CN117590629A - 一种反射型在线光隔离器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光学器件结构，具体是一种反射型在线光隔离器,包括依次配合的光输入输出模块、光路准直模块、分光隔离模块、结构辅助模块；光输入输出模块设置在一侧，激光设备信号于该侧输入，并在同侧接收；分光隔离模块对正向光信号传输，反向光信号隔离，光路准直模块为一组。通过将光信号输入和输出设置在同侧，减少了一组光路准直模块，从而减小整个隔离器产品的尺寸，在长度上减小一半。此外，本发明中的分光隔离模块，实现正向传输方向隔离功能，实现同样性能情况下，达到产品尺寸小型化效果，有利于减少光纤放大器内部空间，实现紧凑型光纤放大器制作；更容易拓展成带PD监视功能小型化器件，实现光旁路系统集成化。
Description
技术领域
本发明涉及一种光学器件结构，具体是一种反射型在线光隔离器。
背景技术
光隔离器是一种光非互易传输的光无源器件，其工作原理是基于法拉第旋转的非互异性，利用磁光晶体的法拉第效应，实现光信号的正向传输,同时抑制反向光,即具有不可逆性。光隔离器的作用是对光的方向进行限制，使光只能单方向传输，反射光能够被光隔离器很好的隔离，提高光信号正向传输效率。
在光纤通信系统中总是存在许多原因产生的反向光。在光信号传输的线路中,光源发出的信号光，在各种组件端面间隙产生反射光逆向传输。这类反向光的存在,将导致光路系统间产生自耦合效应,使激光器的工作变得不稳定和产生反射噪声。在长距离光通信系统中,需要大量使用光纤放大器。为了使光纤放大器工作稳定,需要在放大器的两端使用隔离器来消除反向光的影响，提高光纤放大器的工作稳定性。
光隔离器在光纤通信、光信息处理系统、光纤传感以及精密光学测量系统中具有重要的作用。市场上常规光隔离器基本上都是透射型，只有少量的反射型光隔离器，反射型光隔离器由于其结构特点约束，导致很难实现同侧信号输入输出功能；极少数的反射型光隔离器虽然能够达到同侧信号输入输出功能，但是产品尺寸较大，基本无法应用在带PD监视功能的小型化器件上。
发明内容
本发明的目的在于提供一种反射型在线光隔离器，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种反射型在线光隔离器，包括依次配合的光输入输出模块、光路准直模块、分光隔离模块、以及结构辅助模块；
所述光输入输出模块设置在一侧，以供激光设备信号于该侧输入，并可在同侧接收；
所述分光隔离模块用于对正向光信号传输，并对反向光信号隔离；
所述光路准直模块为一组，用于将光输入输出模块输入的光信号传导至分光隔离模块，并将经分光隔离模块处理后的光信号反向传导至光输入输出模块。
如上所述的反射型在线光隔离器：所述光输入输出模块包括双光纤，所述双光纤设置在同一侧，用于光信号的输入和输出；所述光路准直模块包括球透镜，所述球透镜与所述双光纤分离设置。
如上所述的反射型在线光隔离器：所述分光隔离模块包括分光组件、旋光组件、以及反射组件，其中，所述分光组件包括钒酸钇晶体，所述钒酸钇晶体用于在光信号通过钒酸钇晶体后形成两组相互垂直的线偏振光。
如上所述的反射型在线光隔离器：所述旋光组件包括半波片和法拉第旋转片，所述半波片的光轴与所述线偏振光夹角为22.5°。
如上所述的反射型在线光隔离器：所述法拉第旋转片处于半波片远离所述双光纤的一侧，法拉第旋转片的旋转角度也为22.5°。
如上所述的反射型在线光隔离器：所述反射组件包括反射镜，所述反射镜用于将光信号反射；
其中，反射镜镀膜形成全反射镜，其反射率为100％。
如上所述的反射型在线光隔离器：所述结构辅助模块包括玻璃管组和密封块；
所述玻璃管组连接所述双光纤、球透镜、法拉第旋转片、反射镜，以将所述光输入输出模块、光路准直模块、分光隔离模块集成于所述玻璃管组中。
如上所述的反射型在线光隔离器：所述玻璃管组的一端与所述双光纤连接，另一端连接密封块；
所述钒酸钇晶体一侧与所述双光纤伸入到所述玻璃管组中的一侧集成，钒酸钇晶体的另一侧与半波片集成。
如上所述的反射型在线光隔离器：所述玻璃管组包括第一玻璃管、集成在第一玻璃管内部的第二玻璃管；
所述第一玻璃管内还集成有第三玻璃管，所述第一玻璃管的一端与双光纤连接，球透镜与第二玻璃管连接；所述法拉第旋转片和反射镜连接在第三玻璃管的两侧，第一玻璃管的另一侧连接密封块。
如上所述的反射型在线光隔离器：所述第三玻璃管通过磁环集成在所述第一玻璃管内；所述磁环的一端与第二玻璃管对接，且第三玻璃管组的外侧与磁环集成。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明中通过将光信号输入和光信号输出设置在同侧，在光传导的过程中并不是沿着一个方向，而是在到达分光隔离器模块后折返，并旋转一定角度后再从广输入输出模块导出；如此设置后便减少了一组光路准直模块，从而减小整个隔离器产品的尺寸，理论上来说可在长度上减小至常规透射型光隔离器的一半。
此外，本发明中的分光隔离模块，作为最核心部件，包含分光、旋光、反射等三部分功能，实现正向传输方向隔离功能，与上述光输入输出模块及光路准直模块相配合使用；实现同样性能情况下，达到产品尺寸小型化效果，有利于减少光纤放大器内部空间，实现紧凑型光纤放大器制作；更容易拓展成带PD监视功能小型化器件，实现光旁路系统集成化。
附图说明
图1为常规的透射型光隔离器的结构示意图。
图2为透射型光隔离器芯在进行正向传输时的原理图。
图3为透射型光隔离器芯在进行反向传输时的原理图。
图4为本申请的反射型光隔离器中正向光路的传导图。
图5为本申请的反射型光隔离器中反向光路的传导图。
图6为本申请的反射型在线光隔离器的结构图。
图7为线偏振光与半波片工作原理图。
图中：110、双光纤；120、钒酸钇晶体；130、半波片；140、球透镜；150、法拉第旋转片；160、反射镜；170、第一玻璃管；180、第二玻璃管；190、第三玻璃管；200、磁环；210、密封块。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
为了更详尽地市场上常规的透射型光隔离器进行说明，请参阅图1，具体是在隔离器芯的两端各设置一个透镜，分别是透镜1和透镜2，在透镜1和透镜2远离隔离器芯的一侧分别设置单纤1和单纤2，由此便可形成一个简易的透射型光隔离器。
此类透射型光隔离器的正向光路如图2所示，而反向光路如图3所示。
作为本发明的一种实施例，请参阅图4～图7，本申请中的反射型在线光隔离器，包括依次配合的光输入输出模块、光路准直模块、分光隔离模块、以及结构辅助模块；
所述光输入输出模块设置在一侧，以供激光设备信号于该侧输入，并可在同侧接收；
所述分光隔离模块用于对正向光信号传输，并对反向光信号隔离；
所述光路准直模块为一组，用于将光输入输出模块输入的光信号传导至分光隔离模块，并将经分光隔离模块处理后的光信号反向传导至光输入输出模块。
本发明中通过将光信号输入和光信号输出设置在同侧，在光传导的过程中并不是沿着一个方向，而是在到达分光隔离器模块后折返，并旋转一定角度后再从广输入输出模块导出；如此设置后便减少了一组光路准直模块，从而减小整个隔离器产品的尺寸，理论上来说可在长度上减小至常规透射型光隔离器的一半。
所述光输入输出模块包括双光纤110，所述双光纤110设置在同一侧，用于光信号的输入和输出；由于将采用同侧设置双光纤110，使得输出与输入处于同侧，激光设备信号从IN端口输入，实现所需功能后反射回来被OUT端口接收，输入和接收均在一侧；
而常规的透射型光隔离器需要再隔离器芯的两侧各设置一个单纤，分别作为光输入光纤和光输出光纤；利用双光纤110则将作为光输入的光纤和光输出的光纤集成在同一侧，在物理空间上减小了产品的整体长度尺寸。
所述光路准直模块包括球透镜140，所述球透镜140与所述双光纤110分离设置。
正是因为将球透镜140与双光纤110分离设置，故无需单独调试准直器，减少了准直器的调试步骤，在生产环节上简化了工序，在效率和时间成本上更优。
所述分光隔离模块包括分光组件、旋光组件、以及反射组件，所述分光隔离模块用于对正向光信号传输，并隔离反向光信号；
其中，所述分光组件包括钒酸钇晶体120(简称YOV4晶体)，所述钒酸钇晶体120用于在光信号通过钒酸钇晶体120后形成两组相互垂直的线偏振光，分别为o光和e光；
所述旋光组件包括半波片130和法拉第旋转片150，所述半波片130的光轴与所述线偏振光夹角为22.5°；
请参阅图7，由于线偏振光遇半波片130的光轴夹角为22.5°，故线偏振光经半波片130处理后又旋转了22.5°，也即线偏振光在经过半波片130之前和经过半波片130之后的夹角为45°；因此o光和e光均旋转了45°。
所述法拉第旋转片150处于半波片130远离所述双光纤110的一侧，法拉第旋转片150的旋转角度也为22.5°；
根据法拉第旋光效应可知，磁场方向、偏振态旋转方向满足左手定则，从入光方向看，偏振态顺时针旋转。根据法拉第工作原理，选择旋转角度也为22.5°的法拉第旋转片150后，则线偏振光往返前后两次经过法拉第旋转片150后同样顺时针旋转45°。
不难理解，光信号传输过程中，在半波片130、法拉第旋转片150位置处均顺时针旋转了45°，故线偏振光的总偏振方向为90°；而线偏振光旋转90°后，o光转换成e光，e光转换成o光，光信号回到YVO4晶体处汇聚耦合到OUT端，从而实现了光信号正向传输；在光信号反向传输过程中，2次往返经过法拉第旋转片150后顺时针旋转45°，在半波片130处逆时针旋转45°，故线偏振光的总偏振方向为旋转0°；旋转0°后，o光与e光无转换，光信号反向回到YVO4晶体处相互分开，不能完好耦合到I N端，从而实现了光信号反向隔离作用。
本发明中利用YVO4晶体、半波片130、法拉第旋转片150替代了传统的透射型光隔离器中的楔角片、法拉第旋转片、楔角片组合，在物理空间减小一半的前提下，实现了相同的功能需求。
所述反射组件包括反射镜160，所述反射镜160用于将光信号反射；
其中，反射镜160的反射率为100％，也即起到全反射作用。
具体地，所述反射镜160利用镀膜原理形成全反射。
由于光信号的总传导路径不变，只是在中间位置处改变方向，因此，本发明中突破性地在光隔离器中增加了反射镜160来实现光信号的往复处理。
常规的透射型光隔离器均是隔离器芯的两侧各设置一组准直器，作为对比，本发明完全颠覆了透射型隔离器一侧输入一侧输出的常规结构模式，实现了在同侧进行输入输出，输入和输出均通过同一组准直器实现；从而减少了原有的输出一侧的准直器，使得整个产品的尺寸构造方面，特别是长度方面做到了更加紧凑，在应用端更加节省空间。
在不影响性能指标情况下，从另外一种方式实现了隔离功能，而且更加容易实现产品集成化，在小型化模块应用中存在更大优势。
作为本发明进一步的方案，所述结构辅助模块包括玻璃管组和密封块210；
所述玻璃管组连接所述双光纤110、球透镜140、法拉第旋转片150、反射镜160，以将所述光输入输出模块、光路准直模块、分光隔离模块集成于所述玻璃管组中；其中，玻璃管组的一端与所述双光纤110连接，另一端连接密封块210；
所述钒酸钇晶体120一侧与所述双光纤110伸入到所述玻璃管组中的一侧集成，钒酸钇晶体120的另一侧与半波片130集成。
由于双光纤110连接在玻璃管组的一端，而光路准直模块和分光隔离模块均置于玻璃管组内，因此可以防止光信号外溢进而产生差损；同时，利用密封块210将玻璃管组的另一端封闭，如此一来，便可避免光信号从玻璃管组的另一端输出。
作为本发明更进一步的方案，所述玻璃管组包括第一玻璃管170、集成在第一玻璃管170内部的第二玻璃管180；
所述第一玻璃管170内还集成有第三玻璃管190，所述第一玻璃管170的一端与双光纤110连接，球透镜140与第二玻璃管180连接；所述法拉第旋转片150和反射镜160连接在第三玻璃管190的两侧，第一玻璃管170的另一侧连接密封块210。
通过本发明中的第一玻璃管170、第二玻璃管180、以及第三玻璃管190，起到对其他结构部件的支撑作用，使得整个光隔离器形成一个完整的整体；密封块210实现产品内部空间密封作用，提高产品可靠性能；特别是本案例在整理结构实现上，使用玻璃管组对接结构代替常规玻璃管套接结构，产品密封性能更好，进一步提高产品可靠性能。
作为本发明再进一步的方案，所述第三玻璃管190通过磁环200集成在所述第一玻璃管170内；所述磁环200的一端与第二玻璃管180对接，且第三玻璃管组190的外侧与磁环200集成。
如此设置后便可实现第一玻璃管170、第二玻璃管180、以及第三玻璃管190之间形成对接结构，相较于常规的玻璃管套接结构而言，密封性能更好，使得整个光隔离器的稳定性更优。
本案例是一种反射型在线光隔离器，利用YVO4晶体、半波片130、法拉第旋转片150等物料相关性能，从另外方式实现了光信号正向传输反向隔离功能，而且在结构上实现了在同侧进行信号输入输出功能。在实现同样性能情况下，反射型在线隔离器更加实现产品尺寸小型化，有利于减少光纤放大器内部空间，实现紧凑型光纤放大器制作；更容易拓展成带PD监视功能小型化器件，实现光旁路系统集成化。
上述实施例是示范性的，而非限制性的，故在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明的技术方案均囊括在本发明内。
Claims (10)
1.一种反射型在线光隔离器，其特征在于，包括依次配合的光输入输出模块、光路准直模块、分光隔离模块、以及结构辅助模块；
所述光输入输出模块设置在一侧，以供激光设备信号于该侧输入，并可在同侧接收；
所述分光隔离模块用于对正向光信号传输，并对反向光信号隔离；
所述光路准直模块为一组，用于将光输入输出模块输入的光信号传导至分光隔离模块，并将经分光隔离模块处理后的光信号反向传导至光输入输出模块。
2.根据权利要求1所述的一种反射型在线光隔离器，其特征在于，所述光输入输出模块包括双光纤(110)，所述双光纤(110)设置在同一侧，用于光信号的输入和输出；所述光路准直模块包括球透镜(140)，所述球透镜(140)与所述双光纤(110)分离设置。
3.根据权利要求2所述的一种反射型在线光隔离器，其特征在于，所述分光隔离模块包括分光组件、旋光组件、以及反射组件，其中，所述分光组件包括钒酸钇晶体(120)，所述钒酸钇晶体(120)用于在光信号通过钒酸钇晶体(120)后形成两组相互垂直的线偏振光。
4.根据权利要求3所述的一种反射型在线光隔离器，其特征在于，所述旋光组件包括半波片(130)和法拉第旋转片(150)，所述半波片(130)的光轴与所述线偏振光夹角为22.5°。
5.根据权利要求4所述的一种反射型在线光隔离器，其特征在于，所述法拉第旋转片(150)处于半波片(130)远离所述双光纤(110)的一侧，法拉第旋转片(150)的旋转角度也为22.5°。
6.根据权利要求5所述的一种反射型在线光隔离器，其特征在于，所述反射组件包括反射镜(160)，所述反射镜(160)用于将光信号反射；
其中，反射镜(160)镀膜形成全反射镜，其反射率为100％。
7.根据权利要求6所述的一种反射型在线光隔离器，其特征在于，所述结构辅助模块包括玻璃管组和密封块(210)；
所述玻璃管组连接所述双光纤(110)、球透镜(140)、法拉第旋转片(150)、反射镜(160)，以将所述光输入输出模块、光路准直模块、分光隔离模块集成于所述玻璃管组中。
8.根据权利要求7所述的一种反射型在线光隔离器，其特征在于，所述玻璃管组的一端与所述双光纤(110)连接，另一端连接密封块(210)；
所述钒酸钇晶体(120)一侧与所述双光纤(110)伸入到所述玻璃管组中的一侧集成，钒酸钇晶体(120)的另一侧与半波片(130)集成。
9.根据权利要求7所述的一种反射型在线光隔离器，其特征在于，所述玻璃管组包括第一玻璃管(170)、集成在第一玻璃管(170)内部的第二玻璃管(180)；
所述第一玻璃管(170)内还集成有第三玻璃管(190)，所述第一玻璃管(170)的一端与双光纤(110)连接，球透镜(140)与第二玻璃管(180)连接；所述法拉第旋转片(150)和反射镜(160)连接在第三玻璃管(190)的两侧，第一玻璃管(170)的另一侧连接密封块(210)。
10.根据权利要求9所述的一种反射型在线光隔离器，其特征在于，所述第三玻璃管(190)通过磁环(200)集成在所述第一玻璃管(170)内；所述磁环(200)的一端与第二玻璃管(180)对接，且第三玻璃管组(190)的外侧与磁环(200)集成。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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