光隔离器及其直接连接制造法 【发明领域】
本发明涉及光隔离器和制造光隔离器的方法。具体地说，本发明涉及直接连接构成光隔离器的各材料和进行这种直接连接的方法。
【发明背景】
在光传输系统中，可用光隔离器防止光纤中的背反射。当通过光纤系统的光遇到不规则因素，如相邻材料之间的折射指数存在差异或者光纤系统中的光纤没有对齐时，就会出现背反射现象。背反射会降低系统的性能，有时会对传输源，通常是激光造成负面影响。
基于偏振现象的隔离器是将起偏器，如起偏玻璃片夹在法拉第旋光器中间。在实际应用中，隔离器放置在两个光纤或透镜之间，使光通过第一起偏器，然后通过法拉第旋光器，再通过第二起偏器。在前进或通过操作模式下，诸如激光器这样的光源发射的入射光穿过第一起偏器。剩下50％的光在法拉第旋光器作用下旋转45°，然后通过第二起偏器，此起偏器与第一起偏器相差45°，以此防止信号的损失。偏振光从第二起偏器射出。在返回或阻断操作模式下，通过隔离器返回来的背反射信号经过第二起偏器偏振化，然后在与方向无关的法拉第旋光器作用下旋转45°，形成与第一起偏器成90°的偏振模式。因此，没有信号透射返回到激光器。
另一种类型的起偏器设计采用单起偏器，其中在通过模式下，发射的信号先通过石榴石，然后通过起偏器。返回的信号在通过石榴石之前偏振化，石榴石使返回信号发生旋转，使之与发射信号相位不同。此方法提高了最小激光干涉。尽管这种设计不如上述含有两个起偏器的隔离器，但这种单隔离器比双起偏器隔离器便宜。
与偏振无关的隔离器适用于入射信号原本没有经过偏振的应用。但是，发射地光束是没有经过偏振的。与偏振无关的隔离器包含一个夹在两个分束器之间的法拉第旋光器，它可以是楔形或平板形双折射材料，或者带有薄膜涂层的棱镜。在前进操作模式下，激光器发射的入射光经第一分束器偏振后，成为两个独立的偏振模式。每种模式的光通过一个法拉第旋光器和一个可用的半波板，后者校正法拉第旋光器引起的45°旋转。这两种模式的光接着由第二分束器重新合并成非偏振发射光。在返回或阻断操作模式下，通过隔离器透射返回的背反射光经第二分束器分离成两个独立的偏振模式。当每种模式的光通过法拉第旋光器和可用的半波板后，信号旋转90°(由于半波板的方向依赖性)。当两种旋转模式的光在第一分束器处重新合并后，合并的信号透射时与输入信号相差90°，因而避免透射(即背反射)返回到激光器中。
法拉第旋光器通常这样制造，即在一片石榴石晶体周围包一层磁体，用来提供磁场，使晶体具有晶体光学活性。这种类型的石榴石称作非闭锁石榴石。另一种类型的法拉第旋光器采用不需要外部磁场的永久磁化的或闭锁的石榴石。
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)的光隔离器的各种部件一般都是用机械装置或环氧树脂、聚合物树脂胶粘剂连接起来的。机械连接的缺陷包括由于相邻部件的表面之间容易存在空隙而导致的光学信号损失，以及切成最终尺寸后需要对齐和包装各组件。另一种方法涉及在切块以前用胶粘剂大量组装或层压大片材料，这免除了包装一个个预切部件的费用。但是，用胶粘剂组装的缺陷是，当环氧树脂或胶粘剂在隔离器的光路上时，会引起光学损失。用胶粘剂组装的另一个缺陷是，当隔离器组装物遇到温度变化时，环氧树脂或胶粘剂会因CTE不匹配和/或胶粘剂的折射指数随温度变化而失效，使组件之间脱层。用胶粘剂组装的第三个缺陷是环氧树脂容易受到激光的损坏，引起光学损失，或者在某些情况下会使器件在高功率用途中完全失效。
因此，需要一种廉价、可靠的方法，用来将光隔离器的各个部件连接起来。此外，还希望在连接隔离器组件时不用胶粘剂或环氧树脂，同时保持块体组装物在切割成最终尺寸前的优点。
发明概述
本发明的一个实施方式涉及含法拉第旋光器的光隔离器，所述法拉第旋光器连接到至少一个分束元件或起偏器上，所述连接是通过不用胶粘剂和不用环氧树脂的化学键形成的，或者在低于法拉第旋光器居里温度的温度利用真空形成的。在一些实施方式中，该温度低于大约200℃。在某些实施方式中，所述化学键是共价键和/或氢键。在某些实施方式中，键界面包含锂，而且法拉第旋光器和分束器或起偏器中较好有一个包含锂，或者都包含锂。
本发明的某些实施方式涉及基于偏振的隔离器，它包含夹持法拉第旋光器并通过化学键或真空作用连接到其上面的起两个偏器。其他实施方式同样涉及不基于偏振的隔离器，它包含夹持并连接到法拉第旋光器上的两个分束元件。法拉第旋光器可包含一个闭锁或非闭锁石榴石。不基于偏振的隔离器还可包含位于一个分束器与法拉第旋光器之间的半波板，半波板通过不用胶粘剂和不用环氧树脂的化学键或真空作用连接到法拉第旋光器和分束器上。根据某些实施方式，法拉第旋光器和分束元件或起偏器包含涂有逆反射涂层的连接表面，该涂层可以是氧化硅。
本发明的另一个实施方式涉及制造光隔离器的方法，它包括在法拉第旋光器和分束元件或起偏器之间形成不用胶粘剂、不用环氧树脂的化学键连接或真空连接。在某些实施方式中，法拉第旋光器夹在一对起偏器或分束元件之间并连接到它们上面。
化学键可在具有第一连接面的法拉第旋光器和具有第二连接面的分束元件或起偏器之间形成，两个连接面至少有一个与一种溶液接触，以利于第一和第二连接面之间的化学键合。可以采用酸性溶液或pH大于8的溶液。氢氧化物溶液如氢氧化铵溶液是高pH溶液的例子，可用于本实施方式。在至少一个连接面上形成端基可以促进连接作用，这些端基包括-OH、≡Si-OH、＝Si-(OH)2、-Si-(OH)3、-O-Si-(OH)3和它们的组合。在一些优选实施方式中，大多数端基包括＝Si-(OH)2、-Si-(OH)3、-O-Si-(OH)3和它们的组合。连接作用还可通过在至少一个连接面上包含锂得到促进。
在某些实施方式中，方法可包括在至少一个连接面上形成逆反射涂层，在一些优选实施方式中，该涂层是氧化硅。在其他实施方式中，连接可涉及在至少一个连接面上形成吸附的羟基。这样，连接面之间界面上的吸附羟基可通过将连接面加热到低于法拉第旋光器居里温度的一个温度来消除。
本发明提供了一个低温、可靠的简便连接方法，它提供的连接强度能够经受加工条件、环境测试和/或在使用寿命内得到保持。连接可发生在低于法拉第旋光器居里温度的一个温度，宜低于约200℃，在某些情况下低于100℃。本发明的其他优点将在以下详细描述中介绍。应当理解，前面的总述和下面的详细描述是示例性的，在权利要求中对本发明将有进一步解释。
附图简述
图1A是本发明一个实施方式的光隔离器的分解图；
图1B是本发明另一个实施方式的光隔离器的分解图；
图2是本发明实施方式中用来形成光隔离器的几层材料的分解透视图；
图3是图2中各层材料连接在一起后的透视图；
图4是图3所示各层材料切成几小段后的透视图。
发明详述
在介绍本发明的几个示例性实施方式之前，应当说明，本发明不受以下描述中所述结构的细节或加工步骤的限制。本发明还有其他的实施方式，可以各种方式实施。
本发明提供的光隔离器可通过用各种方法直接连接各组件的相对表面来制造，包括基于偏振和非基于偏振的光隔离器。这里所用术语“直接连接”是指两个表面之间的连接是在原子或分子水平上完成的，连接面之间不存在其他物质，如胶粘剂或环氧树脂，而且表面的连接也不需要借助表面的热熔合。这里所用术语“熔合”或“熔合连接”是指将连接面和/或靠近连接面的物质加热到所连接制品的软化温度或变形温度的过程。本发明方法能不用胶粘剂、环氧树脂或熔合过程将相对表面连接在一起。相反，本发明采用在表面之间形成直接连接的方法，不需要在高温下使玻璃物质软化到变形点，因而不会破坏法拉第旋光器材料。本发明的连接方法能形成不渗透的、光学透明的密封效果，光通过连接界面时的失真度几乎为零。这些连接方法包括化学连接和真空连接。在隔离器组件之间形成直接连接既能得到不用渗密封的效果，同时又不失去所连接的整体材料表面的固有物理性质。
真空连接是在高度真空条件下使两个清洁表面接触，从而形成连接。只要表面平整、清洁，高真空可清除表面上的吸附水和碳氢化合物，防止表面上吸附这些物质。表面可在放入真空前，进行处理和清洁，也可以在真空中用离子铣技术或其他等离子体技术进行清洁。
微电子技术领域已经采用真空连接来密封单晶硅、长在Si上的热氧化物SiO2和各种金属等材料，如美国专利6153495所述，其全部内容参考结合于此。这些材料之间热膨胀系数(CTE)是否匹配不成问题，因为加工过程可在室温下进行。由于在Twyman效应下，抛光晶片既薄且通常不平整，可用特殊装置对整个晶片表面均匀施加压力，以产生合适的接触效果。
可用于本发明的另一种类型的连接方法是化学连接。在两个玻璃或金属表面之间形成化学键可形成不用渗密封，同时能保持所连接的整体材料的固有物理性质。文献中已有用来连接钠钙硅酸盐玻璃和晶体石英的低温连接技术(例如，可参见A.Sayah，D.Solignac，T.Cueni，“Development of novel lowtemperature bonding technologies for microchip chemical analysis applications(用于芯片化学分析的新型低温连接技术的发展)”，Sensors and Actuators，84(2000)，pp.103-108；P.Rangsten，O.Vallin，K.Hermansson，Y.Backlund，“Quartz-to-Quartz Direct bonding(石英-石英直接连接)”，J.Electrochemical Society，V.146，N.3，pp.1104-1105，1999)。Sayah和Rangsten的文献都介绍了酸清洁技术的应用，它们的整体内容参考结合于此。另一篇由H.Nakanishi，T.Nishimoto，M.Kani，T.Saitoh，R.Nakamura，T.Yoshida，S.Shoji撰写的文章“ConditionOptimization，Reliability Evaluation of SiO2-SiO2 HF Bonding and Its Applicationfor UV Detection Micro Flow Cell(SiO2-SiO2 HF连接的条件优化和可靠性评估及其在UV探测微流电池中的应用)”，Sensors and Actuators，V.83，pp.136-141，2000，介绍了熔凝SiO2的低温连接，它要先将连接面与氢氟酸接触，此文献的整体内容参考结合于此。
根据本发明的一种实施方式，在要连接的隔离器组件的相对表面上提供官能团。在连接相对表面之前，不需要胶粘剂、高温预处理或苛性氢氟酸处理。在本发明的一种实施方式中，可用高pH碱性溶液，如氢氧化钠、氢氧化钾或氢氧化铵处理表面，在隔离器组件的连接面上形成官能团。在一个优选实施方式中，先用清洗剂清洗表面，然后用酸性溶液，如硝酸溶液清洗，分别清除颗粒污染物和可溶重金属。
根据本发明的一种实施方式，将要连接的表面与高pH溶液接触，清洗，在压力作用下接触，然后逐渐加热至所需温度，此温度宜低于法拉第隔离器材料的居里温度，居里温度一般可从材料规格上知道。宜采用“清洁”的热源，以免带进污染物或副产物，干扰连接。这种热源包括(但不限于)感应加热、微波加热、射频(RF)加热和电阻加热。为提高连接效果，表面宜为平整表面。表面平整度可这样测定：先进行初步清洁，然后在压力作用下使干燥表面接触，观察干涉条纹情况。所得干涉条纹可根据本领域已知技术测定和解释，从而判断适配平整度。也可以用光学平面或干涉仪测定单个表面的平整度。
本发明的连接过程包括加工要密封的每个隔离器表面，使之达到合适的平整度。特别优选的平整度约小于1微米，粗糙度约小于2.0nm RMS。抛光后，每个表面宜用合适的清洁方法进行清洁，如先用清洗剂，然后浸泡在低pH酸性溶液中，最后浸泡在高pH碱性溶液中，从而得到清洁的表面。在隔离器表面包含硅的情况下，这样的清洁和浸泡过程可提供类似硅酸的表面端基，如≡Si-OH、＝Si-(OH)2、-Si-(OH)3、-O-Si-(OH)3。与只用低pH处理、依赖羟基表面端基的连接系统相比，出于多种原因，我们相信本发明在含硅制品之间形成了更牢固的连接。尽管不用意受限制于理论，我们相信类硅酸端基越大，能够连接(通过氢和共价键)的表面端基可以离开表面越远。大表面端基，如＝Si-(OH)2、-Si-(OH)3、-O-Si-(OH)3离表面的距离比≡Si-OH远，这些大基团更容易产生空间移动，因而含有这些大基团的表面之间也更容易产生连接。此外，由于＝Si-(OH)2、-Si-(OH)3、-O-Si-(OH)3这些端基伸出表面一定长度，所以每个表面即使有些粗糙，仍能产生连接。
在一个优选实施方式中，表面可在不进行干燥的情况下组装。在将表面加热到低于200℃，例如100-200℃之间，宜低于100℃的过程中，可施加较小至中等压力(可低至1PSI)，使吸附水蒸发，使类硅酸表面端基压缩形成共价连接界面。
根据本发明的某些实施方式，如上所述，较好要形成平整的连接面。要连接的表面经精加工后，其平整度宜为5微米或更高，宜为1微米或更好。
化学连接玻璃表面的优选实施方式的其他信息，可参见在审美国专利申请“Direct Bonding ofArticles Containing Silicon(含硅制品的直接连接)”，此申请共同转让给了本专利申请的受让人，发明人为Robert Sabia，其整体内容参考结合于此。但是，本发明不限于此在审专利申请中的化学连接方法，本发明可以采用其他化学连接技术和真空连接方法，只要它们适合于构成隔离器组件的材料。此外，本发明某些实施方式中的连接可通过在至少一个连接面上引入锂来增加。有关在连接面内部或上面引入锂的其他信息可参见共同授权的在审美国专利申请“Direct Bonding Methods Using Lithium(用锂进行的直接连接方法)”，发明人为Robert Sabia、Larry Mann和Dennis Smith。
本发明的各种实施方式涉及光隔离器和制造基于偏振和不基于偏振的隔离器的方法，所述方法在密封表面，使表面接触的时候不形成空气空隙，也不使用胶粘剂。在一种实施方式中，基于偏振的隔离器芯子(即法拉第旋光器在中间的夹心式结构)可这样制造，即将起偏器如PolarcorTM玻璃密封在法拉第旋光器如钇离子石榴石(YIG)或铋离子石榴石(BIG)上，从而得到基于偏振的隔离器。在其他实施方式中，形成的隔离器芯子包含法拉第旋光器，它通过化学连接方式连接到一个单起偏器或分束元件上。
试看图1A，所示为基于偏振的隔离器芯子10，它包含一对起偏器12、14，法拉第旋光器16夹在它们中间。起偏器12、14通过上述真空连接或化学连接技术连接到法拉第旋光器上。如果法拉第旋光器采用非闭锁石榴石材料，则偏置该材料的一种方法是将隔离器芯子插入一磁体18中，如图1所示。也可用其他已知方法使非闭锁材料产生偏置。如果法拉第旋光器16采用闭锁石榴石材料，则不需要用磁体18来偏置法拉第旋光器16。
在图1B所示另一个实施方式中，不基于偏振的隔离器芯子20可通过在一对分束器22、24之间夹入一个法拉第旋光器26来制造。一般地，分束器22、24是双折射材料，如单晶金红石或钒酸钇，为平板形或楔形，但其他类型的分束器也可以用于本发明。一般地，不基于偏振的隔离器还包含一个半波板25，它位于法拉第旋光器26和分束器24之间。构成隔离器芯子的两个相邻表面用上述化学或真空连接技术连接在一起。同前述实施方式一样，如果用非闭锁材料形成法拉第旋光器26，则将隔离器芯子20插入一个磁体28中。但是，如果用闭锁石榴石形成法拉第旋光器，则不需要用磁体。
在光隔离器的另一个实施方式中(未示出)，光隔离器可包含一个光学透镜，它连接在起偏器或分束器的外露端上。本发明还提出一个或两个起偏器或分束器可以包括一个连接的透镜。同前述实施方式一样，起偏器或分束器的两个相邻表面和透镜通过上述化学或真空技术连接在一起。在起偏器或分束器上连接透镜的作用是校直通过光隔离器的信号，且/或帮助聚焦光隔离器发出的信号。可用于本申请的透镜的类型包括(但不限于)梯度折射指数(GRIN)透镜。
图2-4是根据本发明的各种实施方式，用来制造隔离器的方法例子。如图2所示，将用来制造光隔离器芯子各层的片材加工并抛光至合适的平整度，以便进行化学或真空连接。连接面的粗糙度宜小于1微米。如图2所示，法拉第旋光器的材料片38夹在一对起偏器或分束器材料片32、34之间。法拉第旋光器片38包含连接面37、39，它们需加工到合适的平整度。分束器或起偏器片32包含连接面31和33。连接面31和33需抛光到合适的平整度。接着清洁每种材料片的连接面31、33、37、39，准备进行真空连接或化学连接。如果采用化学连接，清洁材料片的优选溶液是氢氧化铵。然后将片材32、38、34堆叠起来，使连接面31和37接触，连接面39和33接触，从而形成隔离器芯片40。可将连接片适当加热到低于法拉第旋光器材料的居里温度的一个温度，以促进连接效果。将这些材料片连接成芯片40后，可将该芯片切成众多的隔离器芯子50，如图4所示，每个芯子50包含片材32、34和38。然后，可用本领域已知技术处理隔离器芯子50。
应当理解，材料片32、38和34可涂敷以逆反射涂层，在这种情况下，每个片材上逆反射层的外层包含连接面。由于包含隔离器芯材的材料之间的折射指数有差异(例如PolarcorTM为1.510，铋铁石榴石为2.35)，多数情况下在隔离器组件之间的界面上必须存在逆反射(AR)涂层。因此，在实践中，连接实际上是在一个组件(旋光器或分束器，或者旋光器或起偏器)的AR涂层表面之上进行的；如果所有相邻表面都有AR涂层，则在两个AR涂层表面之间进行；也可以在这样两个表面上进行，即一个表面包含全(完整)AR涂层，另一个表面包含SiO2表面涂层，后者本身不限制背反射，只是帮助连接。这些夹心结构也可通过包含多个法拉第旋光器层而产生多步隔离，对于大功率激光器有特别用途。
本发明将通过以下一些实施例进一步说明，但本发明不受它们的限制。
实施例1
此实施例说明Corning，Inc.生产的PolarcorTM起偏玻璃片可连接在一起，并能经受切片过程而不会使各片脱离。事先抛光到粗糙度小于1微米的两个PolarcorTM玻璃片都施涂以AR涂层[SiO2-ZrO2-SiO2]，通过真空热蒸发用金属锂进行预处理，并在200℃热处理24小时。这些片用清洗剂溶液(Microclean CA05)清洁，在水中清洗，在10vol％硝酸溶液中浸泡1小时。经酸浸泡过的样品在水中清洗，然后在15vol％氢氧化铵溶液中浸泡1小时。再次清洗样品，连接表面保持湿润，在约10磅/平方英寸的压力下进行连接，连接温度为75℃，连接操作时间为24小时。将连接的片切成2mm的条，片在切割操作中不发生脱层。
实施例2
此实施例说明包含Polarcor玻璃片且夹有法拉第旋光器材料片的隔离器芯子可以连接在一起，并切成隔离器芯子时不会发生脱离。事先抛光到粗糙度小于1微米的两个PolarcorTM玻璃片都施涂以AR涂层，通过真空热蒸发用金属锂进行预处理，并在200℃热处理24小时。涂有锂的Polarcor片和平整的、涂有AR的铋铁石榴石(BIG，购自MGC)都用清洗剂溶液(Microclean CA05)清洁，在水中清洗，在10vol％硝酸溶液中浸泡1小时。经酸浸泡过的样品在水中清洗，然后在15vol％氢氧化铵溶液中浸泡1小时。再次清洗样品，连接表面保持湿润，堆叠起来，使法拉第旋光器片夹在Polarcor片之间，在约10磅/平方英寸的压力下进行连接，连接温度为115℃，连接操作时间为24小时。将连接片切成图4所示类型的2mm×2mm芯结构，片在切割操作中不发生脱层。
本发明涉及隔离器结构和密封或连接方法，此方法不用胶粘剂、环氧树脂就能形成化学连接或真空连接，而且连接表面之间不存在空隙。密封或连接可在不超过100℃的温度下完成，因而此方法适用于闭锁和未闭锁石榴石。如本领域所广为人知的，应当避免在高于其居里温度的温度加热石榴石材料，因为加热到高于居里温度以上时，材料的性质会遭到破坏。对多层芯结构也可以进行密封或连接，在此结构中，起偏器层和法拉第旋光器层交替组装，可用于大功率激光用途(即多步隔离，含有2、3、4或更多串联的法拉第旋光器，每个旋光器对应一个起偏器)。
本发明的这种密封或连接方法可用于组装玻璃表面、晶体表面和逆反射涂层表面。各组件(例如起偏器、旋光器、半波板)独立安装的隔离器带有空隙，需要逆反射(AR)涂层，以防因每种材料与空气之间存在折射指数差异而在每个表面上发生背反射。由于两种材料之间存在折射指数差异，连接的界面也存在类似差异。因此，这种材料之间的界面也需要AR涂层。AR涂层通常包含主要起粘着作用的基层材料(例如：SiO2，用于玻璃表面上的AR涂层)，然后是折射指数与要涂敷的部分明显不同的材料(例如：ZrO2、Al2O3、Nb2O3等)，以及SiO2外层。在有些优选实施方式中，宜用包含硅的外层如SiO2外层促进连接。在某些实施方式中，逆反射涂层位于一个连接面上，而形成连接界面的另一个连接面上有含硅的涂层，如氧化硅涂层，以促进连接。涂层与被涂敷的材料之间的CTE差异可能在某种程度上使AR涂层产生应力。因此，本领域的技术人员不难明白，含有多个交替层的涂层结构应当考虑两种材料的折射指数和CTE的差异。
本领域的技术人员不难理解，只要不背离本发明的主旨和范围，可以对本发明作出各种改进和变化。因此，本发明覆盖本发明的各种改进和变化形式，只要它们在所附权利要求及其等价形式的范围之内。