CN1213086A - 防反射、传输和散射的光学媒质吸收性涂层 - Google Patents

Abstract

入射在一光学元件表面上的漫射光是被吸收的而不是反射、散射或传输的、一层光吸收材料放置在该表面上,涂层的光学元件安装在固定件上。吸收层有一层折射率n_L和一消光系数k。固定件具有固定件折射率n_m,吸收层具有层折射率n_L和一消光系数k,使得从光学元件内入射在吸收层上的选定光波长的光被吸收,而不是反射的。

Description

防反射、传输和散射的光学媒质吸收性涂层

本发明总的涉及光学媒质的涂层，尤其是光纤旋转传感器系统的集成光学元件的涂层。更具体地说，本发明涉及一种集成光学芯片的涂层，这种芯片包括光波导，以吸收漫射光，并防止它从芯片表面反射到波导的输出面。

光纤旋转传感器的一较佳结构包括一置于光源与传感线圈之间的多功能集成光学芯片(MIOC)。MIOC包括由诸如铌酸锂的光激活材料所形成的基片。基片的上表面部分加上涂料，以形成光波导。光纤把光导向MIOC,MIOC通常还包括诸如调相器、偏振器、Y耦合器等等，它们用于形成光纤旋转传感器系统。

在光纤旋转传感器结构中，MIOC用作一高消光比(ER)偏振器。精确的旋转测量要求只传播和分析一种偏振状态。由一种以上的偏振状态所引起的误差称为偏振非互易(PNR)(polarization non-reciprocity)误差。理想的是，MIOC波导传送无横磁(TM)偏振光，因为波导的折射率过分(index excess)对于偏振元件是消极的。为了使MIOC作为一高消光比偏振器，还必需控制从基片底部反射到波导输出面的散射TM偏振光。这种漫射光使ER减少。这种漫射光的主要成份是一种在导向的底部中心反射，然后对称地反射到输出面的一种。对于一54毫米长、2毫米厚的MIOC基片，这种成份具有一85.8°的入射角。

本发明提供一种改进的MIOC结构。本发明的MIOC的消光比比现有技术的MIOC装置的消光比要大。

提高的消光比是通过吸收而不是反射、散射或传输在MIOC基片的与形成光波导的表面相对的一侧入射的漫射光组分来实现的。该漫射光被附着到MIOC上的吸收层所吸收。

本发明的涂层，对于具有环境折射率n_A的光学元件中的一光波长λ，它是减反射和吸收层，与一具有固定件折射率n_m的固定件相邻。在一光学元件上形成一吸收层。该吸收层具有一层折射率n_L和一消光系数k。吸收层涂层在光学元件的底表面上，该光学元件是环境媒质。固定件有一折射率n_m，吸收层有一折射率n_L和消光系数k，这样，从光学元件之内入射到吸收层的所选定的光波长被吸收，而不是反射。

固定件最好包括固定件折射率n_m约为1.46的SiO₂，吸收层包括层折射率n_L约为6.3和消光系数k约为1.0的SnTe。吸收层的光学厚度约是选定波长的1/4。

吸收层也可选择多层叠堆的介电材料。每一层的厚度约是波长的四分之一。叠堆是由所选定的高折射率n_高和低折射率n_低的交替层所形成，从而对选定的光波长能实现吸收和减反射。

图1是一简化的MIOC的俯视图；

图2是图1的MIOC的正视图；

图3A是本发明的MIOC的正视图，其吸收层贴近MIOC的底面；

图3B是可用来替代图3A的单吸收层的多层叠堆的正视图；

图4示意性地示出了一光纤旋转传感器，它包括一具有本发明光学涂层的MIOC；

图5用曲线示出了作为本发明一MIOC的入射角函数的反射误差，该MIOC包括形成在LiNbO₃基片上的SnTe和SiO₂层；

图6用曲线示出了作为吸收层厚度函数的图4的MIOC的反射误差，厚度用偏离一较佳标称厚度的百分比表示；

图7用曲线示出了作为吸收层折射率函数的图4的MIOC反射误差，折射率用偏离较佳的折射率标称值的百分比表示；以及

图8用曲线示出了作为吸收层消光系数的函数的图4的MIOC的反射误差，吸收层消光系数用偏离较佳的标称消光系数的百分比表示。

如图1和2所示，一简化的MIOC10包括一最好由LiNbO₃组成的光学元件12。根据众所周知的工艺在基片12的一部分上涂上涂料，从而在基片12上形成多个波导14-16。三个波导14-16相交形成一Y耦合器18。

光纤20-22分别对接耦合于光波导14-16。在一图4所示的光纤旋转传感器系统29中，一来自光信号源30的光信号输入到光纤20。光纤旋转传感器系统29包括一根据本发明形成的MIOC24。光信号从光纤20传播到光波导14，光波导14把光信号导向Y耦合器18。Y耦合器18在光波导15和16之间分配光信号。由光波导15和16引导的部分光信号随后分别输入到光纤21和22。一光纤传感线圈34连接于光纤21和22，使得反向传播波输入传感线圈。这些反向传播波随后根据众所周知的Sagnac效应进行干涉，以产生一可处理的光信号，去测量绕一垂直于传感线圈34平面的轴的旋转。

-光耦合器32可放置在光信号源30与MIOC24之间。反向传播波干涉和传播离开传感线圈34和MIOC10之后，光耦合器把传感线圈光输出信号导向一探测器38，该探测器38产生指示在反向传播波之间的Sagnac相移的电信号。

一合适的MIOC可有约54毫米的长度和约2毫米的厚度。如图2所示，已经发现，从MIOC基片12的底表面23的中心反射到形成输出面的光波导14-16的端部的漫射光使作为一高消光比偏振器的MIOC的性能下降。漫射光的该成份在基片12的表面24上的入射角约为85.8°。

寻常的四分之一波长介电减反射(AR)涂层不会与折射率约为2.21的MIOC基片媒介一起很好地工作。在大的入射角约为86°时，在一寻常的AR涂层上入射的光通常全部内反射回到MIOC，随后引起在光纤旋转传感器领域众所周知的偏振非互易(PNR)误差。

如图3A所示，通过在MIOC12上沉积一吸收层26，然后把固定件28连接到该吸收层26，以形成一本发明的减反射光吸收装置25。固定件28是由SiO₂所形成。吸收层26最好是由SnTe所形成，它是一种常用作带铅三元化合物(tertiarycompound with lead)(即PbSnTe)以制造可调带隙红外探测器(bandgap infrareddetector)的半导体。SnTe在一1550nm波长的折射率n=6.3，消光系数k=1.09。对于1550nm的波长，SnTe吸收层26的涂层厚是558埃。实现减反射和吸收的吸收层26的厚度是光波长的函数。

吸收层26沉积在MIOC基片12的底面23，与形成光波导14-16的那一面相对。折射率类似于固定件28的粘结胶27用来把有涂层的MIOC连接到固定件28上。

图5示出了反射误差，1-R(其中R是反射系数)对入射角。从图1中可以看出，当需要在具有上述给定尺寸的MIOC12中产生最小的反射时，最小的反射0.001发生在约86°。在现有技术装置中，某些入射角不同于常规值85.8°的光反射到光波导14-16的输出面上。因此，低反射的角度范围要大到能够给出入射角小于和大于常规值86°的低反射，这是本发明的一个重要特征。

另一种考虑是取决于涂层26的厚度的灵敏性。图6示出厚度在一偏离常规厚度558埃的±10％范围上的AR涂层26的灵敏性。可以看到厚度公差在本涂层系统的容量之内。

涂层26对折射率的灵敏性是在涂层26的设计中必须考虑到的另一个要素。图7示出了涂层26对折射率的灵敏性。图7曲线给出了作为折射率与常规值6.3的百分偏差的函数的反射误差。图7中的水平轴的范围是常规值的±10％。

图8用曲线示出了在常规参数的同样的±10％范围中对消光比变化的涂层灵敏性。灵敏性不那么有关键性，以致这些参数不能被满意地控制。

由于SnTe涂层28具有极好的吸收性和低散射性，它将导致一相对于在大量散射的沟道上或粗糙成品上的部分吸收(例如碳黑)涂层的大的消光比改进。

                        工作原理

在下面对本发明工作原理的说明中，MIOC基片12称为环境媒质，因为这是光在吸收层26上入射之前在其中传播的媒介。MIOC基片12用下标“A”表示。层26用下标“L”表示。有涂层的MIOC的媒介28(示为半无限)称为基片28，并用下标“m”表示。

涂层26类似于一单层四分之一波长减反射涂层，但有一个重要的附加条件：结构必须使得没有光传输到与光所到达的那部分相对的固定件28。这后者的条件可通过选择基片28的折射率n_m以使总内反射将发生在层26与固定件28之间的界面上而得到满足。

下面描述一标准的1/4波的减反射层的结构。该层的折射率是 $n_L=\sqrt{n_m{n}_A}------\left(1\right)$

其中n_A是环境媒质(MIOC基片)的折射率，光从该媒介接近减反射层26S。减反射层的折射率的这种选择为环境媒质-层(AL)界面提供与层-固定件(LM)界面相同的反射。因此，从AL界面返回的光的振幅与从LM界面反射的光的振幅相同。1/4波的层厚有一个1/2半波长的往返长度，这使来自LM界面的光与环境媒质-层界面的光相位相差180°。相位差异导致两个界面反射完全抵消。因此，整个系统的选定波长没有反射。

在本发明中，没有通过固定件28的传输。因此，为全部的内反射选择固定件28的折射率，使得所有的光从LM界面反射。因此，如果层26中只有很少的吸收，AL界面的反射将必须是50％，以便从层-基片界面返回的相位相差180°的其余传输的50％的光被抵消，以达到减反射。回忆起折射的斯涅耳定律(Snell’slaw)，半导体层中的入射角由于其高折射率而是相当小的。然后在一四分之一波层的一个往返中的光强通过量大约是 $T_{\frac{1}{4}}=e^{\frac{-2\mathrm{\πk}}{n_L}}-----\left(2\right)$

其中半导体折射率n_L是6.3，消光比k约是1.0，使得T_1/4=e^-1=0.37。因此，AL界面的反射R_AL只能是 $R_{\mathrm{AL}}=T_{\frac{1}{4}}{T^2}_{\mathrm{AL}}-------\left(3\right)$

其中T_AL是AL界面的光强传输。

等式(3)示出了可折衷选择层的k和n，因为R和T与n更有关，而T_1/4与k更有关。这种折衷选择为选择层26和固定件28的材料提供了较大的自由度。

为简单起见，只描述了入射角似乎为0°的层26的折射率的要求。当入射角非零时，那么可使用一有效折射率概念。TM光(p-偏振)的有效折射率是 $n_{\mathrm{eff}}=\frac{n}{\cos \mathrm{\θ}}-----------\left(4\right)$ 其中θ是光线相对于界面法线的角度。对于n=2.2的θ=86°,n_有效约是30，这比固定件28的折射率n=2.2大多了。等式(1)中折射率n_A和n_m应该用等式(4)转换成它们的有效值。那么等式(1)导出n_L的有效值，再应该用等式(4)从其有效值转换该值。

应该指出的是，如果适当的层n和k仍然没有发现，那么如图3B所示，它可以制造一对称的三层四分之一波的叠堆40，其中第一和第三层有一较高的折射率n_H，中间层有一较低的折射率n_LOW。这是一有效四分之一波层，即所谓的Herpin等效层(HEL)。在法线入射，该叠堆的有效折射率是

n_eff0=n² _H/n_LOW       (5)

在非法线入射，必须再应用等式(4)。对于法线工作，在HEL的所有的层必须具有大到足以不会出现全部内反射的折射率。即使如此，还应了解等式(5)的应用为选择能满足上述给定的n和k的要求的材料提供较大的自由度。

在此所公开的结构和方法示出了本发明的原理。在不脱离其基本精神或基本特征的情况下可以其它的特定形式来改变本发明。所描述的实施例在所有的方面应被认为是示意性的和举例说明的，而不是限制性的。因此，是所附的权利要求书而不是前述的说明构成了本发明的保护范围。对在此所描述的实施例在等效于权利要求书的含义和范围之内进行的所有的改变均包含在本发明的范围之内。

Claims (4)

1．一种连接于一光学元件的一表面、使得在光学元件中朝向该表面传播的光被吸收而不是反射和散射的装置，它包括：

一形成在该光学元件表面的吸收层，该吸收层有一层折射率n_L、一约是在该吸收层中的光的1/4波长的层厚度和一消光系数k；以及

一具有一固定件折射率n_m的固定件，它连接于吸收层，使得吸收层在固定件与光学元件的表面之间，选择吸收层的折射率n_L和消光系数k元件固定件的折射率n_m，使得从光学元件入射到形成吸收层的光学元件的表面的光被吸收而不是反射和散射。

2．如权利要求1所述的装置，还包括一具有约等于固定件的折射率n_m的折射率的粘结层。

3．如权利要求1所述的装置，其特征在于，固定件包括具有约1.46固定件折射率n_m的SiO₂，吸收层包括具有约6.3的层折射率n_L和一约1.0的消光系数k的SnTe，光学元件包括具有一约2.2的环境折射率n_A的铌酸锂。

4．如权利要求1所述的装置，其特征在于，吸收层包括具有高折射率n_HIGH和低折射率n_LOW的交替层的介电材料的多层叠堆。

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