CN102902014B - 一种光隔离器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种光隔离器，实现光波正向传播、反向隔离，解决了背景技术基于法拉第旋转式原理制得的光隔离器存在的技术问题。本发明是利用光路系统中起偏器产生线偏振光，磁旋光玻璃的非互易圆双折射特性以及自然旋光晶体的互易性圆双折射作用，使正向光能够重新聚焦在输出端，而反射回的光在通过磁旋光楔形玻璃之后不能在正向输入端聚焦而被隔离，从而达到光单向传输的目的。本发明具有反向光隔离度高、插入损耗低、工作带宽宽等显而易见的优点。

Description

一种光隔离器

本申请为分案申请，所针对的原申请的申请日为2011年4月29日、申请号为201110111452.3、发明名称为“一种光隔离器及其隔离方法”。

技术领域

本发明属于一种光无源器件和应用，具体涉及一种实现光波正向传播、反向隔离的光隔离器。

背景技术

在光纤通信系统中，激光发射器对系统中光纤接头和各种器件的连接处以及光纤本身瑞利斑反射的反射光很灵敏，这些反射光进入激光腔体后，会使激光发射器发出的光信号带有噪声，而影响整个系统的工作，还会引起系统传输性能恶化，光放大器增益发生变化和产生自激励，并最终导致误码的产生，造成整个光纤通信系统无法正常工作，若在激光器输出端和光放大器输入或输出端连接上光隔离器，就可以使问题得到解决。光隔离器已经成为光纤通信系统中不可缺少的重要器件。

目前使用的光隔离器几乎全是利用旋光材料的“法拉第旋光原理”制成的，按用途不同，可分为块状形和波导形两种形式，其中块状形光隔离器已处于实用阶段，凡是利用法拉第旋转式原理制成的光隔离器，其基本结构都是由三个基本部分组成：一个45°非互易法拉第旋转器和两个互为45°方位安置的起偏器与检偏器组成，存在的主要问题是色散及插入损耗较大，且隔离度较低，制作成本较高。现在光隔离器的发展趋势是向微型化方向发展，这就要求器件在达到性能良好的情况下体积越小越好。因此要求选用具有高旋光特性的材料，包括外加磁场强度的选取，要严格控制磁场强度的均匀性和极化时的均匀性；而且当磁光器件做的很小时，就会反过来要求外加磁场强度很高。同样两个互为45°方位安置的起偏器与检偏器制作与安装过程中的误差和精度控制也是比较严格的，这就给光隔离器的制作带来困难。

发明内容

本发明目的在于提供一种光隔离器，实现光波正向传播、反向隔离，解决了背景技术基于法拉第旋转式原理制得的光隔离器存在的技术问题。

本发明的技术解决方案是：

一种使光波正向传播、反向隔离的实现方法：

光波正向传播经过如下步骤，

(1)由入射光纤发出的光波经起偏器形成线偏振光；

(2)使线偏振光进行非互易圆双折射，使得线偏振光分解为左、右旋圆偏振光，左、右旋圆偏振光的之间的离散角≥2°；

(3)使左、右旋圆偏振光进行折射准直，使得折射准直后的出射光均平行于光轴传播；

(4)步骤(3)得到的平行的出射光经过互易性圆双折射作用汇聚至出射光纤端面；

光波反向传播得到隔离经过如下步骤，

(5)由出射光纤端面反射回光路系统的左、右旋圆偏振光反向经互易性圆双折射作用，沿原正向传播路径反向离散传播，此反向的出射光均平行于光轴传播；

(6)步骤(5)得到的平行的出射光继续反向传播，经过步骤(3)所述折射准直的相应的反向折射；

(7)步骤(6)得到的反向折射的出射光沿原正向传播路径继续反向传播，由于步骤(2)所述非互易圆双折射的特点，此时反向传播的左、右旋圆偏振光无法沿原正向传播的反方向继续传播，即无法汇聚到达步骤(1)所述的起偏器，达到隔离作用。

基于上述光隔离方法，研制出的一种光隔离器，包括密闭腔室，密闭腔室内设置有磁管，入射光纤和出射光纤分别固定设置于密闭腔室两端的内封装管中；其特殊之处在于：在密闭腔室内沿中心轴自入射光纤依次设置有磁旋光玻璃组、折射汇聚系统和出射光纤，所述磁旋光玻璃组轴向套接固定于磁管内。

上述的入射光纤与磁旋光玻璃组之间还设置有起偏器，可产生一线偏振光。实际上，即使省去起偏器，使入射光纤发出的光波直接传输至磁旋光玻璃组，仍然能够取得足够的隔离度。

上述磁旋光玻璃组中的每一片玻璃均为楔形，磁旋光玻璃组是由左旋磁旋光玻璃和右旋磁旋光玻璃楔形互补排列组成，或者由左旋磁旋光玻璃与普通玻璃楔形互补排列组成，或者由右旋磁旋光玻璃与普通玻璃楔形互补排列组成。

上述折射汇聚系统由准直镜和自然旋光玻璃组组成，保证了光波最终汇聚至出射光纤。(根据磁旋光玻璃组的结构形式和作用效果，准直镜可以选择锥形折射棱镜或薄透镜等)

上述自然旋光玻璃组中的每一片玻璃均为楔形；自然旋光玻璃组是由自然左旋光玻璃和自然右旋光玻璃楔形互补排列组成，或者由自然左旋光玻璃与普通玻璃楔形互补排列组成，或者由自然右旋光玻璃与普通玻璃楔形互补排列组成。

上述磁旋光玻璃组中的各片玻璃的楔角为3°～25°，共有5～50组。当然，这里的“一组”，即一对楔形互补的玻璃，其中至少一片为磁旋光玻璃。经测试，较佳的楔角取值为5°～20°，每一片玻璃的形状不一定相同，比如有的横截面为三角形，有的可以是梯形；考虑到分出的两束圆偏振光的对称性、分散效果、指标可控等，一般各片玻璃的楔角相同，且左旋磁旋光玻璃和右旋磁旋光玻璃构成偶数片。

本发明是利用光路系统中起偏器产生线偏振光，磁旋光玻璃的非互易圆双折射特性以及自然旋光晶体的互易性圆双折射作用，使正向光能够重新聚焦在输出端，而反射回的光在通过磁旋光楔形玻璃之后不能在正向输入端聚焦而被隔离，从而达到光单向传输的目的。所以本发明具有以下技术效果：

1、采用本发明所设计的利用磁旋光玻璃的非互易性圆双折射作用实现的光隔离器，比传统的光隔离器在器件上少用了一个检偏器，传统光隔离器所用的非互易法拉第旋转器的旋转角度为45°，因而要求起偏器和检偏器偏振面之间的夹角为45°，在系统调试时这两者均会存在一定的安装和测量误差，而本发明所涉及的情况就不会有这个问题，对本发明所用的起偏器只是为了产生一线偏振光，对偏振面没有要求，且对磁旋光器件要求较低，只是利用了它本身的圆双折射特性，对旋转角度没必要为45°。实际上，即使省去起偏器，使入射光纤发出的光波直接传输至磁旋光玻璃组，仍然能够取得足够的隔离度。

2、传统光隔离器需要在法拉第旋光片后加一个1/4波片或全波片来减小反向隔离度并使一定隔离度时的光谱范围增大，使其成为微型宽带光隔离器，而本发明可以不用加入波片就可以达到宽带的目的，并简化了系统结构。

3、本发明具有反向光隔离度高、插入损耗低、工作带宽宽等显而易见的优点。

4、本发明性能稳定，制作方便，适合批量生产，制作安装成本低。

附图说明

图1楔形磁旋光玻璃非互易圆双折射工作原理图；其中，a为线偏振光沿正向传输时的光路图，b为左、右旋圆偏振光沿原出射方向反向入射至磁旋光楔形玻璃组的光路图。

图2楔形自然旋光晶体互易圆双折射工作原理图；其中a为左、右旋圆偏振光沿正向传输时的光路图，b为线偏振光沿原出射方向反向入射至自然旋光楔形晶体组的光路图。

图3是本发明工作原理图；其中a为光波正向传播的整体光路图，b为光波反向传播的整体光路图。

图4是本发明结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图说明具体实施例：

一种使光正向传输时通行无阻，而反向传输时不能沿原光路返回，而不能进入输入端的光隔离器，该隔离器是利用磁旋光玻璃的非互易圆双折射特性、楔形折射晶体的折射准直作用以及自然旋光晶体的互易圆双折射特性，来实现光隔离器的作用。本发明的任务是通过以下方案是实现的：入射光纤1、起偏器2、磁旋光楔形玻璃组3、锥形折射棱镜4、自然旋光楔形晶体组5、出射光纤6、磁环(磁管)9组成的光路器件，固定在内封装管10中，且均在同一光轴上，内封装管10外套一个密封的金属壳外封装套13，光纤1、6自外封装套13的两端穿出。具体方法包括：

光正向传播时：

1)光从光纤1出射至起偏器2的端面上，出射光为偏振面和起偏器2的偏振方向平行的线偏振光；

2)自起偏器2出射的线偏振光沿光路传播至磁旋光楔形玻璃组3的端面，由于磁旋光玻璃的非互易圆双折射作用，线偏振光分解为两束沿一定离散角传播的左、右旋圆偏振光；

3)左、右旋圆偏振光经过锥形折射棱镜4的折射准直作用，出射光均平行于光轴传播；

4)两束平行的左、右旋圆偏振光经过自然旋光楔形晶体组5的圆双折射作用汇聚至出射光纤端面6；

光反向传播时：

5)由出射光纤端面6反射回光路系统的两束左、右旋圆偏振光反向经自然旋光楔形晶体组5的互易性圆双折射作用，沿原正向传播路径反向离散传播，出射光均平行于光轴传播；

6)平行于光轴传播的两束左、右旋圆偏振光经过锥形折射棱镜4的折射作用，出射光沿原正向传播路径反向传播至磁旋光楔形玻璃组3的端面；

7)由于磁旋光楔形玻璃组3的非互易性圆双折射作用，两束左、右旋圆偏振光不能沿原正向传播路径返回，即不能汇聚至磁旋光楔形玻璃组3的端面，因此不能到达起偏器2的端面，进而不能到达光纤1的端面，达到隔离作用。

图1表示楔形磁旋光玻璃非互易圆双折射工作原理图，其中31代表左旋磁光玻璃，32代表右旋磁光玻璃，为了使左、右旋圆偏振光达到较大的离散角，采用多组楔形左、右旋磁光玻璃交替排列的形式，即多组31、32交替排列，可以采用光刻技术制作，将端面设计成斜面的形式，也可以防止一部分的反射光重新进入光学系统，达到隔离目的。a图为线偏振光沿正向传输时的光路图，b为左、右旋圆偏振光沿原出射方向反向入射至磁旋光楔形玻璃组的光路图。

图2为自然旋光晶体互易圆双折射工作原理图，图中51代表自然右旋光晶体，52代表自然左旋光晶体(与左旋磁光玻璃31、右旋磁光玻璃32的排列顺序相反)，为了能使左、右旋圆偏振光能汇聚，采用多组楔形交替排列的形式，即多组51、52交替排列。a图为左、右旋圆偏振光沿正向传输时的光路图，b为线偏振光沿原出射方向反向入射至自然旋光楔形晶体组的光路图。

图3中1为光纤，2为起偏器，3为磁旋光楔形玻璃组，4为锥形折射棱镜，5为自然旋光楔形晶体组，6为出射光纤。

如图3a所示，从光纤1发出的光波经起偏器2后成为线偏振光，然后线偏振光通过磁旋光楔形玻璃组3，由于在磁旋光玻璃中左、右旋圆偏振光的折射率不同，而发生圆双折射现象，线偏振光分解成的左、右旋两束圆偏振光沿不同的方向传输，两者分开一定的角度，其后放置锥形折射棱镜4，经过折射作用两束圆偏振光均平行于光轴传输，经过自然旋光晶体5，由于在自然旋光晶体中，左、右旋圆偏振光的折射率也是不同的，经过折射作用，两束光沿不同传输方向汇聚至出射光纤6的端面。

光从光隔离器的输出端入射光路走向如图3b所示，光波经自然旋光晶体5后，由于自然旋光晶体的圆双折射特性是互易的，所以分解成的两束圆偏振光沿原路返回至锥形折射棱镜4，经折射传输至磁旋光玻璃3表面，磁旋光玻璃由于处于磁场中，对反向传输的圆偏振光的圆双折射具有非互易性，即折射率发生变化，所以两束圆偏振光将不能沿原光路返回，从而不能耦合进入左边光纤端，达到隔离作用。

图4中，1为光纤，2为起偏器，3为磁旋光楔形玻璃组，4为锥形折射棱镜，5为自然旋光楔形晶体组，6为出射光纤，7、8为钢环，9为磁管，10为套管，11、12为内封管，13为密封的金属壳外封装套。

起偏器2和磁旋光楔形玻璃组3通过钢环7用环氧胶固化在一起，锥形折射棱镜4和自然旋光楔形晶体组5通过钢环8固化在一起，经过调整后装磁环9内封固，磁环(磁管)9和装有光纤1、6的内封管11、12装入套管10内，调整后封固。左右内封装管11、12经过调整达到要求后，固连在一起，即构成一个光隔离器。为了保持光隔离器稳定、密封、可靠，将其装入一个密封的金属壳外封装套13内，两端用封装帽封固。光纤1、6从中穿过，两出头处用胶封固。

由于磁旋光玻璃的非互易圆双折射特性以及自然旋光晶体的互易性圆双折射作用，使正向光能够重新聚焦在输出端，而反射回的光在通过磁旋光楔形玻璃之后不能在正向输入端聚焦而被隔离，因此，很显然，本发明具有反向光隔离度高、插入损耗低、工作带宽宽等优点，在制备该光隔离器产品时，制作、安装方便。

Claims (3)

1.一种光隔离器，包括密闭腔室，密闭腔室内设置有磁管（9），入射光纤（1）和出射光纤（6）分别固定设置于密闭腔室两端的内封装管（11、12）中，其特征在于：在密闭腔室内沿中心轴自入射光纤（1）依次设置有磁旋光玻璃组（3）、折射汇聚系统和出射光纤（6），所述磁旋光玻璃组（3）轴向套接固定于磁管（9）内；

所述磁旋光玻璃组（3）中的每一片玻璃均为楔形，磁旋光玻璃组（3）是由左旋磁旋光玻璃和右旋磁旋光玻璃楔形互补排列组成，或者由左旋磁旋光玻璃与普通玻璃楔形互补排列组成，或者由右旋磁旋光玻璃与普通玻璃楔形互补排列组成；

所述折射汇聚系统由准直镜和自然旋光玻璃组（5）组成；所述准直镜采用锥形折射棱镜或薄透镜；

所述自然旋光玻璃组（5）中的每一片玻璃均为楔形；自然旋光玻璃组（5）是由自然左旋光玻璃和自然右旋光玻璃楔形互补排列组成，或者由自然左旋光玻璃与普通玻璃楔形互补排列组成，或者由自然右旋光玻璃与普通玻璃楔形互补排列组成。

2.根据权利要求1所述的光隔离器，其特征在于：所述的入射光纤（1）与磁旋光玻璃组（3）之间还设置有起偏器（2）。

3.根据权利要求1或2所述的光隔离器，其特征在于：所述磁旋光玻璃组（3）中的各片玻璃的楔角为3°～25°，共有5～50组。

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