具有偏振性能的玻璃光子晶体带隙设备的制作方法

专利名称：：具有偏振性能的玻璃光子晶体带隙设备的制作方法
技术领域：
：本发明涉及具有光子带隙结构的玻璃偏振设备。具体而言，本发明涉及可处理其大小以使波长在紫外线到微波范围内的电磁辐射偏振的偏振设备；更具体而言，本发明涉及适用于电信波长的设备。最后，本发明描述了制造玻璃偏振设备的方法。
背景技术：
：常规的非偏振光由许多波组成，这些波的电场和磁场随机指向，但是这两种场通常相互垂直(正交)且与透射方向垂直。按照惯例，光被认为是两种偏振的组合。当光通过多态光纤透射时，偏振是不重要的。但是，当光通过单态光纤透射时，光的偏振可能是重要的，因为单态纤维实际上携带有两种相互垂直的模式。这两种模式功能上相同，除了它们的偏振外，它们的模式形状和传播特征在具有完美对称圆形线芯的光纤中无法区分。但是，在实际情况中，该芯从未完美对称。结果，两种偏振模式传播过光纤所需的时间可能是不同的，因为它们在该芯内经历不同的条件，因此以不同的速度传播。结果，光被分散，性能下降d这种下降可通过使光在通过光纤透射前发生偏振而得以避免。已知许多种使光偏振并维持其偏振的方法，并已用于电信中。一种方法使用掺杂有二色性材料的聚合物膜。虽然这种类型的偏振器不昂贵，且易于制备，但是由于它们的消光系数(此系数定量光沿着一根轴偏振的程度)在许多应用要求中无法得以满足而无法令人满意。此外，它们在可见光谱的蓝色光部分或者在紫外光中工作得并不好，且它们不能维持高功率(即，它们的热稳定性低)。格兰一汤普森(Glan-Thompson)偏振器是另一种偏振光的方法。通过将具有大的双倍折射系数的材料如方解石制成的两个直角棱镜连接起来而产生所述偏振器。但是，虽然格兰一汤普森偏振器具有高的消光系数且热稳定，制备这种类型的大和/或薄的偏振器是非常困难的，问题在于保持棱镜连在一起的"胶结材料"，且格兰一汤普森偏振器非常昂贵。另一类型的偏振器是利用了透明体的布儒斯特(Brewster)角的偏振器，如使用多层介电材料的分束器。虽然这种类型的设备不昂贵，且可大量生产，但是由于其难以小型化，无法产生高程度的偏振，以及它所可使用的波段窄，因此其用途有限，通常难以令人满意。因此，考虑到当前可获得的偏振器所存在的问题，需要能相对廉价地制造、非常耐用、有高消光(对比)系数、在大的波长范围内偏振以及能够经得起高功率(例如，激光和发射装置中的高强度灯)的偏振器。
发明内容本发明涉及一种能偏振电磁辐射的玻璃设备，该设备具有一长度、宽度和厚度，以及一成图案的通道、空隙或孔的系统，所述通道、空隙或孔嵌埋于或穿过玻璃基质中并穿过所述玻璃的厚度，从而使具有相互垂直的两种偏振模式的入射电磁辐射偏振，阻断一种模式的透射或将其反射并允许另一种模式通过该设备。可将本发明的设备制成能在电磁辐射光谱中的微波到紫外线的波长范围内工作(波长X分别在大约10—10—7厘米的范围之内)。所述玻璃可以是任何适用于在它将使用的范围内透射电磁辐射而不会由于它的成分吸收该范围内的辐射而导致过量的透射损失的玻璃。一方面，本发明的设备在某种意义上可视为是一种"通用"偏振器，可将其制成可在微波到紫外线的波长范围内工作。一旦偏振器的尺寸固定(尤其是其中的通道、孔或空隙的厚度和尺寸)，该偏振器的工作波长(即将被偏振的光的波长)也固定。通道的大小可在200一2200nm的大致范围内。例如，在可见光范围内，"通道"的大小大约为400一500nm，而在紫外光范围内，"通道"的大小大约为220—280nm。在红外光范围，"通道或孔"的大小在大约1000—2000nm的范围。本发明的设备还可使用本文所公开的原理由聚合物材料制得。在一个实施方式中，所述玻璃设备是能够将电磁谱的红外光(IR)和可见光范围内(红外光的范围大约为10」cm到7Xl(T5cm，可见光的范围大约为7X10」到4Xl(T5cm)的光偏振的玻璃偏振器，它具有一长度、宽度和厚度。该设备具有规则的、嵌埋于玻璃基质中并通过该玻璃的厚度的并排的通道系统、空隙或孔。设备的通道是圆形的，具有选定的直径，并以适用于该偏振器的工作光范围的距离隔开。在另一实施例中，该设备是适合用在约700—1600nm的光学电信波长中的玻璃偏振器。该偏振器具有规则的、嵌埋于玻璃基质中并通过该玻璃的厚度的并排的通道系统、空隙或孔系统。该设备的通道是圆形的，具有选定的直径，并以适用于该偏振器的工作光范围的距离隔开。在另一实施例中描述了制备能偏振电磁谱的IR和可见光范围内的光的玻璃偏振器的方法。根据图8(它是本发明的一个组成部分)，使用厚度在100微米到几毫米、优选200—900微米范围内的玻璃板来钻孔。钻孔以在玻璃中制备气孔阵列。通常用C02激光实施钻孔，当然也可采用其它的钻孔方法。可使用的玻璃包括高纯度熔融石英(HPFS)、维科(Vycor)、超低膨胀(ULE)玻璃，或在激光或常规钻孔条件下不会由于钻孔过程中诱发的应力而破裂的其它任何玻璃。对玻璃的限制会在特定的应用中有说明，且将使用本发明玻璃偏振器的工作波长。例如，对于光学通讯用途，具有低羟基(一OH)含量的玻璃是优选的，因为在电信波长羟基有强烈吸收。说明书中给出了孔或通道、孔距和玻璃板的尺寸(大小或幅度)。对于本领域技术人员而言，清楚的是尺寸是可以变化的，且确定光子带隙结构的偏振能力的是孔半径、孔距和孔的结构对称性。为了制备光子偏振器，将多块玻璃板叠在一起，并熔融在一起，以形成一物体，然后将该物体再拉伸，以将孔的大小减到特定偏振所需的大小。在所使用的玻璃的软化点温度或该温度附近实施再拉伸。当将玻璃板叠在一起并熔融时，要注意使堆叠的玻璃板中一块玻璃板的气孔在相邻玻璃板的气孔的上部，以在堆叠的玻璃板内形成垂直的圆柱形空气通道或孔以及由熔融堆叠的玻璃板形成的任何物体。在结构中保留了气孔的结构性对称，所制得的物体看上去是具有例如从顶部到底部的结构对称性相同的圆柱形气孔的大玻璃块，如图8所示的玻璃板。从顶部看，该物体看起来与例如图8所示的玻璃板完全类似。该物体的高度可变化，且至少为几厘米。这是重要的，因为该玻璃物体之后将被再拉伸，以将气孔的尺寸减到特定波长所需的尺寸。例如，如果需要在蓝色可见电磁区域偏振，则孔的间距应该为大约200—250nm。附图简述图1阐述本发明的构思，显示具有一系列规则的通道以偏振光的结构。图2阐述光子晶体，显示入射的未偏振的光束在通过光子晶体时以相当大的角度折射。图3阐述用于确定本文给出的方程中使用的值2r和A的物理位置。图4阐述用于两种不同光子晶体结构的作为入射角的函数的横电(TE)波和横电磁(TM)波坡印亭矢量(Poyntingvector)之间的角度。图5阐述-系列的孔半径与孔距比值的频带边频率，两条曲线代表TE偏振波的带隙的顶部和底部。图6阐述使用示例性的250nm孔距的作为通道的函数的频带边的波长。图7阐述其孔已经被钻孔为具有选定半径、孔距和结构对称性的玻璃板的作为孔半径与孔距比值的函数的归一化间隙。图8阐述其孔已经被钻孔为具有选定半径(以直径2r表示)、孔距和结构对称性的玻璃板。发明详述在本文中，术语半径指圆形通道直径的一半，或者非圆形通道(如矩形、正方形、八边形、梯形或其它形状的通道)的最大尺寸的距离的一半。在本文中，术语"孔"、"通道"和"开口"可交换使用。图1阐述了具有规则的一系列并排通道的光子晶体结构，该通道穿过所示厚度，产生带隙，该带隙是禁止光以某些方向传播的谱带。对于不同光的偏振，光子带隙是不同的，有一些谱带中，仅有一种偏振光能传播，其它偏振光被完全反射。如果光的工作波长是这些谱带之一，那么光子晶体可作为偏振器工作。入射光lw被偏振，使得TM偏振光通过(被传播)，TE偏振光被完全反射。如使用由一系列并排的圆柱形通道或孔构成的阐述性的光子晶体所示例，横电(TE)场是其电磁成分被偏振为与通道的轴垂直的电磁场。横磁(TM)场是其电场成分被偏振为与通道的轴平行的场。图2阐述了基于玻璃光子晶体以两种偏振的透射窗口中的波长双折射的偏振分束的实施。入射光hi)照射光子晶体30，碰撞的光束的TM和TE偏振成分以相当大的角度改向，如32所示。使用基于平面波展开方法的模型已确定，对于1.5nm的波长，两种偏振成分的角度分离可大到15°。图3阐述了，可使用电力学縮放比例关系2rv=2rXv+XIR禾卩Av=AXV+iIR确定在可见光波长、下提供相同偏振分离(15度)的玻璃光子晶体的几何参数，其中2rv和2r分别是可见光波长和红外光(IR)波长的空气通道直径(Xw=1.5pm)，Av和A分别是可见光波长和IR波长的2D晶格的孔距。图3所阐述的本发明的结构提供了与图2所述相同的分离程度；该光子结构的孔距A=1.25pm，通常半径r=0.5pm，工作波长X=1.5pm。图8阐述了大的板100，在此例中，该板的长X宽X厚度(LXWXT)为50.8mmX50.8mmX2mm，该板可直接使用，或如果需要可切割成较小的板，如板上详图A所示。详图A显示板的结构几何形状、孔110的直径(以2X半径，即2r显示)和孔距A。板并不限于前述LXWXT，它可以是任何适合于制造过程和应用的尺寸。孔的半径、孔距和几何形状还可根据本文所教导的进行变化。一旦制得这些板(例如图8所示的板)，可将多块这样的板叠在一起，并加热到选定温度，该温度通常约等于这些玻璃的软化点，这样这些板被熔融在一起，同时维持它们的通道结构。然后如本文所述再拉伸该熔融的板堆叠物。说明书中给出了孔或通道、孔距和玻璃板的尺寸(大小或幅度)。对于本领域技术人员而言，清楚的是尺寸是可以变化的，且确定光子带隙结构的偏振能力的是孔半径、孔距和孔的结构对称性。为了制备光子偏振器，将多块玻璃板叠在一起，并熔融在一起，以形成一物体，然后将该物体再拉伸，以将孔的大小减到特定偏振所需的大小。在所使用的玻璃的软化点温度或该温度附近实施再拉伸。当将玻璃板叠在一起并熔融时，要注意使堆叠的玻璃板中一块玻璃板的气孔在相邻玻璃板的气孔的上部，以在堆叠的玻璃板内形成垂直的圆柱形空气通道或孔以及由熔融堆叠的玻璃板形成的任何物体。在结构中保留了气孔的结构性对称，所制得的物体看上去具有例如从顶部到底部的结构对称性相同的圆柱形气孔的大玻璃块，如图8所示的玻璃板。从顶部看，该物体看起来与例如图8所示的玻璃板完全类似。该物体的高度可变化，且至少为几厘米。这是重要的，因为该玻璃物体之后将被再拉伸，以将气孔的尺寸减到特定波长所需的尺寸。例如，如果需要在蓝色可见电磁区域偏振，则孔的间距应该为大约200—250nm。本发明的偏振器含有贯通的玻璃板，该玻璃板具有选定的长度和宽度，以及大于或等于18A的厚度，其中，2D晶格A的节段(period)大约为0.4nm。优选的是，厚度为18-22八。优选的是，该贯通的玻璃板具有选定的长度和选定的宽度，厚度大于或等于20A，其中2D晶格A大约为0.4pm。该玻璃板可由任何适合于在本发明偏振设备的工作波长下透射光的光学玻璃制造。可采用本领域周知的任何合适方法制造该贯通的玻璃板，优选的方法采用挤出和堆叠一拉伸(即，将一组中空纤维或毛细管叠在一起，然后拉伸它们，这样各纤维或毛细管中的中空通道或开口获得所需的通道直径，而纤维熔融在一起)。这些玻璃的例子包括，但不限于熔融石英、掺氟熔融石英、高纯度熔融石英(例如康宁公司的HPFS⑧)、硼硅酸盐玻璃、耐热玻璃(Pyrex⑧玻璃)和本领域己知可用于制造偏振器的其它玻璃。对玻璃的限制会在特定的应用中有说明，且将使用本发明玻璃偏振器的工作波长。例如，对于光学通讯用途，具有低羟基(一OH)含量的玻璃是优选的，因为在电信波长下羟基有强烈吸收。对由所述玻璃材料制得的玻璃板的选定长度和宽度没有限制，可以是任何适合制造过程和应用的尺寸。作为例子而非限制，图8阐述了长度和宽度各为50.8mm的板。根据需要，可制得更大或更小的板。本发明偏振设备的优点是它非常耐用，因为它是全玻璃结构；它由玻璃制成，对玻璃所具有的低热膨胀系数导致的温度变化非常稳定；基本上没有光学吸收；可制造用于红色、绿色和蓝色波长的偏振器，因为其2D晶格结构都是相同的——唯一的区别是孔距A和空气通道直径2r。基于光学晶体设备的偏振器的一些重要因素包括光谱敏感性、角度敏感性、透射的偏振的反射损失、和足以反射合理分离的两种不同偏振中的一种的玻璃板的最小厚度。对这些因素进行研究的结果是产生了角度不敏感性偏振器。下表1描述了角度敏感性偏振器的公差(tolerance)。通过在操作角度测量透射的偏振的结构的有效指数neff而估算该透射的偏振的菲涅耳(Fresnel)损失。发现，r/A=0.35的结构的有效指数仔=1.12，r/A=0.49的结构的有效指10数"ef尸0.92;这些结果分别导致0.3%和0.2%的菲涅耳反射，意味着有99.4%和99.6%的透射。在光学中，菲涅耳反射是一部分的入射光在具有不同折射率的两种介质如玻璃和空气之间的不连续界面的反射。菲涅耳反射出现在例如光纤的入射和射出端的空气一玻璃界面。所产生的透射损失(在每个界面为4%的级别)可通过使用折射率匹配材料而大大地减少。折射系数依赖于反射率差值、入射角和入射辐射的偏振。对于正常的射线，反射的入射能量的分数由以下方程给出-a.(n,-n2)22.R=-a.(n!+n2)2其中，R是功率反射系数，m和ri2分别是两种介质的折射率。通常，相对于正常情况，入射角越大，菲涅耳反射系数越大；但对于在入射面被线性偏振的辐射而言，在布儒斯特角为零反射。表1<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>r-通道半径八=孔距入=入射光波长八/人=归一化频率!"/八=通道半径与孔距比值图4是阐述光子晶体结构的两种r/A情况下作为入射角的函数的材料内的TE和TM偏振的坡印亭矢量之间的角度差别的图。该图显示，对于归一化的频率A/X=0.57和r/A=0.35的结构，对应于两种偏振(TE禾卩TM)的坡印亭矢量将分开20°的角度。因此，为了在光子晶体结构的输出中获得125pm的分离，光子晶体结构的厚度需要为约350pm。已发现，可制造角度不敏感性偏振器。已发现了玻璃或二氧化硅基质中空气通道的三角形晶格中的TE偏振的周期面上所有角度的带隙。该带隙可用于构建角度不敏感性偏振器。通道大小的相关值和归一化频率的数值在图5中阐述。图5中所示的两条曲线代表TE偏振光波带隙的顶部和底部。作为例子，图6阐述了具有250nm孔距的光子结构。该图阐述了该设备的波长和通道大小敏感性。对于在500nm波长工作的偏振器，该结构将能容许85—90nm范围的通道大小。如果通道大小是特定的，例如为87.5nm，则该设备的偏振波长范围将是495nm到505nm。图7阐述了光谱敏感性AX/X和结构敏感性AA/A，表2显示了设备的公差。表2<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>因此，使用图7和表2所示的设备，将可获得两种偏振在其上在相同角度时冲突的偏振器一种偏振没有可传播过设备的模式；而另一种偏振则传播过该设备，并从另一侧射出。描述了制备能偏振电磁谱的IR和可见光范围内的光的玻璃偏振器的方法。使用厚度在IOO微米到几毫米、优选200—900微米范围内的玻璃板来制造玻璃偏振器，并钻孔或以其它方式在板上形成通道或孔(见图8)，所述通道或孔是本发明的组成部分。钻孔以在玻璃中制备气孔阵列。通常用C02激光实施钻孔，当然也可采用其它的钻孔方法。可使用的玻璃包括高纯度熔融石英(HPFS)、维科(Vycor)、超低膨胀(ULE)玻璃，或在激光或常规钻孔条件下不会由于钻孔过程中诱发的应力而破裂的其它任何玻璃。物体的高度可以变化，该高度至少是几厘米。这是重要的，因为该玻璃物体之后将被再拉伸，以将气孔的尺寸减到特定波长所需的尺寸。例如，如果需要在蓝色可见电磁区域偏振，则气孔和孔距的大小应为几百纳米级别。这可通过再拉伸由图8所示的堆叠的板制成的物体而实现，将通道的半径和孔距制成在几百纳米的范围内。虽然已根据有限数量的实施方式描述了本发明，但是受益于本文公开内容的本领域技术人员将理解，还有其它不偏离本文所述的本发明范围的实施方式。例如，本文所述的玻璃设备也可采用本文列举的原理出聚合物材料制成。因此，本发明的范围应仅由附带的权利要求所限定。1权利要求1.一种基于光子晶体原理的光学偏振器，所述偏振器在其结构内具有周期性变化的折射率n，使得进入该偏振器的波长λ的电磁辐射被偏振成两种偏振成分TM和TE，该TM成分被允许透过该偏振器，而该TE成分被反射。2.如权利要求1所述的光学偏振器，其特征在于，所述偏振器含有选定的波长X能透过的介电材料，并具有选定的厚度和多个具有穿过所述介电材料的长度的通道；其中，所述多个通道具有孔距A，波长X进入该偏振器，并以与所述通道的长度成横向的方向通过该偏振器；其中，所述厚度由多排通道限定。3.如权利要求2所述的光学偏振器，其特征在于，所述介电材料选自玻璃和波长X的电磁辐射能透过的聚合物材料。4.如权利要求l所述的设备，其特征在于，所述厚度等于或大于18A。5.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备具有一带隙，该带隙是归一化频率A/X和通道半径与孔距比值r/A的函数，所述通道具有0.2-0.6pm范围的孔距和选定的通道大小。6.如权利要求l所述的设备，其特征在于，所述介电材料选自石英玻璃、熔融石英玻璃、掺氟熔融石英玻璃、高纯度熔融石英、CTE为0±30ppb/。C的超低膨胀玻璃、和硼硅酸盐玻璃。7.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备偏振具有微波到紫外线范围内的波长的电磁辐射，通过选择r和A来确定该设备偏振所述辐射时的确切波长。8.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备偏振具有光谱内的绿、蓝和红光部分中的波长的电磁辐射，被偏振的确切的波长取决于所选择的r和A的值。9.一种可见光偏振器，该偏振器含有具有选定长度、选定宽度和18-22A的厚度的介电材料和多个穿过该玻璃的厚度的空气填充的通道，所述长度和宽度各自独立选自0.4mm至ij0.6mm的范围，其中，所述通道具有选定的半径和在0.2-0.6pm范围内的孔距A。10.如权利要求9所述的偏振器，其特征在于，所述偏振器偏振蓝色、红色和绿色波长的光。11.如权利要求9所述的偏振器，其特征在于，所述介电材料选自石英玻璃、熔融石英玻璃、掺氟熔融石英玻璃、高纯度熔融石英、CTE为0±30ppb/°C的超低膨胀玻璃、和硼硅酸盐玻璃。12.—种制造具有光子结构的玻璃偏振器的方法，所述方法包括提供选定的玻璃组成；和将该选定的玻璃挤出形成具有选定的长度、选定的宽度、18-22A的厚度和多个穿过该玻璃的厚度的空气填充的通道的形状；其中，所述通道具有选定的半径r和在0.2-0.6pm范围内的孔距A。13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所提供的玻璃选自石英玻璃、熔融石英玻璃、掺氟熔融石英玻璃、高纯度熔融石英、CTE为0±30ppb/。C的超低膨胀玻璃、和硼硅酸盐玻璃。14.一种制造具有光子结构的玻璃偏振器的方法，该方法包括提供由选定的玻璃制得的玻璃板；在所述板中钻出多个具有结构对称性的通道；将所述多块板叠在一起，使板内的通道对齐排列；将所述板熔融在一起；和再拉伸所述堆叠的板，使得所述通道的结构对称性在再拉伸过程中被保留，其中，在再拉伸过程中通道的直径縮小到200—2200nm的选定的直径范围内；其中，再拉伸后所述通道的直径在200—2200nm的范围内，所述偏振器的厚度在18-22A的范围内，所述孔距A在0.2pm到0.6pm的范围内。15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所提供的玻璃选自石英玻璃、熔融石英玻璃、掺氟熔融石英玻璃、高纯度熔融石英、CTE为0±30ppb/。C的超低膨胀玻璃、和硼硅酸盐玻璃。16.—种制造具有光子结构的玻璃偏振器的方法，所述方法包括提供多根中空纤维或毛细管的堆叠物，各纤维或毛细管具有穿过其中的通道，所述通道具有选定的直径；再拉伸所述中空纤维或毛细管的堆叠物，使得在再拉伸过程中，所述纤维或毛细管熔融在一起，纤维或毛细管的堆叠物内的通道的结构对称性在再拉伸过程中被保留，其中，在再拉伸过程中，各通道的直径被縮小到200—2200nm的选定的直径范围内；其中，再拉伸后的通道的直径在200—2200nm的范围内，所述偏振器的厚度在18-22A的范围内，所述孔距A在0.2nm到0.6pm的范围内。17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所提供的玻璃选自石英玻璃、熔融石英玻璃、掺氟熔融石英玻璃、高纯度熔融石英、CTE为0±30ppb/。C的超低膨胀玻璃、和硼硅酸盐玻璃。全文摘要本发明涉及可处理其大小以使波长在紫外线到微波范围内的电磁辐射偏振的偏振设备；更具体而言，本发明涉及适合在可见光和IR波长使用的设备。该设备具有一长度、宽度和厚度，以及一成图案的通道、空隙或孔的系统，所述通道、空隙或孔嵌埋于或穿过玻璃基质中并穿过所述玻璃的厚度，从而使具有相互垂直的两种偏振模式的入射电磁辐射偏振，阻断一种模式的透射或将其反射并允许另一种模式通过该设备。所述玻璃可以是任何适用于在它将使用的范围内透射电磁辐射而不会由于它的成分吸收该范围内的辐射而导致过量的透射损失的玻璃。一方面，本发明的设备在某种意义上可视为是一种“通用”偏振器可将其制成可在微波到紫外线的波长范围内工作。该设备也可利用说明书列举的原理由聚合物材料制得。文档编号G02B5/30GK101484833SQ200780025223公开日2009年7月15日申请日期2007年7月3日优先权日2006年7月6日发明者K·W·科齐三世,N·F·宝雷利,S·A·库奇斯基,S·马加诺维克申请人:康宁股份有限公司