CN103576346A - 一种双折射晶体位移补偿机理及光器件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双折射晶体位移补偿机理及光器件，所述光学设计方法包括双折射晶体光轴和入射表面夹角的调整，通过调整此角度，可以在不改变入射角度和元件厚度的情况下，实现光学设计所需的横向走离量的目的，即降低或增大的光束横向走离量。所述隔离器包括两种设计，1）三片式低横向走离量隔离器使光线至少在一片晶体中以e光（非寻常光）模式传输,且e光经过双折射晶体后的横向走离量与经过法拉第旋光器的横向走离量方向相反，从而达到减小光路总体横向走离量的目的。2）两片式隔离器利用激光器本身偏振选择特性以及双折射晶体o光/e光相对走离特性，同样可以实现隔离目的，且此两片式设计可以进一步降低产品成本。

Description

一种双折射晶体位移补偿机理及光器件

技术领域

     本发明涉及一种光学设计方法，以及光通讯及工业用光隔离器的设计和应用领域；更具体地涉及偏振相关光学设计中横向走离补偿机制，以及光隔离器的位移优化设计和结构简化方法。

背景技术

光学设计中经常会遇到光轴横向走离的设计需要，以达到减小设计空间尺寸，或满足特定空间装配需求。通常想获得所需的横向走离量，只能通过改变入射角度或光学元件尺寸的方法实现，如：为了增大横向走离量，就需要增大入射角度或元件厚度；为了减小横向走离量，就需要减小入射角或元件厚度。但是由于实际应用中的种种结构限制或成本的考虑，通常无法随意调整入射角度或元件厚度。

光隔离器在光通讯及工业激光应用领域广泛应用，是一种单向传输光的光无源器件，用于允许正向传输光正常通过此产品，并耦合到输出光波导中，同时阻止反向传输光耦合到输入光波导中，避免造成光学系统（尤其是激光器）工作不稳定。目前实际应用中包含在线型（偏振不相关）和自由空间型（偏振相关）两类，在激光器封装中主要使用自由空间型（偏振相关）。

目前大量商用的自由空间隔离器采用两片偏振片和一片45°法拉第旋光器组成，45°法拉第放在两片偏振片之间，两片偏振片的偏振方向相差45°。当光正向传输时，入射光和第一片偏振片偏振方向平行的部分通过偏振片，与偏振方向垂直的部分被偏振片吸收，通过第一片偏振片的光进入法拉第旋光器后，在法拉第旋光效应作用下旋转45°，与第二片偏振片的偏振方向正好平行，因此可以无损耗地通过第二片偏振片。当光反向传输时，与第二片偏振片偏振方向垂直的部分直接被偏振片吸收，与偏振方向平行的部分无损耗透过，然后进入法拉第旋光器；由于法拉第旋光器的旋转方向只决定于磁场方向，不会随着光的入射方向而改变，因此继续沿着和正向传输时相同的方向旋转45°到达第一偏振片，此时光的偏振态与第一偏振片的偏振方向垂直，光被第一偏振片吸收，不能投射到输入波导中。但是，此设计方案的偏振片成本较高。

另一种新的自由空间隔离器设计思路是采用两片双折射晶体和一片45°法拉第旋光器组成，45°法拉第放在两片双折射晶体之间，第一片双折射晶体的光轴与入射表面成45°夹角，光线在双折射晶体中以o光（寻常光）方式传输，第二片双折射晶体的光轴方向与第一片双折射晶体的光轴方向沿光路传播轴旋转45°，光线在第二双折射晶体中同样以o光方式传输。当光正向传输时，入射光以o光方式在第一双折射晶体中传输，光路遵循折射定律，通过第一双折射晶体，然后进入法拉第旋光器后在法拉第旋光效应作用下旋转45°，使其在第二双折射晶体中仍然保持按照o光状态，光路遵循折射定律，输出第二双折射晶体。当光反向传输时，1)当光按照o光照射到第二双折射晶体时，光路遵循折射定律，相对于入射o光，无相对位移地通过第二双折射晶体，在法拉第旋光器中旋转45°后，光在第一双折射晶体中的传输方式变为e光（非常光），此时光路的传输不遵循折射定律，并且由于光轴与入射表面有45°夹角，从而相对于入射o光发生偏折，光的输出位置偏离入射波导，从而不能耦合到输入波导中，达到隔离目的；2)当光按照e光照射到第二双折射晶体时，光路的传输不遵循折射定律，并且由于光轴与入射表面有45°夹角，从而相对于入射o光发生偏折，在输出第二双折射晶体时发生横向位移，在法拉第旋光器中旋转45°后，光在第一双折射晶体中的传输方式变为o光，此时光的传输遵循折射定律，平行于入射o光通过第一双折射晶体，因此光的最终输出位置保持第二双折射时形成的横向位移量，输出位置偏离入射波导，进而不能耦合到输入波导中，达到隔离目的。但是由于此晶体的折射率很高，导致在实际应用中产生过大的横向走离量，造成耦合和封装的难度加大。

发明内容

本发明提供了一种在不改变入射角度和元件厚度的情况下，改变出射光的横向走离量的方法。并由此发明衍生出一种低横向走离量的双折射晶体自由空间隔离器，以克服现有两种设计中的分别存在的成本和横向走离量过大的不足。同时结合此产品的实际应用，进一步衍生出一种两片式晶体自由空间隔离器。

本发明所提供的一种双折射晶体位移补偿机理，应用双折射晶体中e光相对于o光的横向走离现象，进行偏振相关光学设计中位移补偿。该方法包括降低光束横向走离量和增大横向走离量的应用，在不改变入射角度和元件厚度的情况下，实现改变出射光横向走离量。

为实现在不改变入射角度和元件厚度的情况下，改变出射光横向走离量的目的，本发明在光路中使用双折射晶体作为光路的横向走离元件，并使入射偏振光在晶体中以e光模式传播。在不改变入射角度和元件厚度的情况下,通过在-90°~+90°之间改变光轴和入射表面法线的夹角θ，可以增大或减小e光和o光之间的相对分开角度α及走离方向，进而改变在出射端的横向走离量。晶体光轴与入射表面的夹角为大于-90°且小于90°之间的不等于0°任意角度。

进一步的，该方法用于平行玻璃板结构或楔型或透镜类光学零件，以在器件内部实现不同的横向走离量。

进一步的，以e光模式传输的晶体处在光路中的任意位置，此晶体构成全部光路或部分光路。

本发明还提供了一种横向走离量补偿双折射晶体自由空间隔离器，本发明包括两片晶体和一片法拉第旋光器，法拉第旋光器位于两片晶体的中间，所述的两片晶体的光轴在入射面上投影的夹角度数等于法拉第旋光器的理论旋光角度数或90°与理论旋光角度数之和。基于上述位移补偿机理衍生出的低横向走离量双折射晶体自由空间隔离器，在采用低成本双折射晶体设计的同时，结合本发明的双折射晶体e光位移补偿机理，使入射偏振光在一片或两片晶体内部传输时工作在e光模式，并通过合理设计光轴和入射表面法线的夹角θ，进而使o光和e光在经过双折射晶体后获得比较大的分开量以实现最佳隔离效果；并使正向e光经过双折射晶体后的横向走离量与经过法拉第旋光器的横向走离量方向相反，从而达到减小光路总体横向走离量的目的。

进一步的，所述光线在第1片晶体中以e光模式，在第2片晶体中以o光模式传输；或者在第1片晶体中以o光模式，在第2片中以e光模式传输；或者在两片晶体中都以e光模式传输。

本发明还提供了另外一种两片式晶体隔离器，包括一片双折射晶体、一片法拉第旋光器和一个激光器，所述两片式晶体隔离器是由双折射晶体和法拉第旋光器构成两片式结构，其特征在于：法拉第旋光器位于所述的双折射晶体和所述的激光器中间所述的双折射晶体的光轴和激光器输出偏振光在入射面上投影的夹角度数等于法拉第旋光器的理论旋光角度数或90°与理论旋光角度数之和。

进一步的，激光器发射的偏振光在晶体中按照e光模式或o光模式传输。

本发明还提供了所述的晶体的应用，晶体光轴与入射表面的夹角为大于-90°且小于90°之间的不等于0°任意角度。

 

附图说明：

以下结合附图对本发明进行详细说明。

图1为双折射现象及位移补偿机理（垂直入射示意图）；

图2为双折射现象及位移补偿机理（倾斜入射示意图）；

图3为位移补偿机理在光楔型器件中的应用

图4为位移补偿机理在透镜型器件中的应用

图5为第一片双折射晶体光轴示意图；

图6为第二片双折射晶体光轴示意图；

图7为第一片双折射晶体 + 法拉第旋光器的位移补偿示意图；

图8为第一片双折射晶体 + 法拉第旋光器 + 第二片双折射晶体的位移补偿示意图；

图9为o光在xz平面上投影的反向隔离示意图；

图10为o光在yz平面上投影的反向隔离示意图；

图11为e光在xz平面上投影的反向隔离示意图；

图12为e光在yz平面上投影的反向隔离示意图；

图13为晶体入射光为o光模式的两片式晶体隔离器示意图；

图14为晶体入射光为e光模式的两片式晶体隔离器示意图。

 

具体实施方式

 下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细描述。需要注意的是，根据本发明的隔离器的实施方式仅仅作为以入射光线在两个双折射晶体中都以e光模式传输，且以减小横向走离量为目的的例子，但本发明不限于该具体实施方式，入射光线在其中一片晶体中以e光模式传输的设计，及增大横向走离量的设计也属此发明范畴。

    图1为双折射晶体在垂直入射时的双折射现象及位移补偿机理。11是一片双折射晶体平板，光轴与入射表面的法线成θ角。正双折射晶体和负双折射晶体的e光偏折方向相反，下面以正双折射晶体为例。当0°<θ<+90°时，如左图，e光向上偏折形成横向走离量d；当-90°<θ<0°时，如右图，e光向下偏折形成横向走离量-d；所以，通过在-90°~+90°之间改变θ角，可以在+d~-d之间改变在出射端的横向走离量。

图2：为双折射晶体在倾斜入射时的双折射现象及位移补偿机理。同样，11是一片双折射晶体平板，光轴与入射表面的法线成θ角；入射光线与入射表面的法线成一定角度（不等于0°）。o光在双折射晶体中的传播路径与光线在非双折射晶体中的传播路径相同，遵循折射定律，经过平板后产生横向走离量d1。当0°<θ<+90°时，如左图，e光向上偏折可形成最大横向走离量d2；当-90°<θ<0°时，如右图，e光向下偏折可形成最小横向走离量-d3；所以，通过在-90°~+90°之间改变θ角，可以在+d2~-d3之间改变在出射端的横向走离量，同时满足-d3<d1<+d2。

图3：为位移补偿机理在光楔型器件中的应用。在器件内部的横向走离及位移补偿机理同图1，但是器件外形设计成光楔型，因此在光楔型器件的出射平面的位移同图1介绍，但是由于光楔型结构设计与平板结构设计的不同，出射光线将发生一定角度的偏折；同时由于晶体的o光和e光的折射率不同，e光和o光的偏折角度将不同。

图4为位移补偿机理在透镜型器件中的应用。在器件内部的横向走离及位移补偿机理同图1，但是器件外形设计成透镜型，因此在透镜型器件的出射球面的位移同图1介绍，但是由于透镜型结构设计与平板结构设计的不同，出射e光线偏离透镜光轴后将发生一定角度的偏折，因此出射e光的角度也将和o光不同。

    图5为由上述位移补偿机理衍生出的低横向走离量双折射晶体自由空间隔离器中的第一片双折射晶体光轴示意图。XY平面为入射表面，Z轴为入射表面的法线。光轴处于XZ平面内，并与Z轴成θ角。

    图6为低横向走离量双折射晶体自由空间隔离器的第二片双折射晶体光轴示意图。XY平面为入射表面，Z轴为入射表面的法线。光轴与Z轴成θ角，并且光轴在XY平面上的投影与X轴成Φ角。（Φ角等于法拉第旋光器的旋光角，通常为45°）

图7为光线经过第一片双折射晶体和法拉第旋光器后在XZ片面内的位移补偿示意图。10为入射光线的方向延长线；11为第一片双折射晶体，光轴θ角满足0°<θ<+90°；12为法拉第旋光器。光线与入射表面的法线成i角入射，通常在非双折射晶体中的光路传播遵循折射定律，沿图示o光光路传播，并最终在出射端形成横向走离量-d5;在此设计中，光线在第一片双折射晶体中按照e光模式传播，因此与o光形成一个夹角向上方偏折，并在晶体出射端形成一个正的横向走离量，此方向与光线在法拉第旋光器中形成的负横向走离量相反，因此相互抵消，并最终在出射端形成较小的横向走离量-d4。

    图8为光线经过第一片双折射晶体，法拉第旋光器和第二片晶体后在XZ片面内的位移补偿示意图。10为入射光线的方向延长线；11为第一片双折射晶体，光轴θ角满足0°<θ<+90°；12为法拉第旋光器；13为第二片双折射晶体，光轴θ角满足0°<θ<+90°。光线与入射表面的法线成i角入射，通常在非双折射晶体中的光路传播遵循折射定律，沿图示o光光路传播，并最终在出射端形成横向走离量-d7;在此设计中，光线在第一片双折射晶体中按照e光模式传播，因此与o光形成一个夹角向上方偏折，并在晶体出射端形成一个正的横向走离量，此方向与光线在法拉第旋光器中形成的负横向走离量相反，因此抵消部分横向走离量；进入第二片晶体后，由于法拉第旋光效应，光线在第二片晶体中仍然按照e光模式传播，进一步在XZ平面补偿少量的横向走离量，并最终在XZ平面内的出射端形成较小的横向走离量-d6。同时，经过第二片晶体后时，还会在YZ片面内形成一个横向走离分量,如图10所示。E光在两个平面内的总横向走离量远小于o光在XZ平面内的横向走离量，进而方便了产品的调光及耦合，降低了生产封装难度。

由于反射回来的光可以分解为o光和e光，因此下面分别对反向o光和e光分别进行反向隔离效果评估。

    图9为当光线反向传输并且以o光模式入射第二片晶体时，在XZ平面内的反向光路追迹及隔离示意图。反射o光在第二片晶体中传输时，遵循折射定律，与正向传输的e光之间形成一个夹角，并在出射第二片晶体时产生横向走离；进入法拉第旋光器后，反向传输光遵循折射定律，与正向传输光平行经过法拉第旋光器，并且偏振方向旋转45度以e光进入第一片晶体；进入第一片晶体的反向传输光因与正向传输光的模式相同（e光），所以平行于正向传输光e光出射第一片晶体，此时最终反向传输光相对于正向传输光保持在第二片晶体时形成的横向走离量，因此不能耦合到正向传输光路中。

    图10为当光线反向传输并且以o光模式入射第二片晶体时，在YZ平面内的反向光路追迹及隔离示意图。反射o光在第二片晶体中传输时，遵循折射定律，与正向传输的e光之间形成一个夹角，并在出射第二片晶体时产生横向走离；进入法拉第旋光器和第一片晶体的反向传输光与正向传输光平行经过法拉第旋光器，原理同图9，因此最终反向传输光相对于正向传输光保持在第二片晶体时形成的横向走离量，因此不能耦合到正向传输光路中。

综合图9和图10的分析，反向传输o光将在XZ和YZ平面内分别产生横向走离量，进而导致反向传输不能耦合到正向传输光路中。

    图11为当光线反向传输并且以e光模式入射第二片晶体时，在XZ平面内的反向光路追迹及隔离示意图。反射传输光在第二片晶体中传输时，不遵循折射定律，与正向传输的e光光路完全重合，在出射第二片晶体时不产生横向走离；进入法拉第旋光器后，反向传输光遵循折射定律，与正向传输光光路完全重合经过法拉第旋光器，并且偏振方向旋转45度以o光进入第一片晶体；进入第一片晶体的反向传输光（o光）因与正向传输光的模式不相同（e光），所以与正向传输的e光之间形成一个夹角，但因光轴和入射平面在同一平面内,因此此夹角仅在XZ平面内,并仅在XZ平面内产生横向走离量,而在YZ平面内不产生横向走离量,因此不能耦合到正向传输光路中.

    图12为当光线反向传输并且以e光模式入射第二片晶体时，在YZ平面内的反向光路追迹及隔离示意图。反射传输光在第二片晶体中传输时，不遵循折射定律，与正向传输的e光光路完全重合，在出射第二片晶体时不产生横向走离；进入法拉第旋光器后，反向传输光遵循折射定律，与正向传输光光路完全重合经过法拉第旋光器，并且偏振方向旋转45度以o光进入第一片晶体；进入第一片晶体的反向传输光（o光）因与正向传输光的模式不相同（e光），所以与正向传输的e光之间形成一个夹角，但因光轴和入射平面在同一平面内,因此此夹角仅在XZ平面内,并仅在XZ平面内产生横向走离量,而在YZ平面内不产生横向走离量.

综合图11和图12的分析，反向传输e光将仅在XZ平面内产生横向走离量，进而导致反向传输不能耦合到正向传输光路中。

    图13为两片式晶体隔离器示意图，且晶体入射光为o光模式。14为激光器，其偏振方向如“正向o光偏振示意图”中第一个图的箭头方向；12为法拉第旋光器；13为双折射晶体，光轴θ角满足0°<θ<+90°，其光轴在入射表面的投影和激光器输出光偏振方向的夹角等于法拉第旋光器的理论旋光角或90°加旋光角。当光正向传输时，整个传输过程中遵循折射定律，在法拉第旋光器中旋转45°以o光偏振模式进入双折射晶体中，光路遵循折射定律在双折射晶体中传输并出射。横向走离机理同上。当光反向传输时，1)当光按照e光照射到双折射晶体时，由于光轴与入射表面有一定夹角，因此相对于正向传输o光发生发生横向走离后输出双折射晶体；在法拉第旋光器中旋转45°后，其偏振方向与正向传输光的偏振方向一致，但是因为在双折射晶体中的横向走离，从而使反向传输光不能耦合到输入波导中，达到隔离目的，偏振态变化见“反向e光偏振方向示意”；2)当光按照o光照射到双折射晶体时，光路的传输遵循折射定律，与正向传输光完全重合地经过双折射晶体，进入法拉第旋光器；在法拉第旋光器中偏振方向旋转45°后，出射法拉第旋光器的光的偏振方向与正向传输光的偏振方向垂直；虽然此时反向传输光路与正向传输光路完全重合，能够耦合到激光波导中，但是因为偏振方向与激光器的偏振方向垂直，所以不会干扰激光器的稳定工作，进而达到隔离目的，偏振态变化见“反向o光偏振方向示意”。

图14为两片式晶体隔离器示意图，且晶体入射光为e光模式。激光器14的偏振方向同上，如“正向e光偏振示意图”中第一个图的箭头方向。当光正向传输时，激光器的偏振光在法拉第旋光器中旋转45°以e光偏振模式进入双折射晶体中，光路不遵循折射定律在双折射晶体中发生横向走离并出射，横向走离机理同上。当光反向传输时，1)当光按照e光照射到双折射晶体时，与入射e光完全重合地经过双折射晶体和法拉第旋光器，并耦合到激光器波导中，但是在法拉第旋光器中旋转45°后，其偏振方向与正向传输光的偏振方向垂直，所以不会干扰激光器的稳定工作，进而达到隔离目的，偏振态变化见“反向e光偏振方向示意”；2)当光按照o光照射到双折射晶体时，光路的传输遵循折射定律，在双折射晶体中与正向传输e光发生相对横向走离，进入法拉第旋光器；在法拉第旋光器中偏振方向旋转45°后，出射法拉第旋光器的光的偏振方向与正向传输e光的偏振方向平行，但是因为在双折射晶体中的相对横向走离，从而使反向传输光不能耦合到输入波导中，达到隔离目的，偏振态变化见“反向o光偏振方向示意”。

Claims (10)

1.一种双折射晶体位移补偿机理，其特征在于：应用双折射晶体中e光相对于o光的横向走离现象，进行偏振相关光学设计中位移补偿。

2.根据权利要求1所述的双折射晶体位移补偿机理，其特征在于：该方法包括降低光束横向走离量和增大横向走离量的应用，在不改变入射角度和元件厚度的情况下，实现改变出射光横向走离量。

3.根据权利要求2所述的双折射晶体位移补偿机理，其特征在于：在光路中使用双折射晶体作为光路的横向走离元件，并使入射偏振光在双折射晶体中以e光模式传播，在不改变入射角度和元件厚度的情况下，通过在-90°到+90°之间改变光轴和入射表面法线的夹角θ，能够增大或减小e光和o光之间的相对分开角度α，进而改变在出射端的横向走离量。

4.根据权利要求1所述的双折射晶体位移补偿机理，其特征在于：该方法用于平行玻璃板结构或楔型或透镜类光学零件，以在器件内部实现不同的横向走离量。

5.根据权利要求1所述的双折射晶体位移补偿机理，其特征在于：以e光模式传输的晶体处在光路中的任意位置，此晶体构成全部光路或部分光路。

6.一种使用权利要求1-5任一项所述机理的横向走离量补偿隔离器，包括两片晶体和一片法拉第旋光器，法拉第旋光器位于两片晶体的中间，其特征在于：当有光线在所述的两片晶体中传输时，所述的两片晶体的光轴在入射面上投影的夹角度数等于法拉第旋光器的理论旋光角度数或90°与理论旋光角度数之和，且光线至少在一片晶体中以e光模式传输,其位移补偿包括增大及减小横向走离量的应用。

7. 根据权利要求6所述的横向走离量补偿隔离器，其特征在于：所述光线在第1片晶体中以e光模式，在第2片晶体中以o光模式传输；或者在第1片晶体中以o光模式，在第2片中以e光模式传输；或者在两片晶体中都以e光模式传输。

8. 一种使用权利要求1-5任一项所述机理的两片式晶体隔离器，包括一片双折射晶体、一片法拉第旋光器和一个激光器，所述两片式晶体隔离器是由双折射晶体和法拉第旋光器构成两片式结构，其特征在于：法拉第旋光器位于所述的双折射晶体和所述的激光器中间，当有光线在所述的双折射晶体中传输时，所述的双折射晶体的光轴和激光器输出偏振光在入射面上投影的夹角度数等于法拉第旋光器的理论旋光角度数或90°与理论旋光角度数之和,偏振方向与激光器输出偏振光偏振方向相同的反向传输光会偏离激光器波导，不能耦合进波导；偏振方向与激光器输出偏振光偏振方向垂直的反向传输光会耦合到激光器波导中，但是由于偏振方向垂直，不会影响激光器工作稳定性。

9.根据权利要求8所述的两片式晶体隔离器，其特征在于：激光器发射的偏振光在晶体中按照e光模式或o光模式传输。

10.根据权利要求1-9任一项所述的晶体的应用，其特征在于：晶体光轴与入射表面的夹角为大于-90°且小于90°之间的不等于0°任意角度。

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