CN1451101A - 光路元件和生产该元件的方法 - Google Patents
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Abstract
提供一种光路元件,尤其是一种光学环行器或是类似元件,它们显示出极好的消光比,能容易地以低价进行生产。光路元件包括以下诸元件组合:两个偏振光分离元件,两个全反射镜,至少一块与光传播方向无关的偏振平面旋转元件,至少一块与光传播方向有关的偏振平面旋转元件,多个光输入/输出端口,和磁场施加的装置,这里所述的偏振光分离元件和所述全反射镜均由相同或不同的多层聚合物薄膜形成。
Description
发明背景
本发明涉及光路元件和生产该元件的方法。本发明更具体地涉及能够有利地在光通信设备和光数据设备作为重新布置光信号通路用光无源部件加以使用的光路元件。光路元件的典型例子包括光学环行器,光开关,光隔离器等等。
在现代光通信***中,光纤放大器的广泛使用正需求更多的诸如光学环行器和光开关一类的光路元件来重新布置光信号的通路。另外,在近年来引起注意的波分复用光通信***中,将大量需要窄带光学滤波器和光学环行器的组合结构乃是所期望的。所以认为,光学环行器将在未来光通信***的发展中扮演非常重要的角色,对它的需求也将会进一步增加。
光学环行器是光学回旋器(显示出单向性的光路元件),且其中具有三个或更多的端口或终端。诸如,当光学环行器有四个端口A,B,C,和D时,允许光信号以A→B,B→C,C→D和D→A的方向通过,但不允许以相反的方向通过。
可以把光学环行器分为两种结构类型,也即一种是相应于其中入射光为线偏振情况下的偏振依赖类型,另一种是不依赖于入射光偏振态的偏振不依赖类型。在它们中间,偏振不依赖类型的光学环行器的特点是通过光学环行器的传输光损耗很小。就是说,入射到光学环行器的光束一旦分离成元件里的两个偏振光束,被分离的光束就再次合起来。所以,除了当光通过元件时引起的反射损耗和散射造成的不可避免的损耗等以外,光没有发生损耗。
偏振不依赖类型的光学环行器能够分成若干种类型。在它们之中,有一种典型的光学环行器,它正如由日本未经审查的专利出版物(KoKai)No 55-93120揭示的,具有四个终端,但却被制成偏振不依赖型。在图1中日本未经审查的专利出版物(KoKai)No 55-93120示出-光学环行器60,它具有:由多层介质膜形成的两个偏振光分离棱镜65和66(偏振光分束器,一般称作“PBS”),由多层介质膜形成的两个全反射镜67和68,一块法拉笫旋转器75,一块45度闪耀元件76,和施加磁场的装置(没有示出)。这里,法拉笫旋转器由磁性柘榴石组成并当施加磁场时能使偏振平面旋转45度,45度闪耀元件是半波长片,而构成偏光分离棱镜和全反射镜的多层介质膜则通过一层迭加于另一保持住预定膜厚的方式交替地层迭具有不同折射率的介质膜加以形成。
在示出的环形器60中,入射到第一个光输入/输出端口61的传输光在它的通路上起偏,分离,合成,以到达第二个光输入/输出端口62。就是说,入射到第一个输入/输出端口61的传输光当它通过偏振光分离棱镜65时分成互相成直角的两偏振分量。被分离的光分是通过光学环行器中不同的通路并且通过另一个偏振光分离棱镜66而加以合在一起。被起偏和分离的光分量合在一起,这样合成的光束则从第二个光输入/输出端口62输出。入射到第二个光输入/输出端口62的传输光通过类似于入射到第一个光输入/输出端口61的传输光通过的路径到达第三个光输入/输出端口。相似的,入射到第三个光输入/输出端口63的传输光到达第四个光输入/输出端口,而入射到第四个光输入/输出端口64的传输光则到达第一个光输入/输出端口61。在上面讨论的图示光学环行器60中,在光学环行器中被分开的偏振分量再次合成,并且被合成的光束从同一个输入/输出端口输出。
另外,在一般光学环行器结构中,通过改变施加到法拉第旋转器上的磁场来改变从中使传输光输出的端口。所以,可以把光学环行器改造成光开关形式。诸如,对参照图1所述光学环行器60的情形,可以采用诸如电磁铁之类能够改变磁场施加方向的装置来代替一般使用的永久磁铁或有固定磁场施加方向的装置以便提供光开关。虽然这样得到的光开关没有示出,但通过反转磁场的施加方向,可以把光学环行器60中传输光路径从第一个光输入/输出端口61→第二个光输入/输出端口62改变到从第一个光输入/输出端口61→第四个光输入/输出端口64。如上所述,通过直接使用光学环行器的结构也可以实现光开关。
在上面图1中所述的偏振不依赖类型的光学环行器和其它任何常规的偏振不依赖类型的光学环行器,偏振光分离棱镜和全反射镜均由多层膜形成,后者通过一层迭加于另一保持住预定厚度的方式交替地层迭具有不同折射率的介质膜加以获得。然而,有关消失比,从光的透射性能和反射性能两者来看,相对于通常业已用于光学环行器的多种类型的偏振器而言,这种多层介质薄膜是劣等的,并且趋向于恶化环形器的性能。在实践中,多层介质膜显示出大约25dB的消光比,它比一般用作构成光学环行器一部分的磁性柘榴石的要小。
多层介质膜不仅需要昂贵的原材料而且需要诸如切割,抛光,等等复杂的加工步骤,且不可避免地变得昂贵。在实践中,大约30%到50%的生产常规光学环行器的花费业已为生产偏振器的所占有。
发明概述
本发明考虑了上面提到的问题并提供具有高性能特性,易于生产,且可低价生产的光路元件。
本发明提供可用作光学环行器,光开关或光隔离器的光路元件。
本发明也提供光路元件的有效方法。
根据本发明的一个方面,所提供的光路元件包括以下诸元件组合:两个偏振光分离元件,两个全反射镜,至少一块与光传播方向无关的偏振平面旋转元件,至少一块与光传播方向有关的偏振平面旋转元件,多个光输入/输出端口,以及磁场施加的装置;
所述偏振光分离元件和所述全反射镜均由相同或不同的多层聚合物薄膜形成。
根据本发明的另一方面,提供有来生产光路元件的方法,所述光路元件包括组合以下诸文件:两个偏振光分离元件,两个全反射镜,至少一块与光传播方向无关的偏振平面旋转元件,至少一块与光传播方向有关的偏振平面旋转元件,多个光输入/输出端口,以及磁场施加的装置;其中
所述偏振光分离元件和所述全反射镜均由相同或不同的多层聚合物薄膜形成。
通过在所述偏振光分离元件之一和所述全反射镜之一之间***玻璃板使它们彼此相对,并使它们几乎平行地整体耦合在一起。
所得集成光学构件为此进行切割,俾使切割面相对于所述偏振光分离元件之表面和所述全反射镜之表面保持几乎45度的角度;
把切割后的集成光学构件同与光传输方向无关的所述偏振平面旋转元件和与光传播方向有关的所述偏振平面旋转元件结合在一起从而形成集成光学部件。
附图概述
图1是示出常规光学环行器的透视图。
图2是根据本发明的示出光学环行器例子的透视图。
图3是示出在图2的光学环行器中传输光从第一个光输入/输出端口到第二个光输入/输出端口路径的侧视图。
图4是示出在图2的光学环行器中传输光从第二个光输入/输出端口到第三个光输入/输出端口路径的侧视图。
图5是示出在图2的光学环行器中传输光从第三个光输入/输出端口到第四个光输入/输出端口路径的侧视图。
图6是示出在图2的光学环行器中传输光从第四个光输入/输出端口到第一个光输入/输出端口路径的侧视图。
图7是根据本发明示出的另一个较佳光学环行器实例的透视图。
图8是根据本发明示出的较佳光开关实例的透视图。
图9是根据本发明示出的另一个较佳光开关实例的透视图。
图10是用于生产图2中光学环行器的集成光学构件的透视图。
图11是示出切割图10中集成光学构件用步骤的透视图。
图12是示出在图11中切割步骤之后为形成集成光学部件原始件用切割步骤的透视图。
图13是示出通过图12中的切割步骤所生产集成光学部件外形的侧视图。
图14是示出图13中集成光学部件的进一步切割步骤的侧视图。
图15是示出通过图14中的切割步骤所生产集成光学部件外形的侧视图。
图16是示出生产图2中光学环行器步骤的侧视图。
图17是示出图16步骤之后切割步骤的侧视图。
图18是示出通过图17中切割步骤生产的光学环行器原始元件的透视图。
图19是示出切割图18中光学环行器用原始元件的步骤的透视图。
图20是根据本发明示出的另一个较佳光学环行器实例的侧视图。
图21是示出图20中所示光学环行器的修改实例的侧视图。
本发明的详细描述
根据本发明的光学环行器包括以下诸元件:组合两个偏振光分离元件,两个全反射镜,至少一块与光的传播方向无关的偏振平面旋转元件,至少一块与光的传播方向有关的偏振平面旋转元件,多个光输入/输出端口,和磁场施加装置。只要满足上面提及的结构要求和对本发明必不可少的结构要求,就可以用多种方法构成本发明的光学环行器元件,也就是,偏振光分离元件和全反射镜由相同或不同的多层聚合物薄膜加以形成,且可进一步通过根据其结构和其中所结合的磁场施加装置的类型而以各种形式加以实现。合乎要求的是,本发明的光路元件可以光学环行器,光开关或光隔离器的形式加以实现。在本发明的光路元件中,可以各种不同的组合来使用两个偏振光分离元件,两个全反射镜,至少一块与光的传播方向无关的偏振平面旋转元件,至少一块与光的传播方向有关的偏振平面旋转元件,多个光输入/输出端口,和施加磁场的装置,视其中被光路元件所采用的磁场及所希效果而定。特别希望在偏振光分离元件之一和全反射镜之间***玻璃板使它们彼此相对并几乎相互平行地整体耦合在一起。
在本发明的实践中,要求光的输入/输出端口,正如通常在该技术领域所使用的那样,各自用非球面透镜的平行光束***和光纤加以组成。在平行光束***中,为了防止组成元件的光学损害,光输入/输出光束的直径尽可能做大量有利的。
与光的传播方向无关的偏振平面旋转元件(以下也被称作“第一偏振平面旋转元件”)希望是法拉第旋转器。适宜的法拉第旋转器将是当往其中施加磁场时能够使偏振平面旋转45度的45度法拉第旋转器。可以通过该技术领域通常可以接受的方式构成45度法拉第旋转器,而且希望用诸如GdBiFe石榴石一类代铋(Bi-substituted)石榴石的厚膜来制造。更希望第一偏振平面旋转元件是由磁性石榴石组成的具有方形磁滞曲线的法拉第旋转器。适合用于形成法拉第旋转器的磁性石榴石将是,诸如,代铋稀土铁石榴石,或者较可取的是,EuHoBiFeGaO或类似物。使用上述磁性石榴石使它在磁化后或甚至不再施加外部磁场之后可以保持大约3500奥斯特的磁场。这使得可以不使用磁铁之类施加磁场的装置,并有利于结构和生产花费两个方面。
在本发明的光路元件中,对上述第一偏振平在旋转元件施加磁场的装置并无特别的。不过,一般可以有利地使用磁铁,电磁铁或线圈。
另外,在本发明的实施中,希望与上述第一偏振平面旋转元件同时使用的与光的传播方向有关的偏振平面旋转元件(以下也被称作“第二偏振平面旋转元件”)是半波长片。半波长片是经常在该技术领域使用的一种,诸如石英晶体半波片。
由多层聚合物薄膜形成偏振光分离元件和全反射镜。也就是说,偏振光分离元件或全反射镜是由多层聚合物膜制成的介质反射光学元件而且要求以介质反射膜的形式来使用。此外,用于完成本发明的多层聚合物薄膜可以是通常为偏振光分离元件和全反射镜用同一种聚合膜加以形成的一种,或者可以是为各自元件用不同聚合物加以形成的多层聚合物薄膜。
适用于本发明的反射型或反射介质反射薄膜是由日本国家专利出版物(Kohyo)No 9-507308所公开的多层光学薄膜。正如其中所揭示,通过对两种不同的聚合物A和B交替层迭制备此多层薄膜。也即,得到的多层薄膜具有通过以--ABAB--的次序层迭诸膜得到的多层聚合物薄膜的形式。多层薄膜以5∶1的拉伸比率沿着一个轴(X轴)拉伸,但是并不沿着另一个轴拉伸(同X轴垂直的Y轴),因此,沿着Y轴方向的拉伸比率基本上是1∶1。在这个说明书中,X轴是指“拉伸方向”,Y轴是指“横向方向”。
在制备正如上述是多层薄膜的介质反射薄膜中,一般而言,一种聚合物B具有在拉伸过程中基本上不变的表现折射率(诸如1.64),或者换言之,具有光学上的各相同性。另一个聚合物A显示出在拉伸过程中改变的折射率。诸如,聚合物A的单轴拉伸片具有沿着拉伸方向的第一折射率(诸如1.88)和沿着横向方向的第二折射率(诸如1.64)。
在多层聚合物薄膜(--AB--)中,涉及内-平面(in-plane)轴(平行于薄膜表面)的折射率定义为相对于平面偏振过的入射光束的有效折射率,而偏振平面则与上述内-平面轴平行。所以,在拉伸后,多层薄膜(--ABAB--)在拉伸方向上显示出很大不同的层间折射率(1.88到1.64),但是在横向方向上层间折射率基本上相同。故而,多层薄膜作为传播入射光束偏振分量的反射型偏振薄膜进行工作。这里,定义Y轴为传播轴(或传输轴)。通过反射型偏振薄膜的光获得了第一偏振取向(或偏振方向)。
另一方面,没有通过反射型偏振薄膜的光则是具有与第一偏振取向垂直的第二偏振取向的偏振光。显示出这样一种偏振取向的光沿着X轴落到薄膜的表面上,并且被层间折射率不同引起的作用所反射。所以,定义X轴为第一为反射轴。在这样一种情况下,反射型偏振薄膜只允许具有所选偏振取向(或)的透过光偏振方向。
反射型偏振薄膜的光学性质(反射性质和透射性质)通常随组成薄膜聚合物层的光学厚度而有所不同。如果这些聚合物层有符合于光束的多个波长的光学厚度,或者换言之它们具有由这这样一些波长加以表示的光学厚度,则光学特性就有效地反应在它们的特定带(波长带)中。如果这些层具有比光波长小的光学厚度,那么,可以在所选波长利用结构干涉来提高反射型偏振薄膜的光学性能。
在本发明的实践中,可以形成光学厚度比可见光波长小的均匀层。当层A和层B的厚度比入射光的半波长大时(A+B>λ/2),就发生结构干涉。半波长条件引起了在预定波长发生窄带的结构干涉。通过对多个具有窄带的聚合物迭层进行层迭或耦合,可以得到在宽带上的光学性能。诸如,有相同厚度的(A+B=λ/2)的第一组聚合物层可以在具有不同厚度(A+B=λ’/2)的第二组聚合物层上进行层迭。通常,上百个聚合物层(--ABAB--)整体地加以层迭或耦合以有效地得到跨越宽带的响应。如此设计反射型偏振薄膜以使以任意入射角和任意的波长反射光乃是所希望的。
通过要求反射偏振薄膜的反射因子比相对于同Y轴平行方向上线偏振光的小20%,较可取的是小10%,最可取的是小5%。在特殊使用或通常使用中反射因子是在所希波长区和所希入射角度区中的平均值。在所希最大入射角反射型偏振薄膜的反射因子比相对于沿着X轴的线偏振光不小于30%,更希望不小于60%乃是所要求的。
另一方面,用作全反射镜的介质反射薄膜的折射率在薄膜平面的所有方向(轴)上是不同的。因此,薄膜通常并不显示偏振效应。在全反射镜中的聚合物A层和聚合物B层要求在薄膜内平面方向上拥有明显的各相同性的光学性质,特别可取的是,要显示出在沿着X轴和Y轴测量的折射率基本相同。诸如,当使用聚合物A层和聚合物B层时,聚合物B层结合聚合物A层但两者拥有不同的折射率。在该情况下,就希望两种聚合物层基本上均不拉伸或二轴拉伸。在所希最大入射角下通常要求全反射镜膜的反射因子不小于30%,较可取的是不小于60%。
介质反射膜通过制备一编织物(Web)加以获得,后者按照制备多层膜的普通方法,交替地包括有上述类似---AB---的聚合层,接着进行拉伸。如果进一步需要,可以在第一聚合物A和第二聚合物B上添加第三种聚合物,第四种聚合物---,由此制备包括这些聚合物层的偏振薄膜。当组合使用三种或更多种聚合物时,可以各不相同地更改层迭聚合物层的次序,具体视听所希的效果等而定。
可适用于形成介质反射膜的聚合物的具体例子包括聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)的异构体,诸如2,6-,1,4-,1,5-,2,7-和2,3-PEN;聚对苯二甲酸亚烷基二醇酯,如聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯和聚对苯二甲酸1,4-环己烷二亚甲基酯;聚酰亚胺,诸如聚丙烯酰亚胺和聚醚酰亚胺;聚苯乙烯,诸如无规立构聚苯乙烯;聚碳酸酯;聚甲基丙烯酸酯,诸如聚甲基丙烯酸异丁酯、聚甲基丙烯酸丙酯、聚甲基丙烯酸乙酯、聚甲基丙烯酸甲酯;聚丙烯酸酯,诸如聚丙烯酸丁酯、聚丙烯酸甲酯;纤维素衍生物,诸如乙基纤维素、乙酸纤维素、丙酸纤维素、乙酸丁酸纤维素、硝酸纤维素;聚亚烷基聚合物,诸如聚乙烯丙烯、聚丁烯、聚异丁烯、聚(4-甲基戊烯);氟化聚合物,诸如全氟烷氧基树脂、聚四氟乙烯、氟化乙烯/丙烯共聚物、聚偏二氟乙烯(vinylidene polyfluoride)、聚三氟氯乙烯;氯化聚合物,诸如聚偏二氯乙烯、聚氯乙烯;聚砜;聚醚砜;聚丙烯腈;聚酰胺;硅酮树脂;环氧树脂;聚乙酸乙烯酯;聚醚酰胺;离聚物树脂;弹性体,诸如聚丁二烯、聚异戊二烯、聚氯丁二烯;聚氨酯;等,虽然诸例子决不仅仅局限于此。
此外,可有利地采用共聚物代替上述聚合物或者与上述聚合物组合,用作为聚合物材料。此处可用的共聚物可以是二元共聚物、三元共聚物或任何其它共聚物。共聚物的优选例子包括:
(1)聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)的共聚物,诸如由以下物质合成的共聚聚酯(称作“共聚酯”):2,6-,1,4-,1,5-,2,7-和/或2,3-萘二羧酸或者其中任一种酸的酯,选自(a)对苯二甲酸或其酯,(b)间苯二甲酸或其酯,(c)邻苯二甲酸或其酯,(d)链烷二羧酸和(e)环烷二羧酸(如环己烷二羧酸)的两种或多种酸,以及选自链烷二醇和/或环烷二醇(如环己烷二甲醇的二醇类)的一种、两种或多种二醇;
(2)聚对苯二甲酸亚烷基二醇酯的共聚物,诸如由以下物质合成的共聚聚酯:选自(a)对苯二甲酸或其酯,(b)间苯二甲酸或其酯,(c)邻苯二甲酸或其酯,(d)链烷二羧酸和(e)环烷二羧酸(如环己烷二羧酸)的两种或多种酸,以及选自链烷二醇和/或环烷二醇(如环己烷二甲醇的二醇类)的一种、两种或多种二醇;和
(3)苯乙烯的共聚物,诸如苯乙烯/丁二烯共聚物、苯乙烯/丙烯腈共聚物等。
在介质反射薄膜中,组成薄膜的各聚合物层可以包括上述单一种类的聚合物或共聚物,或可以包括作为混合物以任意组合上述两种或更多种的聚合物或共聚物。
组成介质反射薄膜的聚合物层的厚度可以依赖于总光束的偏振效果和反射因子而广泛地变化,不过通常大约从0.01到0.70μm。另外,当用许多聚合物层进行层迭以形成介质反射薄膜时,聚合物层的迭层数目要尽可能的少以提高光的透射并且得到所希的光学特性。在介质反射薄膜中层迭的聚合物层数目通常小于5000,较可取的是小于1000小,而最好是100到500。
形成的介质反射薄膜的厚度可以依赖所希偏振效果和所层迭的聚合物层数目而广泛加以改变,不过通常从大约0.5μm大约到0.5mm。
只要不损害本发明的效果,以多层聚合物薄膜形式使用在本发明中的偏振光分离元件和全反射镜可以包括添加剂,诸如紫外光吸收剂,抗氧化剂,防成型剂,防锈剂,吸湿剂,着色剂,磷光材料和表面活性剂。只要不损害本发明的效果,该元件可以拥有透射光保护层膜或相似物,它们形成在其前表面,后表面或两个表面都形成。
在由多层聚合物薄膜形成的偏振光分离元件和全反射镜中,每层均由具有双折射的聚合物组成各层。因此,有特定偏振方向的线偏振光可以透过,而与之成直角的线偏振光束则可被反射。此外,聚合物几乎不吸收光也不对通过的线偏振光带来损耗。
通常可以光学环行器形式提供本发明的光路元件。再者,通过改变结合在那里的施加磁场的装置,光学环行器可以光开关形式提供。当想要用的电磁场施加装置由诸如1∶2或2∶2形式光开关的形式提供光路元件时,在那里组合使半硬磁材料的夯铁构成,后者备有能改变施加电流方向并能反转偏振平面放置元件之磁化的电化的电流装置,此外,通过使用由软磁铁氧体轭做成的磁施加装置,并使之备以能够改变施加电流方向来使偏振平面旋转元件的磁化反转的电流装置也可实现1∶2或2∶2的光开关。这里,作为构成轭的半硬磁化材料或软磁铁氧体,可以使用常规的材料。诸如,作为形成轭的软磁铁氧体,可取的可以使用,例如,Mn-Zn型铁氧体,Ni型铁氧体,Li型铁氧体,Ni-Zn型铁氧体,和Li-Zn型铁氧体。这是因为,这些铁氧体描绘的方形磁滞曲线良好。
在本发明的光路元件中希望构成的元件一些部件,也就是,偏振光分离元件,全反射镜,第一和第二个偏振平面旋转元件,作为整体结构加以,且特别由粘合剂使之结合在一起。虽然没有特别限制,但这里使用的粘合剂是高透明的并且显示出极好的紧密粘合力。这里使用的粘合剂的光透过因子通常是不小于70%,较可取的为不小于80%,而特别可取的则不小于85%。
可优选使用透明度高和紧密粘合力强的丙烯酸类粘合剂作为这样一种高度透明的粘合剂。丙烯酸类粘合剂是由含有具有4-14个碳原子烷基的丙烯酸酯单体(如丙烯酸异辛酯、丙烯酸丁酯或丙烯酸2-乙基己酯)和具有极性基团的(甲基)丙烯酸酯单体(如(甲基)丙烯酸、(甲基)丙烯酸羧烷酯、(甲基)丙烯酸羟烷酯)或N,N-二烷基丙烯酰胺的反应物制得的聚合物,或者是含有这样一种聚合物的组合物。正如广为熟知的,此处的词“(甲基)丙烯酸”包括丙烯酸和甲基丙烯酸,因而,在那里相应地使用了(甲基)丙烯酸酯。
使用丙烯酸粘合剂或任何其他粘合剂使这些元件粘合在一起,方式是,诸如,在元件的表面施加粘合剂从而形成粘合剂层,并通过压力使上面已形成粘合层的另一个元件粘结至该元件上。这里,粘合剂层的厚度通常是从5到100μm,较适宜是从10到50μm。可以通过在元件上施加含有上述聚合物和聚合物组合的涂覆溶液来形成粘合剂层。另外,在施加了会有反应原料的涂覆溶液后,就可以在元件表面上实现聚合。或者,在分离的剥离薄膜上形成的以膜形式存在的粘合剂可以从剥离薄膜转移到该元件上。只要不丧失透明度,粘合剂层可以包含上述的多种不同的粘合剂。
另外,本发明的光路元件可以如在本技术领域中通常进行的那样,配备以附加的透镜,光纤,外包装等等。
要求通过以下方式生产本发明的光路元件,即使用相同或不同的多层聚合物薄膜来形成偏振光分离元件和全反射镜,在偏振光分离元件之和全反射镜之一之间***玻璃板,使它们相互面对并且几乎相互平行地耦合在一起,从而制备得到集成光学构件。如此,切割这样得到的集成光学构件,俾使切割表面相对于偏振光离元件的表面和全反射镜的表面限定一几乎45度的角度。
这样得到的集成光学部件有两部分,至少一块第一偏振平面旋转元件和至少一块第二偏振平面旋转元件,并以预定的次序组合为成整体结构。然后,如此切割这样得到的集成光学产品,俾使切割表面相对于偏振光分离元件表面和全反射镜的表面限定一几乎45度的角度,从而同时制备成许多个光路元件。
一般而言,通过组成光学环行器元件中有最差消光比的元件决定光学环行器的特性。诸如,由多层介质薄膜制作的常规的偏振光分离元件显示出相对其他各种偏振元件在光透射特性或光反射特性上较差的消光比。具体地说,这样的常规偏振光部分元件具有大约25dB的消光比,它比通常用作构成光学环行器元件的磁性石榴石的消光比小的多。与那相反,在本发明的光路元件中使用的多层偏振薄膜却实现了高达38dB的消光比水平。所以,当使用偏振光分离元来件构成光学环行器时,就实现了高达38dB的隔离度。
现在将通过参考附图详细描述本发明的实例。不过,应指出的是,本发明并不仅限于下面的实例。特别要理解本发明的光路元件不仅是光学环行器形式而且也是光开关或光学隔离器的形式,视其中所结合电磁场施加装置的种类而定。另外,为了简化描述,不多描述用于图示的光路元件的各种磁场施加装置,而只描述其中的一部分。实例1:
图2根据本发明示出一四端光学环行器的较佳实例。图示的光学环行器10有四个端口,也就是,第一光输入/输出端口1,第二光输入/输出端口2,第三光输入/输出端口3,和第四光输入/输出端口4。虽然没有示出,但光输入/输出端口是由非球面透镜和光纤构成的平行光束***。如图所示,由如下构成光学环行器:由多层聚合膜构成的两个偏振光分离元件5和6多层薄膜构成的全反射镜7和8,一块与光传播方向无关的偏振平面旋转元件15(第一偏振平面旋转元件),一块与光传播方向有关的偏振平面旋转元件16(第二偏振平面旋转元件),和施加磁场的装置(没有示出)。在诸组成元件之间则***玻璃板11,12,13,17,18和19。用丙烯酸粘合剂(异辛基丙烯酸聚合物,光透射因子大约98%)把诸组成元件组结起来,并保证整体地集成在一起。
在示出的四端光学环行器10中,偏振平面旋转元件15是法拉第旋转器,该旋转器由偏振平面旋转角度为45度的铋代磁性石榴石(GdBiFe石榴石)组成。就是说,施加了磁场后,偏振平面旋转元件15把它的偏振平面旋转了45度。在所示实例情况下,沿着光传播方向施加磁场H。偏振平面旋转元件16是石英晶体半波长片,它有一个光学轴,相对于通过由多层聚合物薄膜构成的偏振光分离元件的偏振光方向倾斜22.5度角。构成偏振光分离元件和全反射镜的多层聚合物薄膜,通过一层迭加于另一保持住预定厚度的分式,交替地层迭具有不同折射率的聚合物膜加以形成。该元件能传输具有相同偏振方向的光。施加磁场的装置是能够改变磁场施加方向的磁体。
在示出的光学环行器中,光学元件组合有非常紧凑的4mm×4.6mm×2mm的尺寸。此外,光学元件组合的生产成本较小,大约比当使用多层介质薄膜形成偏振光分离元件和全反射镜的小40%。光学环行器可以容易而正确地加以生产。
可以从图3到6的侧视图理解光学环行器10中光传输的路径和偏振平面的运行。
参考图3,当入射到第一光输入/输出端口1的传输光L1IN通过偏振光分离元件5时,它被分离成两个互相垂直的偏振光分量。偏振分量经过光学环行器中的不同路径并且通过另一个偏振光分离元件6而再次合成。在起偏振,分离和合成后,合成的光束成为从第二光输入/输出端口2输出的光束L2OUT。
参考图4,当入射到第二光输入/输出端口2的传输光L2IN通过偏振光分离元件6时,它被分离成两个互相垂直的偏振光分量。偏振分量经过光学环行器中的不同路径并且通过另一个偏振光分离元件5再次合成。在起偏振,分离和合成后,合成的光束成为从第三光输入/输出端口3输出的光束L3OUT。
参考图5,当入射到第三光输入/输出端口3的传输光L3IN通过偏振光分离元件5时,它被分离成两个互相垂直的偏振光分量。偏振分量经过光学环行器中的不同路径并且通过另一个偏振光分离元件6再次合成。在起偏振,分离和合成后,合成的光束成为从第四光输入/输出端口4输出的光束L4OUT。
另外,参考图6,当入射到第四光输入/输出端口4的传输光L4IN通过偏振光分离元件6时,它被分离成两个互相垂直的偏振光分量。偏振分量经过光学环行器中的不同路径并且通过另一个偏振光分离元件5而再次合成。在起偏振,分离和合成后,合成的光束成为从第一光输入/输出端口1输出的光束L1OUT。
在示出的光学环行器10中,从光学环行器分离的偏振分量再次合成并且从同一个输入/输出端口输出。在该实例中,平行光束的直径为1.0mm,把它用作输入输出光束来解决对多层聚合物薄膜的光学损伤问题。
在不背离本发明范围的情况下,可以不同方式对上述详细描述的光学环行器10进一步进行修改。当施加磁场的方向改变为图示中箭头H的反方向时,从第一光输入/输出端口1→第二光输入/输出端口2的传输光路径可以改变到从第一光输入/输出端口1→第四光输入/输出端口4。因此通过直接使用该光学环行器的结构就提供光开关。当光学环行器10的四个光输入/输出端口被限制成两端口,也即,第一光输入/输出端口1和第二光输入/输出端口2时,就提供带有偏振不依赖光纤的光学隔离器。当四个光输入/输出端口被限制成三端口,也即,第一光输入/输出端口,第二光输入/输出端口,和第三光输入/输出端口时,于是提供上三端的光学环行器。实例2:
图7根据本发明示出一四端光学环行器的另一个较佳实施例。从诸光学另件的布置和运行看,图示的光学环行器10除了使用由具有方形磁滞曲线的磁化石榴石组成的法拉第旋转器代替实例1中使用的铋代磁化石榴石(GdBiFe石榴石)作为与光传播方向无关的偏振平面旋转元件25(第一偏振平面旋转元件)以外,其他均和以上实例1描述的光学环行器一样。这里使用的具有方形磁滞曲线的磁性石榴石是Bi代稀土铁石榴石Eu0.9Ho1.1Bi1.0Fe4.2Ga0.8012,它的厚度大约0.1mm,一旦被外部施加磁场磁化后,即使不再施加外部磁场也能保持大约350奥斯特的磁化强度。
在这个实例的光学环行器10中,当从外部施加以充分强的磁场,且即使不再施加磁场之后也是饱和时,用作第一偏振平面旋转元件的法拉第旋转器就被磁化了。所以,对于这个光学环行器10而言,就不需要对法拉第旋转器施加磁场的装置,于是使该装置进一步实现了更小尺寸和更低成本。另外,该光学环行器可以成批地低价生产。
此外,从上面的详细描述中将会明白,所得光学环行器可为所要求那样作为光开关,光学隔离器或其他类似物加以运行。实例3:
图8示出用作光开关的实例,它参考了图2中所述本发明的四端光学环行器。在图示的实例中,使用其上缠绕有线圈23并由半硬磁材料作的轭铁24作为施加磁场用的装置,而通过开关22连接到线圈23上的直流源21,则用作为提供电流的装置。当把光学环行器10放到环行轭铁24的中心空间并当电流装置改变施加电流的方向时,就可以使偏振平面旋转元件的磁化反转,而与光学环行器中光的传播方向无关。因此,光学环行器10可以作为四端(2∶2)光开关加以运行。作为修改的实例,2∶2的光开关可以作为1∶2的光开关加以运行。在该光开关中,把驱动该装置的机构放到光学元件单元的外面,可使它与使用线圈的常规光开关相比尺寸减小了。另外,在这样形成的光开关中,即使电流装置不再提供电流之后,磁体仍然保持磁场,也就是,实现了自保持型的光开关。
另外,根据本发明的发现,希望使用由具有饱和磁化小的铋代稀土铁石榴石,例如,GdBiFe石榴石组成的法拉第旋转器,作为与光传播方向无关的偏振平面旋转元件。这是因为,这样一种石榴具有250高斯的饱和磁化强度,当在本发明中加以使用时,可使借助磁场施加装置改变磁场时所需施加的电流减小。实例4:
图9示出用作光开关的另一个实例,它参考了图2中所述本发明的四端光学环行器。在图示的实例中,使用其上缠绕有线圈23,并半软磁铁氧体制作的轭铁24作为施加磁场用的装置,而连接到线圈23的交流源26则用作为提供电流的装置。当把光学环行器10放到环行轭铁24的中心空间并且电流装置改变施加电流方向时,可以反转偏振平面旋转元件的磁化,而与光学环行器中光传播方向无关。因此,光学环行器10可以用作四端(2∶2)光开关。作为修改的实例,2∶2的光开关可以用作1∶2的光开关加以运行。在该光开关中,使用软磁铁氧体制成的轭铁可使它增加开关速度。另外,在这样形成的光开关中,即使电流装置不再提供电流之后,磁体仍然保持磁场,也就是,实现了自保持型的光开关。
此外,根据本发明的发现,作为软磁铁氧体,希望使用上述具有良好方形磁滞曲线的材料,诸如Mn-Zn型铁氧体。通过使用这些材料作为轭铁,实现了从直流一直到高达大约100MHz那样宽广范围的开关。实例5:
图10到15示出生产集成光学部件的步骤,它用于生产图2所示本发明的光学环行器。
在进行示出的生产步骤之前,先制备组成光学环行器的诸构件。根据上述方法从多层聚合物薄膜制备偏振光分离元件和全反射镜。与多层介质薄膜不同,多层聚合物薄膜可容易地制成平方米数量级的大尺寸。在该实例中,偏振光分离元件和全反射镜也制备成30cm宽,30cm长的尺寸。光学玻璃板也制备成30cm宽,30cm长,cm高的尺寸。就象多层聚合物薄膜一样,玻璃板也可容易制成平方米数量级的大尺寸。
首先,如图10所示,把由多层聚合物薄膜组成的偏振光分离元件5和由多层聚合物薄膜组成的全反射镜7夹在三块玻璃板11,12和13中间,并用粘合剂结合在一起。在这个实例中,使用可见光固化的粘合剂把构件集成在一起,该粘合剂在固化时具有小的收缩系数,且不会对多层聚合物薄膜产生不利的影响,也就是,使用丙烯酸粘合剂(丙烯酸异辛酯丙烯酸共聚物,光透射因子大约98%)。于是得到矩形(30cm宽,30cm长)的集成光学构件28。
集成光学构件28完成后,于是在长度方向沿着图11示出的切割线C1和C2切割,以便制备供生产光学环行器用的集成光学部件。为了便于理解,图11只是示出两条切割线。不过在实践中,却有许多条间隔大约1.1cm的切割线。在这个实例中,集成光学构件28的切割大约保持为1.1cm的间隙。这是因为,在生产诸如光学环行器,光开关或其他类似物的光路元件中作为光学部件使用的磁性石榴石的尺寸大约为1.1cm×1.1cm。因此,在考虑到应对其后的操作步骤时,就要求所切的集成光学构件具有大约1.1cm的宽度。于是得到图12中示出的集成光学部件的原始元件29(1.1cm宽,30cm长)。
然后,对这样得到的用于集成光学部件的原始元件29以保持2mm的间隙进行切割,使得切割平面的角度如图12中的切割线C3(为便于图示只画了其中的几条)所表示,相对对偏振光分离元件和全反射镜7成大约45度。于是得到了如图13所示的总计90个集成光学部件30。
然后,对上面得到的集成光学部件30的两个相对表面31和32光学抛光,也就是,参考图12中说明的沿着切割线C3所切相对粗糙的表面进行光学抛光(见图13)。然后,在集成光学部件30的光学抛光表面31和32上施加对着空气的AR涂层(防反射)(没有示出)。
在上述步骤之后,切割这样得到的用于集成光学部件的原始元件30,使得切割平面的角度如图14中的切割线C4所表示,相对于偏振光分离元件5和全反射镜7成大约45度。于是得到如图15所示的集成光学部件35。
然后,对上面得到的集成光学部件35的两个相对表面36和37光学抛光,也就是,参考图14中说明的沿着切割线C4所切相对粗糙的表面进行光学抛光(见图15)。然后,在集成光学部件35的光学抛光表面36和37上施加对着空气的AR涂层(防反射膜)(没有示出)。注意,图13中示出的集成光学部件35的两个相对表面31和32的光学抛光步骤可以在这时同步进行。
通过上述一系列简单的生产步骤,图2中所示供生产本发明的光学环行器用集成光学部件可在一个时间内大量生产。另外从前面的详细描述中可以明白,所得集成光学部件不仅有益于生产光学环行器,而且也有益于生产光开关,光学隔离器和其他光路元件。实例6:
图16到图19示出通过使用根据上述实例5制备的集成光学部件来生产图2所示本发明的光学环行器的步骤。
参考图16,在集成光学部件30和35之间夹入法拉第旋转器15和半波片16,使它们整体地集成在一起。为了集成各个构件,以实例5相同的方式使用粘合剂。在得到的集成产品中,如此布置在各个集成光学部件中的偏振光分离元件和全反射镜,使得相同元件均位于对角线位置上。如果结合集成产品描述,则对通过参考图12上面描述的切割步骤同时切出的集成光学部件,如此进行布置,使得光学部件的诸切割平面均位于相同的平面上。所以,在所得集成产品中两偏振光分离元件传输反射相同的偏振光束。另外,用作法拉第旋转器的磁性石榴石必需涂覆以对着粘合剂的AR涂层(防外射膜),虽然没有图示。
下一步,沿着图17中的切割线C5和C6在所得集成光学产品的两端进行切割和去除。在这个切割步骤中,类似实例5描述的切割步骤,切割平面限定在相对于偏振光分离元件5或6和全反射镜7或8成大约45度角。此外,类似上述实例5,对切割平面光学抛光,并在已经光学抛光的集成产品的所有四个表面施加着对空气的AR涂层。另外还可以使用在其一个表面上具有对着空气的AR涂层的玻璃板代替对着空气的AR涂层。于是得到图18示出的光学环行器原始元件9的透视图。
然后,沿着图19示出的多个切割线C7切割这样得到的光学环行器的原始元件9。这里,在切割线C7和相邻的切割线C7之间的间隙,也就是,切割线之间的间隙,要符合光学环行器的所希深度。通过这样一系列生产步骤,得到具有图2所示形状和尺寸的光学环行器。
依照从上面描述中可以理解的实例,生产本发明的光学环行器其方法简单,大批量生产,成本减少。再者,根据要求,这样生产的光学环行器还可以用作为光开关或光学隔离器。实例7:
图20是根据本发明的另一个光学环行器的较佳实例的侧视图。这里示出的光学环行器50基本上和参考图2描述的光学环行器10一样。不过,在这个实例的情况中,光输入/输出端口总共由三端组成,也就是,用第一光输入/输出端口51,第二光输入/输出端口52和第三光输入/输出端口53来代替从第一到第四光输入/输出端口的总共四端。第一光输入/输出端口51配备以夹在诸玻璃板54之间的全反射镜57,而第二光输入/输出端口52则配备以夹在玻璃板55之间的全反射镜58。在图示中,记号L1,L2和L3指出了入射和出射的光的通路。虽然没有示出,但在所有光输入/输出的端口,都对光输入/输出端口的表面施加有对着粘合剂的AR涂层。
在图示的光学环行器10中,所有的光输入/输出端口在一个平面上,尤其当把它用于形成***时,可以节省空间。另外,在该实例中,要求施加磁场的方向与参考图2所述光学环行器的情况相反。另外根据需要,光学环行器还可以用作为光开关或光学隔离器。实例8:
图21是参考图20所述本发明的光学环行器的修改实例的侧视图。在图示的光学环行器50中,三个光输入/输出端口的光输入/输出表面,也即第一光输入/输出端口51,第二光输入/输出端口52和第三光输入/输出端口53匹配以玻璃板56(为端口51和53共有)和59(用于端口52),在这些玻璃板的一个表面上施加加有对着空气的AR涂层来代替对着粘合剂AR涂层。
使用具有对着空气的AR涂层的玻璃板来代替对着粘合剂的AR涂层,对于防止光学特性的恶化是有效的。这是因为,当粘合剂用于粘合构件来通过整体地耦合由多层聚合物薄膜作成的偏振光分离元件,由多层聚合物薄膜作成的全反射镜和玻璃板而制备集成光学构件时,粘合剂必需能够经受住高温。否则,粘合剂层在直接施加对着粘合剂的AR涂层步骤中会形成缺陷,而所得的光学环行器可能会丧失性能。另外,构成偏振光分离元件和全反射镜的多层聚合物薄膜会遭受高温影响而失去性能。而与之相反,带有对着空气的AR涂层的玻璃板可在制作光学环行器的最后步骤附加至光学元件组合上且其性能不会将因高温而导致恶化。
若进一步描述的话,则起源于采用带有对着空气的AR涂层的玻璃板代替对着粘合剂的AR涂层这种改进也可以在前面描述的实例1到6中加以实现。
依照上面描述的本发明,提供了具有极好消光比的光路元件。此外,根据其中所引入磁场施加装置的选择可把光路元件以光学环行器或光开关形式提供。再者,按照本发明,使用由多层聚合物薄膜形成的偏振光分离元件和全反射镜使得通过容易而简单的生产方法并以低价大量生产光路元件成为可能。
Claims (11)
1.一种光路元件(10),包含有:两个偏振光分离元件(5,6),两个全反射镜(7,8),至少一块与光传播方向无关的偏振平面旋转元件(15),至少一块与光传播方向有关的偏振平面旋转元件(16),多个光输入/输出端口(1,2,3,4),和磁场施加装置;其特征在于,
所述偏振光分离元件和所述全反射镜由相同或不同的多层聚合物薄膜形成。
2.如权利要求1所述的光路元件,其特征在于,所述与光的传播方向无关的偏振平面旋转元件是法拉第旋转器(15)。
3.如权利要求2所述的光路元件,其特征在于,所述法拉第旋转器包括具有方形磁滞曲线的磁性石榴石。
4.如权利要求1到3中任一所述的光路元件,其特征在于,所述光路元件是光学环行器(50)。
5.如权利要求1到3中任一所述的光路元件,其特征在于,所述光路元件是光开关。
6.如权利要求5所述的光路元件,其特征在于,所述光开关是1∶2光开关或2∶2光开关,在这种情况下,所述磁场施加装置包括一由硬磁材料作的轭铁,它装备能够改变施加电流的方向并使所述偏振平面旋转元件的磁化反转的供电装置。
7.如权利要求5所述的光路元件,其特征在于,所述光开关是1∶2光开关或2∶2光开关,在这种情况下,所述磁场施加的装置包括一由软磁铁氧体作物的轭铁(24),它装备能够改变施加电流的方向亲使所述偏振平面旋转元件的磁化反转的供电装置(21)。
8.如权利要求1到7中任一所述的光路元件,其特征在于,所述偏振光分离元件之一和所述全反射镜之一通过***其间的玻璃板(12)而彼此相对,并且相互几乎平行地耦合成一整体。
9.如权利要求8所述的光路元件,其特征在于,所述偏振光分离元件,所述全反射镜和所述玻璃板用粘合剂结合在一起。
10.一种生产光路元件的方法,包括以下诸元件:组合两个偏振光分离元件,两个全反射镜,至少一块与光传播方向无关的偏振平面旋转元件,至少一块与光传播方向有关的偏振平面旋转元件,多个光输入/输出端口,和施加磁场的装置;其特征在于,
所述偏振光分离元件和所述全反射镜由相同或不同的多层聚合物薄膜形成;
所述偏振光分离元件之一和所述全反射镜之一通过***其间的玻璃板而彼此相对,并且几乎平行地耦合成一整体;
如此切割所得的集成光学构件,使得切割表面相对于所述偏振光分离元件的表面和所述全反射镜的表面保持大约45度的角度;
将切割后的集成光学构件同所述与光传播方向无关的偏振平面旋转元件和所述与光传播方向有关的偏振平面旋转元件相组合,由此形成集成光学部件。
11.如权利要求10所述生产光路元件的方法,其特征在于,把所述两个一起的集成光学构件,所述与光传播方向无关的偏振平面旋转元件和所述与光传播方向有关的偏振平面旋转元件结合在一起以形成集成光学部件的原始元件,如此切割这样得到的原始元件,使得切割平面相对于所述偏振光分离元件的表面和全反射镜的表面保持几乎45度角,以便同时形成许多个集成光学部件。
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