CN103293602A - 一种光隔离器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光隔离器，包括第一光学介质制成的第一光学组件和第二光学介质制成的第二光学组件，所述第一光学组件和第二光学组件粘合在一起，所述第一光学介质的折射率n₁小于第二光学介质的折射率n₂，所述第一光学组件具有入射面，所述第二光学组件具有出射面，所述入射面和出射面平行，所述第一光学组件和第二光学组件交界面与垂直于所述入射面的轴线的夹角θ满足：

本发明不依赖外界磁场，不易受到干扰，不会对周围环境造成其他不可预估的影响，使用寿命长。本发明成本较低、易于集成。

Description

一种光隔离器

技术领域

本发明涉及光学技术领域，具体地说，本发明涉及一种光隔离器。

背景技术

光隔离器是光纤通信系统和精密光学测量系统中常用到的一种光学器件。在光路中，它的主要作用是阻止光被其他物体反射回来沿原路的传播。在光纤通信中，当光纤与激光器耦合时，其端面或接头处的反射将影响激光器的稳定性。这在高速光纤通信系统，相干光纤通信系统，频分复用光纤通信系统，光纤有线电视系统以及精密光学测量系统等的应用中是一个重要问题。为了消除反射波对激光器的影响，需要在激光器与光纤之间加光隔离器；在光纤放大器中，光隔离器主要用来防止反射光引起信号光源或泵浦光源的波动，并保证信号在放大器内单向传输。一般来说一个光纤放大器中应至少采用两个光隔离器，有些光纤放大器在掺铒光纤前后各使用两个光隔离器以提高放大器的性能。另外，利用光隔离器还可以提高泵浦光的泵浦效率，同时防止输出光返回到光纤放大器中产生不良的干扰；在光谱分析实验中，如果发光材料发出的光又被外界物质反射到发光材料上，那么我们所测量到的结果就不能如实地反映发光材料在我们所设定的外界条件下本应该具有的某些性质，为了消除这些外界的干扰，我们常在发光材料和测量仪器之间加一光隔离器。

随着光通信技术的进一步发展和光电子材料研究热潮的兴起，光隔离器的用途越来越广泛。与此同时，人们对光隔离器的各项特性指标也提出了更高的要求。然而现今光隔离器普遍采用法拉第旋转效应使通过它的偏振光发生偏转。由于需要使用稀土材料制造永磁体，成本较高，且体积较大不易集成，磁场受外界影响较明显，因而当前迫切需要一种不依赖外界磁场且成本较低、易于集成的光隔离器。

发明内容

因此，本发明的目的是不依赖外界磁场、成本较低且易于集成的能够实现光波的正向通过与反向隔离的光隔离器。

为实现上述发明目的，本发明提供了一种光隔离器，包括第一光学介质制成的第一光学组件和第二光学介质制成的第二光学组件，所述第一光学组件和第二光学组件粘合在一起形成粘合体，所述第一光学介质的折射率n₁小于第二光学介质的折射率n₂，所述第一光学组件具有入射面，所述第二光学组件具有出射面，所述入射面和出射面平行，所述第一光学组件和第二光学组件交界面与垂直于所述入射面的轴线的夹角θ满足： $\mathrm{\θ}\≤\arccos \frac{n_1}{n_2}.$

优选的，所述粘合体除入射面和出射面外的其它面做磨沙化处理。

优选的，所述粘合体除入射面和出射面外的其它面涂抹有折射率匹配油。

优选的，所述第一光学介质和第二光学介质均为光学玻璃。

优选的，所述第一光学介质为K4光学玻璃，所述第二光学介质为K7光学玻璃。

优选的，所述粘合体为柱状体。

优选的，所述柱状体的横截面为矩形或其它多边形。

优选的，所述柱状体的横截面为圆形或椭圆形。

与现有技术相比，本发明具有下列技术效果：

1、本发明不依赖外界磁场，不易受到干扰，不会对周围环境造成其他不可预估的影响，使用寿命长。

2、本发明成本较低。

3、本发明易于集成。

附图说明

图1是本发明一个实施例的光隔离器的立体示意图；

图2是本发明另一个实施例的光隔离器的立体示意图；

图3是本发明的光隔离器中光正向通过的示意图；

图4是本发明的光隔离器中光反向通过的示意图。

具体实施方式

包括第一光学介质制成的第一光学组件和第二光学介质制成的第二光学组件，所述第一光学组件和第二光学组件通过光学胶粘合在一起，所述第一光学介质的折射率n₁小于第二光学介质的折射率n₂，所述第一光学组件具有入射面，所述第二光学组件具有出射面，所述入射面和出射面平行，所述第一光学组件和第二光学组件交界面与垂直于所述入射面的轴线的夹角θ满足： $\mathrm{\θ}\≤\arccos \frac{n_1}{n_2}.$

下面结合附图和实施例对本发明做进一步地描述。

图1示出了本发明的一个实施例的光隔离器。如图所示，该光隔离器包括第一光学组件和第二光学组件。第一光学组件是材质为K4的梯形光学玻璃，该梯形光学玻璃由一个矩形顶面、一个矩形底面、一个矩形侧面、两个梯形侧面和一个矩形斜面组成。其中，梯形侧面的上底长5mm，下底长15mm，宽10mm，高120mm。第二光学组件是材质为K7的梯形光学玻璃，该梯形光学玻璃的形状与第一光学组件完全一致。第一光学组件与第二光学组件的斜面反对称粘合，形成一个横截面为矩形的柱状体。在使用时，第一光学组件的底面为入射面，第一光学组件的顶面为出射面。

下面结合附图，以波长为633nm的红光作为入射光波，分别描述上述实施例的光隔离器实现正向传输和反向隔离的原理。

参考图1，建立坐标系，柱状体的轴线方向为z轴(如图1所示)，且由入射面至出射面的方向为正方向，其中左侧端面为入射面，右侧端面为出射面。第一光学组件的底面为xy平面，柱状体的入射面为xy平面，即图1中A面，入射面的中心为坐标原点。容易得出，两光学组件的交界面与z轴夹角θ满足

本发明就是通过对于第一光学组件与第二光学组件的交界面上的全反射的设计来实现对光波的正向通过与反向隔离效果。

对于实现光波正向通过的情况，在上所述的坐标系下，约定光波在坐标系原点平行于z轴通过入射面正向入射进入第一光学组件，则光波以与交界面夹角θ到达两光学组件交界面，如图3所示。由于K4材料折射率为1.50800，K7材料折射率为1.51470，在交界面上折射满足公式

1.50800×cosθ＝1.51470×cosβ₁    (1)

光波以与z轴夹角β₁-θ进入第二光学组件，到达第二光学组件出射面发生第二次折射，满足公式

1.51470×sin(β₁-θ)＝sinβ₂    (2)

计算得β₂＝3.676°，也就是说光波将以3.676°从所述光隔离器的出射面(即图1中的B面)出射，从而实现正向光波的通过。

对于实现光波反向隔离的情况，在所述的坐标系下，约定光波在出射面原点平行于z轴反向入射(即从图1中的B面入射)进入第二光学组件，则光波以与交界面夹角θ到达两光学材料交界面，如图4所示。由于K4材料折射率为1.50800，K7材料折射率为1.51470，不发生全反射的条件为从出射面入射的光与轴线(该轴线与出射面垂直)的夹角

由于θ小于α，在界面处发生全反射，则光波不能进入第一光学组件，也就不能从所述光隔离器的入射面(即从图1中的A面)出射，从而实现光波的反向隔离。

在基于上述实施例的实际测试中，向光隔离器正向输入能量为1.96mW的633nm红光光波，输出为1.46mW，而向光隔离器反向输入能量同样为1.96mW的633nm红光光波，另一端仅测出0.01mW左右的信号能量。

图2示出了本发明的另一个实施例的光隔离器，该光隔离器与前述实施例基本一致，区别第一光学组件、第二光学组件采用了与前述实施例不同的形状和尺寸。其第一光学组件和第二光学组件均为圆柱楔形，第一光学组件和第二光学组件粘合后形成圆柱体。第一光学组件、第二光学组件的设计尺寸需要使第一光学组件和第二光学组件的交界面与轴线的夹角θ满足

其中，n₁为制作第一光学组件的第一光学介质的折射率，n₂为制作第二光学组件的第二光学介质的折射率。

容易看出，本发明并不限于上述实施例，本发明的光隔离器的横截面并不限于矩形、圆形，也可以是椭圆形、多边形等其它形状。上述实施例虽然采用光学胶将第一光学组件和第二光学组件粘合在一起，但本发明也可以通过其它常用技术手段将第一光学组件和第二光学组件组合在一起形成组合体，这是本领域技术人员易于理解的。在使用光学胶粘合时，光学胶的折射率介于所述第一光学组件和第二光学组件的折射率之间。优选地，应使光学胶的折射率尽量靠近第一光学组件的折射率。

进一步地，在本发明的优选实施例中，还可以对所述光隔离器的柱状体的侧面(即除入射面和出射面外的其它面)做磨沙化处理，以使光隔离器内部的杂散光与二次全反射光在到达各侧面时被引出，不会对整体性质造成额外的影响。类似地，本发明也可以在光隔离器的柱状体的侧面涂抹折射率匹配油，同样可以使光隔离器内部的杂散光与二次全反射光在到达各侧面时被引出。

与现有技术相比，本发明具有下列技术效果：

1、本发明不依赖外界磁场，不易受到干扰，不会对周围环境造成其他不可预估的影响，使用寿命也比依赖永磁体寿命的普通光隔离器要长。

2、本发明成本较低。例如前述实施例所用材料仅为普通石英玻璃，不需特别处理，结构不需外加磁场，省去稀土材料制造永磁体的成本，制造仅依赖成熟的玻璃加工技术即可。

3、本发明易于集成。本发明仅需等比例放大或缩小结构，便可适配各种光路系统，且与光纤相比材料同为石英玻璃，易于耦合。

最后所应说明的是，以上所述的发明实施例仅用于说明本发明的技术方案而非限制。本领域的技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种光隔离器，包括第一光学介质制成的第一光学组件和第二光学介质制成的第二光学组件，所述第一光学组件和第二光学组件组合在一起形成组合体，所述第一光学介质的折射率n₁小于第二光学介质的折射率n₂，所述第一光学组件具有入射面，所述第二光学组件具有出射面，所述入射面和出射面平行，所述第一光学组件和第二光学组件交界面与垂直于所述入射面的轴线的夹角θ满足：

2.根据权利要求1所述的光隔离器，其特征在于，所述组合体除入射面和出射面外的其它面做磨沙化处理。

3.根据权利要求1所述的光隔离器，其特征在于，所述组合体除入射面和出射面外的其它面涂抹有折射率匹配油。

4.根据权利要求1所述的光隔离器，其特征在于，所述第一光学介质和第二光学介质均为光学玻璃。

5.根据权利要求1所述的光隔离器，其特征在于，所述第一光学介质为K4光学玻璃，所述第二光学介质为K7光学玻璃。

6.根据权利要求1所述的光隔离器，其特征在于，所述组合体为柱状体。

7.根据权利要求6所述的光隔离器，其特征在于，所述柱状体的横截面为矩形或其它多边形。

8.根据权利要求6所述的光隔离器，其特征在于，所述柱状体的横截面为圆形或椭圆形。

9.根据权利要求1所述的光隔离器，其特征在于，所述组合体通过光学胶将第一光学组件和第二光学组件粘合在一起。

10.根据权利要求9所述的光隔离器，其特征在于，所述光学胶的折射率介于所述第一光学组件和第二光学组件的折射率之间。

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