CN114280716B - 用于光隔离器的组件、光隔离器和设备 - Google Patents

Abstract

一种用于光隔离器的组件，光隔离器和设备。用于光隔离器的组件包括：法拉第旋光器件，用于按照顺时针或逆时针方式将入射光的偏振方向旋转预设角度；磁环，用于提供法拉第旋光器件所需的磁场；第一超表面，形成在法拉第旋光器件的一侧，用于透过第一偏振方向的光，隔离与第一偏振方向垂直的方向的光；第二超表面，形成在法拉第旋光器件的与所述一侧相对的另一侧，用于透过第二偏振方向的光；透过第一超表面入射的光通过法拉第旋光器件后，其偏振方向为第二偏振方向，透过第二超表面入射的光通过法拉第旋光器件后，其偏振方向与第一偏振方向垂直。根据本发明技术方案，将传统隔离器分立的三个器件用一个器件代替，节省了空间，降低了制造成本。

Description

用于光隔离器的组件、光隔离器和设备

技术领域

本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种用于光隔离器的组件、一种光隔离器以及一种包含该光隔离器的设备。

背景技术

光隔离器是一种常用的光学器件，其作用是让正向传输的光通过而隔离反向传输的光。光隔离器分为自由空间型(Freesapce)和在线型(In-line)。光隔离器利用的基本原理是偏振光的马吕斯定律和法拉第(Farady)磁光效应。

自由空间型光隔离器的基本结构和原理如图1所示，由一个磁环、一个法拉第旋光片和两个偏振片组成，两个偏振片的光轴成45°夹角。其中，正向入射的线偏振光的偏振方向沿偏振片1的透光轴方向，经过法拉第旋光片时逆时针旋转45°至偏振片2的透光轴方向，顺利透射；反向入射的线偏振光的偏振方向沿偏振片2的透光轴方向，经法拉第旋光片时仍逆时针旋转45°至与偏振片1的透光轴垂直，因此被隔离而无透射光。

此种方案的缺点是：由于是三片式系统，所以装配复杂、良率低、成本高。

发明内容

鉴于以上问题，做出本发明。

根据本发明一方面，提供一种用于光隔离器的组件，包括：法拉第旋光器件，用于将入射光的偏振方向旋转预设角度；磁环，用于提供所述法拉第旋光器件所需的磁场；第一超表面，形成在所述法拉第旋光器件的一侧，用于透过第一偏振方向的光，隔离与第一偏振方向垂直的方向的光；第二超表面，形成在所述法拉第旋光器件的与所述一侧相对的另一侧，用于透过第二偏振方向的光，隔离与第二偏振方向垂直的方向的光，其中所述第二偏振方向与所述第一偏振方向相差所述预设角度；其中，透过所述第一超表面入射的光通过所述法拉第旋光器件后，其偏振方向为所述第二偏振方向，透过所述第二超表面入射的光通过所述法拉第旋光器件后，其偏振方向与所述第一偏振方向垂直。

根据本发明另一方面，提供一种光隔离器，包括上述用于光隔离器的组件。

根据本发明再一方面，提供一种设备，包括上述光隔离器。

根据本发明技术方案，将传统隔离器分立的三个器件(偏振片1、旋光片、偏振片2)用一个器件代替，其中旋光片为基底，偏振元件为基底两面的微纳结构排列，节省了空间，且可用半导体工艺大批量生产，降低了制造成本。进一步地，通过超表面的优化，可实现单色、多色和宽谱的光隔离。

附图说明

本发明可以通过参考下文中结合附图所给出的描述而得到更好的理解，其中在所有附图中使用了相同或相似的附图标记来表示相同或者相似的部件。所述附图连同下面的详细说明一起包含在本说明书中并且形成本说明书的一部分，而且用来进一步举例说明本发明的优选实施方式和解释本发明的原理和优点。其中：

图1示出现有技术已知的自由空间型光隔离器的基本结构和原理。

图2示出根据本发明实施方式的光隔离器组件的示意性图。

图3示出了根据本发明实施方式的光隔离器组件的拆解放大图。

图4示出了超表面可以采用级联结构的示意性图。

图5示出了法拉第旋光器件在不同波长下的费尔德常数曲线图。

图6示出根据本发明实施方式的单色隔离效果。

图7示出了第一/第二超表面可以采用的纳米结构。

图8示出了在期望透光轴方向是45度、90度和135度时，纳米结构可以采用的一部分结构排列方式。

图9示出了根据本发明实施方式的多色隔离效果。

图10(a)示出了宽带隔离效果图，图10(b)示出了在各个波长下都能实现最大隔离的效果图。

本领域技术人员应当理解，附图中的元件仅仅是为了简单和清楚起见而示出的，而且不一定是按比例绘制的。例如，附图中某些元件的尺寸可能相对于其他元件放大了，以便有助于提高对本发明实施方式的理解。

具体实施方式

下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本申请中的实施方式，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本申请保护的范围。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，“示例性”一词用来表示“用作例子、例证或说明”。本申请中被描述为“示例性”的任何实施方式不一定被解释为比其它实施方式更优选或更具优势。为了使本领域任何技术人员能够实现和使用本申请，给出了以下描述。在以下描述中，为了解释的目的而列出了细节。应当明白的是，本领域普通技术人员可以认识到，在不使用这些特定细节的情况下也可以实现本申请。在其它实例中，不会对公知的结构和过程进行详细阐述，以避免不必要的细节使本申请的描述变得晦涩。因此，本申请并非旨在限于所示的实施方式，而是与符合本申请所公开的原理和特征的最广范围相一致。

用于光隔离器的组件

根据本发明实施方式，提供一种用于光隔离器的组件。图2示出根据本发明实施方式的光隔离器组件的示意性图。如图2所示，该用于光隔离器的组件包括：

法拉第旋光器件210，用于按照顺时针或逆时针方式将入射光的偏振方向旋转预设角度。法拉第旋光器件210可以是旋光片，其型号不做具体限制，本领域技术人员可根据实际需要选择采用的旋光器件的类型、尺寸、薄厚等。

磁环220，用于提供法拉第旋光器件210所需的磁场。在示例性实施方式中，该磁场方向、强度保持恒定。

第一超表面230，其形成在法拉第旋光器件210的一侧，用于透过第一偏振方向的光，隔离与第一偏振方向垂直的方向的光。第一超表面230可以形成第一入射面。第一超表面230可以以法拉第旋光器件210比如旋光片为基底采用比如光刻工艺直接加工在旋光片上。

第二超表面240，形成在所述法拉第旋光器件210的与所述一侧相对的另一侧，用于透过第二偏振方向的光，隔离与第二偏振方向垂直的方向的光，其中所述第二偏振方向与所述第一偏振方向相差所述预设角度。第二超表面240可以形成第二入射面和光的第一出射面。第二超表面240可以以法拉第旋光器件210比如旋光片为基底采用比如光刻工艺直接加工在旋光片上。

其中，透过第一超表面入射的光通过法拉第旋光器件后，其偏振方向为第二偏振方向，透过第二超表面入射的光通过法拉第旋光器件后，其偏振方向与第一偏振方向垂直。换言之，向所述第一超表面入射的光通过所述第一超表面给予第一偏振和法拉第旋光器件旋转后，其偏振方向应与所述第二超表面的偏振方向一致，且向所述第二超表面入射的光通过所述第二超表面给予第二偏振和法拉第旋光器件旋转后，其偏振方向应与所述第一超表面的偏振方向垂直。

以上第一超表面230和第二超表面240可以完全覆盖法拉第旋光器件210，也可以不完全覆盖，这可以由本领域技术人员根据实际需要设置。如果没有完全覆盖，未覆盖的法拉第旋光器件部分只发挥旋光作用。

单向通过/隔离原理

图3示出了根据本发明实施方式的光隔离器组件的拆解放大图。下面参考图3描述光的单向通过/隔离原理。

参考图3所示，在光入射到第一超表面(第一入射面)230上时，经过第一超表面230，产生线偏振光，偏振方向是第一超表面230的偏振方向。法拉第旋光器件210受磁场作用(磁场由磁环220提供)，将该线偏振光逆时针旋转45度。在该示例性实施方式中，法拉第旋光器件210的旋光方向与入射方向无关，也就是说，针对正向入射和反向入射，法拉第旋光器件210的旋光方向均为逆时针旋转。

如图3所示，第二超表面240的透光轴方向与第一超表面230的透光轴方向相差45度。上述光经过法拉第旋光器件210后，其偏振方向变为与第二超表面240的透光轴方向一致，如图3所示，因此能从第二超表面(出射面)240射出。

在相反方向的光入射到第二超表面(第二入射面)240上时，经过第二超表面240，产生线偏振光，偏振方向是第二超表面240的偏振方向。法拉第旋光器件210受磁场作用(磁场由磁环220提供)，将线偏振光逆时针旋转45度。上述光经过法拉第旋光器件210后，其偏振方向变为与第一超表面230的透光轴方向垂直，被完全隔离，如图3所示，因此不能从第一超表面230射出。

通过以上方式，本发明实施方式的隔离器组件实现了光的单向通过/隔离。

应理解，本发明不限于图3所示具体示例。比如，法拉第旋光器件210还可以顺时针旋转，在图3中，如果法拉第旋光器件210顺时针旋转，那么第一入射面入射的光将被隔离，且第二入射面入射的光将被透射。又如，如果法拉第旋光器件210顺时针旋转，且同时改变第一超表面230和第二超表面240的偏振方向，比如第一超表面的偏振方向与竖直方向一致，第二超表面的偏振方向与竖直方向成45度角(与图3中的第一超表面的偏振方向一致)，那么，将法拉第旋光器件210设为顺时针旋转45度，将实现与图3所示具体示例相同的效果：第一入射面入射的光通过，第二入射面入射的光被隔离。

此外，图3示例性地将第一超表面230的透光轴方向设为与竖直方向成45度，将第二超表面240的透光轴方向设为与竖直方向一致，法拉第旋光器件的旋转角度为逆时针旋转45度，然而法拉第旋光器件的旋转角度以及第一/第二超表面的透光轴方向也可以设置成其他角度，只要能够实现以下目的即可：

透过第一超表面230入射的光通过法拉第旋光器件210后，其偏振方向为第二偏振方向，即与第二超表面240的偏振方向一致，透过第二超表面240入射的光通过法拉第旋光器件210后，其偏振方向与第一超表面230的偏振方向垂直。换言之，向第一超表面230入射的光通过第一超表面230给予第一偏振和法拉第旋光器件210旋转后，其偏振方向与第二超表面240的偏振方向一致，且向第二超表面240入射的光通过第二超表面240给予第二偏振和法拉第旋光器件210旋转后，其偏振方向与第一超表面230的偏振方向垂直。

如上所述，在根据本发明实施方式的光隔离器组件中，偏振功能由两个超表面执行，该两个超表面分别构成入射面和出射面。此外，法拉第旋光器件可作为超表面的基底。通过根据本发明实施方式的光隔离器组件，可缩小整个隔离器的体积。

超表面多层级联

可选地，第一超表面和/或第二超表面仅包含一层超表面，也可以包括多于一个的超表面，且在后者情况下可以由所述多于一个的超表面层叠而成。图4示出了超表面采用级联结构的示意性图。其中，多层的布置可以相同，也可以不同。多层之间的结合方式可以是：在单层超表面填充填充材料比如PMMA后，在该层上加工第二层超表面；或者，制作多层以透明材料为基底的超表面，然后粘合在第一层超表面上。换言之，多于一个的超表面中的相邻超表面之间填充有填充材料，或者，以透明材料为基底的多层超表面粘合在多于一个的超表面中的第一层超表面上。

多层结构可以带来以下优势：每层可实现同一功能，从而实现整体效果的叠加，可以提高整体的偏振效果。

法拉第旋光器件

如上所述，法拉第旋光器件可以作为基底，第一超表面230和第二超表面240是在法拉第旋光器件两面的纳米结构排列。法拉第旋光器件的材料可以是Tb₃Ga₅O₁₂(TGG，铽镓石榴石)和Tb₃ScxAl_5-xO₁₂(TSAG，铽钪铝石榴石)，两种材料均在可见和近红外光区具有较高的费尔德常数(费尔德常数越高，偏转角度越大)、低的透射损耗、高热导率和高激光损伤阈值等优点。并且其易生长大尺寸的晶体，可与半导体工艺兼容。其厚度d可依照下式确定：

d＝φ/VB

其中，φ为旋转角度，对于上述实施方式的光隔离器组件来说为45度；V为材料的费尔德常数(TSAG：48rad/(T·m)@1064；TGG：40rad/(T·m)@1064；)，B为磁场强度，单位为T(特斯拉)；d为旋光器件的厚度，单位为米。在给定磁场强度情况下，根据所用材料，即可确定法拉第旋光器件的厚度d。

其中，法拉第旋光器件在不同波长下的费尔德常数不同(法拉第旋转谱)，例如如图5所示。这样会导致：不同入射波长的线偏振光的旋转角度不同，导致隔离率如图6所示。

因此，根据本发明上述实施方式的光隔离器组件可用于单色隔离，即只针对一种波长光进行隔离。

多色隔离1

为进行多色隔离，根据本发明一实施方式，法拉第旋光器件可以包括至少两个法拉第旋光器件，且至少两个法拉第旋光器件针对不同波长的光的费尔德常数不同，进而导致偏转角度不同，从而使得针对不同波长的光，通过至少两个法拉第旋光器件的联合作用，偏转角度能够保持一致，从而使得隔离器组件可针对不同波长的光来工作。

超表面设计

第一超表面230和第二超表面240的表面所用微纳结构至少有一种结构是偏振相关的，其可以是纳米鳍、纳米椭圆柱等(纳米鳍、纳米椭圆柱是常用的偏振相关结构)，如图7所示。当目标波段是可见光时，结构材料可以是氮化硅、氧化钛、氮化镓、磷化镓和氢化非晶硅等材料；当目标波段是近红外光时，结构层材料可以是氮化硅、氧化钛、氮化镓、磷化镓、氢化非晶硅、非晶硅和晶体硅等材料。

图8示出了在期望透光轴方向是45度、90度和135度时，纳米结构可以采用的一部分结构排列方式。其中长方形和椭圆形分别表示纳米鳍和纳米椭圆柱。如图所示，纳米鳍和纳米椭圆柱呈阵列状排布，且通过调整纳米鳍和纳米椭圆柱的角度，可以调整超表面的透光轴。应理解，还可以将纳米鳍和纳米椭圆柱调整为其他布置，比如不同的角度、数量比例，或者还可以采用其他偏振相关的纳米结构，来实现其他角度的透光轴。

多色隔离2

为实现多色隔离，可选地，第一超表面230或第二超表面240的纳米结构排列为：针对不同波长的光，第一超表面230或第二超表面240的偏振方向不同。也就是说，利用纳米结构在不同波长下特性有微小变化，在不同波长的光入射时，第一超表面230或第二超表面240的透光轴针对不同波长的光会发生变化，进而使得针对不同波长的光，即使在法拉第旋光器件的旋转角度变化的情况下，由于第一超表面230或第二超表面240的透光轴也发生了变化，导致隔离器组件依然能正常工作，进而实现光的单向通过/隔离。

对于多色隔离，可以要求出射超表面对于不同波长下的光偏振方向的响应满足以下公式：

其中，θ为λ₀波长下偏振方向与λ_i波长下偏振态方向的夹角，L为法拉第旋光器件的厚度。所以，需设计微纳结构，使其满足上式的波长的响应，实现不同波长下的偏振方向的对应变化。该结构可以为椭圆孔和方柱的组合，排列方式依旧为正六边形排列。

以上设计实现了隔离器的多色(窄带)隔离，即在多个波长范围内都可以进行光的单向通过/隔离，结果如图9所示。

为实现多色(窄带)隔离器(一般在400-2100nm范围内，取若干波长，获得高隔离率)，需要根据所用法拉第旋光器件材料的费尔德常数曲线，对第一超表面230或第二超表面240进行设计，使得在保证法拉第旋光器件在400-2100nm范围内的若干波长下，向所述第一超表面230入射的光通过所述第一超表面230给予第一偏振和法拉第旋光器件旋转后，其偏振方向与所述第二超表面240的偏振方向一致，且向所述第二超表面240入射的光通过所述第二超表面240给予第二偏振和法拉第旋光器件旋转后，其偏振方向与所述第一超表面230的偏振方向垂直。

宽带隔离

可选地，可联合第一超表面230和第二超表面240共同设计，进而实现了宽带的隔离。

第一超表面230和第二超表面240的纳米结构排列为：针对不同波长的光，第一超表面230和第二超表面240的偏振方向不同。也就是说，在不同波长的光入射时，第一超表面230和第二超表面240的透光轴针对不同波长的光会发生变化，进而使得针对不同波长的光，即使在法拉第旋光器件的旋转角度变化的情况下，由于第一超表面230和第二超表面240的透光轴也发生了变化，导致隔离器组件依然能正常工作，进而实现光的单向通过/隔离。

关于具体的设计，宽带隔离与上述多色隔离近似，区别在于，确定一定波长范围内即λ_min到λ_max内，如波长范围从750nm到800nm，波长间距δλ＝λ_i-λ_i-1小于一定的值，如0.01nm，依旧可以满足Eq-1，则可作为宽带隔离的方案。该结构可以为椭圆柱和和方孔结构的组合，排列方式依旧为正六边形排列。

图10(a)示出了宽带隔离效果图，图10(b)示出了在较理想情况下，在各个波长下都能实现最大隔离的效果图。

波长转换器

可选地，为实现针对不同波长光的隔离效果，可在第一超表面230/第二超表面240前增设波长转换器，其能够对向第一超表面230和第二超表面240入射的光的波长进行转换，使得隔离器针对工作波长之外的波长光也能够进行单向通过/隔离。

光隔离器

根据本发明又一实施方式，还提供一种光隔离器，其包括如上所述的用于光隔离器的组件。

设备

根据本发明另一实施方式，还提供一种设备，其包括上述光隔离器。该设备可以是以下之一：半导体激光器，光放大器，长距离光纤通信系统等。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施方式的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施方式或者不同实施方式中的技术特征之间也可以进行组合，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、要素、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、要素或组件的存在或附加。涉及序数的术语“第一”，“第二”等并不表示这些术语所限定的特征、要素、步骤或组件的实施顺序或者重要性程度，而仅仅是为了描述清楚起见而用于在这些特征、要素、步骤或组件之间进行标识。

尽管根据有限数量的实施方式描述了本发明，但是受益于上面的描述，本技术领域内的技术人员明白，在由此描述的本发明的范围内，可以设想其它实施方式。此外，应当注意，本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的，而不是为了解释或者限定本发明的主题而选择的。因此，在不偏离所附权利要求书的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。对于本发明的范围，对本发明所做的公开是说明性的，而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求书限定。

Claims (10)

1.一种用于光隔离器的组件，其特征在于，包括：

法拉第旋光器件，用于将入射光的偏振方向旋转预设角度；

磁环，用于提供所述法拉第旋光器件所需的磁场；

第一超表面，形成在所述法拉第旋光器件的一侧，用于透过第一偏振方向的光，隔离与所述第一偏振方向垂直的方向的光；

第二超表面，形成在所述法拉第旋光器件的与所述一侧相对的另一侧，用于透过第二偏振方向的光，隔离与所述第二偏振方向垂直的方向的光，其中所述第二偏振方向与所述第一偏振方向相差所述预设角度；

其中，透过所述第一超表面入射的光通过所述法拉第旋光器件后，其偏振方向为所述第二偏振方向，透过所述第二超表面入射的光通过所述法拉第旋光器件后，其偏振方向与所述第一偏振方向垂直。

2.根据权利要求1所述的用于光隔离器的组件，其中，

所述第一超表面和/或所述第二超表面包括一个或多于一个的超表面，且在包括多于一个的超表面的情况下由所述多于一个的超表面层叠而成。

3.根据权利要求1或2所述的用于光隔离器的组件，其中，

所述第一偏振方向与第二偏振方向相差45度，且所述法拉第旋光器件按照逆时针方式将偏振方向旋转45度。

4.根据权利要求1或2所述的用于光隔离器的组件，其中，

所述第一偏振方向与第二偏振方向相差45度，且所述法拉第旋光器件按照顺时针方式将偏振方向旋转45度。

5.根据权利要求1或2所述的用于光隔离器的组件，其中，

所述第一超表面和/或所述第二超表面的纳米结构排列为：针对不同波长的光，所述第一超表面和/或所述第二超表面的偏振方向不同。

6.根据权利要求1或2所述的用于光隔离器的组件，其中所述法拉第旋光器件包括至少两个法拉第旋光器件，且至少两个法拉第旋光器件中的每个针对不同波长的光的偏振方向的旋转角度不同。

7.根据权利要求1或2所述的用于光隔离器的组件，还包括：

波长转换器，用于对向所述第一超表面和所述第二超表面入射的光的波长进行转换。

8.根据权利要求2所述的用于光隔离器的组件，其中，所述多于一个的超表面中的相邻超表面之间填充有填充材料，或者，以透明材料为基底的多层超表面粘合在所述多于一个的超表面中的第一层超表面上。

9.一种光隔离器，包括根据权利要求1-8中任一项所述的用于光隔离器的组件。

10.一种设备，其特征在于，包括根据权利要求9所述的光隔离器，所述设备是以下之一：半导体激光器，光放大器，长距离光纤通信系统。