CN115664518A

CN115664518A - 基于空间激光传输的单向导入设备及单向导入系统

Info

Publication number: CN115664518A
Application number: CN202211687873.5A
Authority: CN
Inventors: 娄洪伟; 邵帅; 汤大鑫; 盛磊; 韩金波; 李梓瑞
Original assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Current assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Priority date: 2022-12-28
Filing date: 2022-12-28
Publication date: 2023-01-31

Abstract

本发明提供的基于空间激光传输的单向导入设备及单向导入系统，属于网络安全信息技术领域，通过配置通信调制模块对输入激光进行调制，并通过在空间信道模块中配置光隔离器，以通过光隔离器实现经通信调制模块调制的激光能够在空间信道单向传输，以使得空间信道模块将单向传输的激光传输至内网主机模块。如此使得光隔离器将接收的激光单向传输导入于空间信道中，通过空间信道可使得无需借助物理传输介质即实现激光在空气中或者真空中传输，并通过光隔离器实现的高隔离度，还能使得内网到外网的光功率能够低于单光子探测灵敏度，以提高特殊场景下网络通信的安全性。

Description

基于空间激光传输的单向导入设备及单向导入系统

技术领域

本申请涉及网络信息安全技术领域，特别涉及一种基于空间激光传输的单向导入设备及单向导入系统。

背景技术

根据相关标准要求，互联网向涉密内网传输数据需要严格做到物理隔离或加密传输，以确保涉密端数据的安全性，满足互联网大流量数据单向导入涉密内网进行分析处理的场景和需求，该设备将在保密安全、军工航空航天等领域具有非常广阔的应用前景。

近年来，发明人发现，国内市场生产的单向导入设备一般都是有传输介质的，其主要还是采用逻辑隔离的方式，存在安全性不高等问题，没有做到真正的物理隔离，如此不能满足相关标准要求，因此现有技术存在问题亟待解决。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术的缺陷，提出一种基于空间激光传输的单向导入设备及单向导入系统。

为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：

本申请第一方面提供一种基于空间激光传输的单向导入设备，所述单向导入设备包括通信调制模块，及与所述通信调制模块连接的空间信道模块；

所述通信调制模块与外网主机模块连接，所述通信调制模块用于将所述外网主机模块发射的激光进行调制输入至所述空间信道模块；

所述空间信道模块包括光隔离器，通过所述光隔离器，经所述通信调制模块调制的激光能够在所述空间信道单向传输；

所述空间信道模块与内网主机模块连接，所述空间信道模块用于将所述单向传输的激光传输至所述内网主机模块。

在一个实施例中，所述光隔离器包括依次连接设置的第一准直透镜、第一双折射晶体、法拉第旋转器、半波片、第二双折射晶体和第二准直透镜；

其中，在所述激光处于正向模式输入时：

基于所述外网主机模块发射的激光及所述通信调制模块对所述激光进行调制，所述第一准直透镜用于将所述调制的激光准直射入至所述第一双折射晶体，以使所述第一双折射晶体将所述发射的激光分成两束激光；

所述法拉第旋转器、所述半波片分别用于将所述两束激光进行旋转，以改变所述两束激光的偏振方向，而使改变偏振方向的所述两束激光传输至所述第二双折射晶体并进行激光合束；

所述第二准直透镜用于将所述合束后的激光进行准直输出；

在所述激光处于反向模式输入时：

所述第二准直透镜还用于将反向输入的激光准直射入至所述第二双折射晶体，以使所述第二双折射晶体将所述反向输入的激光分成两束反向激光；

所述半波片还用于将所述两束反向激光进行偏振旋转，所述法拉第旋转器还用于对经所述半波片产生偏振旋转的所述两束反向激光进行偏振抵消；

所述第一双折射晶体还用于将所述偏振抵消后的两束反向激光偏离于所述第一准直透镜外。

在一个实施例中，所述光隔离器还包括隔离器外壳，其中，所述隔离器外壳设有所述激光传输的传输通道，所述隔离器外壳设于激光发射器和所述第一准直透镜之间，所述激光通过所述传输通道射入所述第一准直透镜，在所述激光处于反向模式时，所述隔离器外壳用于将偏离于所述第一准直透镜外的激光进行吸收。

在一个实施例中，所述光隔离器包括依次连接设置的第三准直透镜、第三双折射晶体、第一半波片组、第一旋光片、偏振棱镜、第二旋光片、第二半波片组、第四双折射晶体及第四准直透镜，所述第一半波片组包括相拼接的第一半波片和第二半波片，所述第一半波片组包括相拼接的第三半波片和第四半波片，其中：

在所述激光处于正向模式输入时：

基于所述外网主机模块发射的激光及所述通信调制模块对所述激光进行调制，所述第三准直透镜用于将所述调制的激光准直射入至所述第三双折射晶体，以使所述第三双折射晶体将所述发射的激光分成的两束激光分别输入至所述第一半波片和所述第二半波片后，并对应输入至所述第一旋光片中；

所述第一半波片和所述第一旋光片能够使其中的第一激光共旋转第一预设角度输入所述偏振棱镜；

所述第二半波片和所述第一旋光片能够使其中的第二激光不发生旋转输入所述偏振棱镜；

基于所述偏振棱镜输出的两束激光，第二旋光片和所述第三半波片能够使所述第一激光保持所述共旋转第一预设角度进行输出，第二旋光片和所述第四半波片能够使所述第二激光共旋转所述第一预设角度进行输出；

所述第四双折射晶体用于对保持所述共旋转第一预设角度输入的所述第一激光及共旋转所述第一预设角度的所述第二激光进行激光合束并输入至所述第四准直透镜；

在所述激光处于反向模式输入时：

所述第四准直透镜还用于将反向输入的激光准直射入至所述第四双折射晶体，以使所述第四双折射晶体将所述反向输入的激光分成两束反向激光；

所述第三半波片和所述第二旋光片能够使其中的第一反向激光共旋转第二预设角度输入所述偏振棱镜；

所述第四半波片和所述第二旋光片能够使其中的第二反向激光不发生旋转输入所述偏振棱镜；

基于所述偏振棱镜输出的两束反向激光，所述第一旋光片和所述第一半波片能够使所述第一反向激光不发生旋转进行输出；

所述第一旋光片和所述第一半波片能够使所述第二反向激光共旋转所述第二预设角度进行输出。

在一个实施例中，所述偏振棱镜为沃拉斯顿棱镜；所述第一预设角度和所述第二预设角度均为90°。

在一个实施例中，所述光隔离器包括依次连接设置的单模光纤和多模光纤，其中；

基于所述外网主机模块发射的激光及所述通信调制模块对所述激光进行调制，所述调制的激光依次通过所述单模光纤和所述多模光纤。

在一个实施例中，所述光隔离器还包括依次设置于所述单模光纤和所述多模光纤之间的准直透镜组和耦合透镜组，所述单模光纤、所述准直透镜组、所述耦合透镜组及所述多模光纤依次设置，其中：

所述调制的激光依次通过所述单模光纤、所述准直透镜组、所述耦合透镜组及所述多模光纤。

本申请第二方面提供一种单向导入系统，所述单向导入系统包括上述第一方面任一项所述的单向导入设备，所述单向导入系统还包括所述外网主机模块和所述内网主机模块，所述外网主机模块包括光发射模块，所述内网主机模块包括光接收模块，其中：

所述光发射模块包括与所述外网主机模块连接的外网以太网接口，所述外网主机模块通过所述外网以太网接口与所述光发射模块连接；

所述光发射模块通过第一激光传输媒介与所述通信调制模块连接，所述通信调制模块通过第二激光传输媒介与所述空间信道模块连接，所述空间信道模块通过第三激光传输媒介与所述光接收模块连接；

所述光接收模块包括与所述内网主机模块连接的内网以太网接口，所述内网主机模块通过所述内网以太网接口与所述光接收模块连接。

在一个实施例中，所述外网以太网接口被配置为至少万兆级；所述内网以太网接口被配置为至少万兆级。

在一个实施例中，所述第一激光传输媒介、所述第二激光传输媒介及所述第三激光传输媒介均为光纤。

现有技术中，基于有传输介质的单向导入设备不仅传输速度慢且数据传输中仍存在物理连接，不能确保传输数据的安全性，如此不能满足相关标准要求。

本发明与现有技术相比，本申请的单向导入设备包括通信调制模块，及与通信调制模块连接的空间信道模块；通信调制模块与外网主机模块连接，通信调制模块用于将外网主机模块发射的激光进行调制输入至空间信道模块；空间信道模块包括光隔离器，通过光隔离器，经通信调制模块调制的激光能够在空间信道单向传输；空间信道模块与内网主机模块连接，空间信道模块用于将单向传输的激光传输至内网主机模块。

本发明至少包括以下一个有益效果：

通过配置通信调制模块对输入激光进行调制，并通过在空间信道模块中配置光隔离器，以通过光隔离器实现经通信调制模块调制的激光能够在空间信道单向传输，以使得空间信道模块将单向传输的激光传输至内网主机模块。其通过空间信道可使得无需借助物理传输介质即实现激光在空气中或者真空中传输，并通过光隔离器实现的高隔离度，还能使得内网到外网的光功率能够低于单光子探测灵敏度，以提高特殊场景下网络通信的安全性。

本申请实施例的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请实施例而了解。本申请实施例的目的和其他优点在说明书以及附图所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本发明实施例提供的单向导入设备的一个示意图；

图2是本发明实施例1提供的光隔离器工作原理的一个示意图；

图3是本发明实施例2提供的光隔离器工作原理的一个示意图；

图4是本发明实施例2提供的光隔离器工作原理的另一个示意图（图4（a）代表半波片组构成、旋光片，及示意偏振方向，从左向右观察；图4（b）代表线偏振光正向通过组件；图4（c）代表线偏振光反向通过组件；）；

图5是本发明实施例2提供的双折射晶体功能示意图；

图6是本发明实施例2提供的Wollaston棱镜结构和功能示意图（图6（a）代表p光光路；图6（b）代表s光光路；）；

图7是本发明实施例2提供的入射角≤ θmax时耦合到多模光纤的纤芯中的光发生全反射的一示意图；

图8是本发明实施例2提供的纤芯和包层界面上发生TIR的临界条件的一示意图；

图9是本发明实施例3提供的光隔离器组成的一示意图；

其中，如下为附图标记说明：

00-外网主机模块；

01-通信调制模块；

02-空间信道模块；200-光隔离器；

210-第一准直透镜；211-第一双折射晶体；212-法拉第旋转器；213-半波片；214-第二双折射晶体；215-第二准直透镜；216-隔离器外壳；

220-第三双折射晶体；

221-第一半波片组；221a-第一半波片；221b-第二半波片；

222-第一旋光片；223-偏振棱镜；224-第二旋光片；

225-第二半波片组；225a-第三半波片；225b-第四半波片；

226-第四双折射晶体；

230-单模光纤；231-准直透镜组；232-耦合透镜组；233-多模光纤；

03-内网主机模块。

具体实施方式

尽管在本申请的说明书文字及附图中已经对上述各实施例进行了描述，但并不能因此限制本申请的专利保护范围。凡是基于本申请的实质理念，利用本申请说明书文字及附图记载的内容所作的等效结构或等效流程替换或修改产生的技术方案，以及直接或间接地将以上实施例的技术方案实施于其他相关的技术领域等，均包括在本申请的专利保护范围之内。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

正如背景技术所描述的，现有应用场景中，国内市场生产的单向导入设备一般都是有传输介质的，该传输介质为光纤或网线其主要还是采用逻辑隔离的方式，没有做到真正的物理隔离，即现有技术有传输介质的单向导入设备不仅传输速度慢且数据传输中仍存在物理连接，不能确保传输数据的安全性，如此不能满足相关标准要求，因此现有技术存在问题亟待解决。基于上述技术问题，于是有了本申请的发明构思，具体将通过下面的实施例进行说明。

本申请第一方面提供一种基于空间激光传输的单向导入设备，在一个实施例中，如图1所示，该单向导入设备可以包括通信调制模块01，及与通信调制模块01连接的空间信道模块02；其中，通信调制模块01与外网主机模块00连接，基于外网主机模块00发送的激光，通信调制模块01用于将外网主机模块00发射的激光进行调制并输入至空间信道模块02；空间信道模块02包括光隔离器200，通过光隔离器200，经通信调制模块01调制的激光能够在空间信道模块02中单向传输；空间信道模块02与内网主机模块03连接，空间信道模块02用于将单向传输的激光传输至内网主机模块03。

上述实施例中提供的单向导入设备，通过配置通信调制模块01对输入激光进行调制，并通过在空间信道模块02中配置光隔离器200，以通过光隔离器200实现经通信调制模块01调制的激光能够在空间信道单向传输，以使得空间信道模块02将单向传输的激光传输至内网主机模块03。其通过空间信道可使得无需借助物理传输介质即实现激光在空气中或者真空中传输，并通过光隔离器200实现的高隔离度，还能使得内网到外网的光功率能够低于单光子探测灵敏度，以提高特殊场景下网络通信的安全性。

针对上述光隔离器的实施例1

由物理相关知识可知：

①如果在光的传播方向平行的方向上向介质施加磁场，则光的偏振方向会发生旋转，该旋转方向取决于磁场方向，而不是光的传播方向；因此，旋转是不可逆的。其中，该旋转量β可表示为以下公式：

上述公式中，V代表维尔德常量，是光学材料的特性常数，单位为radians/T • m；B代表特斯拉中的磁通密度；d代表通过光学材料的路径长度，单位为米。

②当将磁场施加到介质上时，介质中的电子发现绕磁场在一个方向上的旋转比在另一方向上的旋转更容易。洛伦兹力作用在磁场中的移动电荷上，并且在电子环绕磁场时会径向作用在电子上。力将在一个旋转方向上向外，而在另一个旋转方向上向内。

③随之而来的电子位移将导致两个不同的旋转半径，从而导致两个不同的旋转频率和介电常数（ε）。因此，该场将导致两个不同的折射率，从而产生光双折射效应，使光的传播速度发生变化，进而改变光的偏振方向。下面提到的光隔离器将会用到上述原理，具体将通过下面的实施例进行说明。

该实施例光隔离器的基本结构，主要由两个互为45°放置的格兰-汤普逊（也称为Glan-Thomopson棱镜）棱镜和一个45°非互易法拉第旋转器组成。其中，格兰-汤普逊棱镜是一种偏光棱镜，是由两块直角方解石晶体胶合制成；而沿轴向磁化的圆形环永久磁铁和置于其中的磁光材料可以构成一个45°法拉第旋转器。

其中，起偏器和检偏器的通光方向可以配置成45°角。当一束光沿正方向传输时，光先经过起偏器，再经过45°法拉第旋转器后，可以根据马吕斯定理对光束特性进行研究。通过法拉第旋转器后光束强度将有以下变化，主要通过以下公式来体现：

上述公式中，I代表光束强度；β为起偏器和检偏器之间的夹角；I ₀为输入强度；L为磁光材料样品长度；a为磁光材料的吸收系数；θ _F为法拉第旋转系数，单位长度的法拉第旋转角。

其中当光束正向传输时，可以得出正向传输光的输出光强度为：

当有反射光存在时，得到反射光的输出强度为

由上述可看出，该种通过磁光旋转偏振的隔离技术具有光束正向导通，反向隔离的性质。有了上述理论基础后，具体将结合以下实施例进行说明。

在一个实施例中，如图2所示，上述实施例提到的光隔离器200可以包括依次连接设置的第一准直透镜210、第一双折射晶体211、法拉第旋转器212、半波片213、第二双折射晶体214和第二准直透镜215；基于配置的各结构，下面进行相应结构的原理说明。基于上述的配置，具体地：

其中，在激光处于正向模式输入时：

基于外网主机模块00发射的激光及所述通信调制模块01对所述激光进行调制，调制后的激光输入至第一准直透镜210，第一准直透镜210用于将调制的激光准直射入至第一双折射晶体211，以使第一双折射晶体211将发射的激光分成两束激光，即入射激光首先被第一双折射晶体211分成两束激光。

而后，进一步通过法拉第旋转器212、半波片213分别将两束激光进行旋转，即法拉第旋转器212和半波片213能够旋转两束激光的偏振方向，以改变两束激光的偏振方向，而后两束激光通过对准的第二个双折射晶体后再次合并，即可使得改变偏振方向的两束激光传输至第二双折射晶体214并进行激光合束；再通过第二准直透镜215用于将合束后的激光进行准直输出。

上述正向输入模式中，通过依次连接的第一双折射晶体211、法拉第旋转器212、半波片213及第二双折射晶体214的结构配置，可以使得输入激光在到达输出第二准直透镜215之前，会通过额外的法拉第旋转器212、半波片213和第二双折晶体，这样可实现比单级隔离器更大的隔离。

在激光处于反向模式输入时，反射激光的传输方向相反，同样如图2所示，具体地：

背向反射的激光先通过第二准直透镜215，该第二准直透镜215还用于将反向输入的激光准直射入至第二双折射晶体214，以使第二双折射晶体214将反向输入的激光分成两束反向激光，即背向反射光首先通过第二个双折射晶体后分成两束激光。

上述实施例中，在反向模式时，偏振方向与正向模式光对齐。但由于法拉第旋光器是不可逆的旋光器，因此它将抵消反向模式由半波片213产生的偏振旋转，此时，半波片213还用于将两束反向激光进行偏振旋转，法拉第旋转器212还用于对经半波片213产生偏振旋转的两束反向激光进行偏振抵消；而后，第一双折射晶体211还用于将偏振抵消后的两束反向激光偏离于第一准直透镜210外。

上述实施例中，即反向模式时，当相应激光通过第一双折射晶体211后，会偏离第一准直透镜210进行输出，如此可以使得反向传输的激光偏离目标位置而被隔离，从而提高光隔离器200的隔离度。

在一个实施例中，如图2所示，上述实施例的光隔离器200还可以包括隔离器外壳216，其中，隔离器外壳216设有激光传输的传输通道，隔离器外壳216设于激光发射器和第一准直透镜210之间，激光通过传输通道射入第一准直透镜210，在激光处于反向模式输入时，隔离器外壳216用于将偏离于第一准直透镜210外的激光进行吸收，即相应激光通过第一双折射晶体211后，会偏离第一准直透镜210进行输出而入射在隔离器的外壳壁上，以使得该外壳壁对偏离的激光进行吸收，从而防止反向模式的激光反向进入输入光纤中，如此实现光隔离器200的高隔离度。

针对上述光隔离器的实施例2

利用双折射晶体、透镜以及偏振棱镜组成光的空间交叉功能来实现功能复用以及光束方向传输引导，从而达到偏振分光隔离的作用，可以使光束单向传输，反向传输的光信号将被隔离。具体将结合下面的相关理论及实施例进行说明。

其中，双折射偏振分光隔离工作原理如下图3和图4所示，其主要包括两个准直透镜、两个双折射晶体、两个偏振转换组件和一个沃拉斯顿棱镜（也叫Wollaston棱镜），该种沃拉斯顿棱镜，作为一种光学器件，其能产生两束彼此分开的、振动方向互相垂直的线偏振光。它是有由两个直角棱镜组成的）。

结合附图3（a）可以看出，由位置①入射的光束沿着虚线的光路会到达位置②，从附图3（b）可以看出，由位置②入射的光束沿着虚线的光路会到达位置③。

其中偏振转换组件的具体结构及功能如下附图4所示，它包含两个半波片和一个法拉第旋光片，其中两个半波片的快轴方向分别如附图4（a）所示，旋光片的旋光角度为45°，方向为顺时针，与磁环配合适用。从附图4（b）及附图（c）中可以看到：

①正向线偏振光依次通过半波片1和旋光片共旋转90°；正向线偏振光依次通过半波片2，偏振方向逆时针旋转45°，再通过旋光片旋转角抵消，偏振方向不变；

②反向线偏振光依次通过半波片1和旋光片共旋转90°；反向线偏振光依次通过半波片2和旋光片，偏振方向不变。

因此可以得到：两束正交线偏振光从左侧正向通过转换组件后变成两束平行的线偏振光；两束平行的线偏振光从右侧通过转换组件后变成两束正交的线偏振光。

图3中双折射晶体在光路中起到分束/合束的作用。图5为双折射晶体的结构和分光功能示意图，入射的自然光或者随机偏振光在晶体内部被分开为两束正交偏振的o光和e光，在晶体外部一般称为s光和p光。

双折射晶体分光能力的优劣主要由其晶体长度L与晶体末端两束光的间距d的比值来评价，由图5可知，此反应分光能力的比值大小取决于e光的离散角α，离散角计算公式可表示为

经由离散角公式可知，若要使离散角α获得最大值，需使e光的波法线与光轴夹角θ满足以下公式：

此时离散角α大小如下

双折射晶体常用的材料是钒酸钇（YVO4），该双折射晶体为正单轴晶体，其Sellmeier方程计算波长取1550nm时，晶体的折射率为n_o（1.55）=1.9447，n_e（1.55）=2.1486，两偏振光的折射率差为n_e –n_o=0.2039。将YVO4（1.55）折射率参数带入计算离散角最大值为

，则晶体长度L与晶体末端两束光的间距d的比值为：

此时YVO4晶体的分光能力达到最佳水平。

图3中的Wollaston棱镜的结构和光束偏折功能如图6所示，它是以双折射晶体材料制作的一对直角棱镜，两个棱镜的光轴相互垂直。

图6（a）中p光向右上方倾斜入射在第一片棱镜上并在其中作为o光传输，在第二片棱镜中作为e光传输，因此该光束在两片棱镜中的折射率不同，在斜面上发生折射，由右上方向偏折至水平方向传输。

图6（b）中s光向右下方向倾斜入射在Wollaston棱镜上，同理可知，其传输方向将被偏折至水平方向。根据光路可逆原理，如果p光沿水平方向从右侧入射在Wollaston棱镜上，将被偏折至左下方向；如果s光沿水平方向从右侧入射在Wollaston棱镜上，将被偏折至左上方向。

综合以上几个部分的说明，可以证明上述的双折射偏振分光隔离结构原理。

基于上述的理论知识，在一个实施例中，如图3和图4所示，实施例2中的光隔离器200可以包括依次连接设置的第三准直透镜（图中未示出）、第三双折射晶体220、第一半波片221a组221、第一旋光片222、偏振棱镜223、第二旋光片224、第二半波片221b组225、第四双折射晶体226及第四准直透镜（图中未示出），第一半波片221a组221包括相拼接的第一半波片221a和第二半波片221b，第一半波片221a组221包括相拼接的第三半波片225a和第四半波片225b，其中，该偏振棱镜223可以为沃拉斯顿棱镜（具体可参照上述的介绍）：

在激光处于正向模式输入时：

基于外网主机模块00发射的激光及通信调制模块01对激光进行调制，第三准直透镜用于将调制的激光准直射入至第三双折射晶体220，以使第三双折射晶体220将发射的激光分成两束激光，该两束激光分别输入至第一半波片221a和第二半波片221b后，并对应输入至第一旋光片222中。

第一半波片221a和第一旋光片222能够使其中的第一激光共旋转第一预设角度输入偏振棱镜223，第二半波片221b和第一旋光片222能够使其中的第二激光不发生旋转输入偏振棱镜223，示例性地，如附图4（a）、附图4（b）及附图（c）所示，第一半波片221a和第二半波片221b的旋光角度为45°，方向为顺时针，与磁环配合适用，正向模式时，第一半波片221a和第一旋光片222能够使其中的第一激光共旋转90°，第二半波片221b能够使其中的第二激光偏振方向逆时针旋转45°，再通过旋光片旋转角抵消，偏振方向不变，即第二半波片221b和第一旋光片222的配合，能够使其中的第二激光不发生旋转输入偏振棱镜223。

而后，基于偏振棱镜223输出的两束激光，第二旋光片224和第三半波片225a能够使第一激光保持共旋转第一预设角度进行输出，第二旋光片224和第四半波片225b能够使第二激光共旋转第一预设角度进行输出，参照上述得过程，即第二旋光片224和第三半波片225a能够使第一激光保持原来的共旋转90°进行输出，第二旋光片224和第四半波片225b能够使第二激光共旋转90°进行输出。

第四双折射晶体226用于对保持共旋转第一预设角度输入的第一激光及共旋转第一预设角度的第二激光进行激光合束并输入至第四准直透镜。即第四双折射晶体226用于对保持共旋转90°输入的第一激光及共旋转90°的第二激光进行激光合束并输入至第四准直透镜。

在激光处于反向模式输入时，同样参照附图4：

第四准直透镜还用于将反向输入的激光准直射入至第四双折射晶体226，以使第四双折射晶体226将反向输入的激光分成两束反向激光；第三半波片225a和第二旋光片224能够使其中的第一反向激光共旋转第二预设角度输入偏振棱镜223，第四半波片225b和第二旋光片224能够使其中的第二反向激光不发生旋转输入偏振棱镜223，基于偏振棱镜223输出的两束反向激光，第一旋光片222和第一半波片221a能够使第一反向激光不发生旋转进行输出；第一旋光片222和第一半波片221a能够使第二反向激光共旋转第二预设角度进行输出。

反向模式为正向模式的逆过程，基于第一预设角度为90°，该第二预设角度也可以为90°，为避免累赘，此处便不展开描述。

上述实施例的光隔离器200，通过配置双折射晶体、半波片组、旋光片及偏振棱镜223的组合，分别利用各组建的特性，可以实现：旋光平两束正交线偏振光从左侧正向通过转换组件后变成两束平行的线偏振光；两束平行的线偏振光从右侧通过转换组件后变成两束正交的线偏振光，结合上述原理说明，可使得该光隔离器200实现高的隔离度，防止反向模式的激光反向进入输入光纤中。

针对上述光隔离器的实施例3

实际应用场景中，发明人发现，激光在单模光纤与多模光纤两种不同差异链路传输时，不同模式之间的跳变产生了光路非互易性，利用该特征可实现高的隔离度。具体将通过以下理论知识及实施例进行说明。

光在光纤介质中传输受到全反射（TIR）影响，常见的玻璃（石英）光纤使用的是一种称之为阶跃折射率光纤结构。这种光纤的线芯由一种折射率高于周围包层的材料构成。在光纤中以临界角入射时，光会在纤芯及包层界面产生全反射，而不会折射到周围的介质中。为了达到TIR的条件，入射到光纤中的入射角度必须小于某个角度，即接收角θ_acc。根据斯涅尔定律可以计算出这个角：

其中，n _core代表纤芯的折射率，n _clad代表光纤包层的折射率，n代表外部介质的折射率，θ _crit代表临界角，θ _acc代表光纤的接收半角。

数值孔径（NA）是一个无量纲量，对于线径较大（多模）的阶跃折射率光纤，可以通过以下公式计算出NA。

在多模光纤中，低阶模倾向于在空间上将光限制在纤芯内；而高阶模倾向于在空间上将光限制在纤芯/包层界面的附近。

可通过以下的公式计算出光纤支持的模(单模或多模)的数量，该数量通常也叫归一化频率，也就是常说的V值，是一个无量纲的数，与自由空间频率成比例，但被归为光纤的引导属性。光纤支持的模数量的公式为以下：

其中V为归一化频率(V值)，a为纤芯半径，λ为自由空间波长。

多模光纤的V值非常大，例如，光纤芯径Ø为50 µm、数值孔径为0.39的多模光纤，在波长为1.5 µm时，通过计算可得V值为40.8。

而单模光纤V值截止频率小于2.405，说明光在单模光纤中传输时，只耦合到光纤的基模中。为了满足这个条件，单模光纤的纤芯尺寸和数值孔径（NA）要远小于同波长下的多模光纤。

实际应用场景中，例如SMF-28超单模光纤的标称NA为0.14，光纤芯径Ø为8.2 µm，在波长为1550 nm时，通过计算可得V值为2.404。

由此可以看出，单模光纤在空间上可通过模式的数量远小于多模光纤，两者至少相差十几倍。由此可得知，光从多模光纤到单模光纤的反向传输链路必然产生隔离效果。

此外，发明人还发现，单模光纤和多模光纤的有效面积也是有所差别的。例如，单模光纤的有效面积是通过模场直径(MFD)定义的，它代表光通过光纤的横截面积，包括纤芯以及部分包层。耦合到单模光纤时，入射光束的直径必须匹配光纤的MFD，才能达到良好的耦合效率。

例如，SM1550单模光纤在1550 nm下工作的MFD为Ø3.5 µm。则光纤的有效面积可以根据下面来计算：

SM1550 Fiber：Area = π*(MFD/2)² = π* (1.75µm)² =9.62µm²= 9.62 x 10^-8cm²。

多模光纤的有效面积由纤芯直径确定，一般要远大于单模光纤230的MFD值。如要获得最佳耦合效果，通常光束的光斑大小聚焦到纤芯直径的70-80%。由于多模光纤的有效面积较大，比如Ø50 µm的多模光纤，直径约是单模光纤的5倍，有效面积大约为单模光纤的25倍左右。由此可以，光从多模光纤到单模光纤的反向传输链路必然产生隔离效果。

此外，空间光路需要精确对准的部件包括两个部分，分别是发射的准直透镜组和接收的耦合透镜组。首先分析它们的发散角，光纤出射光具有高斯强度分布，发散角的理论近似可用下面的公式计算。该公式适合于单模光纤，也可用于多模光纤，但估算多模光纤的发散角时略微偏小，因为从多模光纤出射的光不具有高斯强度分布。

所述发散角通过以下公式计算：

其中，上述公式的θ代表发散角，MFD代表模场直径，f代表准直透镜组的焦距。

在一个实施例中，例如当使用单模光纤的准直透镜组时，MFD = 3.5 µm，f ≈ 4.0mm，发散角θ ≈ (0.0035 mm/4.0 mm)*(180/3.1416) ≈ 0.050°= 0.875 mrad。

多模光纤的最大接收角可以用数值孔径NA来估算。如图7和图8所示，把入射光看做一条条射线，最大接收角θmax表示光纤收集离轴光纤的能力，从对应图中并结合上方的公式可以确定哪些角度的光可以被耦合到光纤中。

入射角≤ θmax的光线在纤芯和包层的界面上发生全内反射(TIR)。这些光线沿光纤向前传播，一直被约束在纤芯中。入射角＞θmax的光线在纤芯和包层的界面上发生折射，这些光最终从光纤中损耗。

通过附图7中的几何光路图可以确定NA、θmax以及纤芯和包层折射率(n_core和n_clad)的关系。图上方的公式根据斯涅尔定律导出，描述光线在两个界面上的走向。请注意，公式根据sin(90°) = 1进行了简化。θmax的数值只取决于纤芯和包层的折射率。

入射角≤ θmax时的光线能被耦合到多模光纤某个导模中。一般而言，入射角越小，被激发的光纤模式越低。大部分光强集中在靠近纤芯中心的较低阶模式。正入射在端面上的光线激发最低阶模式。无论是单模光纤发射，还是多模光纤耦合，其发散角和最大接收角都是mrad量级。

发射准直透镜组输出平行光束的直径可以通过下式近似：

其中λ代表光波长，MFD代表模场直径，f代表准直器的焦距，对应待入单模光纤230MFD= 3.5µm及f = 4.0 mm，对应输出光束直径为(4)(1550 nm)[4.0 mm / (π • 3.5 µm)] = 2.26 mm。

基于上述理论，在一个实施例中，如图9所示，光隔离器200包括依次连接设置的单模光纤230、准直透镜组231、耦合透镜组232及多模光纤233，其中；

基于外网主机模块00发射的激光及通信调制模块01对激光进行调制，调制的激光依次通过单模光纤230、准直透镜组231、耦合透镜组232及多模光纤233。

上述实施例中的光隔离器200，通过配置依次连接的单模光纤230及多模光纤233，基于上述介绍的理论过程，实施例3的光隔离器200创造性地结合了单模光纤230及多模光纤233的差异，以通过单模光纤230发送及多模光纤233接收来实现光束隔离，且进一步结合了内外网模块单向空间光路对准辅助技术，利用自由空间作为激光传输介质，即在单模光纤230及多模光纤233之前配置了准直透镜组231和耦合透镜组232，还可以使得实现非物理接触形式实现光传输。同时保证系统空间光对准的安装易用性与使用的可靠性。

本申请第二方面还提供一种单向导入系统，该单向导入系统包括上述任一实施例中的单向导入设备，其中，如图1所示，该单向导入系统还可以包括外网主机模块00和内网主机模块03，外网主机模块00包括光发射模块（图中未示出），内网主机模块03包括光接收模块（图中未示出），其中：光发射模块包括与外网主机模块00连接的外网以太网接口，外网主机模块00通过外网以太网接口与光发射模块连接；光发射模块通过第一激光传输媒介与通信调制模块01连接；通信调制模块01通过第二激光传输媒介与空间信道模块02连接；空间信道模块02通过第三激光传输媒介与光接收模块连接；光接收模块包括与内网主机模块03连接的内网以太网接口，内网主机模块03通过内网以太网接口与光接收模块连接。

上述实施例中的单向导入系统，基于上述实施例中能够实现高隔离度及高安全性等的单向射入设备，该单向导入系统也同样具有高隔离度及高安全性诸多有益效果，为避免累赘，此次便不展开描述。

在一个实施例中，外网以太网接口被配置为至少万兆级；内网以太网接口被配置为至少万兆级，通过对相应接口配置为至少万兆级，可以使得实现至少万兆级的高速通信传输。

在一个实施例中，第一激光传输媒介、第二激光传输媒介及第三激光传输媒介均可以为光纤。通过将相应的传输介质选为光纤，可以使得实施方案的器件更加简便且高效。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims

1.基于空间激光传输的单向导入设备，其特征在于，所述单向导入设备包括通信调制模块，及与所述通信调制模块连接的空间信道模块；

2.如权利要求1所述的单向导入设备，其特征在于，所述光隔离器包括依次连接设置的第一准直透镜、第一双折射晶体、法拉第旋转器、半波片、第二双折射晶体和第二准直透镜；

其中，在所述激光处于正向模式输入时：

所述第二准直透镜用于将所述合束后的激光进行准直输出；

在所述激光处于反向模式输入时：

3.如权利要求2所述的单向导入设备，其特征在于，所述光隔离器还包括隔离器外壳，其中，所述隔离器外壳设有所述激光传输的传输通道，所述隔离器外壳设于激光发射器和所述第一准直透镜之间，所述激光通过所述传输通道射入所述第一准直透镜，在所述激光处于反向模式时，所述隔离器外壳用于将偏离于所述第一准直透镜外的激光进行吸收。

4.如权利要求1所述的单向导入设备，其特征在于，所述光隔离器包括依次连接设置的第三准直透镜、第三双折射晶体、第一半波片组、第一旋光片、偏振棱镜、第二旋光片、第二半波片组、第四双折射晶体及第四准直透镜，所述第一半波片组包括相拼接的第一半波片和第二半波片，所述第一半波片组包括相拼接的第三半波片和第四半波片，其中：

在所述激光处于正向模式输入时：

在所述激光处于反向模式输入时：

5.如权利要求4所述的单向导入设备，其特征在于，所述偏振棱镜为沃拉斯顿棱镜；所述第一预设角度和所述第二预设角度均为90°。

6.如权利要求1所述的单向导入设备，其特征在于，所述光隔离器包括依次连接设置的单模光纤和多模光纤，其中；

7.如权利要求6所述的单向导入设备，其特征在于，所述光隔离器还包括依次设置于所述单模光纤和所述多模光纤之间的准直透镜组和耦合透镜组，所述单模光纤、所述准直透镜组、所述耦合透镜组及所述多模光纤依次设置，其中：

8.一种单向导入系统，其特征在于，所述单向导入系统包括权利要求1-7任一项所述的单向导入设备，所述单向导入系统还包括所述外网主机模块和所述内网主机模块，所述外网主机模块包括光发射模块，所述内网主机模块包括光接收模块，其中：

9.如权利要求8所述的单向导入系统，其特征在于，所述外网以太网接口被配置为至少万兆级；所述内网以太网接口被配置为至少万兆级。

10.如权利要求8所述的单向导入系统，其特征在于，所述第一激光传输媒介、所述第二激光传输媒介及所述第三激光传输媒介均为光纤。