CN105339832A

CN105339832A - 偏振无关型光隔离器

Info

Publication number: CN105339832A
Application number: CN201480036998.9A
Authority: CN
Inventors: 中村宣夫; 大井川钦哉
Original assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Priority date: 2013-07-10
Filing date: 2014-04-30
Publication date: 2016-02-17
Also published as: JP2015018090A; EP3021157A4; EP3021157A1; US20160109735A1; US9869890B2; WO2015004976A1

Abstract

本发明的课题是提供一种可实现法拉第元件和磁铁的小型化的偏振无关型光隔离器。本发明的解决方案是提供一种偏振无关型光隔离器，具有设置于光路上的一对楔型双折射结晶板1、2和设置于所述楔型双折射结晶板之间的光路上的顺磁体所形成的法拉第元件30，一对楔型双折射结晶板中的倾斜光透过面之间和非倾斜光透过面之间相互平行，各非倾斜光透过面朝向法拉第元件一侧配置，其特征在于，法拉第元件是由具有平行四边形状的截面的顺磁体构成且所述顺磁体的光出入射面是非平行于所述一对楔型双折射结晶板中的非倾斜光透过面，并且以光路中心轴为基准，各楔型双折射结晶板的直角部100与法拉第元件的钝角部31配置于同一侧。

Description

偏振无关型光隔离器

技术领域

本发明涉及一种在用于光通信系统、激光加工系统的高功率激光的反射回光对策中所使用的光隔离器。特别地，涉及一种能使作为光隔离器的构成部件的法拉第元件和磁铁小型化的偏振无关型光隔离器的改良。

背景技术

在用于光通信系统的半导体激光或用于激光加工系统的固体激光等的激光元件中，如果在激光共振器外部的光学面或加工面上反射的光返回至激光元件，则激光振荡变得不稳定。当激光变得不稳定时，在光通信系统的情况下，成为信号噪音，在激光加工系统的情况下，可能破坏激光元件。因此，使用光隔离器来遮断所述反射回光，并使反射回光不会返回至激光元件。

如图1所示，作为一种偏振无关型光隔离器，已知主要部分是由一对楔型双折射结晶板1、2、设置于所述楔型双折射结晶板1、2之间且由具有长方形状的截面的顺磁体形成的法拉第元件3、以及永久磁铁5构成的光隔离器(参见专利文献1)。此外，图1中的实线表示激光在向正方向前进时的状态。

并且，在这种偏振无关型光隔离器中，例如，从激光元件(未图示)发射且通过透镜4的正方向的激光(入射光)入射至楔型双折射结晶板1，并分成寻常光和非寻常光的2个光路入射至法拉第元件3，并通过法拉第元件3以45度旋转偏光面后，入射至楔型双折射结晶板2，与所述激光(入射光)再度呈平行的状态，从光隔离器出射。

另一方面，当激光向反方向前进时(即，回光前进时)，从光隔离器的出射侧(图1中的右侧)入射至楔型双折射结晶板2，且沿着与前向相同的路径直至到达楔型双折射结晶板1，从楔型双折射结晶板1出射时以避开所述透镜4(即，如虚线所示)的方式前进。即，由于回光没有结合到透镜4，因此，作为光隔离器能够发挥功能。

此外，图1中的符号γ表示楔型双折射结晶板1和楔型双折射结晶板2中的楔角，符号β表示回光与所述入射光形成的角度。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2009-168894号公报(参见段落序号0003)。

发明内容

发明要解决的课题

在使用长方形状截面的法拉第元件的现有偏振无关型光隔离器中，入射至楔型双折射结晶板1的激光在通过楔型双折射结晶板1后，如图1所示，向倾斜方向前进的同时入射至法拉第元件3，因此，所述法拉第元件3需要具有比激光的光束直径足够大的直径。

进行具体的说明，设法拉第元件的维尔德常数为V、对法拉第元件施加的磁场强度为H，则法拉第元件的长度L可以通过下述公式求得：

L＝法拉第旋转角(45度)÷(V×H)

即，如果磁场强度H变大，则法拉第元件的长度L变短，根据图1中所示的偏振无关型光隔离器的结构，确认法拉第元件也可以具有小的直径。

然而，如果磁场强度H变小，则法拉第元件的长度L变大，随之需要设定更大的法拉第元件的直径。

现在，人们强烈地期待小型且低价格的光隔离器，为了满足所述期待，需要缩小作为高价格材料的法拉第元件和磁铁的尺寸。即，这是因为将铽系的顺磁体用于法拉第元件，因而材料成本变高，并且，对于磁铁而言，由于使用镝分散钕-铁-硼磁铁，因而材料成本变高。

然而，如果要减小法拉第元件的尺寸(即，减小法拉第元件的长度和直径)，则如上所述，需要大型且强力的磁铁。而且，如果缩小磁铁的尺寸，则会减弱磁场的强度，因此，为了弥补所述情况，必须增大法拉第元件的长度和直径，同时实现法拉第元件和磁铁的小型化是极其困难的。

本发明是通过着眼于这样的问题点而完成的，其课题在于提供一种能使法拉第元件和磁铁小型化的偏振无关型光隔离器。

解决课题的方法

为了解决所述课题，本发明人等反复进行了精心的研究，其结果发现，在使用截面为平行四边形状的法拉第元件来代替具有长方形状截面的现有的法拉第元件的情况下，能同时实现法拉第元件的小型化和磁铁的小型化。

即，本发明的第1发明涉及一种偏振无关型光隔离器，

其具有在光路上设置的一对楔型双折射结晶板和由设置于所述楔型双折射结晶板之间的光路上的顺磁体所形成的法拉第元件，一对楔型双折射结晶板中的倾斜光透过面之间以及非倾斜光透过面之间相互平行，并且，各非倾斜光透过面朝向所述法拉第元件一侧配置，其特征在于，

法拉第元件是由具有平行四边形状的截面的顺磁体构成，所述顺磁体的光出入射面非平行于所述一对楔型双折射结晶板中的非倾斜光透过面，并且，以光路中心轴为基准，各楔型双折射结晶板的直角部与法拉第元件的钝角部配置于同一侧。

另外，第2发明涉及如第1发明所述的偏振无关型光隔离器，其特征在于，所述楔型双折射结晶板中的楔角γ设定为8°以上且10°以下。

发明效果

通过本发明的偏振无关型光隔离器，其中，法拉第元件是由具有平行四边形状的截面的顺磁体构成，而且，所述顺磁体的光出入射面非平行于一对楔型双折射结晶板中的非倾斜光透过面，并且，以光路中心轴为基准，各楔型双折射结晶板的直角部与法拉第元件的钝角部配置于同一侧，因此，通过楔型双折射结晶板并沿远离所述光路中心轴的方向前进的激光在入射至法拉第元件时发生折射，变为朝向返回至所述光路中心轴一侧的方向前进，因而与使用具有长方形状的截面的现有的法拉第元件的情况相比，可以减小法拉第元件的直径。

因此，本发明具有能同时实现偏振无关型光隔离器中法拉第元件的小型化和磁铁的小型化的效果。

附图说明

图1是表示使用具有长方形状的截面的法拉第元件的现有示例的偏振无关型光隔离器的概略构成和光隔离器内的激光的光路的说明图。

图2是表示本发明的偏振无关型光隔离器的概略构成和光隔离器内的激光的光路的说明图。

图3是示意性地表示偏振无关型光隔离器内的激光的光路(前进方式)的激光的模拟图。

图4是表示实施例的偏振无关型光隔离器的概略构成和光隔离器内的激光的光路的说明图。

图5(A)是实施例的偏振无关型光隔离器中所使用的磁铁的概略截面图、图5(B)是所述磁铁的构成截面图。

图6是表示实施例与比较例的偏振无关型光隔离器中的隔离度测定系统的概略构成的说明图。

图7(A)是比较例的偏振无关型光隔离器中所使用的磁铁的概略截面图，图7(B)是所述磁铁的结构截面图。

具体实施方式

下面，使用附图对本发明的实施方式进行详细的说明。

图2是表示本发明的偏振无关型光隔离器的概略构成与光隔离器内的激光的光路的说明图。

首先，如图2所示，本发明的偏振无关型光隔离器具有设置于光路上的一对楔型双折射结晶板1、2和设置于所述楔型双折射结晶板1、2之间的光路上的顺磁体所形成的法拉第元件30，一对楔型双折射结晶板1、2中的倾斜光透过面之间以及非倾斜光透过面之间相互平行，并且，各非倾斜光透过面朝向所述法拉第元件30一侧配置，所述偏振无关型光隔离器的特征在于，

法拉第元件30是由具有平行四边形状的截面的顺磁体构成，且所述顺磁体的光出入射面非平行于所述一对楔型双折射结晶板1、2中的非倾斜光透过面，并且，以未示出的光路中心轴为基准，各楔型双折射结晶板1、2的直角部100与法拉第元件30的钝角部31配置于同一侧。

此外，在图1和图2的楔型双折射结晶板1、2的γ(楔型双折射结晶板1以及楔型双折射结晶板2中的楔角)较小的情况下，回光变得容易结合到透镜4，因此，对β(回光与入射光形成的角度)而言，优选β≥1.7°，为了实现所述条件，优选所述楔角γ为8°以上。

下面，当设定法拉第元件的长度为14mm、且设定一对楔型双折射结晶板1、2中的楔角γ为8°时，通过模拟求出偏振无关型光隔离器内的激光的前进方式(光路)，并将其结果表示于图3的图中。

此外，图3的实线表示在本发明的偏振无关型光隔离器(其使用了截面为平行四边形状的法拉第元件，图2中符号α所表示的角度设定为14°)内的激光的光路(前进方式)，并且，图3的虚线表示使用了断面为长方形状的法拉第元件的现有示例的偏振无关型光隔离器内的激光的光路(前进方式)。

从图3的模拟图可确认，在虚线所表示的现有示例的偏振无关型光偏离器中，以光路中心轴(无图示)为基准入射的正方向的激光显著偏离入射位置而前进，与此相对，在实线所表示的本发明的偏振无关型光隔离器中，以光路中心轴(无图示)为基准入射的正方向的激光没有显著偏离入射位置，因此，可知使用直径小的法拉第元件可充分地发挥功能。进一步地，在以光路中心轴(无图示)为基准入射的正方向的激光没有显著偏离入射位置的情况下，可以减小光隔离器中设置的磁铁的内径，从而能够增大对法拉第元件施加的磁场强度。换言之，在不改变法拉第元件的长度的情况下，能够减小磁铁的大小。

由图2～图3可知，图2中符号α所表示的角度取决于楔型双折射结晶板1、2中的楔角γ，如果增大角度γ，则随之需要增大符号α所表示的角度。然而，如果增大角度γ，则回光与入射光形成的角度β也变大，如图4所示，回光射至磁铁的内壁不仅使磁铁的温度上升，而且，其在磁铁内反射后，成为杂散光而到达透镜4的问题也变的容易发生。因此，所述楔型双折射结晶板1、2中的楔角γ优选为10°以下，图2中由符号α所表示的角度也随之变为20°以下。

实施例

以下，列举比较例对本发明的实施例进行具体的说明。

[实施例]

如图4所示，对实施例中的偏振无关型光隔离器而言，其主要部分是由一对楔型双折射结晶板1、2、设置于所述楔型双折射结晶板1、2之间的截面为平行四边形状的法拉第元件30、集合体磁铁5、水晶制半波长板6、平行平板形状的YVO₄结晶7所构成。

首先，如图5(B)所示，所述集合体磁铁5由第一磁铁51、第2磁铁52、以及设置于所述第1磁铁51与第2磁铁52之间的第3磁铁53所构成，其中，所述第1磁铁51在与所述光路中心轴(无图示)垂直且朝向光路中心轴的磁化方向(箭头所表示的方向)上被磁化，所述第2磁铁52在与光路中心轴垂直且远离光路中心轴的磁化方向(箭头所表示的方向)上被磁化，所述第3磁铁53在与光路中心轴平行并且从第2磁铁52朝向第1磁铁51的磁化方向(箭头所表示的方向)上被磁化，并且，在第1磁铁、第2磁铁以及第3磁铁的各中心上设置有用于容纳所述法拉第元件30的孔部。

此外，第1磁铁51、第2磁铁52、第3磁铁53分别地由钕-铁-硼磁铁构成，如图5(B)所示，聚结所述磁铁而构成的集合体磁铁5的长度设定为40mm，如图5(A)所示，所述集合体磁铁5的外径设定为32mm，各磁铁中的孔部的内径设定为3mm。

并且，在所述法拉第元件30中，使用截面为平行四边形状的、直径为2.6mm、长度为12mm的铽镓石榴石棒，其中，图2中符号α所表示的角度为14°，在所述楔型双折射结晶板1、2中，使用楔角γ为8.5°的YVO₄结晶。

进一步地，为了使正方向的通过所述楔型双折射结晶板2后的寻常光和非寻常光汇聚，添加所述水晶制半波长板6和平行平板形状的YVO₄结晶7。

此外，对于所述楔型双折射结晶板1、2、法拉第元件30、以及集合体磁铁5等的尺寸而言，预先通过模拟进行计算。

另外，使用图6所示的隔离度测定系统进行实施例的偏振无关型光隔离器的隔离度测定。

此外，图6所示的隔离度测定系统具有波长为1060nm的半导体激光光源9、光纤准直器10、11、功率计12、以及光开关13，作为测定对象的偏振无关型光隔离器8设置于光纤准直器10、11之间。另外，设定光纤准直器10、11与偏振无关型光隔离器8之间的各距离为50mm。

然后，在偏振无关型光隔离器的隔离度测定中，从半导体激光光源9发射且由实线表示的正方向激光经过光开关13和光纤准直器10，入射至偏振无关型光隔离器8，而且，从偏振无关型光隔离器8出射且由实线表示的激光经过光纤准直器11与光开关13，入射至功率计12，从而得到功率计12的值I_i。

接下来，从半导体激光光源9发射且由虚线表示的反向激光经过光开关13和光纤准直器11，入射至偏振无关型光隔离器8，而且，从偏振无关型光隔离器8出射且由虚线表示的激光经过光纤准直器10和光开关13，入射至功率计12，得到功率计12的值I_b。

然后，根据由所述功率计12所分别测定的值I_i和值I_b，计算-10·log(I_b/I_i)，作为隔离度。

测定的结果确认了实施例的偏振无关型光隔离器的隔离度为40dB以上的良好的值。

[比较例]

使用截面为长方形状的法拉第元件30来代替截面为平行四边形状的法拉第元件，除此以外，与实施例同样地进行操作，得到比较例的偏振无关型光隔离器，所述偏振无关型光隔离器与图4所示的实施例的偏振无关型光隔离器相比法拉第元件的形状不同。

此外，如图7(B)所示，在集合体磁铁5中，使用分别由钕-铁-硼磁铁构成的第1磁铁51、第2磁铁52、第3磁铁53的集合体，如图7(B)所示，集合体磁铁5的长度设定为50mm，如图7(A)所示，集合体磁铁5的外径设定为36mm，各磁铁中的孔部的内径设定为5mm。

另外，在所述法拉第元件30中，使用截面为长方形状、且直径为4.3mm、长度为12mm的铽镓石榴石棒，在所述楔型双折射结晶板1、2中，使用楔角为8.5°的YVO₄结晶。

此外，对于所述楔型双折射结晶板1、2、法拉第元件30、以及集合体磁铁5等的尺寸，与实施例同样地预先通过模拟进行计算。

而且，针对所得到的比较例的偏振无关型光隔离器，与实施例同样地进行隔离度测定，其结果为40dB以上的良好的值。

接下来，从实现比较例的偏振无关型光隔离器的小型化的观点出发，将法拉第元件30的直径设定为从所述4.3mm的值依次减小，从而针对各光隔离器进行隔离度的测定。

测定的结果是，设定法拉第元件30的直径为4.1mm时，隔离度为35dB，而设定法拉第元件30的直径为4.0mm时，隔离度下降为30dB。

隔离度下降的原因在于，通过将法拉第元件30的直径设定为从4.3mm的值依次减小，偏离于光路中心轴的回光的一部分到达法拉第元件的侧面，因此不能得到充分的法拉第旋转角。即，在使用截面为长方形状的法拉第元件来代替截面为平行四边形状的法拉第元件的情况下，通过模拟，判断法拉第元件30的直径需为4.3mm。

[确认]

根据上述结果，通过使用图2中符号α所表示的角度为14°的截面为平行四边形状的法拉第元件代替截面为长方形状的法拉第元件，使法拉第元件的体积成为“约3分之1”，而集合体磁铁的体积成为“约3分之2”，能够确认，偏振无关型光隔离器能同时实现法拉第元件的小型化和磁铁的小型化。

工业实用性

通过本发明的偏振无关型光隔离器，能够实现法拉第元件的小型化和磁铁的小型化，因此，其具有工业上的实用性，可应用在用于光通信系统、激光加工系统中的高功率激光的反射回光对策中。

附图标记的说明

1楔型双折射结晶板

2楔型双折射结晶板

3法拉第元件

4透镜

5磁铁

6水晶制半波长板

7平行平板形状的YVO₄结晶

8偏振无关型光隔离器

9半导体激光光源

10光纤准直器

11光纤准直器

12功率计

13光开关

30法拉第元件

31钝角部

51第1磁铁

52第2磁铁

53第3磁铁

100直角部

Claims

1.一种偏振无关型光隔离器，其具有设置于光路上的一对楔型双折射结晶板和设置于所述楔型双折射结晶板之间的光路上的顺磁体所形成的法拉第元件，一对楔型双折射结晶板中的倾斜光透过面之间和非倾斜光透过面之间相互平行，并且，各非倾斜光透过面朝向所述法拉第元件一侧配置，其特征在于，

法拉第元件是由具有平行四边形状的截面的顺磁体所构成，且所述顺磁体的光出入射面非平行于所述一对楔型双折射结晶板中的非倾斜光透过面，并且，以光路中心轴为基准，各楔型双折射结晶板的直角部与法拉第元件的钝角部配置于同一侧。

2.如权利要求1所述的偏振无关型光隔离器，其中，所述楔型双折射结晶板中的楔角γ设定为8°以上且10°以下。