的一個(gè)溫度來(lái)消除。
本發(fā)明提供了一個(gè)低溫、可靠的簡(jiǎn)便連接方法，它提供的連接強(qiáng)度能夠經(jīng)受加工條件、環(huán)境測(cè)試和/或在使用壽命內(nèi)得到保持。連接可發(fā)生在低于法拉第旋光器居里溫度的一個(gè)溫度，宜低于約200℃，在某些情況下低于100℃。本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)將在以下詳細(xì)描述中介紹。應(yīng)當(dāng)理解，前面的總述和下面的詳細(xì)描述是示例性的，在權(quán)利要求中對(duì)本發(fā)明將有進(jìn)一步解釋。
附圖簡(jiǎn)述

圖1A是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的光隔離器的分解圖；圖1B是本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施方式的光隔離器的分解圖；圖2是本發(fā)明實(shí)施方式中用來(lái)形成光隔離器的幾層材料的分解透視圖；圖3是圖2中各層材料連接在一起后的透視圖；圖4是圖3所示各層材料切成幾小段后的透視圖。
發(fā)明詳述在介紹本發(fā)明的幾個(gè)示例性實(shí)施方式之前，應(yīng)當(dāng)說(shuō)明，本發(fā)明不受以下描述中所述結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)或加工步驟的限制。本發(fā)明還有其他的實(shí)施方式，可以各種方式實(shí)施。
本發(fā)明提供的光隔離器可通過(guò)用各種方法直接連接各組件的相對(duì)表面來(lái)制造，包括基于偏振和非基于偏振的光隔離器。這里所用術(shù)語(yǔ)“直接連接”是指兩個(gè)表面之間的連接是在原子或分子水平上完成的，連接面之間不存在其他物質(zhì)，如膠粘劑或環(huán)氧樹(shù)脂，而且表面的連接也不需要借助表面的熱熔合。這里所用術(shù)語(yǔ)“熔合”或“熔合連接”是指將連接面和/或靠近連接面的物質(zhì)加熱到所連接制品的軟化溫度或變形溫度的過(guò)程。本發(fā)明方法能不用膠粘劑、環(huán)氧樹(shù)脂或熔合過(guò)程將相對(duì)表面連接在一起。相反，本發(fā)明采用在表面之間形成直接連接的方法，不需要在高溫下使玻璃物質(zhì)軟化到變形點(diǎn)，因而不會(huì)破壞法拉第旋光器材料。本發(fā)明的連接方法能形成不滲透的、光學(xué)透明的密封效果，光通過(guò)連接界面時(shí)的失真度幾乎為零。這些連接方法包括化學(xué)連接和真空連接。在隔離器組件之間形成直接連接既能得到不用滲密封的效果，同時(shí)又不失去所連接的整體材料表面的固有物理性質(zhì)。
真空連接是在高度真空條件下使兩個(gè)清潔表面接觸，從而形成連接。只要表面平整、清潔，高真空可清除表面上的吸附水和碳?xì)浠衔?，防止表面上吸附這些物質(zhì)。表面可在放入真空前，進(jìn)行處理和清潔，也可以在真空中用離子銑技術(shù)或其他等離子體技術(shù)進(jìn)行清潔。
微電子技術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)采用真空連接來(lái)密封單晶硅、長(zhǎng)在Si上的熱氧化物SiO2和各種金屬等材料，如美國(guó)專利6153495所述，其全部?jī)?nèi)容參考結(jié)合于此。這些材料之間熱膨脹系數(shù)(CTE)是否匹配不成問(wèn)題，因?yàn)榧庸み^(guò)程可在室溫下進(jìn)行。由于在Twyman效應(yīng)下，拋光晶片既薄且通常不平整，可用特殊裝置對(duì)整個(gè)晶片表面均勻施加壓力，以產(chǎn)生合適的接觸效果。
可用于本發(fā)明的另一種類型的連接方法是化學(xué)連接。在兩個(gè)玻璃或金屬表面之間形成化學(xué)鍵可形成不用滲密封，同時(shí)能保持所連接的整體材料的固有物理性質(zhì)。文獻(xiàn)中已有用來(lái)連接鈉鈣硅酸鹽玻璃和晶體石英的低溫連接技術(shù)(例如，可參見(jiàn)A.Sayah，D.Solignac，T.Cueni，“Development of novel lowtemperature bonding technologies for microchip chemical analysis applications(用于芯片化學(xué)分析的新型低溫連接技術(shù)的發(fā)展)”，Sensors and Actuators，84(2000)，pp.103-108；P.Rangsten，O.Vallin，K.Hermansson，Y.Backlund，“Quartz-to-Quartz Direct bonding(石英-石英直接連接)”，J.Electrochemical Society，V.146，N.3，pp.1104-1105，1999)。Sayah和Rangsten的文獻(xiàn)都介紹了酸清潔技術(shù)的應(yīng)用，它們的整體內(nèi)容參考結(jié)合于此。另一篇由H.Nakanishi，T.Nishimoto，M.Kani，T.Saitoh，R.Nakamura，T.Yoshida，S.Shoji撰寫的文章“ConditionOptimization，Reliability Evaluation of SiO2-SiO2HF Bonding and Its Applicationfor UV Detection Micro Flow Cell(SiO2-SiO2HF連接的條件優(yōu)化和可靠性評(píng)估及其在UV探測(cè)微流電池中的應(yīng)用)”，Sensors and Actuators，V.83，pp.136-141，2000，介紹了熔凝SiO2的低溫連接，它要先將連接面與氫氟酸接觸，此文獻(xiàn)的整體內(nèi)容參考結(jié)合于此。
根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式，在要連接的隔離器組件的相對(duì)表面上提供官能團(tuán)。在連接相對(duì)表面之前，不需要膠粘劑、高溫預(yù)處理或苛性氫氟酸處理。在本發(fā)明的一種實(shí)施方式中，可用高pH堿性溶液，如氫氧化鈉、氫氧化鉀或氫氧化銨處理表面，在隔離器組件的連接面上形成官能團(tuán)。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中，先用清洗劑清洗表面，然后用酸性溶液，如硝酸溶液清洗，分別清除顆粒污染物和可溶重金屬。
根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式，將要連接的表面與高pH溶液接觸，清洗，在壓力作用下接觸，然后逐漸加熱至所需溫度，此溫度宜低于法拉第隔離器材料的居里溫度，居里溫度一般可從材料規(guī)格上知道。宜采用“清潔”的熱源，以免帶進(jìn)污染物或副產(chǎn)物，干擾連接。這種熱源包括(但不限于)感應(yīng)加熱、微波加熱、射頻(RF)加熱和電阻加熱。為提高連接效果，表面宜為平整表面。表面平整度可這樣測(cè)定先進(jìn)行初步清潔，然后在壓力作用下使干燥表面接觸，觀察干涉條紋情況。所得干涉條紋可根據(jù)本領(lǐng)域已知技術(shù)測(cè)定和解釋，從而判斷適配平整度。也可以用光學(xué)平面或干涉儀測(cè)定單個(gè)表面的平整度。
本發(fā)明的連接過(guò)程包括加工要密封的每個(gè)隔離器表面，使之達(dá)到合適的平整度。特別優(yōu)選的平整度約小于1微米，粗糙度約小于2.0nm RMS。拋光后，每個(gè)表面宜用合適的清潔方法進(jìn)行清潔，如先用清洗劑，然后浸泡在低pH酸性溶液中，最后浸泡在高pH堿性溶液中，從而得到清潔的表面。在隔離器表面包含硅的情況下，這樣的清潔和浸泡過(guò)程可提供類似硅酸的表面端基，如≡Si-OH、＝Si-(OH)2、-Si-(OH)3、-O-Si-(OH)3。與只用低pH處理、依賴羥基表面端基的連接系統(tǒng)相比，出于多種原因，我們相信本發(fā)明在含硅制品之間形成了更牢固的連接。盡管不用意受限制于理論，我們相信類硅酸端基越大，能夠連接(通過(guò)氫和共價(jià)鍵)的表面端基可以離開(kāi)表面越遠(yuǎn)。大表面端基，如＝Si-(OH)2、-Si-(OH)3、-O-Si-(OH)3離表面的距離比≡Si-OH遠(yuǎn)，這些大基團(tuán)更容易產(chǎn)生空間移動(dòng)，因而含有這些大基團(tuán)的表面之間也更容易產(chǎn)生連接。此外，由于＝Si-(OH)2、-Si-(OH)3、-O-Si-(OH)3這些端基伸出表面一定長(zhǎng)度，所以每個(gè)表面即使有些粗糙，仍能產(chǎn)生連接。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中，表面可在不進(jìn)行干燥的情況下組裝。在將表面加熱到低于200℃，例如100-200℃之間，宜低于100℃的過(guò)程中，可施加較小至中等壓力(可低至1PSI)，使吸附水蒸發(fā)，使類硅酸表面端基壓縮形成共價(jià)連接界面。
根據(jù)本發(fā)明的某些實(shí)施方式，如上所述，較好要形成平整的連接面。要連接的表面經(jīng)精加工后，其平整度宜為5微米或更高，宜為1微米或更好。
化學(xué)連接玻璃表面的優(yōu)選實(shí)施方式的其他信息，可參見(jiàn)在審美國(guó)專利申請(qǐng)“Direct Bonding ofArticles Containing Silicon(含硅制品的直接連接)”，此申請(qǐng)共同轉(zhuǎn)讓給了本專利申請(qǐng)的受讓人，發(fā)明人為Robert Sabia，其整體內(nèi)容參考結(jié)合于此。但是，本發(fā)明不限于此在審專利申請(qǐng)中的化學(xué)連接方法，本發(fā)明可以采用其他化學(xué)連接技術(shù)和真空連接方法，只要它們適合于構(gòu)成隔離器組件的材料。此外，本發(fā)明某些實(shí)施方式中的連接可通過(guò)在至少一個(gè)連接面上引入鋰來(lái)增加。有關(guān)在連接面內(nèi)部或上面引入鋰的其他信息可參見(jiàn)共同授權(quán)的在審美國(guó)專利申請(qǐng)“Direct Bonding Methods Using Lithium(用鋰進(jìn)行的直接連接方法)”，發(fā)明人為Robert Sabia、Larry Mann和Dennis Smith。
本發(fā)明的各種實(shí)施方式涉及光隔離器和制造基于偏振和不基于偏振的隔離器的方法，所述方法在密封表面，使表面接觸的時(shí)候不形成空氣空隙，也不使用膠粘劑。在一種實(shí)施方式中，基于偏振的隔離器芯子(即法拉第旋光器在中間的夾心式結(jié)構(gòu))可這樣制造，即將起偏器如PolarcorTM玻璃密封在法拉第旋光器如釔離子石榴石(YIG)或鉍離子石榴石(BIG)上，從而得到基于偏振的隔離器。在其他實(shí)施方式中，形成的隔離器芯子包含法拉第旋光器，它通過(guò)化學(xué)連接方式連接到一個(gè)單起偏器或分束元件上。
試看圖1A，所示為基于偏振的隔離器芯子10，它包含一對(duì)起偏器12、14，法拉第旋光器16夾在它們中間。起偏器12、14通過(guò)上述真空連接或化學(xué)連接技術(shù)連接到法拉第旋光器上。如果法拉第旋光器采用非閉鎖石榴石材料，則偏置該材料的一種方法是將隔離器芯子插入一磁體18中，如圖1所示。也可用其他已知方法使非閉鎖材料產(chǎn)生偏置。如果法拉第旋光器16采用閉鎖石榴石材料，則不需要用磁體18來(lái)偏置法拉第旋光器16。
在圖1B所示另一個(gè)實(shí)施方式中，不基于偏振的隔離器芯子20可通過(guò)在一對(duì)分束器22、24之間夾入一個(gè)法拉第旋光器26來(lái)制造。一般地，分束器22、24是雙折射材料，如單晶金紅石或釩酸釔，為平板形或楔形，但其他類型的分束器也可以用于本發(fā)明。一般地，不基于偏振的隔離器還包含一個(gè)半波板25，它位于法拉第旋光器26和分束器24之間。構(gòu)成隔離器芯子的兩個(gè)相鄰表面用上述化學(xué)或真空連接技術(shù)連接在一起。同前述實(shí)施方式一樣，如果用非閉鎖材料形成法拉第旋光器26，則將隔離器芯子20插入一個(gè)磁體28中。但是，如果用閉鎖石榴石形成法拉第旋光器，則不需要用磁體。
在光隔離器的另一個(gè)實(shí)施方式中(未示出)，光隔離器可包含一個(gè)光學(xué)透鏡，它連接在起偏器或分束器的外露端上。本發(fā)明還提出一個(gè)或兩個(gè)起偏器或分束器可以包括一個(gè)連接的透鏡。同前述實(shí)施方式一樣，起偏器或分束器的兩個(gè)相鄰表面和透鏡通過(guò)上述化學(xué)或真空技術(shù)連接在一起。在起偏器或分束器上連接透鏡的作用是校直通過(guò)光隔離器的信號(hào)，且/或幫助聚焦光隔離器發(fā)出的信號(hào)。可用于本申請(qǐng)的透鏡的類型包括(但不限于)梯度折射指數(shù)(GRIN)透鏡。
圖2-4是根據(jù)本發(fā)明的各種實(shí)施方式，用來(lái)制造隔離器的方法例子。如圖2所示，將用來(lái)制造光隔離器芯子各層的片材加工并拋光至合適的平整度，以便進(jìn)行化學(xué)或真空連接。連接面的粗糙度宜小于1微米。如圖2所示，法拉第旋光器的材料片38夾在一對(duì)起偏器或分束器材料片32、34之間。法拉第旋光器片38包含連接面37、39，它們需加工到合適的平整度。分束器或起偏器片32包含連接面31和33。連接面31和33需拋光到合適的平整度。接著清潔每種材料片的連接面31、33、37、39，準(zhǔn)備進(jìn)行真空連接或化學(xué)連接。如果采用化學(xué)連接，清潔材料片的優(yōu)選溶液是氫氧化銨。然后將片材32、38、34堆疊起來(lái)，使連接面31和37接觸，連接面39和33接觸，從而形成隔離器芯片40?？蓪⑦B接片適當(dāng)加熱到低于法拉第旋光器材料的居里溫度的一個(gè)溫度，以促進(jìn)連接效果。將這些材料片連接成芯片40后，可將該芯片切成眾多的隔離器芯子50，如圖4所示，每個(gè)芯子50包含片材32、34和38。然后，可用本領(lǐng)域已知技術(shù)處理隔離器芯子50。
應(yīng)當(dāng)理解，材料片32、38和34可涂敷以逆反射涂層，在這種情況下，每個(gè)片材上逆反射層的外層包含連接面。由于包含隔離器芯材的材料之間的折射指數(shù)有差異(例如PolarcorTM為1.510，鉍鐵石榴石為2.35)，多數(shù)情況下在隔離器組件之間的界面上必須存在逆反射(AR)涂層。因此，在實(shí)踐中，連接實(shí)際上是在一個(gè)組件(旋光器或分束器，或者旋光器或起偏器)的AR涂層表面之上進(jìn)行的；如果所有相鄰表面都有AR涂層，則在兩個(gè)AR涂層表面之間進(jìn)行；也可以在這樣兩個(gè)表面上進(jìn)行，即一個(gè)表面包含全(完整)AR涂層，另一個(gè)表面包含SiO2表面涂層，后者本身不限制背反射，只是幫助連接。這些夾心結(jié)構(gòu)也可通過(guò)包含多個(gè)法拉第旋光器層而產(chǎn)生多步隔離，對(duì)于大功率激光器有特別用途。
本發(fā)明將通過(guò)以下一些實(shí)施例進(jìn)一步說(shuō)明，但本發(fā)明不受它們的限制。
實(shí)施例1此實(shí)施例說(shuō)明Corning，Inc.生產(chǎn)的PolarcorTM起偏玻璃片可連接在一起，并能經(jīng)受切片過(guò)程而不會(huì)使各片脫離。事先拋光到粗糙度小于1微米的兩個(gè)PolarcorTM玻璃片都施涂以AR涂層[SiO2-ZrO2-SiO2]，通過(guò)真空熱蒸發(fā)用金屬鋰進(jìn)行預(yù)處理，并在200℃熱處理24小時(shí)。這些片用清洗劑溶液(Microclean CA05)清潔，在水中清洗，在10vol％硝酸溶液中浸泡1小時(shí)。經(jīng)酸浸泡過(guò)的樣品在水中清洗，然后在15vol％氫氧化銨溶液中浸泡1小時(shí)。再次清洗樣品，連接表面保持濕潤(rùn)，在約10磅/平方英寸的壓力下進(jìn)行連接，連接溫度為75℃，連接操作時(shí)間為24小時(shí)。將連接的片切成2mm的條，片在切割操作中不發(fā)生脫層。
實(shí)施例2此實(shí)施例說(shuō)明包含Polarcor玻璃片且?jiàn)A有法拉第旋光器材料片的隔離器芯子可以連接在一起，并切成隔離器芯子時(shí)不會(huì)發(fā)生脫離。事先拋光到粗糙度小于1微米的兩個(gè)PolarcorTM玻璃片都施涂以AR涂層，通過(guò)真空熱蒸發(fā)用金屬鋰進(jìn)行預(yù)處理，并在200℃熱處理24小時(shí)。涂有鋰的Polarcor片和平整的、涂有AR的鉍鐵石榴石(BIG，購(gòu)自MGC)都用清洗劑溶液(Microclean CA05)清潔，在水中清洗，在10vol％硝酸溶液中浸泡1小時(shí)。經(jīng)酸浸泡過(guò)的樣品在水中清洗，然后在15vol％氫氧化銨溶液中浸泡1小時(shí)。再次清洗樣品，連接表面保持濕潤(rùn)，堆疊起來(lái)，使法拉第旋光器片夾在Polarcor片之間，在約10磅/平方英寸的壓力下進(jìn)行連接，連接溫度為115℃，連接操作時(shí)間為24小時(shí)。將連接片切成圖4所示類型的2mm×2mm芯結(jié)構(gòu)，片在切割操作中不發(fā)生脫層。
本發(fā)明涉及隔離器結(jié)構(gòu)和密封或連接方法，此方法不用膠粘劑、環(huán)氧樹(shù)脂就能形成化學(xué)連接或真空連接，而且連接表面之間不存在空隙。密封或連接可在不超過(guò)100℃的溫度下完成，因而此方法適用于閉鎖和未閉鎖石榴石。如本領(lǐng)域所廣為人知的，應(yīng)當(dāng)避免在高于其居里溫度的溫度加熱石榴石材料，因?yàn)榧訜岬礁哂诰永餃囟纫陨蠒r(shí)，材料的性質(zhì)會(huì)遭到破壞。對(duì)多層芯結(jié)構(gòu)也可以進(jìn)行密封或連接，在此結(jié)構(gòu)中，起偏器層和法拉第旋光器層交替組裝，可用于大功率激光用途(即多步隔離，含有2、3、4或更多串聯(lián)的法拉第旋光器，每個(gè)旋光器對(duì)應(yīng)一個(gè)起偏器)。
本發(fā)明的這種密封或連接方法可用于組裝玻璃表面、晶體表面和逆反射涂層表面。各組件(例如起偏器、旋光器、半波板)獨(dú)立安裝的隔離器帶有空隙，需要逆反射(AR)涂層，以防因每種材料與空氣之間存在折射指數(shù)差異而在每個(gè)表面上發(fā)生背反射。由于兩種材料之間存在折射指數(shù)差異，連接的界面也存在類似差異。因此，這種材料之間的界面也需要AR涂層。AR涂層通常包含主要起粘著作用的基層材料(例如SiO2，用于玻璃表面上的AR涂層)，然后是折射指數(shù)與要涂敷的部分明顯不同的材料(例如ZrO2、Al2O3、Nb2O3等)，以及SiO2外層。在有些優(yōu)選實(shí)施方式中，宜用包含硅的外層如SiO2外層促進(jìn)連接。在某些實(shí)施方式中，逆反射涂層位于一個(gè)連接面上，而形成連接界面的另一個(gè)連接面上有含硅的涂層，如氧化硅涂層，以促進(jìn)連接。涂層與被涂敷的材料之間的CTE差異可能在某種程度上使AR涂層產(chǎn)生應(yīng)力。因此，本領(lǐng)域的技術(shù)人員不難明白，含有多個(gè)交替層的涂層結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)考慮兩種材料的折射指數(shù)和CTE的差異。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員不難理解，只要不背離本發(fā)明的主旨和范圍，可以對(duì)本發(fā)明作出各種改進(jìn)和變化。因此，本發(fā)明覆蓋本發(fā)明的各種改進(jìn)和變化形式，只要它們?cè)谒綑?quán)利要求及其等價(jià)形式的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種光隔離器，它包含法拉第旋光器，所述法拉第旋光器連接到至少一個(gè)分束元件或起偏器上，形成連接界面，所述連接是通過(guò)不用膠粘劑和不用環(huán)氧樹(shù)脂的化學(xué)鍵或真空作用形成的，連接界面上含有鋰。
2.權(quán)利要求1所述光隔離器，其特征在于連接形式包括共價(jià)鍵和/或氫鍵。
3.權(quán)利要求1所述光隔離器，其特征在于連接界面包含在法拉第旋光器或分束元件或起偏器的表面上的鋰。
4.權(quán)利要求1所述光隔離器，其特征在于隔離器是基于偏振的隔離器，它包含一對(duì)起偏器，中間夾著法拉第旋光器并與之相連，該法拉第旋光器包含閉鎖石榴石或非閉鎖石榴石。
5.權(quán)利要求4所述光隔離器，其特征在于它還包含位于一個(gè)或兩個(gè)起偏器外表面上的透鏡，所述透鏡通過(guò)不用膠粘劑且不用環(huán)氧樹(shù)脂的化學(xué)連接或真空連接方式連接在起偏器上。
6.權(quán)利要求1所述光隔離器，其特征在于隔離器是不基于偏振的隔離器，它包含一對(duì)分束元件，中間夾有法拉第旋光器并與之相連，該法拉第旋光器包含閉鎖石榴石或非閉鎖石榴石。
7.權(quán)利要求6所述光隔離器，其特征在于它還包含位于一個(gè)分束器和法拉第旋光器之間的半波板，所述半波板通過(guò)不用膠粘劑且不用環(huán)氧樹(shù)脂的化學(xué)連接或真空連接方式連接到法拉第旋光器和分束器上。
8.權(quán)利要求6所述光隔離器，其特征在于它還包含位于一個(gè)或兩個(gè)起偏器外表面上的透鏡，所述透鏡通過(guò)不用膠粘劑且不用環(huán)氧樹(shù)脂的化學(xué)連接或真空的連接連接在起偏器上。
9.制造光隔離器的方法，它包括在低于約200℃的溫度下，在法拉第旋光器和分束元件或起偏器之間形成不用膠粘劑且不用環(huán)氧樹(shù)脂的化學(xué)或真空的連接。
10.權(quán)利要求9所述方法，其特征在于它還包括在一對(duì)起偏器或分束元件之間夾一個(gè)法拉第旋光器，并將法拉第旋光器連接到分束元件或起偏器上。
11.權(quán)利要求9所述方法，其特征在于它還包括提供含有第一連接面的法拉第旋光器和含有第二連接面的分束元件或起偏器，先使至少一個(gè)連接面與溶液接觸，以促進(jìn)第一和第二連接面之間的化學(xué)連接。
12.權(quán)利要求11所述方法，其特征在于溶液的pH大于8。
13.權(quán)利要求11所述方法，其特征在于它還包括在至少一個(gè)連接面上提供端基，包括-OH、＝Si-(OH)2、-Si-(OH)3、-O-Si-(OH)3和它們的組合。
14.權(quán)利要求11所述方法，其特征在于它還包括在一個(gè)連接面上提供鋰。
全文摘要
介紹了光隔離器和制造光隔離器的方法。光隔離器是通過(guò)直接連接隔離器各部分而制造的，不用膠粘劑如環(huán)氧樹(shù)脂，也不用機(jī)械裝置將各部分連接在一起，所用溫度較低于約200℃，且/或在連接界面上引入鋰。
文檔編號(hào)G02F1/09GK1659470SQ03813138
公開(kāi)日2005年8月24日 申請(qǐng)日期2003年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2002年5月2日
發(fā)明者R·薩比亞, C·J·奎恩, L·G·曼 申請(qǐng)人:康寧股份有限公司