CN104969095B - 单片式线性玻璃偏光器和衰减器 - Google Patents
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Abstract
本文涉及一种元件，它能够同时充当光学偏光器和光学衰减器，从而将两种功能集成在单一元件中。所述元件包含：单片式或一片玻璃偏光器(本文也称作“基材”)；沉积在至少一个偏光器表面的多层“光衰减或光减弱”("LA")涂层，所述涂层已对选定波长和衰减的应用经过优化；以及所述LA涂层上的多层减反射(AR)涂层。本文还涉及集成式光学隔离器/衰减器，其包含第一和第二偏振元件以及置于第一偏振元件后、第二偏振元件前用于旋转光的法拉第旋转器，所述集成式光学隔离器/衰减器能使来自光源的光束偏振并衰减。
Description
优先权
本申请根据35 U.S.C.§119要求于2012年11月20日提交的的美国临时申请序列号61/728482的优先权，申请以该文为基础，该文的内容通过引用全文纳入本申请。
技术领域
本公开涉及集成式单片线性偏光器和衰减器，它是通过将两种不同的光学元件——偏光器和衰减滤光器——集成入既能偏光又能衰减的单一元件而制得。所述元件在波长为1275nm～1635nm范围内的近红外(NIR)下工作。
背景
电信设备同时使用衰减器和光学隔离器。衰减器可通过添加标定量的信号损失而用来临时测试功率水平，或可被永久性安装以正确匹配传送器和接收器功率水平。光纤通信系统需要一定量的光能来正常工作，但过多能量会导致各种问题。有些情况下需对功率加以限制，例如，当耦合器不能均匀分配信号或不能保护敏感设备时。衰减器去掉多余的光能，还可使通信系统中的信号水平降低至接收器能处理得最好的水平。这使得网络中的所有终端能够使用相同的传送器和接收器，即使它们之间传播的光经历不同的损失。添加衰减器还使得局域网络所有部分都能使用相同的终端设备。毗邻分配结点的终端接收的信号可能比该建筑中对向角处所接收的高20dB，而衰减器能够平衡功率水平。最常见且成本最低的衰减器是滤光器，其阻挡固定比例的入射光。这些衰减器安装在通信系统中以平衡功率水平，而且通常这些衰减器无需再次更换。
光学隔离器是用来避免背向反射和其它噪音到达通信系统中的敏感光学组件。它们充当单向通路，通信频率的光能够通过它们。光学隔离器的组成依序为：第一或输入偏光器，通常具有竖直偏光轴来增强对比度(contrast ration)并清理竖直偏振的入射光；法拉第旋转器，用以接收竖直偏振光并将其旋转45°；第二或输出偏光器，其偏光轴相对所述第一偏光器的偏光轴呈45°。自法拉第旋转器经过45°旋转的光完全通过所述第二偏光器，基本无损失地到达接收器，例如，光纤或分析器。如果接收器反射回送任何光，第二偏光器会将背向反射的光偏振45°，且法拉第旋转器会将来自第二偏光器的光再旋转45°。背向反射光离开旋转器时已变成水平偏振，并将被仅允许竖直偏振光通过的第一偏光器阻挡。因此，相对入射光以相反方向行进的任何反射光将被消除。光学隔离器是高性能系统中的重要组件，因为它们能阻挡以错误方向通过光纤行进的噪音。
目前尚没有单体的集成式元件能够同时实现这些任务，即，既充当光学衰减器又充当光学隔离器。本文提供了这种元件，和使用所述元件的设备。
发明内容
本文涉及一种元件，它能够同时充当光学偏光器和光学衰减器，从而将两种功能集成在单一元件中。所述元件包含：单片式或一片玻璃偏光器(本文也称作“基材”)，沉积在至少一个偏光器表面的多层“光衰减或光减弱”涂层LA，所述LA已对选定波长和衰减的应用经过优化，以及所述LA涂层上的多层减反射(AR)涂层，它们依序形成"基材/LA/AR"。所述LA涂层设计为通过降低入射光能的透射水平来减少或去除光学系统中的过量能量。所述AR涂层减少表面反射损失，改善对比并增强透过光学表面的透光率。偏振光学基材表面上LA和AR涂层的组合得到集成式的光学偏光器/衰减器，还能避免光学透射系统中的背向散射。
在一种实施方式中，LA和AR涂层是沉积在偏光器的一个表面上，而在另一种实施方式中，LA和AR涂层是沉积在偏光器的两个偏光表面上。在进一步的实施方式中，所述元件包含：玻璃偏光器，其至少一个偏光表面上沉积有SiO2涂层；沉积在SiO2涂层顶上的LA涂层，所述LA涂层已对选定波长和衰减经过优化；以及所述LA涂层表面上的减反射(AR)涂层，得到的整体序列为基材/SiO2/LA/AR。在另外的实施方式中，所述LA和AR涂层施加在偏光器的一个表面，而在第二表面仅施加AR涂层。
所述减反射(AR)涂层是多层涂层，包含高折射率材料H'和低折射率材料L'层的交替层体，所述H'的折射率大于1.7，所述L'的折射率小于或等于1.7。在进一步的实施方式中，在最后沉积的减反射涂层并非SiO2时，可在最后沉积的减反射涂层顶上加置SiO2密封或加盖层。光衰减涂层LA是由多层HL组成的多层涂层，其中H是高折射率材料而L是低折射率材料。在本文提供的实施例中，多层LA涂层包含ITO(氧化铟锡)、Si和Cr2O3，ITO层是沉积在偏振玻璃基材上的第一层，或者ITO层被沉积在SiO2层上，在将所述SiO2层沉积到偏振玻璃基材上之后沉积所述ITO层。所述元件的衰减可通过改变衰减材料层的厚度和/或数量来设置成任何需要的衰减水平。此外，衰减层得以沉积的顺序也可改变，例如，从本文举例的HL改为LH。
一方面，本文还设计用于通信频率的光学隔离器/衰减器设备，所述光学隔离器/衰减器包含法拉第旋转器，所述旋转器具有第一端和第二端，每一端处有偏光元件，至少一个所述偏光元件是单片式偏光/衰减元件。在一种实施方式中，光学隔离器/衰减器设备的两个偏光元件都是单片式偏光/衰减元件。
在一种实施方式中，本文的偏光器/衰减器，和采用此类偏光器/衰减器元件的光学隔离器在1275nm～1635nm的波长范围内工作。在另一种实施方式中，本文的偏光器/衰减器，和采用此类偏光器/衰减器元件的光学隔离器在600nm～1100nm的波长范围内工作。在另一种实施方式中，本文的偏光器/衰减器，和采用此类偏光器/衰减器元件的光学隔离器在1700nm～2000nm的波长范围内工作。在另一种实施方式中，本文的偏光器/衰减器，和采用此类偏光器/衰减器元件的光学隔离器在2000nm～2300nm的波长范围内工作。
附图简要说明
图1是具有集成的衰减功能的单片式玻璃偏光器的示意图，该元件包含玻璃偏光器10；无机光衰减涂层或LA涂层12，本文也称作衰减涂层或膜12，其已对所需衰减度(百分数)和入射光波长进行优化；和减反射涂层或膜14。
图2是显示所述集成式线性偏光器和衰减器的透射百分数对波长的图线，曲线20、22、24、26、28和30分别显示0、1、1.5、2.0、2.5和3.0dB衰减下的结果。
图3显示具有非衰减、4层AR涂层的偏光器的光谱反射率。
图4显示具有4层、15％衰减LA涂层并在LA涂层上有4层AR涂层的偏光器的光谱反射率。
图5显示具有4层、15％衰减LA涂层并在LA涂层上有4层AR涂层的偏光器的吸光率。
图6显示具有4层LA、24％衰减涂层并在LA涂层上有4层AR涂层的偏光器的光谱反射率。
图7显示具有4层、24％衰减LA涂层并在LA涂层上有4层AR涂层的偏光器的吸光率。
图8显示在Polarcor基材(也称"Polarcor sub")上有5层15％吸光AR涂层的光谱反射率(Rx)和透光率(Tx)，忽略后侧影响且波长范围是620nm～650nm。所述15％吸光LA/AR涂层设计为Polarcor sub，225nm ITO，135nm Cr2O3，232nm SiO2，93nm Nb2O5，333nm SiO2，空气。
图9显示在Polarcor基材上有5层24％吸光AR涂层的反射率(Rx)和透光率(Tx)，忽略后侧影响且波长范围是620nm～650nm。所述24％吸光LA/AR涂层设计为Polarcor sub，229nm ITO，79nm Cr2O3，213nm SiO2，101nm Nb2O5，326nm SiO2，空气。
图10显示在Polarcor基材上有5层15％吸光AR涂层的光谱反射率(Rx)和透光率(Tx)，忽略后侧影响且波长范围是780nm～820nm。所述15％吸光LA/AR涂层设计为Polarcorsub，309nm ITO，280nm Cr2O3，287nm SiO2，167nm Nb2O5，390nm SiO2，空气。
图11显示在Polarcor基材上有5层24％吸光AR涂层的光谱反射率(Rx)和透光率(Tx)，忽略后侧影响且波长范围是780nm～820nm。所述24％吸光LA/AR涂层设计为Polarcorsub，347nm ITO，551nm Cr2O3，239nm SiO2，129nm Nb2O5，392nm SiO2，空气。
图12显示在Polarcor基材上有5层15％吸光AR涂层的光谱反射率(Rx)和透光率(Tx)，忽略后侧影响且波长范围是1010nm～1110nm。所述15％吸光LA/AR涂层设计为Polarcor sub，455nm ITO，477nm Cr2O3，319nm SiO2，162nm Nb2O5，526nm SiO2，空气。
图13显示在Polarcor基材上有5层24％吸光AR涂层的反射率(Rx)和透光率(Tx)，忽略后侧影响且波长范围是1010nm～1110nm。所述24％吸光LA/AR涂层设计为Polarcorsub，666nm ITO，1010nm Cr2O3，36nm SiO2，546nm Nb2O5，574nm SiO2，空气。
图14显示的偏光器/衰减器元件包含偏光器80，其在偏光器80的前侧表面F施加有本文所述的吸光LA/AR涂层82，在偏光器80的后侧表面B施加有(仅)AR涂层84。
详细描述
在以下详细描述中，为了提供对本发明实施方式的透彻理解，陈述了许多具体的细节。但是，对本领域技术人员显而易见的是，可以实施本发明的实施方式而无需其具体细节中的一些或全部。在其他情况中，可能没有详细描述众所周知的特征或工艺以免不必要地含糊本发明。此外，类似或相同的附图编号可用于标识相同或类似的元件。
本文中术语"基材"、"偏光基材"和"Polarcor sub"用来定义本身为光学偏光器的任何玻璃或玻璃元件。此类玻璃偏光器从许多来源市售可得。本文中市售可得的光学偏光器(康宁公司，纽约州康宁)用作制备本文所述集成式偏光和衰减光学元件的示例性基材。同样在本文中，提及施加在单片式线性玻璃偏光器上的涂层时，所述涂层及多层涂层的单独层体附着于所述偏光玻璃、此前施加的涂层或多层涂层中此前施加的层体，而在所述偏光器和涂层间、涂层的层体间或相邻涂层间不用任何粘合材料或层间材料。粘合材料通常是接合多个物品的液体或半液体并需要通过蒸发溶剂或通过粘合剂的两种或更多组分之间的化学反应来固化(硬化)－示例有胶和环氧树脂。层间材料通常是无需固化就能将两种不同物品保持或接合在一起的聚合材料-双面胶带为一例。此外，本文中术语"金属氧化物"指由一种金属与氧组成的氧化物，例如Cr2O3、Al2O3、GeO2等等，以及混合金属氧化物指由至少两种金属与氧组成的氧化物，例如氧化铟锡和SrTiO3。
本文所述的设备涉及的元件具有集成的偏光和衰减功能，并可在联合法拉第旋转器时用于制备集成式光学隔离器/衰减器。光学隔离器利用光学偏光器联合法拉第旋转器来在通信系统中降低或消除背向反射。本文所用的光学偏光器类型是分类为单片式吸光型玻璃偏光器，它们针对与通信有关的波长进行过优化。光学偏光器在本领域有充分描述，例如美国专利7648656、7510989和7461488描述了制备含有不同金属的光学偏光器。可用来制备光学偏光器的金属包括银、铜和铜/镉，以及额外金属如铂、钯、金和其它金属。例如，日本专利申请公开2009-217176A和2009-217177A记载了制备偏光器和制备光学隔离器，例如用于光学通信的尾纤(pig-tail)型隔离器，这些隔离器包含法拉第旋转器和在所述法拉第旋转器任意端的偏光元件。
目前，为了衰减通信传送激光二极管发出的光学信号，使用可变光衰减器VOA(variable optical attenuator)或其它光学组件。本文记载了能同时使光偏振并衰减的元件，制备该元件的方法，和能够在实现所需固定衰减的同时还充当光学隔离器的设备。在偏振相关隔离器("PDI")中，光学偏光器元件被用作隔离器的输入和输出偏光器。按本文所述，所需衰减是通过将无机光衰减(LA)涂层置于至少一个偏光器表面之上，并将减反射(AR)涂层置于该无机LA涂层之上来实现的。在本文所述的偏光/衰减设备中，偏光器可用作光学隔离器的输入(0度偏振或竖直轴)元件或输出(45度偏振)元件。在一种实施方式中，在1275-1635nm波长范围的衰减量是在大于0dB到3dB范围内。在另一种实施方式中，在1275-1635nm波长范围的衰减量可在0.5dB到3dB范围内。本文所述的衰减和减反射设计概念也能通过利用本文公开的教导相应改变LA涂层和AR涂层而应用于其它波长范围。例如，所述设计可用于波长范围600-1100nm、1700-2000nm和2000-2300nm。这些范围内的偏光器/衰减器元件也可用于光学隔离器。
图1显示具有集成式功能的光学元件的结构，该元件用于偏振/解析入射偏振光并以所需衰减使之减弱。无机膜可以通过任何常规沉积方法沉积到偏光器上。图1的制品包含偏光器10，AR涂层14，和偏光器10与AR涂层14之间的LA膜12。所述LA涂布膜12针对所需的衰减度和波长有优化。
为了实现针对激光二极管工作波长范围的所需衰减，LA涂层可针对沉积到偏光器一侧而设计并优化，或可针对沉积到偏光器两侧而设计并优化。利用此类元件，偏振相关隔离器可实现功能上的集成，即，成为“隔离器加衰减器”。图2显示集成式线性偏光器相对于波长光谱的典型模拟透射百分数，衰减0、1、1.5、2、2.5和3.0dB的情形分别各自显示为曲线20、22、24、26、28和30，标于右侧。不同的衰减依赖于偏光器上施加的衰减涂层的厚度和衰减涂层的组成。
图3显示基材上仅具有非衰减4层AR涂层且没有衰减涂层的偏光器的光谱反射率。这一带AR涂覆的偏光器用作具有AR涂层但无衰减涂层的偏光器的基线示例。由基材开始直至以空气结束，所设计的AR涂层为：(1)基材，和(2)AR涂层：51nm Nb2O5、56nmSiO2、248nm Nb2O5、236nm SiO2，空气。具有LA/AR衰减/减反射的偏光器将与此例作比较。未施用加盖层，因为所述AR涂层的最后一层是SiO2。
图4显示具有8层15％衰减涂层的偏光器/衰减器元件的光谱反射率，所述8层包括4层LA涂层和所述LA涂层上的4层AR涂层。所述15％吸收偏光器/衰减器元件的总体涂层设计由基材开始为：(1)基材，(2)多层LA涂层：317nm ITO、22nm Si、67nm Cr2O3、177nm Si，和(3)多层AR涂层：545nm Nb2O5、100nm SiO2、111nm Nb2O5、310nm SiO2，空气，其中ITO是氧化铟锡。未施用加盖层，因为所述AR涂层的最后一层是SiO2。
图5显示具有8层15％衰减涂层的偏光器/衰减器元件的光谱吸光率，所述8层包括4层LA涂层和所述LA涂层上的4层AR涂层。所述15％偏光器/衰减器元件的总体涂层设计与图4所示相同，由基材开始为：(1)基材，(2)多层LA涂层：317nm ITO、22nm Si、67nm Cr2O3、177nm Si，和(3)多层AR涂层：545nm Nb2O5、100nm SiO2、111nm Nb2O5、310nm SiO，空气，其中ITO是氧化铟锡。未施用加盖层，因为所述AR涂层的最后一层是SiO2。
图6显示具有8层24％衰减涂层的偏光器/衰减器元件的光谱反射率，所述8层包括4层LA涂层和4层AR涂层。所述24％偏光器/衰减器元件的总体涂层设计由基材开始为：(1)基材，(2)多层LA涂层：535nm ITO、21nm Si、120nm Cr2O3、244nm Si，和(3)AR涂层：539nmNb2O5、188nm SiO2、62nm Nb2O5、369nm SiO2，空气，其中ITO是氧化铟锡。未施用加盖层，因为所述AR涂层的最后一层是SiO2。
图7显示具有8层24％吸光涂层的偏光器/衰减器元件的光谱吸光率，所述8层包括4层LA涂层和所述LA涂层上的4层AR涂层。所述24％吸光涂层的总体涂层设计与图6所示相同，由基材开始为：(1)基材，(2)多层LA涂层：535nm ITO、21nm Si、120nm Cr2O3、244nm Si，和(3)多层AR涂层：539nm Nb2O5、188nm SiO2、62nm Nb2O5、369nm SiO2，空气，其中ITO是氧化铟锡。未施用加盖层，因为所述AR涂层的最后一层是SiO2。
图8-13显示其它偏光器/衰减器元件的光谱反射率和透光率，忽略后侧影响。"后侧影响(backside effect)"指在最远离光线进入偏光器/衰减器元件处的表面上发生的反射。图8-13排除后侧影响的原因在于确定并显示工程改造的吸光LA/AR涂层施加至前侧表面的实际效果，前侧表面是光线进入偏光器/衰减器元件的地方。后侧反射可以通过在偏光器后侧施加AR涂层或通过施涂本文前述吸光LA/AR涂层来消除。图14中的元件举例说明了偏光器/衰减器元件，它包含偏光器80，其在偏光器80的前侧表面F施加有本文所述的吸光LA/AR涂层82，在偏光器80的后侧表面B施加有(仅)AR涂层84。光线hν照射到吸光LA/AR涂层82前侧表面，在该处被涂层82衰减。该光线随后通过偏光器80，在该处被偏振，偏振光随后通过偏光器80的后侧表面B，该处可以施加有AR涂层84。在图14中，数字86表示可能自前侧表面F反射的任何光线，而数字88指示自后侧表面B反射的任何光线。因此，利用本文的教导，技术人员能够制备如下偏光器/衰减器：在偏光器80的一个或两个表面具有LA/AR涂层，或在偏光器80的前侧表面具有LA/AR涂层而在偏光器80的后侧表面仅具有AR涂层。
图8显示在Polarcor基材(也称"Polarcor sub")上有5层15％吸光AR涂层的光谱反射率和透光率，忽略后侧影响且波长范围是620nm～650nm。所述15％吸光LA/AR涂层设计为Polarcor sub，225nm ITO，135nm Cr2O3，232nm SiO2，93nm Nb2O5，333nm SiO2，空气。
图9显示在Polarcor基材上有5层24％吸光AR涂层的光谱反射率和透光率，忽略后侧影响且波长范围是620nm～650nm。所述24％吸光LA/AR涂层设计为Polarcor sub，229nmITO，79nm Cr2O3，213nm SiO2，101nm Nb2O5，326nm SiO2，空气。
图10显示在Polarcor基材上有5层15％吸光AR涂层的光谱反射率和透光率，忽略后侧影响且波长范围是780nm～820nm。所述15％吸光LA/AR涂层设计为Polarcor sub，309nm ITO，280nm Cr2O3，287nm SiO2，167nm Nb2O5，390nm SiO2，空气。
图11显示在Polarcor基材上有5层24％吸光AR涂层的光谱反射率和透光率，忽略后侧影响且波长范围是780nm～820nm。所述24％吸光LA/AR涂层设计为Polarcor sub，347nm ITO，551nm Cr2O3，239nm SiO2，129nm Nb2O5，392nm SiO2，空气。
图12显示在Polarcor基材上有5层15％吸光AR涂层的光谱反射率和透光率，忽略后方影响且波长范围是1010nm～1110nm。所述15％吸光LA/AR涂层设计为Polarcor sub，455nm ITO，477nm Cr2O3，319nm SiO2，162nm Nb2O5，526nm SiO2，空气。
图13显示在Polarcor基材上有5层24％吸光AR涂层的光谱反射率和透光率，忽略后侧影响且波长范围是1010nm～1110nm。所述24％吸光LA/AR涂层设计为Polarcor sub，666nm ITO，1010nm Cr2O3，36nm SiO2，546nm Nb2O5，574nm SiO2，空气。
尽管有不同方法可用于制备本文所述的集成式隔离器/衰减器，必须满足的一个要求是：在衰减涂层和减反射涂层的沉积期间，基材的温度必须保持低于偏光玻璃基材中的金属粒子会复球化(respheroidize)的温度。偏光器中的金属粒子是伸长型的，并且如果它们被加热至过高的温度，那么这些粒子会收缩和/或成为球形粒子(复球化)而不是保持为伸长型粒子。若发生这一现象，那么玻璃的偏光特性会减弱，或者完全丧失。发生这一现象的温度会根据存在于玻璃中并赋予玻璃以偏光特性的具体金属粒子或金属粒子混合物而有不同。例如，若偏振金属是银、铜或铜/镉，在涂层材料沉积过程中的基材温度应低于400℃。在另一实施方式中，涂层沉积温度低于350℃。在又一实施方式中，涂层沉积温度低于300℃。所述偏振金属选自银、铜或铜/镉。在偏光器的一种实施方式中，在含有选自银、铜或铜/镉的偏振金属之外，还含有选自如铂、钯、锇、铱、铑或钌的贵金属，正如美国专利号7,468,148和7,5110,989所述，按零价金属所测贵金属的存在量在0.0001wt.％～0.5wt.％范围内。玻璃中的偏振金属粒子会收缩或复球化的温度可以在涂覆过程前通过加热玻璃偏光器并观察发生收缩和/或复球化的温度来实验测定。该过程一定程度上与时间和温度都有关。例如，当偏光器被加热到500℃时，收缩/复球化会在数分钟内发生。在400℃的温度下，这一时间大概是1小时或更久。
衰减和减反射涂层都可以通过本领域已知的物理和化学蒸气沉积法施加。可用单一方法来施加两种涂层，或在必要时可用不同的方法来施加不同的涂层。沉积衰减LA涂层和AR涂层的完成可以运用或不用掩模。若使用掩模，它可以是常规掩模、反向掩模或部分掩模，其描述可见美国专利7,465,681和专利申请号2009/0297812，也分别描述了反向掩模和部分掩模的应用。美国专利7,465,681和专利申请号2009/0297812中描述了一些示例性的沉积方法，也分别描述了反向掩模和部分掩模的应用。这些方法包括：
(1)常规沉积(Conventional deposition，CD)，其中在将要被沉积涂层的基材的存在下，待沉积的材料在真空中通过电阻加热或电子轰击被加热至熔融状态。熔融时，发生材料的蒸发并将涂料沉积到基材上。该方法中，基材通常被加热。但总体而言，该方法通常不太适于制备通信设备。
(2)离子辅助沉积(Ion-Assisted Deposition，IAD)与CD法类似，但具有如下额外特征：被沉积的涂料在沉积过程中被惰性气体的高能离子如氩离子轰击，在通常需要氧化物涂层来改善涂层计量学的情形中还加上离子化氧。轰击的作用是传递足够的动量给正被沉积的涂料以克服表面能，提供表面移动性并产生致密光滑的涂层。该方法的一个优势是很少或者无需基材加热。
(3)离子束溅射(Ion Beam Sputtering，IBS)，该方法中高能离子束(例如，500eV～1000ev范围的氩离子)被导向目标材料，通常是氧化物材料。冲击时转移的动量足以将目标材料溅射至基材，使之在基材上沉积为光滑、致密的涂层。但是，该方法也有限制其应用性的缺陷，例如(a)基材整个表面的沉积均匀性会是限制产品质量的一个问题；(b)随着目标被侵蚀，所沉积涂层的均匀性会变化；以及(c)轰击能量相对高，会导致所沉积膜的解离。
4)等离子体离子辅助沉积(Plasma Ion Assisted Deposition，PIAD)，这类似于IAD，但通过低电压但高电流密度的等离子传递动量给沉积涂料。通常偏压在90-160V范围内，且电流密度在mA/cm2范围内。
沉积衰减LA涂层和AR涂层的完成可以运用或不用掩模。此外，沉积涂料层体的完成可以在单独层体的沉积期间或之后有或没有等离子体辅助。此外，在形成氧化涂层的时候，可在沉积过程中使用含氧等离子体以确保所沉积的氧化材料不欠缺氧。但是，当多层衰减涂层中所用材料之一是Si(0)或单纯的Si时，沉积该Si层体时所用的任何等离子体中都不应有氧。当金属氧化物被沉积到所述Si层体之上时，金属氧化物沉积过程中氧可渗入系统，如下文进一步详述。
本文的衰减涂层是多层式的涂层，涂覆材料选自下组：折射率"n"大于1.7的金属或混合金属氧化物材料，L层体和硅，Si或Si(0)，所有所述金属氧化物和硅都具有非零的消光系数。在一种实施方式中，衰减涂层中至少一层所述金属或混合金属氧化物材料具有大于2.0的折射率。在另一实施方式中，衰减涂层中至少一层所述金属或混合金属氧化物材料具有大于2.1的折射率。n大于约3.4的硅被用来形成所述衰减涂料。当Si被用作衰减涂层材料时，它是在Si沉积步骤中不使用任何氧或含氧等离子体的情况下沉积的，等离子体被用来使被沉积的膜光滑并致密化，如前述美国专利7,465,681和专利申请号2009/0297812所示。Si被沉积在含氧材料(如本文实施例中的ITO)之上。在Si沉积过程中应当仅使用氩或其它惰性气体等离子体。随着Si被置于氧化物材料之上，所沉积Si的最初少许原子层与接受沉积的氧化物材料(例如，玻璃偏光器基材，沉积在偏光器表面的SiO2膜，或者金属或混合金属氧化物)表面处存在的氧原子形成Si-O键。一旦沉积表面被Si覆盖，不再能够有Si-O键形成，而Si层被累积直至达到设计参数。在Si层被沉积后，氧化物材料MO可被沉积到该Si层之上。随着该氧化物材料被沉积，其与Si层表面的Si原子反应，在表面形成Si-O-M键，M是指所沉积的氧化物中的金属。一旦在Si层上已沉积少许原子层的氧化物材料，就不再形成Si-O-M键。
所述衰减涂层是多层式涂层，用具有不同折射率和消光系数的至少两种不同材料形成，一种材料是高折射率材料H而另一种是低折射率材料L。H材料是Si而L材料是金属或混合金属氧化物，其折射率n大于1.7且消光系数大于0.001。在进一步的实施方式中，多层衰减涂层中至少一种L材料的折射率大于2.1且消光系数大于0.001。多层衰减涂层中的H材料是Si，折射率大于3.4且消光系数大于0.001。可用于形成衰减涂层的示例性L材料包括氧化铟锡(ITO)、Cr2O3、ZnO、Nb2O5和GeO2。ITO层的厚度在250nm～600nm范围内。Si(0)层的厚度在20nm～700nm范围内，而Cr2O3、ZnO、Nb2O5和GeO2层的厚度在20nm～200nm范围内。所述衰减涂层的总体厚度在300nm～1500nm范围内。
所述减反射涂层是多层氧化物涂层，包含n大于1.7的高折射率("n")材料H'和n小于或等于1.7的低折射率材料L'的交替层体。所述高折射率AR涂层材料选自下组：ZrO2、HfO2、Ta2O5、Nb2O5、TiO2、Y2O3、Sc2O3、Si3N4、SrTiO3和WO3。低折射率AR涂层材料选自下组：SiO2、熔凝石英、掺氟SiO2(F-SiO2)，和Al2O3以及氟化物MgF2、CaF2、BaF2、YbF3、YF3。若AR涂层最后沉积的层体不是SiO2，那么可在最后沉积的层体上加置SiO2密封层或加盖层。高折射率层体的厚度在50nm～700nm范围内。低折射率层体的厚度在75nm～500nm范围内。所述AR涂层的总体厚度在700nm～1500nm范围内。在使用SiO2加盖层时，该加盖层的厚度在25nm～150nm。一对高折射率层体和低折射率层体是一个涂覆周期，且所述AR涂层包含至少一个周期到2-20范围内的多个周期；因此，AR涂层周期的数量为1-20。
因此，本文的一方面涉及集成的单片式线性偏光器/衰减器元件，其包含在其中具有偏振粒子的玻璃偏光器，沉积在所述玻璃偏光器至少一个表面上的多层衰减涂层和沉积在所述衰减涂层上的多层减反射涂层。在玻璃偏光器中的偏振粒子选自银、铜和铜/镉。在一种实施方式中，所述玻璃偏光器还包含选自铂、钯、锇、铱、铑或钌的贵金属，按零价金属所测所述贵金属的存在量在0.0001wt.％～0.5wt.％范围内。由所述偏光器/衰减器元件在1200-1635nm波长范围内所能得到的衰减为大于0dB到3dB范围内。
所述多层减反射涂层包括多个周期的H'L'，其中H'是折射率大于1.7的金属氧化物材料而L'是折射率低于1.7的金属氧化物材料。所述高折射率材料选自下组：ZrO2、HfO2、Ta2O5、Nb2O5、TiO2、Y2O3、Sc2O3、Si3N4、SrTiO3和WO3。所述低折射率材料选自下组：SiO2、掺氟SiO2(F-SiO2)，和Al2O3以及氟化物MgF2、CaF2、BaF2、YbF3、YF3。
本文的另一方面涉及集成式光学隔离器/衰减器，其包含：
第一和第二偏振元件以及置于第一偏振元件后、第二偏振元件前用于旋转光的法拉第旋转器，所述集成式光学隔离器/衰减器能使来自光源的光束偏振并衰减；
所述偏振元件中的至少一个偏振元件是包含玻璃偏光器的单片式玻璃偏光器/衰减器元件，在玻璃偏光器上沉积有多层衰减涂层，并在衰减涂层上沉积有多层减反射涂层；
第二偏振元件的偏振轴偏离第一偏振元件的偏振轴，偏离度数为光被法拉第旋转器旋转的度数；以及
所述光学隔离器/衰减器衰减入射光的量为大于0dB到3dB。
所述集成式光学隔离器/衰减器的衰减在0.5dB到3dB范围内，并在1275～1635nm波长范围内工作。相同的设计概念可通过相应改变LA涂层和AR涂层来应用于其它感兴趣的波长范围。多层衰减涂层材料是至少两种材料，选自折射率大于2的金属氧化物和混合金属氧化物以及硅，且衰减涂层的总厚度在300nm～1500nm。所述多层减反射涂层包括多个周期的H'L'，其中H'是折射率大于1.7的金属氧化物材料而L'是折射率低于1.7的金属氧化物材料，且所述减反射涂层的总厚度在700nm～1500nm。所述高折射率材料选自下组：ZrO2、HfO2、Ta2O5、Nb2O5、TiO2、Y2O3、Sc2O3、Si3N4、SrTiO3和WO3。所述低折射率材料选自下组：SiO2、掺氟SiO2，和Al2O3以及氟化物MgF2、CaF2、BaF2、YbF3、YF3。
本文的另一方面涉及制备集成的单片式线性偏光器/衰减器元件的方法，其包括：
提供单片式线性玻璃偏光器，其中含有伸长态金属偏振粒子；
在所述玻璃偏光器的至少一个表面上沉积多层衰减涂层，所述衰减涂层包含折射率大于2的至少两种不同涂层材料；以及
在所述衰减涂层上沉积多层减反射涂层，所述减反射涂层包含至少一个周期的H'L'，其中H'是折射率大于1.7的高折射率材料而L'是折射率小于或等于1.7的低折射率材料，
其中在所述衰减涂层和减反射涂层的沉积过程中，玻璃偏光器的温度低于偏振玻璃基材中的金属粒子会收缩或复球化的温度。
该方法中，沉积衰减涂层指沉积衰减涂层材料的多层涂料，所述材料选自：折射率n≥3.4的硅和折射率大于1.7的金属氧化物和混合金属氧化物；而沉积减反射涂层指沉积多个周期的H'L'，其中H'是折射率大于1.7的金属氧化物材料而L'是折射率小于1.7的金属氧化物材料。所述多层衰减涂层包括厚度在250nm～600nm的ITO层，厚度在20nm～200nm的Cr2O3层，和至少一层厚度在30nm～700nm的硅层；而所述多层减反射涂层包括多个周期的H'L'，其中H'选自ZrO2、HfO2、Ta2O5、Nb2O5、TiO2、Y2O3、Sc2O3、Si3N4、SrTiO3和WO3，而L'选自SiO2、掺氟SiO2和Al2O3。
尽管已经用有限数量的实施方式描述了本发明，但是本领域技术人员得益于本发明的公开，会理解能设计出其他的实施方式而不偏离本文所揭示的本发明范围。因此，本发明的范围应仅由所附权利要求书限定。
Claims (10)
1.一种集成的单片式线性偏光器/衰减器元件，其包含在其中具有偏振粒子的玻璃偏光器，沉积在所述玻璃偏光器至少一个表面上的多层光衰减(LA)涂层和沉积在所述光衰减涂层上的多层减反射(AR)涂层；
所述光衰减(LA)涂层包含多层高折射率材料H和低折射率材料L，L选自非零吸光且折射率大于1.7的金属氧化物和混合金属氧化物，而H是硅；以及
所述减反射(AR)涂层包括多个周期的H'L'，其中H'是n大于1.7的高折射率材料而L'是n小于或等于1.7的低折射率材料；
所述元件在1275-1635nm波长范围内具有大于0dB到3dB范围内的衰减；并且
所述偏振粒子选自银、铜和镉。
2.如权利要求1所述的集成的单片式线性偏光器/衰减器元件，其中所述玻璃偏光器还包含选自铂、钯、锇、铱、铑和钌的贵金属，按零价金属所测所述贵金属的存在量在0.0001wt.％～0.5wt.％范围内。
3.如权利要求1所述的集成的单片式线性偏光器/衰减器元件，其中在1275-1635nm波长范围内所述衰减为0.5dB到3dB。
4.如权利要求1所述的集成的单片式线性偏光器/衰减器元件，其中所述光衰减(LA)涂层的低折射率材料L选自ITO、Cr2O3、ZnO、Nb2O5和GeO2，且至少一种所述光衰减(LA)涂层的低折射率材料L的折射率大于2。
5.如权利要求1所述的集成的单片式线性偏光器/衰减器元件，其中：
所述减反射(AR)涂层的高折射率材料H'选自：ZrO2、HfO2、Ta2O5、Nb2O5、TiO2、Y2O3、Si3N4、SrTiO3和WO3，以及
所述减反射(AR)涂层的低折射率材料L'选自：SiO2、掺氟SiO2(F-SiO2)和Al2O3以及氟化物MgF2、CaF2、BaF2、YbF3、YF3。
6.一种集成式光学隔离器/衰减器，其包含第一和第二偏振元件以及置于第一偏振元件后、第二偏振元件前用于旋转光的法拉第旋转器，所述集成式光学隔离器/衰减器能使来自光源的光束偏振并衰减；
所述偏振元件中的至少一个偏振元件是包含玻璃偏光器的单片式玻璃偏光器/衰减器元件，在玻璃偏光器上沉积有多层光衰减(LA)涂层并在所述光衰减(LA)涂层上沉积有多层减反射(AR)涂层；
第二偏振元件的偏振轴偏离第一偏振元件的偏振轴，偏离度数为光被法拉第旋转器旋转的度数；以及
所述光学隔离器/衰减器衰减入射光的量为大于0dB到3dB；
其中：
所述多层光衰减(LA)涂层材料包含高折射率材料H和至少一种低折射率材料L，选自硅的材料作为H，而选自折射率大于1.7且具有非零消光系数的金属和混合金属氧化物的材料作为L，且所述光衰减涂层的总厚度为300nm～1500nm；并且
所述多层减反射(AR)涂层包括多个周期的H'L'，其中H'是折射率大于1.7的金属氧化物材料、SrTiO3或Si3N4而L'是折射率低于1.7的金属氧化物材料，且所述减反射涂层的总厚度在700nm～1500nm，且
所述隔离器/衰减器在1275～1635nm波长范围内工作。
7.如权利要求6所述的集成式光学隔离器/衰减器，其中L选自ITO、Cr2O3、ZnO、Nb2O5和GeO2，且至少一种光衰减(LA)涂层的低折射率材料L的折射率大于2。
8.如权利要求7所述的集成式光学隔离器/衰减器，其中所述减反射(AR)涂层的高折射率材料H'选自：ZrO2、HfO2、Ta2O5、Nb2O5、TiO2、Y2O3和WO3；且
所述减反射(AR)涂层的低折射率材料L'选自：SiO2、掺氟SiO2(F-SiO2)和Al2O3以及氟化物MgF2、CaF2、BaF2、YbF3、YF3。
9.一种制备集成的单片式线性偏光器/衰减器元件的方法，其包括：
提供单片式线性玻璃偏光器，其中含有伸长态金属偏振粒子；
在所述玻璃偏光器的至少一个表面上沉积多层无机光衰减涂层LA，其包含至少一个硅层作为高折射率层H和至少一层折射率大于1.7的氧化物作为低折射率层L，所述氧化物选自金属和混合金属氧化物；以及
在所述光衰减涂层上沉积多层减反射涂层，所述减反射涂层包含至少一个周期的H'L'，其中H'是折射率大于1.7的高折射率材料而L'是折射率小于或等于1.7的低折射率材料，由此形成集成的单片式线性偏光器/衰减器元件，该元件在1275～1635nm波长范围内以大于0dB到3dB的量衰减入射光；
其中在所述光衰减涂层和减反射涂层的沉积过程中，玻璃偏光器的温度低于偏振玻璃基材中的金属粒子会收缩或复球化的温度。
10.如权利要求9所述的方法，其中所述多层光衰减涂层包括厚度在250nm～600nm的ITO层，厚度在20nm～200nm的Cr2O3层，和至少一层厚度在20nm～700nm的硅层；以及
所述多层减反射涂层包括多个周期的H'L'，其中H'选自ZrO2、HfO2、Ta2O5、Nb2O5、TiO2、Y2O3、Si3N4、SrTiO3和WO3，而L'选自SiO2、掺氟SiO2和Al2O3以及氟化物MgF2、CaF2、BaF2、YbF3和YF3。
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