一種用於光纖通信的光隔離器的製作方法

2023-05-28 01:15:21 2

專利名稱：一種用於光纖通信的光隔離器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種用於光纖通信的光隔離器，用於防止雷射器、光放大器等發 光器件發出的光束經下遊光學元件端面反射後重新返回光源，可應用於光纖通信系統中， 屬於雷射、光纖通信技術領域。
背景技術：
在光纖通信系統中，發光器件發出的信號光遇到下遊光路中的光學元件端面時， 會有部分光線被反射回光源，造成光源頻譜展寬、噪聲增加、功率不穩、性能劣化等。為了保 護雷射器、光放大器等發光器件，消除不期望的反射光波，保證系統穩定運行，往往需要在 光源輸出端後面的光路中放置一種只允許光單向傳輸的光器件，通常稱之為光隔離器。光線通信用的光隔離器按偏振特性可分為兩類，即偏振相關型和偏振無關型。現 有偏振相關型光隔離器主要由透振方向互成45°角的起偏器和檢偏器，以及置於兩者之間 的法拉第旋光器所組成。入射光通過起偏器後成為平面偏振光，再經過法拉第旋光器後其 偏振面向檢偏器的透振方向旋轉45°，正好平行於檢偏器的透振方向，從而可順利通過檢 偏器；出射光被下遊光路中光學元件的端面部分反射後反向經過檢偏器和法拉第旋光器， 由於法拉第旋光器的非互易法拉第效應，反射光偏振面沿與入射光偏振面相同旋向的方向 繼續旋轉45°而與起偏器透振方向垂直，從而使光束無法反向通過起偏器，實現隔離效果。 由於法拉第旋光器對平面偏振光旋轉的角度與平面偏振光的波長及該器件所處環境的溫 度有關，因此，此類光隔離器通常只能在相對較小的溫度範圍內實現上述功能。偏振無關型光隔離器主要有楔型(wedge型)和位移型(walk-off型)兩種，其基 本原理相似，均包括兩個偏振分光器和一個法拉第旋光器。入射光經第一自聚焦透鏡準直 後進入第一偏振分光器，其將入射光束的兩個正交偏振分量(即單軸晶體中的ο光和e光) 作空間分離，正向通過的光束經法拉第旋光器後在第二偏振分光器處重新合成為一束光， 再經第二自聚焦透鏡耦合到光纖纖芯中輸出。由於法拉第旋光器的非互易法拉第效應，反 射光束經過第二偏振分光器、法拉第旋光器和第一偏振分光器後，ο光和e光在空間分開較 大距離，不能重新合成為一束光進入第一自聚焦透鏡，從而實現隔離效果。然而在此類光隔 離器中，光束的出射位置與入射位置存在有橫向位移，且所述兩個正交偏振光分量需要在 空間分開較大距離，這不僅增加了光路長度，而且容易引入偏振模色散，使得這類器件體積 大、成本高、性能不夠理想。在某些裝置中，為了進一步提高隔離度，抵消偏振膜色散，改為 採用雙級結構，然而這又進一步增大了器件的體積，不利於小型化的需要。
發明內容要解決的技術問題為了避免現有技術的不足之處，本實用新型提出一種用於光纖通信的光隔離器， 克服現有隔離器工作溫度範圍較窄的不足，同時滿足器件小型化的要求，本實用新型提出 一種實現光學隔離的方法及裝置，該光隔離器能在一個較寬的溫度範圍內實現正向通光和反向隔離的功能，且實現滿足器件小型化的要求。技術方案一種用於光纖通信的光隔離器，其特徵在於包括依次沿通光方向相互平行放置的 正向光偏振態控制組件、隔離組件和反向光偏振態控制組件；所述正向光偏振態控制組件 為依次沿通光方向相互平行放置的第一線偏振器4和第一四分之一波片5，且第一四分之 一波片5的快軸方向與第一線偏振器4的透振方向成45°角；所述光隔離器的隔離組件為 依次沿通光方向相互平行放置的第一高反射率反射體7、法拉第旋光器8和第二高反射率 反射體10，在法拉第旋光器8與通光方向垂直的周圍設有永磁體14 ；所述反向光偏振態控 制組件為依次沿通光方向相互平行放置的第二四分之一波片11和第二線偏振器12，且第 二四分之一波片11的快軸方向與第一四分之一波片5的快軸方向平行，第二線偏振器12 的透振方向與第一線偏振器4的透振方向垂直。在第一四分之一波片5與第一高反射率反射體7之間沿通光方向相互平行放置第 一增透膜6 ；在法拉第旋光器8之後與第二高反射率反射體10之間，沿通光方向相互平行 放置第二增透膜9。將第二高反射率反射體10、第二四分之一波片11和第二線偏振器12固定連接於 微位移裝置15。在正向光偏振態控制組件之前沿通光方向相互平行放置入射光纖2和第一光纖 準直器3 ；在反向光偏振態控制組件之後沿通光方向相互平行放置第二光纖準直器16和出 射光纖17。當第二四分之一波片11的快軸方向與第一四分之一波片5的快軸方向垂直時，第 二線偏振器12的透振方向與第一線偏振器4的透振方向平行。所述第一高反射率反射體7和第二高反射率反射體10為反射鏡或反射膜，反射率 限制在80%以上，優選92%。所述法拉第旋光器8由兩端面平行拋光的磁光材料構成，為釔鐵石榴石YIG或鋱 鎵石榴石TGG的磁光晶體或磁光薄膜，其產生的法拉第旋轉角度為15° -75°，最優值為 45°。所述永磁體14為空芯筒形或相對平行放置的一對平板，材料為釹鐵硼Nd-Fe-B或 衫鈷Sm-Co0所述第一增透膜6和第二增透膜9為單層膜或多層膜系。本實用新型工作原理雷射器發出的正向入射單色光入射穿過第一線偏振器後， 成為正向單色平面偏振光；再經過快軸方向與第一線偏振器透振方向成45°角的第一四 分之一波片後，成為正向單色圓偏振光；而後正入射到含法拉第旋光器的、由第一高反射率 反射體與第二高反射率反射體構成的法布裡-珀羅標準具內。所述正向單色圓偏振光在法 拉第旋光器中的折射率為&。該法布裡-珀羅標準具腔長為一合適值，可使所述正向單色 圓偏振光由第一高反射率反射體經法拉第旋光器至第二高反射率反射體的單程相移為η 的整數倍，形成多光束相長幹涉，則該法布裡-珀羅標準具對正向單色圓偏振光具有最大 光強透過率，正向單色圓偏振光以高透過率通過該法布裡-珀羅標準具。之後，正向單色圓 偏振光通過快軸方向與第一四分之一波片相垂直的第二四分之一波片後成為與初始入射 正向單色平面偏振光偏振方向一致的平面偏振光，並穿過透振方向與該平面偏振光偏振方
4向一致的第二線偏振器後出射，從而實現光隔離器的正向通光功能。出射光被下遊光路中反射體端面部分反射後沿原光路逆向返回，經第二線偏振器 和第二四分之一波片後轉化為與正向單色圓偏振光偏振方向相反的反向單色圓偏振光；而 後正入射到所述含法拉第旋光器的法布裡-珀羅標準具內。法拉第旋光器對不同旋向的 光具有不同的折射率，反向單色圓偏振光在法拉第旋光器中的折射率為N2,因此，在法布 裡-珀羅標準具上述合適的腔長下，反向單色圓偏振光由第二高反射率反射體經法拉第旋 光器至第一高反射率反射體的單程相移為η/2的奇數倍，可以形成多光束相消幹涉，該法 布裡-珀羅標準具對反向單色圓偏振光具有最小光強透過率，反向單色圓偏振光以低透過 率通過該法布裡-珀羅標準具，從而實現光隔離器的反向隔離功能。有益效果本實用新型提出的一種用於光纖通信的光隔離器，利用左右旋圓偏振光在法拉第 磁光材料中折射率不同的特性、法拉第效應的非互易效應以及法布裡-珀羅標準具對光譜 的壓縮和濾波作用，將法拉第磁光材料置於法布裡-珀羅標準具內，實現對某一旋向的圓 偏振光具有高透過率而對另一相反旋向的圓偏振光具有低透過率的效果，達到光學隔離的 目的。光學隔離的優勢在於1、本實用新型利用法拉第效應控制相反旋向的圓偏振光之間產生π /2的相位差 實現光隔離的效果，但並不需要因此將法拉第旋轉角嚴格穩定在45°上，即，法拉第旋轉角 的小幅變化不會嚴重劣化光隔離器的性能，這樣有效降低了對法拉第磁光材料溫度穩定性 的要求，因此可用於工作在大溫差環境的系統中；2、僅利用單級隔離就可以實現40_65dB以上隔離度的要求；3、光線不產生橫向位移，光路短，可以實現器件的小型化。

圖1 是本實用新型光學隔離器的裝置結構示意圖；圖2 是利用本實用新型實現光學隔離時不同旋向圓偏振光的透過率曲線對比 圖；實線為不同條件下光正向通過時的透過率曲線，虛線為相應條件下光反向通過時 的透過率曲線圖3是利用本實用新型實現光學隔離時光強反射率R和法拉第旋轉角θ對隔離 度影響曲線對比圖。圖中，1-雷射器，2-入射光纖，3-第一光纖準直器，4-第一線偏振器，5-第一四分 之一波片，6-第一增透膜，7-第一高反射率反射體，8-法拉第旋光器，9-第二增透膜，10-第 二高反射率反射體，11"第二四分之一波片，12-第二線偏振器，13-支撐體，14-永磁體， 15-微位移裝置，16-第二光纖準直器，17-出射光纖，18-反射體，19-套筒。
具體實施方式
現結合實施例、附圖對本實用新型作進一步描述請參閱圖1，本實用新型作為一體化集成器件應用於光纖通信系統中，包括雷射器1、入射光纖2、第一光纖準直器3、第一線偏振器4、第一四分之一波片5、第一增透膜6、第 一高反射率反射體7、法拉第旋光器8、第二增透膜9、第二高反射率反射體10、第二四分之 一波片11、第二線偏振器12、支撐體13、水磁體14、微位移裝置15、第二光纖準直器16、出 射光纖17、反射體18和套筒19。法拉第旋光器8置於永磁體14內部，其磁光材料選用釔 鐵石榴石晶體(YIG)，其在正向入射光方向端面上鍍有反射率為92%的反射膜作為第一高 反射率反射體7，其在正向出射光方向端面上鍍有第二增透膜9。第一四分之一波片5平行 位於法拉第旋光器8之前，其在正向入射光方向端面鍍有第一線偏振器4，其在正向出射光 方向端面上鍍有第一增透膜6 ；所述第一線偏振器4為一線偏振膜，其透振方向與第一四分 之一波片5的快軸方向成45°角。第一四分之一波片5、法拉第旋光器8及永磁體14整體 固定於支撐體13之上。第二四分之一波片11平行位於法拉第旋光器8之後且與微位移裝 置15聯動，其快軸方向與第一四分之一波片5的快軸方向垂直，其在正向入射光方向端面 上鍍有反射率為92%的反射膜作為第二高反射率反射體10，其在正向出射光方向的端面 鍍有第二線偏振器12 ；所述第二線偏振器12為一線偏振膜，其透振方向與第一線偏振器4 的透振方向平行。第一高反射率反射體7與第二高反射率反射體10構成法布裡-珀羅標 準具，法拉第旋光器8平行位於該標準具內。第一增透膜6和第二增透膜9為可使入射光 在界面減少反射、增強透射的單層膜或多層膜系。第一光纖準直器3和第二光纖準直器16 為可實現將光纖內的傳輸的高斯光轉變成平行光，及將外界平行光耦合至光纖纖芯內的器 件，如自聚焦透鏡等，其端面鍍增透膜(圖中未畫出)。永磁體14為一空芯圓筒形狀釹鐵硼 材料的永磁體，為法拉第旋光器8提供平行於通光方向的、磁場正方向與正向入射光方向 相同的軸向磁場。微位移裝置15為精密螺絲，可通過其調整使含法拉第旋光器8的、由第 一高反射率反射體7與第二高反射率反射體10構成的法布裡-珀羅標準具具有最優腔長， 以獲得最佳隔離度。套筒19用於對器件整體封裝。工作過程可具體描述為在如圖4所示的坐標系中，雷射器1發出的正向入射光 沿入射光纖2進入第一光纖準直器3後變為正向平行光，垂直入射至透振方向為χ-y平面 一三象限角平分線的第一線偏振器4後轉化為偏振方向為x-y平面一三象限角平分線的正 向平面偏振光，再經過快軸為y軸方向的第一四分之一波片5後轉化為正向右旋圓偏振光 (該旋向是迎著所述入向光觀察時定義的)。所述正向右旋圓偏振光在法拉第旋光器8中 的折射率為n_，其經過由第一高反射率反射體7和第二高反射率反射體10構成的含有法拉 第旋光器8的法布裡-珀羅標準具後的光強透過率為
T-_ _l +
(1-R)2 、『 式中，R為第一高反射率反射體7和第二高反射率反射體10的光強反射率，Φ —為 所述正向右旋圓偏振光由第一高反射率反射體7經法拉第旋光器8、第二增透膜9至第二高 反射率反射體10的單程相移。第二高反射率反射體10、第二四分之一波片11和第二線偏 振器12與微位移裝置15聯動，通過移動該微位移裝置15，調整Φ —為π的整數倍，使正向 右旋圓偏振光在含有法拉第旋光器8的法布裡-珀羅標準具內形成多光束完全相長幹涉， 此時光強透過率T為最大值，實現正向通光的目的。正向右旋圓偏振光再經過快軸為χ軸 方向的第二四分之一波片11後轉化為偏振方向為x-y平面一三象限角平分線的正向平面 偏振光，經透振方向同樣為x-y平面一三象限角平分線的第二線偏振器12後無損耗射出，進入第二光纖準直器16沿出射光纖17出射，成為正向出射光。 所述正向出射光被下遊光路中反射體18的端面部分反射後沿出射光纖17返回， 通過第二光纖準直器16後變為正向平行光，反向垂直入射穿過透振方向為x-y平面一三象 限角平分線的第二線偏振器12後轉化為偏振方向為x-y平面一三象限角平分線的反向平 面偏振光，再經過快軸方向為χ軸的第二四分之一波片11後轉化為與正向右旋圓偏振光偏 振方向相反的反向右旋圓偏振光(該旋向是迎著所述反向光觀察時定義的)。所述反向右 旋圓偏振光在法拉第旋光器8中的折射率為n+，其經過由第一高反射率反射體7與第二高 反射率反射體10構成的含有法拉第旋光器8的法布裡-珀羅標準具後的光強透過率為 Γ = _-J_
(1-7 )2 V ；式中，Φ+為所述反向右旋圓偏振光由第二高反射率反射體10經法拉第旋光器8 至第一高反射率反射體7的單程相移。由於法布裡-珀羅標準具內的法拉第旋光器8對不 同旋向圓偏振光的折射率不同，即η—與η.不相等，因此正向右旋圓偏振光和反向右旋圓偏 振光通過同樣的法拉第旋光器8後具有不同的單程相移，其差值為Αφ == 2π t~-^ - = 2Θ = 2VBL式中，L為法拉第磁光材料的通光長度，V為法拉第磁光材料的費爾德常量，θ為 法拉第旋轉角，B為施加在法拉第旋光器8上的磁場。通過調節磁場B的大小控制法拉第旋 轉角θ，可以調整不同旋向圓偏振光的單程相移差，當θ =45°時，所述單程相移差Δ φ =η/2，此時當正向右旋圓偏振光單程相移Φ —為π的整數倍，形成多光束相長幹涉，具有 最大光強透過率時，反向右旋圓偏振光的單程相移Φ+為η/2的奇數倍，形成多光束相消 幹涉，具有最小光強透過率，實現反向隔離的目的。所述法拉第旋光器8的作用是使相反旋向的圓偏振光之間產生π /2的相位差， 即，使正向右旋圓偏振光單程相移Φ—為η的整數倍形成完全相長幹涉，反向右旋圓偏振 光單程相移φ+為π/2的奇數倍形成完全相消幹涉；其產生的產生的法拉第旋轉角θ以 能使不同旋向圓偏振光對法布裡-珀羅標準具的透過率曲線尖峰能夠有效分離為準，通常 限制在15° -75°之間，越接近45°則隔離效果越好，最優值為45° (參見圖2及圖3)。所述第一高反射率反射體7與第二高反射率反射體10的光強反射率R通常限制 在80%以上，較大的R有利於隔離度的增加，但對後期器件組裝和機械穩定性的要求更高， 反之，較小的R不利於高隔離度的實現，但可以降低對後期器件組裝和機械穩定性的要求; 光強反射率R優選92% (參見圖2及圖3)。
權利要求1.一種用於光纖通信的光隔離器，其特徵在於包括依次沿通光方向相互平行放置的正 向光偏振態控制組件、隔離組件和反向光偏振態控制組件；所述正向光偏振態控制組件為 依次沿通光方向相互平行放置的第一線偏振器(4)和第一四分之一波片(5)，且第一四分 之一波片(5)的快軸方向與第一線偏振器⑷的透振方向成45°角；所述光隔離器的隔離 組件為依次沿通光方向相互平行放置的第一高反射率反射體(7)、法拉第旋光器(8)和第 二高反射率反射體(10)，在法拉第旋光器(8)與通光方向垂直的周圍設有永磁體(14)；所 述反向光偏振態控制組件為依次沿通光方向相互平行放置的第二四分之一波片(11)和第 二線偏振器(12)，且第二四分之一波片(11)的快軸方向與第一四分之一波片( 的快軸方 向平行，第二線偏振器(1 的透振方向與第一線偏振器的透振方向垂直。
2.根據權利要求1所述的用於光纖通信的光隔離器，其特徵在於在第一四分之一波 片( 與第一高反射率反射體(7)之間沿通光方向相互平行放置第一增透膜(6)；在法拉第旋光器(8)之後與第二高反射率反射體(10)之間，沿通光方向相互平行放置第二增透膜 ⑶。
3.根據權利要求1或2所述的用於光纖通信的光隔離器，其特徵在於將第二高反 射率反射體(10)、第二四分之一波片(11)和第二線偏振器(12)固定連接於微位移裝置 (15)。
4.根據權利要求1或2所述用於光纖通信的光隔離器，其特徵在於在正向光偏振態 控制組件之前沿通光方向相互平行放置入射光纖( 和第一光纖準直器(3)；在反向光偏 振態控制組件之後沿通光方向相互平行放置第二光纖準直器(16)和出射光纖(17)。
5.根據權利要求1所述用於光纖通信的光隔離器，其特徵在於當第二四分之一波片 (11)的快軸方向與第一四分之一波片(5)的快軸方向垂直時，第二線偏振器(1 的透振 方向與第一線偏振器的透振方向平行。
6.根據權利要求1所述用於光纖通信的光隔離器，其特徵在於所述第一高反射率反 射體(7)和第二高反射率反射體(10)為反射鏡或反射膜，反射率限制在80%以上。
7.根據權利要求1所述用於光纖通信的光隔離器，其特徵在於所述法拉第旋光器(8) 由兩端面平行拋光的磁光材料構成，為釔鐵石榴石YIG或鋱鎵石榴石TGG的磁光晶體或磁 光薄膜，其產生的法拉第旋轉角度為15° -75°。
8.根據權利要求1所述用於光纖通信的光隔離器，其特徵在於所述永磁體(14)為空 芯筒形或相對平行放置的一對平板，材料為釹鐵硼Nd-Fe-B或釤鈷Sm-Co。
9.根據權利要求2所述用於光纖通信的光隔離器，其特徵在於所述第一增透膜(6) 和第二增透膜(9)為單層膜或多層膜系。
專利摘要本實用新型涉及一種用於光纖通信的光隔離器，其特徵在於依次沿通光方向相互平行放置的正向光偏振態控制組件、隔離組件和反向光偏振態控制組件；正向光偏振態控制組件為依次沿通光方向相互平行放置的第一線偏振器和第一四分之一波片；隔離組件為依次沿通光方向相互平行放置的第一高反射率反射體、法拉第旋光器和第二高反射率反射體和永磁體；反向光偏振態控制組件為依次沿通光方向相互平行放置的第二四分之一波片和第二線偏振器。有益效果法拉第旋轉角的小幅變化不會嚴重劣化光隔離器的性能，降低了對法拉第磁光材料溫度穩定性的要求；僅利用單級隔離就實現40-65dB以上隔離度的要求；光線不產生橫向位移，光路短，可以實現器件的小型化。
文檔編號G02F1/095GK201859277SQ201020226779
公開日2011年6月8日 申請日期2010年6月17日 優先權日2010年6月17日
發明者底楠, 趙建林 申請人:西北工業大學