專利名稱：一種在光學實驗及光纖通信系統(tǒng)中實現(xiàn)光學隔離的裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種在光學實驗及光纖通信系統(tǒng)中實現(xiàn)光學隔離的裝置，用于防 止光源發(fā)出的光束經(jīng)某一光學元件端面反射后重新返回光源，可應用于光學實驗及光纖通 信系統(tǒng)中，屬于激光、光纖通信技術領域。
背景技術：
在光學實驗及光纖通信等系統(tǒng)中，發(fā)光器件發(fā)出的光束會被下游光路的某一光學 元件的端面反射并重新返回光源，造成光源頻譜展寬、噪聲增加、功率不穩(wěn)、性能劣化等影 響。為了保護激光器、光放大器等發(fā)光器件，消除不期望的反射光波，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行，往 往需要在光源輸出端后面的光路中放置一種只允許光單向傳輸?shù)墓馄骷?，通常稱之為光隔
罔^ ο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(xiàn)有偏振相關型 光隔離器主要由起偏器、法拉第旋光器和檢偏器組成(參見圖1)，檢偏器的透振方向與起 偏器的透振方向成45°角，法拉第旋光器置于兩者之間。入射光通過起偏器后成為平面偏 振光，再經(jīng)過法拉第旋光器后其偏振面向檢偏器的透振方向旋轉45°，正好平行于檢偏器 的透振方向，從而可順利通過檢偏器；出射光被下游光路中光學元件的端面部分反射后反 向經(jīng)過檢偏器和法拉第旋光器，由于法拉第旋光器的法拉第效應，反射光偏振面沿與入射 光偏振面相同旋向的方向繼續(xù)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(xiàn)隔離效果。由于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(huán)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范圍內 實現(xiàn)上述功能。偏振無關型光隔離器主要有位移型和楔形兩種。其基本原理是，在兩個自聚焦透 鏡之間，放置一偏振分光器，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(jīng)法拉第旋光器后在另一偏振分光器處重新合成為一束 光，而反向通過的光束經(jīng)過偏振分光器和法拉第旋光器后不能重新合成為一束光，從而實 現(xiàn)隔離效果。然而，只有當反向的兩個正交偏振光分量在空間分開較大距離時，才能起到隔 離作用，這使得作為偏振分光器的晶體和法拉第旋光片或者楔形雙折射晶體需要有較大尺 寸，從而造成器件的體積大、成本高。
發(fā)明內容要解決的技術問題為了避免現(xiàn)有技術的不足之處，本實用新型提出一種在光學實驗及光纖通信系統(tǒng) 中實現(xiàn)光學隔離的裝置，克服現(xiàn)有隔離器工作溫度范圍較窄的不足，同時滿足器件小型化 的要求，該光隔離器能在一個較寬的溫度范圍內實現(xiàn)正向通光和反向隔離的功能，且實現(xiàn) 滿足器件小型化的要求。技術方案[0008]一種在光學實驗及光纖通信系統(tǒng)中實現(xiàn)光學隔離的裝置，其特征在于包括沿光軸順序而設的正向光偏振態(tài)控制組件1、隔離組件2和反向光偏振態(tài)控制組件3 ；所述正向光 偏振態(tài)控制組件1為沿光軸順序而設的第一線偏振器11和第一四分之一波片12，且第一四 分之一波片12的快軸方向與第一線偏振器11的透振方向成45°角；所述隔離組件2包括 法拉第旋光器21、第一高反射率反射體22、第二高反射率反射體23、增透膜24、微位移裝置 25、永磁體26和支撐體41 ；在支撐體41的兩端固定永磁體26和微位移裝置25，永磁體26 的中間為法拉第旋光器21，法拉第旋光器(21)的兩邊為第一高反射率反射體22和增透膜 24 ；微位移裝置25與增透膜24相近的一端設有第二高反射率反射體23 ；法拉第旋光器21、 第一高反射率反射體22、第二高反射率反射體23和增透膜24為同光軸；所述反向光偏振 態(tài)控制組件3為沿光軸順序而設的第二線偏振器31和第二四分之一波片32，第二四分之一 波片32的快軸方向與第一四分之一波片12的快軸方向平行，第二線偏振器31的透振方向 與第一線偏振器11的透振方向垂直。所述的第二四分之一波片32的快軸方向與第一四分之一波片12的快軸方向垂直 時，第二線偏振器31的透振方向與第一線偏振器11的透振方向平行。所述第一高反射率反射體22和第二高反射率反射體23為反射鏡或反射膜，反射 率在80%以上，優(yōu)選92%。所述法拉第旋光器21由產(chǎn)生法拉第效應的兩端面平行拋光的磁光材料構成，所 述磁光材料為釔鐵石榴石YIG、鋱鎵石榴石TGG、等高費爾德常量的磁光晶體或磁光薄膜、 要求產(chǎn)生的法拉第旋轉角度為15° 75°。所述軸向磁場27為一施加在法拉第旋光器21上的永磁體26 ；所述永磁體26為 釹鐵硼Nd-Fe-B或釤鈷Sm-Co。所述增透膜24為單層膜或多層膜系。所述微位移裝置25為壓電晶片PZT。所述法拉第旋光器(21)的法拉第旋轉角度為45°。本實用新型的工作原理激光器發(fā)出的正向入射單色光入射穿過第一線偏振器 后，成為正向單色平面偏振光；再經(jīng)過快軸方向與第一線偏振器透振方向成45°角的第 一四分之一波片后，成為正向單色圓偏振光；而后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里-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K。該法布里-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(jīng)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(shù)倍，形成多光束相長干涉，則該法布里-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里-珀羅標準具。之后，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后成為與初始 入射正向單色平面偏振光偏振方向一致的平面偏振光，并穿過透振方向與該平面偏振光偏 振方向一致的第二線偏振器后出射，從而實現(xiàn)光隔離器的正向通光功能。出射光被下游光路中反射體端面部分反射后沿原光路逆向返回，經(jīng)第二線偏振器 和第二四分之一波片后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 后正入射到所述含法拉第旋光器的法布里-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，在法布里-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(jīng)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(shù)倍，可以形成多光束相消干涉，該法 布里-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 率通過該法布里-珀羅標準具，從而實現(xiàn)光隔離器的反向隔離功能。有益效果 本實用新型提出的在光學實驗及光纖通信系統(tǒng)中實現(xiàn)光學隔離的裝置，有益效果 是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 應以及法布里_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于法布里_珀 羅標準具內，實現(xiàn)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。優(yōu)勢在于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(chǎn)生π /2的相位差 實現(xiàn)光隔離的效果，但并不需要因此將法拉第旋轉角嚴格穩(wěn)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(wěn)定性 的要求，因此可用于工作在大溫差環(huán)境的系統(tǒng)中；2、僅利用單級隔離就可以實現(xiàn)40_65dB以上隔離度的要求；3、光線不產(chǎn)生橫向位移，可以實現(xiàn)器件的小型化。

圖1是實現(xiàn)光學隔離的裝置結構示意圖；圖2是利用本實用新型實現(xiàn)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(xiàn)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-正向光偏振態(tài)控制組件，11-第一線偏振器，12-第一四分之一波片；2-隔 離組件，21-法拉第旋光器，22-第一高反射率反射體，23-第二高反射率反射體，24-增透 膜，25-微位移裝置，26-永磁體，27-軸向磁場；3-反向光偏振態(tài)控制組件，31-第二線偏振 器，32-第二四分之一波片；41-支撐體，42-第一光纖準直器，43-入射光纖，44-第二光纖 準直器，45-出射光纖，46-套筒，47-激光器，48-反射體。
具體實施方式
現(xiàn)結合實施例、附圖對本實用新型作進一步描述請參閱圖1，本實施例應用于分離元件搭建的光學實驗系統(tǒng)中，包括激光器47、第 一線偏振器11、第一四分之一波片12、法拉第旋光器21、第一高反射率反射體22、增透膜 24、永磁體26、第二高反射率反射體23、微位移裝置25、支撐體41、第二四分之一波片32、第 二線偏振器31和反射體48。法拉第旋光器21置于永磁體26的內部，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22，其在正向出射光方向端面上鍍有增透膜24 ；第二高反射率反射體23位于法拉第旋光器21之后，與微位移裝置25聯(lián)動，且與第一高反射率反射體22構成法布里-珀羅 標準具，法拉第旋光器21平行位于該標準具內；微位移裝置25、法拉第旋光器21及永磁體 26整體固定于支撐體41之上。第一線偏振器11與第一四分之一波片12依次平行位于所 述法布里-珀羅標準具之前，且第一線偏振器11的透振方向與第一四分之一波片12的快 軸方向成45°角；第二四分之一波片32與第二線偏振器31依次平行位于所述法布里_珀 羅標準具之后，且第二四分之一波片32的快軸方向與第一四分之一波片12的快軸方向垂 直，第二線偏振器31的透振方向與第一線偏振器11的透振方向平行。增透膜24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。永磁體26為一空芯圓筒形狀釹鐵硼 材料的永磁體，其為法拉第旋光器21提供平行于通光方向的、磁場正方向與正向入射光方 向相同的均勻軸向磁場。微位移裝置25為壓電晶片(PZT)，可通過其調整使含法拉第旋光 器21的、由第一高反射率反射體22與第二高反射率反射體23構成的法布里-珀羅標準具 具有最優(yōu)腔長，以獲得最佳隔離度。本實施例的工作過程為在如圖4所示 的坐標系中，激光器47發(fā)出的正向入射光 沿ζ軸正方向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11后轉 化為偏振方向為χ-y平面一三象限角平分線的正向平面偏振光，再經(jīng)過快軸為y軸方向的 第一四分之一波片12后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21中的折射率為ιΓ，其經(jīng)過由第一高反射率 反射體22和第二高反射率反射體23構成的含有法拉第旋光器21的法布里-珀羅標準具 后的光強透過率為
T=_ι_l + -^-sin2(^)式中，R為第一高反射率反射體22和第二高反射率反射體23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22經(jīng)法拉第旋光器21至第二高反射率反射 體23的單程相移。通過移動與第二高反射率反射體23聯(lián)動的微位移裝置25，調整Φ_為 JI的整數(shù)倍，使正向右旋圓偏振光在含有法拉第旋光器21的法布里-珀羅標準具內形成多 光束完全相長干涉，此時光強透過率T為最大值，實現(xiàn)正向通光的目的。正向右旋圓偏振光 再經(jīng)過快軸為χ軸方向的第二四分之一波片32后轉化為偏振方向為x-y平面一三象限角 平分線的正向平面偏振光，經(jīng)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 31后無損耗射出，成為正向出射光。所述正向出射光被下游光路中反射體48的端面部分反射后沿ζ軸負方向返回，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31后轉化為偏振 方向為χ-y平面一三象限角平分線的反向平面偏振光，再經(jīng)過快軸方向為χ軸的第二四分 之一波片32后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21中的折射率 為n+，其經(jīng)過由第一高反射率反射體22與第二高反射率反射體23構成的含有法拉第旋光 器21的法布里-珀羅標準具后的光強透過率為
τ=_1_
；_____(1 哨2[0035] 式中，Φ+為所述反向右旋圓偏振光由第二高反射率反射體23經(jīng)法拉第旋光器21 至第一高反射率反射體22的單程相移。由于法布里_珀羅標準具內的法拉第旋光器21對 小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21后具有不同的單程相移，其差值為
權利要求一種在光學實驗及光纖通信系統(tǒng)中實現(xiàn)光學隔離的裝置，其特征在于包括沿光軸順序而設的正向光偏振態(tài)控制組件(1)、隔離組件(2)和反向光偏振態(tài)控制組件(3)；所述正向光偏振態(tài)控制組件(1)為沿光軸順序而設的第一線偏振器(11)和第一四分之一波片(12)，且第一四分之一波片(12)的快軸方向與第一線偏振器(11)的透振方向成45°角；所述隔離組件(2)包括法拉第旋光器(21)、第一高反射率反射體(22)、第二高反射率反射體(23)、增透膜(24)、微位移裝置(25)、永磁體(26)和支撐體(41)；在支撐體(41)的兩端固定永磁體(26)和微位移裝置(25)，永磁體(26)的中間為法拉第旋光器(21)，法拉第旋光器(21)的兩邊為第一高反射率反射體(22)和增透膜(24)；微位移裝置(25)與增透膜(24)相近的一端設有第二高反射率反射體(23)；法拉第旋光器(21)、第一高反射率反射體(22)、第二高反射率反射體(23)和增透膜(24)為同光軸；所述反向光偏振態(tài)控制組件(3)為沿光軸順序而設的第二線偏振器(31)和第二四分之一波片(32)，第二四分之一波片(32)的快軸方向與第一四分之一波片(12)的快軸方向平行，第二線偏振器(31)的透振方向與第一線偏振器(11)的透振方向垂直。
2.根據(jù)權利要求1所述的在光學實驗及光纖通信系統(tǒng)中實現(xiàn)光學隔離的裝置，其特征 在于所述的第二四分之一波片(32)的快軸方向與第一四分之一波片(12)的快軸方向垂 直時，第二線偏振器(31)的透振方向與第一線偏振器(11)的透振方向平行。
3.根據(jù)權利要求1所述的在光學實驗及光纖通信系統(tǒng)中實現(xiàn)光學隔離的裝置，其特征 在于所述第一高反射率反射體(22)和第二高反射率反射體(23)為反射鏡或反射膜，反射 率在80%以上。
4.根據(jù)權利要求1所述的在光學實驗及光纖通信系統(tǒng)中實現(xiàn)光學隔離的裝置，其特征 在于所述法拉第旋光器(21)由產(chǎn)生法拉第效應的兩端面平行拋光的磁光材料構成，所述 磁光材料為釔鐵石榴石YIG、鋱鎵石榴石TGG、等高費爾德常量的磁光晶體或磁光薄膜、要 求產(chǎn)生的法拉第旋轉角度為15° -75°。
5.根據(jù)權利要求1所述的在光學實驗及光纖通信系統(tǒng)中實現(xiàn)光學隔離的裝置，其特 征在于所述軸向磁場(27)為一施加在法拉第旋光器(21)上的永磁體(26)；所述永磁體 (26)為釹鐵硼Nd-Fe-B或釤鈷Sm-Co。
6.根據(jù)權利要求1所述的光學隔離裝置，其特征在于所述增透膜(24)為單層膜或多 層膜系。
7.根據(jù)權利要求1所述的光學隔離裝置，其特征在于所述微位移裝置(25)為壓電晶 片 PZT。
8.根據(jù)權利要求4所述的光學隔離裝置，其特征在于所述法拉第旋光器(21)的法拉 第旋轉角度為45°。
9.根據(jù)權利要求3所述的光學隔離裝置，其特征在于所述反射率為92%。專利摘要本實用新型涉及一種在光學實驗及光纖通信系統(tǒng)中實現(xiàn)光學隔離的裝置，其特征在于沿光軸順序而設的正向光偏振態(tài)控制組件、隔離組件和反向光偏振態(tài)控制組件；正向光偏振態(tài)控制組件為沿光軸順序而設的第一線偏振器和第一四分之一波片；隔離組件為沿光軸順序而設的、置于軸向磁場中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；反向光偏振態(tài)控制組件為沿光軸順序而設的第二線偏振器和第二四分之一波片。優(yōu)勢在于有效降低了對法拉第磁光材料溫度穩(wěn)定性的要求，因此可用于工作在大溫差環(huán)境的系統(tǒng)中；僅利用單級隔離就可以實現(xiàn)40-65dB以上隔離度的要求；光線不產(chǎn)生橫向位移，可以實現(xiàn)器件的小型化。
文檔編號G02F1/09GK201765403SQ20102022677
公開日2011年3月16日 申請日期2010年6月17日 優(yōu)先權日2010年6月17日
發(fā)明者底楠, 趙建林 申請人:西北工業(yè)大學