CN1397026A - 法拉第旋转器和光衰减器 - Google Patents

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Abstract

一种法拉第旋转器和使用该法拉第旋转器的光衰减器，其中平行于光轴的一固定磁场和垂直于光轴的一可变磁场同时施加在法拉第元件上，光轴沿柘榴石单晶体的方向<III>;，其特点在于，具有法拉第效应的、厚度大致相同的三个柘榴石单晶体用于形成法拉第元件，并且法拉第元件以如下方式布置：一可变磁场施加在这些法拉第元件的其中之一上、沿垂直于在一直线的左右两侧各延伸5度的范围内的一平面的方向，该直线连接位于球极平面投影图的中心处的平面(111)与该图中最外圆周上的平面(－1－12)或与其等效的平面；而一可变磁场施加在余下的两个元件上、沿垂直于在一直线的左右两侧各延伸5度的范围内的一平面的方向，该直线连接位于球极平面投影图的中心处的平面(111)与该图中最外圆周上的平面(－101)或与其等效的平面。从而改善了光衰减的温度依赖性。另外，法拉第旋转器定位装置改善了偏振依赖性损失。

Description

法拉第旋转器和光衰减器
[发明的工业领域]
本发明涉及一种用于调整法拉第旋转(法拉第旋转器)角的装置，并且还涉及一种使用该装置的光衰减器。本发明的法拉第旋转角调整装置和光衰减器特定使用在光传输通信系统中。具体地讲，本发明改善了法拉第旋转角的温度依赖性(dependence)，并使在外部可变磁场的作用下法拉第旋转角诸分量变化的扩散收缩。此外，本发明还减小了为获得理想的低电流特性或特定的衰减量(与法拉第旋转角成正比)所需的可变磁场。
[现有技术]
由于传输容量显著膨胀，对高密度波长多路传输系统的要求也就日益增长。因此，这就增加了对可变光衰减器的需要，这种衰减器动态调整系统所需的光量。衰减器的诸应用包括控制用于独个通道的光量以及多路光线的同时衰减。在这些光衰减器中，有一种类型是利用磁光效应。这种类型通常包括一种设计，其中，能够改变法拉第旋转角的一分量，即一光束置于偏振器和分析器之间。在具备用于改变法拉第旋转角的这种一个分量的情况下，外部磁场从两个或多个不同的方向施加到具有法拉第效应的柘榴石单晶体上，以使复合外磁场可变，藉此通过柘榴石单晶体的光线的法拉第旋转角能得以控制(注册的日本专利2,815,509号)。
为了更明确起见，注册的日本专利2,815,509号揭示了一种光衰减器：在借助永磁体保持一大于柘榴石单晶体的饱和磁场的固定磁场沿平行于光轴的方向施加在晶体上的同时，该光衰减器藉由电磁体沿垂直于光轴的方向向该晶体施加一可变磁场，从而改变该复合磁场的矢量，并改变磁化方向，因而改变柘榴石单晶体的法拉第旋转角，从而可控制位于离开侧上的、与光纤相耦合的光量。
已知的另一种方法是降低光衰减器的温度依赖性的装置，它包括在下列方向中施加外部磁场：在这些方向中，因法拉第元件的磁化方向与光束方向之间的角度的温度依赖性而引起的法拉第旋转角的变化量、以及因法拉第效应的温度依赖性所引起的法拉第旋转角的变化量在代码上彼此不同，两者中任何一个的绝对值小于另一个绝对值的二倍，藉此法拉第旋转角随温度的改变受到限制。  (日本专利申请公开11-249095号)
[本发明要解决的问题]
鉴于上述内容，实验性地制作了多个光衰减器。这些实验出现了这样一个问题：即在衰减和为达到最大衰减所需的、垂直于光轴的电磁场的温度依赖性的试样中存在严重的扩散问题。出现的另一个问题则是：为获得理想的衰减(与法拉第旋转角成正比)，要求有一个较大的可变磁场(因而要有一个较大的驱动电流)。
因此，根据本发明来解决这些问题的技术方案在于提供一种光衰减器，它能使装置的扩散特性收缩，减小温度依赖性，并具有良好的低电流特性。
另外，鉴于上述问题，我们还实验性地制作了多个光衰减器，并发现，它们共同示出了衰减量的增加伴随着偏振依赖损失(下文中缩写为“PDL”)的增加，峰值的损失可高达1分贝以上。该值远远大于非偏振依赖光隔离器的值，该光隔离器类似地具有磁光效应的优点，并已在光传输系统中得到了广泛应用。非偏振依赖光隔离器的典型PDL值是在0.1db的量级。
对于这种差异的研究揭示出，当双折射元件用作为偏振器和分析器时，正常光线和非正常光线沿不同的路径通过法拉第元件，因此，施加在法拉第元件的不同部分上的磁场分布也发生变化。能细微影响磁场分布的因素可以是，例如，可变磁场施加的方向、产生可变磁场的电磁体的磁轭的形状和大小以及磁轭与法拉第元件之间的相对位置。
通过举例，图22示出了一种用于将法拉第元件连接到光衰减器上的传统部件。该部件具有用于接纳磁轭的切口20，以及形成在中心内、以使光线通过的开口15。法拉第元件凹口21形成在切口20的底部处，并与开口15对齐，由一个或多个柘榴石晶板所构成的法拉第元件(未示出)容纳在该凹口中。法拉第元件用热固性或紫外线固化的树脂填充在通向切口20的装填树脂的孔口16、17中，得以固定就位。电磁体的磁轭10，10在开口15的两侧插入到切口20中，用硬化树脂以同样的方法固定。无法定位电磁体的磁轭10的内端1而仅固定在法拉第元件上的磁轭不能保持一恒定的位置关系。此外，相对于法拉第元件的磁轭接合区域受到限制。上述的以及其它的因素被认为是PDL增加的问题的原因。
因此，本发明有待去解决的另一些问题，通过提供具有良好PDL特性的光衰减器而得到解决。
[解决问题的手段]
本发明提供了一种法拉第旋转器，其中一磁场施加在法拉第元件上，该法拉第元件的光轴沿柘榴石单晶体的方向<III>，其特点在于，
具有法拉第效应的、厚度大致相同的三个柘榴石单晶体用于形成法拉第元件，并且法拉第元件以如下方式布置：第一磁场施加在这些法拉第元件的其中之一上、沿垂直于在一直线的左右两侧各延伸5度的范围内的一平面的方向，该直线连接位于球极平面投影图的中心处的平面(111)与该图中最外圆周上的平面(-1-12)或与其等效的平面；而第二磁场施加在余下的两个元件上、沿垂直于在一直线的左右两侧各延伸5度的范围内的一平面的方向，该直线连接位于球极平面投影图的中心处的平面(111)与该图中最外圆周上的平面(-101)或与其等效的平面。
第一和第二磁场可分别为由一对磁场所构成的复合磁场。
本发明还提供了一种法拉第旋转器，其中一平行于光轴的磁场和一垂直于光轴的磁场同时施加在法拉第元件上，光轴沿柘榴石单晶体的方向<III>，其特点在于，
三个厚度基本相同的具有法拉第效应的单晶柘榴石用来形成法拉第元件，且法拉第元件以这样方式排列：第一磁场作用在三个法拉第元件之一上，其方向垂直于一平面，在一直线左右两侧各延伸5度的范围内，该直线在球极平面投影图的中心处连接平面(111)与最外圆周上的平面(-1-12)或者图中与其相当的平面，而一第二磁场作用在余下的两个元件上，其方向垂直于一平面，在一直线的左右两侧各延伸5度的范围内，该直线在球极平面投影图的中心处连接平面(111)与最外圆周上的平面(-101)或者图中与其相当的平面。
本发明还提供了一种光衰减器，它包括相应地置于多个法拉第元件之前和之后的一偏振器和一分析器，其中一可变磁场以如下方式施加在法拉第元件上：该可变磁场能改变光束的法拉第旋转角并控制被传输的光量，光轴沿柘榴石单晶体的方向<III>，其特点在于，
具有法拉第效应的、厚度大致相同的三个柘榴石单晶体用于形成法拉第元件，并且法拉第元件以如下方式布置：一可变磁场施加在这些法拉第元件的其中之一上、沿垂直于在一直线的左右两侧各延伸5度的范围内的一平面的方向，该直线连接位于球极平面投影图的中心处的平面(111)与该图中最外圆周上的平面(-1-12)或与其等效的平面；而一可变磁场施加在余下的两个元件上、沿垂直于在一直线的左右两侧各延伸5度的范围内的一平面的方向，该直线连接位于球极平面投影图的中心处的平面(111)与该图中最外圆周上的平面(-101)或与其等效的平面。
可变磁场可为由一对磁场所施加的复合磁场，其中至少一个磁场是可变的。
本发明还提供了一种光衰减器，它包括相应地置于多个法拉第元件之前和之后的一偏振器和一分析器，其中一平行于光轴的磁场和一垂直于光轴的磁场同时施加在法拉第元件上，其中一个磁场是固定磁场，而另一个则是可变磁场，这样复合磁场就能改变光束的法拉第旋转角并控制被传输的光量，光轴沿柘榴石单晶体的方向<III>，其特点在于，
具有法拉第效应的、厚度大致相同的三个柘榴石单晶体用于形成法拉第元件，并且法拉第元件以如下方式布置：一可变磁场施加在这些法拉第元件的其中之一上、沿垂直于在一直线的左右两侧各延伸5度的范围内的一平面的方向，该直线连接位于球极平面投影图的中心处的平面(111)与该图中最外圆周上的平面(-1-12)或与其等效的平面；而一可变磁场施加在余下的两个元件上、沿垂直于在一直线的左右两侧各延伸5度的范围内的一平面的方向，该直线连接位于球极平面投影图的中心处的平面(111)与该图中最外圆周上的平面(-101)或与其等效的平面。
在上述定义的法拉第旋转器和光衰减器中，较佳地平行于光轴的磁场是由永磁体所产生的固定磁场，而垂直于光轴的磁场是由电磁体所产生的可变磁场。
根据本发明，法拉第旋转器是由三个特定取向的法拉第元件组合而成的，不仅减小了法拉第旋转角的温度依赖性，而且还控制了法拉第旋转特性的扩散。
为更具体起见，本发明的法拉第旋转器和衰减器在衰减温度变化中有所限制(取决于法拉第旋转角)，此外，在试样中的衰减温度变化的扩散被收缩。而且，试样中的峰值电流(对应于为取得法拉第旋转角的最大变化所需的可变磁场)的扩散较小，此外，还达到了低电流特性(即，为获得衰减或法拉第旋转角的一定量所必须的产生的一可变磁场的驱动电流可较小)。
[解决问题的另一种手段]
本发明还提供了一种通过从两个不同的方向施加两个外部磁场、固定的和可变的磁场来控制通过具有法拉第效应的柘榴石单晶体的光束的法拉第旋转角的光衰减器，其特点在于，至少一个具有法拉第效应的柘榴石晶体用作为法拉第元件，并且一用于将法拉第元件保持就位的部件具有用以定位电磁体磁轭前端的阻挡件，该电磁体相对于磁场施加方向将可变磁场施加在保持件上及其周围。
本发明还提供了一种如上所定义的光衰减器，其特点在于，用于将法拉第元件保持就位的部件具有一对用以定位电磁体磁轭前端的定位凹槽，该电磁体相对于光束方向将可变磁场施加在保持件上及其周围。
本发明还提供了一种如权利要求1所述的光衰减器，其特点在于，施加所述可变磁场的电磁体的磁轭具有一前端平面，每个磁轭垂直于可变磁场的方向，其横截面积不小于垂直于可变磁场的方向的法拉第元件的平面的横截面积的1.7倍。
为更具体起见，本发明提供了一种光衰减器，它包括：一部件，该部件形成有横过光轴延伸的第一凹槽、并且还形成有沿着光轴通向第一凹槽的一开口，一法拉第元件设置在第一凹槽中与光轴对齐，该部件具有一对形成在法拉第元件的两侧上并靠近该元件的第二凹槽，该第二凹槽横过第一凹槽且沿垂直于光轴的方向延伸；以及一对产生可变磁场的电磁体，该电磁体具有其端部装配在位于法拉第元件的两侧上的一对第二凹槽中的磁轭，第二凹槽的底部用作为用于定位磁轭前端的阻挡件。
[附图简介]
图1是对中在平面(111)上的晶体面的球极平面投影图。
图2是电磁场与磁化旋转路线中法拉第旋转角之间的关系的图表。
图3是示出了一种光衰减器的构造的立体图。
图4是1立方毫米柘榴石单晶体被斜切后的示意图。
图5给出了表示光衰减器试样的特性的曲线图，即，当一可变磁场施加在每个试样中的三个柘榴石单晶体的其中之一上、在连接位于中心处的平面(111)与位于球极平面投影图的最外圆周上的平面(-1-12)的一直线上，而当一可变磁场施加在余下的两个元件上、在连接位于中心处的平面(111)与位于球极平面投影图的最外圆周上的平面(-101)的一直线上时，它们的温度值依赖于衰减电流特性值。
图6是给出了光衰减器试样的特性的表格，即，当一可变磁场施加在每个试样中的三个柘榴石单晶体的其中之一上、在连接位于中心处的平面(111)与位于球极平面投影图的最外圆周上的平面(-1-12)的一直线上，而当一可变磁场施加在余下的两个元件上、在连接位于中心处的平面(111)与位于球极平面投影图的最外圆周上的平面(-101)的一直线上时，在0-65℃的温度范围内的它们的峰值电流和衰减变化的最大值。
图7给出了表示光衰减器试样的特性的曲线图，即，当一可变磁场施加在连接位于中心处平面(111)与自位于最外周上的平面(-1-12)朝着球极平面投影图的平面(-101)以26°角倾斜的一平面的直线上时，它们的温度值依赖于衰减电流特性值。
图8是给出了光衰减器试样的特性的表格，即，当一可变磁场施加在连接位于中心处平面(111)与自位于最外周上的平面(-1-12)朝着球极平面投影图的平面(-101)以26°角倾斜的一平面的直线上时，在0-65℃的温度范围内的它们的峰值电流和衰减变化的最大值。
图9给出了表示光衰减试样的特性的曲线图，即，当一可变磁场施加在每个试样中的三个柘榴石单晶体的其中之一上、在连接位于中心处的平面(111)与位于球极平面投影图的最外圆周上的平面(-1-12)的一直线上，而一可变磁场施加在余下的两个元件上、在连接位于中心处的平面(111)与位于球极平面投影图的最外圆周上的平面(-211)的一直线上时，它们的温度值依赖于衰减电流特性值。
图10是给出了光衰减试样的特性的表格，即，当一可变磁场施加在每个试样中的三个柘榴石单晶体的其中之一上、在连接位于中心处的平面(111)与位于球极平面投影图的最外圆周上的平面(-1-12)的一直线上，而一可变磁场施加在余下的两个元件上、在连接位于中心处的平面(111)与位于球极平面投影图的最外圆周上的平面(-211)的一直线上时，在0-65℃的温度范围内的它们的峰值电流和衰减变化的最大值。
图11示出了根据本发明实例中所述的程序、由16块柘榴石晶体所制成的总共444个光衰减器的温度依赖特性曲线。
图12是示出了一种光衰减器的构造的示意图。
图13给出了PDL与介于分裂光束的法拉第旋转角与PDL之间的偏差之间关系的计算结果。
图14示出了施加可变磁场的电磁体的磁场施加区域。
图15给出在磁场施加区域内的磁场分布的计算结果。
图16示出一对称的电磁体磁轭对和一不对称的电磁体磁轭对的试样。
图17给出在对称和非对称性电磁体磁轭试样中的PDL和衰减的入射区域内的分布特性曲线的计算结果。
图18示出了具有磁轭阻挡件和磁轭定位凹槽的元件保持件；(a)左侧视图，(b)前视图，(c)后视图，(d)俯视图，以及(e)仰视图。
图19给出诸示意图，示出了一元件是如何与一元件保持件相结合，以及一对磁轭是如何在压力下结合的；(a)左视图，(b)后视图，以及(c)从后侧下方观察的立体图。
图20是示出了一平方毫米的柘榴石单晶体经斜切后的视图。
图21给出了特性曲线图，即本发明实施例样本的PDL和衰减电流特性曲线，以及在18.5dB衰减时的PDL值。
图22示出了不设有磁轭阻挡件的元件保持件；(a)右视图，(b)后视图，(c)俯视图，以及(d)仰视图。
图23给出了特性曲线图，即比较例的样本的PDL和和衰减电流特性曲线，以及在18.5dB衰减时的PDL值。
[本发明的较佳实施例]
下面将描述诸较佳实施例。应予注意的是，这些实施例是结合一种由两个磁场(一个是固定磁场，而另一个则是可变磁场)所构成的复合磁场来进行描述的，应当注意的是，只要能产生可变磁场所需的矢量，则可采纳单个电磁体或多个电磁体、或者是永磁体和电磁体的组合。在下文中，应予理解的是，虽然复合磁场的方向未被规定，但该方向垂直于由诸结晶平面所指定的平面。即，叙述为：一可变磁场施加在连接平面(111)与(k，l，m)  (k，l，m为特定整数)的一直线上，则意味着该磁场沿介于<111>(包括在内)和<k，l，m>(包括在内)之间的方向施加。
根据本发明，诸法拉第元件是以这样一种方式进行设置的：电磁体的一可变磁场施加在三个元件的其中之一上、在连接位于中心处的平面(111)与位于球极平面投影图的最外圆周上的平面(-1-12)的一直线之上；而一可变磁场施加在余下的两个元件上、在连接位于中心处的平面(111)与位于球极平面投影图的最外圆周上的平面(-101)的一直线之上。图1是对中在柘榴石单晶体平面(111)上的一球极平面投影图。该柘榴石晶体的任何给定平面可由该球极平面投影图中的一点来表示。由于晶体结构的对称性，因而等同于平面(-1-12)的平面在最外圆周上每隔120°出现，等同于平面(-101)的平面在每隔60°出现。这里等同于平面(-1-12)的平面是(-12-1)或(2-1-1)平面，而且等同于平面(-101)的平面是(-110)、(01-1)、(10-1)、(1-10)和(0-11)平面中的任一。晶体平面的负标号由带有减号的各标号来表示。
图2用曲线表示出法拉第旋转角和带有不同的柘榴石晶体取向的电磁场施加方向中的磁场的测量结果。该图显示出法拉第旋转角随着依赖于磁场施加方向的电磁场而大幅度变化。因此，带有所施加的可变磁场的衰减特性的再生性可通过明确规定柘榴石单晶体的取向与可施加于该柘榴石晶体的电磁场的方向之间的关系而得以提高。现已发现，根据本发明，当一可变磁场施加在每个试样中三个柘榴石单晶体的其中之一上、在连接位于中心处的平面(111)与位于球极平面投影图的最外圆周上的平面(-1-12)的一直线之上，而一可变磁场施加在余下的两个元件上、在连接位于中心处的平面(111)与位于球极平面投影图的最外圆周上的平面(-101)的一直线之上时，在具备良好再生性的情况下，可减小带有所施加的可变磁场的衰减特性的温度依赖性。
如从本发明的实例与下文中给出的比较例之间的对照中可以明了的是，本发明衰减的温度依赖性的扩散的压缩推测起来可归因于施加于特定取向的磁场的不同方向的角度偏差的公差比现有技术中更大。
图3示出了包括三个法拉第元件和两个不同磁体的组合的法拉第旋转器、以及使用该旋转器的光衰减器的基本结构。这种结构安排如下：一光束的传播依次从该光束的入射侧向前，通过偏振器2，如上述定义的一组三个法拉第元件3、4、5，分析器6以及相位补偿棱镜8。通过永磁体7、7，一固定饱和磁场沿光轴方向施加于法拉第元件3、4、5。而且，一可变磁场可通过电磁体10、10沿垂直于光轴方向施加。这三个法拉第元件和两类磁体联合构成一法拉第旋转器。
实例1
制成如图3所示的基本构造的一光衰减器，并研究电磁场的施加方向与柘榴石晶体的取向之间的关系、衰减量与电磁场之间的关系以及温度依赖性。该结构布置如下：一光束可依次通过一偏振器、多个法拉第元件、一分析器以及一相位补偿棱镜。法拉第元件的布置使该光束垂直于元件的平面(111)入射。一平行于光束的磁场通过两个永磁体施加于法拉第元件，而电磁体垂直于光束施加一磁场。由于法拉第旋转器保持在磁饱和状态中，因而供给至电磁体的电流发生变化，以便连续改变正在传输的光束的法拉第旋转角，并由此改变剩余光束的光量。光束要通过的偏振器和分析器的偏振平面的相对角设定为105°。
法拉第元件按下列方法制造。利用液相外延技术在一非磁性柘榴石基底上生长柘榴石单晶体。参照形成在非磁性柘榴石基底上的取向平面，生成的晶体沿平行和垂直于<-1-12>方向以11毫米的间距进行分隔，每个垂直于<-1-12>方向的分隔块的侧面的右上角被斜切。接着，通过磨削而去除基底，并将半成块在1030℃的空气中热处理20个小时。进行热处理的目的在于降低感应的磁的各向异性的滋长。然后，将诸元件块镜面抛光到成品厚度，在此厚度上法拉第旋转角约为32°。随后，在元件块的两侧上形成非反射膜。接下来，将形成有非反射膜的11平方毫米的柘榴石单晶块沿平行和垂直于每块四个侧面的方向切割成1平方毫米的晶片。每个晶片垂直于<-1-12>方向的侧面的右上角被斜切(图4)。斜切的目的在于使每个晶片在切割后晶体方向明晰。柘榴石单晶体的三个这样的1平方毫米的晶片用作为法拉第元件。
在每三个不同柘榴石单晶体中制成两个光衰减器。在每个衰减器中，法拉第元件排列如下：一可变磁场可施加在三个元件的其中之一上、在连接位于中心处的平面(111)与位于球极平面投影图的最外圆周上的平面(-1-12)的一直线之上，而一可变磁场可施加在余下的两个元件上、在连接位于中心处的平面(111)与位于球极平面投影图的最外圆周上的平面(-101)的一直线之上。测量这些测试试样的衰减一电流特性的温度依赖值(在0°，25°和65°)。结果示于图5。衰减-电流特性和温度依赖趋势可由独个试样相当有利地重现。该曲线图还示出了从所测得的衰减值中计算而得的衰减-温度变化。
对于每个试样，确定达到25℃的衰减峰值时所处的峰值电流，以及在0-65℃的范围内衰减低于20dB的衰减变化的最大值。这些结果总结在图6中。对于独个试样，衰减-电流特性和温度依赖值以很好的结果重现。
比较例1
作为比较例1，制成具备使电磁场可沿不同取向施加的一种法拉第元件的布局的光衰减器。该法拉第元件被布置成：使所有三个元件沿同一取向叠加，并且一电磁场可施加在连接位于中心处平面(111)与自位于最外周上的平面(-1-12)朝着球极平面投影图的平面(-101)以26°角倾斜的一平面的直线上。三个光衰减器，每个由两个不同的柘榴石单晶块所制成，测量这些测试试样的衰减-电流特性的温度依赖值(在0°，25°和65°)。这些结果示于图7中。
对于每个试样，确定达到25℃的衰减峰值时所处的峰值电流，以及在0-65℃的范围内衰减低于20dB的衰减变化的最大值。这些结果总结在图8中。这些曲线表明，对于独个试样，峰值电流和温度依赖性因试样的不同而大幅度地变化。
从上述可见，在本发明的实例中，不仅衰减-温度变化受到限制，而且在所测试的试样中衰减-温度变化的扩散是很小的。另外，峰值电流(与为获得法拉第旋转角中的最大变化所需的可变磁场相对应)的扩散受到限制，而且获得低电流特性(这意味着用以产生为获得特定的衰减量或法拉第旋转角所需的可变磁场的驱动电流的量可保持为很小)。
比较例2
作为比较例2，制成各种柘榴石单晶块的多个光衰减器。在每个衰减器中，法拉第元件的排列如下：一可变磁场可施加于三个元件的其中之一、在连接位于中心处的平面(111)与位于球极平面投影图的最外圆周上的平面(-1-12)的一直线之上，而一可变磁场可施加于余下的两个元件、在连接位于中心处的平面(111)与位于球极平面投影图的最外圆周上的平面(-211)的一直线之上。测量这些测试试样的衰减-电流特性的温度依赖值(在0°，25°和65°)。这些结果示于图9中。对于每个试样，确定达到25℃的衰减峰值时所处的峰值电流，以及在0-65℃的范围内衰减低于20dB的衰减变化的最大值。这些结果总结在图10中。尽管独个试样给出了衰减时有利的温度依赖值，但获得最大衰减时的峰值电流约为70mA，差不多要大于根据本发明制造的试样的值的大约1.8倍，这表明本发明对降低电流要求有效。
实例2
遵照本发明实例1中所述的程序，从16块柘榴石晶体中制造出总共444个光衰减器。确定它们的温度依赖值，其结果总结在图11中。尽管晶体取向如制造的扩散那样有约±5°的扩散可能性，上述制造的扩散包括切割方向的公差和元件的固定就位，但该图中表明了温度依赖性的压缩扩散和有利的再生性。
如以上已结合图1-11所述的，本发明改善了相对于所施加的可变磁场的光衰减器的衰减特性的再生性、减小了相对于所施加的可变磁场的衰减特性的温度依赖性并提高了再生性。而且，本发明还能实现低电流特性。
本发明还涉及一种光衰减器，它通过从相反方向使两个外部磁场(一个是固定磁场、而另一个是可变磁场)施加于晶体，从而控制通过具有法拉第效应的柘榴石单晶体进行传输的光量，从而使通过该晶体传输的光线的法拉第旋转角是可变的。例如，图12中示出了光衰减器的一种基本构造。其布置如下：一光束依次通过偏振器2、各自由柘榴石晶体所构成的多个法拉第元件1、一分析器6以及一相位补偿棱镜8，这样衰减的光束就如箭头所示出现。外部磁场施加装置包括设置在法拉第元件1的相对两侧上、并共同施加一平行于光轴的磁场的一对永磁体7、7以及施加垂直于光轴的一可变磁场的一对电磁体10、10(只示出它们磁轭的前端)。为了实现与偏振无关，对偏振器2和分析器6使用楔形偏振分离元件。那些元件由双折射晶体所制成。结果，入射光束分离成位于法拉第元件(柘榴石晶体)的入射侧上的偏振器2中的正常光线和非正常光线，然后，在偏振状态下，分离的光线进入柘榴石晶体。随着光线通过柘榴石晶体传播，它们的偏振方向藉由法拉第行为旋转在已登记的专利2,815,509号中已有指导。简而言之，随着它们通过柘榴石晶体传播，由于偏振的原因，所分离的正常光线和非正常光线通过不同的路径横过晶体。因此，从理论上讲，由偏振而分离的两种光线的不同的法拉第旋转角引起了PDL。
图13中用曲线形式示出了PDL与衰减值为18.5dB的分散光线之间的偏差之间的关系的计算结果。该关系由一数学表达式或公式1来表示；
其中，Φ是楔形偏振分离元件的光轴的相对角，Δθ是正常光线和非正常光线的法拉第旋转角之间的偏差，Att是衰减值，θfAtt是达到所需的衰减值时所处的法拉第旋转角：
[公式1]
PDL＝|-10log[cos2{Φ-(θfAtt+Δθ)}]-Att|
该公式表明PDL随着法拉第旋转角之间偏差的扩大而增加。
通常，法拉第旋转角随着施加于柘榴石单晶体的外部磁场而变化。为了减小由偏振而分离的光线的法拉第旋转角之间的偏差，因此必须尽可能地向晶体施加均匀的磁场。然而，事实上，由于强度取决于诸多因素、诸如电磁体的磁轭的大小和形状以及它们对于柘榴石晶体的相对位置，因而施加在电磁体上的可变磁场的强度难于控制。
图14中示出了施加一可变磁场的电磁体的磁场施加区域(即，置有法拉第元件的区域)。一可变电流通过缠绕在两个磁轭10上的导线的线圈11，以便在磁轭之间形成一可变磁场。该可变磁场施加在置于位于磁轭之间的区域中的柘榴石晶体的一个或多个法拉第元件上，用以调整光的衰减值。
计算作施加在该区域上的外部磁场的矢量的角度分布。其结果示于图15中。作为计算的条件，介于两个电磁体的磁轭10、10之间的距离设定为1mm，每个磁轭的前端的横截面积为1×1mm，每个线圈的绕线匝数为1500匝，绕线直径为0.1mm，并且电磁体电流为70mA。一种典型的结构为：两个永磁体7、7位于磁轭的前面和后面，以便平行于光轴施加一磁场(参见图12)。永磁体的尺寸为：外径为3.5mm，内径为1.3mm，长度则为1.0mm。介于每个磁轭中心与每个永磁体中心之间的距离为3.5mm。应意识到的是，最有利的分布区域是在中心处及其周围。基于这个原因，为减小PDL特性，可假设元件应尽可能精确地置于电磁体磁轭之间的中心处。
上述假定已经实验证实。进行实验是为了观察PDL特性在均匀磁场内是否会有所改善。制作两种光衰减器的试样模型：一种具有对称电磁体磁轭，而另一种则具有非对称电磁体磁轭。每个试样估算PDL的分布和入射平面内的衰减。对称电磁体磁轭试样采用对称布置的左右磁轭，非对称电磁体磁轭试样则采用一个磁轭设置比另一个磁轭更远约100μm。
图17用曲线形式表示了这些估算结果。总而言之，越靠近磁轭之间的中心，衰减就越小。就非对称磁轭试样而言，最小峰值离中心约100μm。这些结果与磁场分析的结果一致，其中越靠近磁轭之间的中心，磁场的绝对值就越小。当PDL的分布接近电磁体之间的中心，PDL的分布也就变得越小。就衰减而言，最小峰值离中心也约为100μm。这表明在磁场分布有利的电磁体之间的中心内，PDL电得到了改善。
由上所述，显然，施加于法拉第元件的外部磁场的有利分布对PDL特性的改善而言是根本的。对于改进的磁场分布而言，将元件尽可能精确地设置在电磁体磁轭之间的中心内、并且允许磁轭的前端的横截面积大于法拉第元件的横截面积也是有效的。另外，提供一用于将法拉第元件保持就位的部件、以及一形成在该部件的周缘内、用于插入磁轭的阻挡件改进了电磁体磁轭的对称性，并且提高了PDL特性值。而且，提供在其周缘上形成有凹槽(用以相对于光轴设置电磁体磁轭)的元件保持件使法拉第元件相对于光轴方向置于电磁体之间的中心内成为可能。在具备施加可变磁场的电磁体的磁轭的情况下，与垂直于可变磁场的法拉第元件的横截面积相比，垂直于可变磁场方向的每个磁轭端的平面的横面积越大，则法拉第元件所经受的磁场的均匀性就更好。
此外，形成在元件保持件中的阻挡件使磁轭保持不与元件相接触，从而提高了抵抗因温度变化而引起的热膨胀和随时间推移而引起的变化的可靠性。
制造如图12所示的基本结构的光衰减器。其构造如下：由箭头所示的一光束可通过一偏振器2、由三块柘榴石晶板所构成的一法拉第元件1、一分析器6以及一相位补偿棱镜8，以便产生一衰减光束。法拉第元件1被设置成：使光束可垂直于元件的平面(111)入射。借助于两个永磁体7、7，一平行于光束的磁场施加在该法拉第元件上，藉由电磁体10、10，一垂直于光束的磁场施加在该法拉第元件上。虽然法拉第元件1借助于永磁体7、7保持在磁饱和状态中，但供给至电磁体10、10的电流是变化的，由此所传输的光线的法拉第旋转角可连续变化，并且呈现出的光束量是变化的。通过偏振器2和分析器6的光的偏振平面的相对角各为105°。
图18中所示了固定到元件固定保持件12上的法拉第元件。更具体地说，该元件保持件12具有：横过光轴延伸的第一凹槽20，形成在该凹槽20的中间部分内的法拉第元件保持台阶18，形成在凹槽20中的法拉第元件保持台阶18内、且沿着光轴的开口15，以及靠近法拉第元件保持台阶18的两侧所形成、且横过第一凹槽垂直于光轴延伸的一对磁轭定位凹槽14。相对于法拉第元件保持台阶18，在第一凹槽20的壁内形成有两个彼此对齐的树脂注入孔16、17。在磁轭定位凹槽14中，邻近第一凹槽20的部分(在图18(a)中用双点划线表示的部分)构成磁轭的阻挡件部分13。与图22中所示的现有技术的对应物所不同的是，第一凹槽20用作为用于定位法拉第元件的凹槽，其中通过利用磁轭定位凹槽14和阻挡件部分13将磁轭保持就位。形成于第一凹槽20与磁轭定位凹槽14的一侧面之间的台阶如图所示不仅增大了磁轭的阻挡件部分13的面积，而且还将法拉第元件设置在沿光轴方向的磁轭中心内，由此可向法拉第元件施加一均匀的磁场。
如图19所示，将法拉第元件1装配在第一凹槽19中的法拉第元件保持台阶13内，使该元件与光轴对齐，并且通过树脂注入孔16将可固化的树脂注入到台阶内，以便将该元件固定就位。接下来，将两个电磁体的磁轭10装配在该对磁轭定位凹槽14中，以使该法拉第元件夹置于其间。磁轭的前端于槽底压抵在磁轭定位阻挡件部分上，并将可固化的树脂注入到凹槽14中，以便牢牢地固定磁轭端部。以这种方式，磁轭端部精确地得以定位。另外，磁轭定位凹槽14的两个侧壁还允许磁轭10沿光轴方向定位。
而且，如图18(a)和图19(b)所示，磁轭定位凹槽14的阻挡件部分13的横截面积大于第一凹槽20的截面积，施加在法拉第元件1上的磁场的分布更加均匀。
如上所述，本发明的元件保持件用来将电磁体磁轭固定就位，由此提高电磁体磁轭的对称性。此外，由于磁轭保持不与元件相接触，因而提高了组件的品质可靠性。实验用的电磁体磁轭的前端尺寸为1.3mm×1.2mm。电磁体磁轭的横截面积的值被设定为系元件的横截面积的大约1.7倍。
法拉第元件按如下方法进行制造。利用液相外延技术在一非磁性柘榴石基底上生长柘榴石单晶体。参照形成在非磁性柘榴石基底上的取向平面，生成的晶体沿平行和垂直于<-1-12>方向以11毫米的间距进行分隔，每个垂直于<-1-12>方向的分隔块的侧面的右上角被斜切。接着，通过磨削而去除基底，并将半成块在1030℃的空气中热处理20个小时。进行热处理的目的在于降低感应的磁的各向异性的滋长。然后，将诸元件块镜面抛光到成品厚度(大约0.3mm)，在此厚度上法拉第旋转角约为32°。随后，在元件块的两侧上形成非反射膜。接下来，将形成有非反射膜的11平方毫米的柘榴石单晶块沿平行和垂直于每块四个侧面的方向切割成1平方毫米的晶片。每个晶片垂直于<-1-12>方向的侧面的右上角被斜切(图20)。斜切的目的在于使每个晶片在切割后晶体方向明晰。柘榴石单晶体的三个这样的1平方毫米的晶片用作为法拉第元件。
将三个法拉第元件放置在具有磁轭阻挡件的元件保持件中，并通过每个直径为0.7mm的上下孔注入紫外线固化的树脂来将元件牢固地粘结就位。小心定位之后即固定法拉第元件，不使它们脱离位置。在固定电磁体时，将它们粘结就位，使其磁轭端部压抵在元件保持件的磁轭阻挡件上。这样就提高了电磁体左右磁轭的对称性，并确保了磁轭对磁轭的距离的稳定性。
在使用设有磁轭阻挡件的元件保持件、从而实验性地制作光衰减器的情况下，估算它们的PDL和衰减电流特性、以及在18.5dB衰减时的PDL值。图21给出了这些结果。就PDL电流特性而言，在衰减峰值的电流水平上的最大PDL值是0.5dB的量级。在18.5dB衰减时的PDL值是0.25dB，这是一个有利的特性值。
通过比较，用不设有如图22所示的磁轭阻挡件的元件保持件来制作光衰减器，并采用其磁轭端部尺寸为1.0mm×1.2mm的电磁体。在具备这些衰减器的情况下，估算PDL的衰减电流特性以及18.5dB衰减时的PDL值。图23概括了这些结果。就PDL电流特性而论，产生衰减峰值的电流水平时的最大PDL值超过1.2dB。试验制造的9个试样的平均PDL值在18.5dB衰减时为0.53dB。各个PDL值约为根据本发明所制作的试样的值的两倍，这证明本发明在改进PDL特性方面有效。
如以上结合图12-23所述的，本发明提供适了可施加于法拉第元件的均匀的可变磁场，并由此改进了PDL特性。
[标号说明]
1、3、4、5法拉第元件
2偏振器
6分析器
7永磁体
8相位补偿棱镜
10电磁体
11电磁体线圈
13磁轭阻挡件
14磁轭定位凹槽
15开口
16、17树脂装填孔
18元件保持台阶
20元件保持件

Claims (12)

1.一种法拉第旋转器，其中一磁场施加在法拉第元件上，所述法拉第元件的光轴沿柘榴石单晶体的方向<III>，其特征在于，
具有法拉第效应的、厚度大致相同的三个柘榴石单晶体用于形成法拉第元件，并且法拉第元件以如下方式布置：第一磁场施加在这些法拉第元件的其中之一上、沿垂直于在一直线的左右两侧各延伸5度的范围内的一平面的方向，所述直线连接位于球极平面投影图的中心处的平面(111)与该图中最外圆周上的平面(-1-12)或与其等效的平面；而第二磁场施加在余下的两个元件上、沿垂直于在一直线的左右两侧各延伸5度的范围内的一平面的方向，所述直线连接位于球极平面投影图的中心处的平面(111)与该图中最外圆周上的平面(-101)或与其等效的平面。
2.如权利要求1所述的法拉第旋转器，其特征在于，所述各磁场是由一对磁场所构成的复合磁场。
3.一种法拉第旋转器，其中一平行于光轴的磁场和一垂直于光轴的磁场同时施加在法拉第元件上，其中一个磁场是固定磁场，而另一个则是可变磁场，这样它们的复合磁场就能改变光束的法拉第旋转角，所述光轴沿柘榴石单晶体的方向<III>，其特征在于，
具有法拉第效应的、厚度大致相同的三个柘榴石单晶体用于形成法拉第元件，并且法拉第元件以如下方式布置：一可变磁场施加在这些法拉第元件的其中之一上、沿垂直于在一直线的左右两侧各延伸5度的范围内的一平面的方向，所述直线连接位于球极平面投影图的中心处的平面(111)与该图中最外圆周上的平面(-1-12)或与其等效的平面；而一可变磁场施加在余下的两个元件上、沿垂直于在一直线的左右两侧各延伸5度的范围内的一平面的方向，所述直线连接位于球极平面投影图的中心处的平面(111)与该图中最外圆周上的平面(-101)或与其等效的平面。
4.如权利要求3所述的法拉第旋转器，其特征在于，所述平行于光轴的磁场是由永磁体所产生的固定磁场，而所述垂直于光轴的磁场则是由电磁体所产生的可变磁场。
5.一种光衰减器，它包括相应地置于多个法拉第元件之前和之后的一偏振器和一分析器，其中一可变磁场以如下方式施加在法拉第元件上：所述可变磁场能改变光束的法拉第旋转角并控制被传输的光量，所述光轴沿柘榴石单晶体的方向<III>，其特征在于，
具有法拉第效应的、厚度大致相同的三个柘榴石单晶体用于形成法拉第元件，并且法拉第元件以如下方式布置：一可变磁场施加在这些法拉第元件的其中之一上、沿垂直于在一直线的左右两侧各延伸5度的范围内的一平面的方向，所述直线连接位于球极平面投影图的中心处的平面(111)与该图中最外圆周上的平面(-1-12)或与其等效的平面；而一可变磁场施加在余下的两个元件上、沿垂直于在一直线的左右两侧各延伸5度的范围内的一平面的方向，所述直线连接位于球极平面投影图的中心处的平面(111)与该图中最外圆周上的平面(-101)或与其等效的平面。
6.如权利要求5所述的光衰减器，其特征在于，所述可变磁场是由一对磁场所施加的复合磁场，其中至少一个磁场是可变的。
7.一种光衰减器，它包括相应地置于多个法拉第元件之前和之后的一偏振器和一分析器，其中一平行于光轴的磁场和一垂直于光轴的磁场同时施加在法拉第元件上，其中一个磁场是固定磁场，而另一个则是可变磁场，这样所述复合磁场就能改变光束的法拉第旋转角并控制被传输的光量，所述光轴沿柘榴石单晶体的方向<III>，其特征在于，
具有法拉第效应的、厚度大致相同的三个柘榴石单晶体用于形成法拉第元件，并且法拉第元件以如下方式布置：一可变磁场施加在这些法拉第元件的其中之一上、沿垂直于在一直线的左右两侧各延伸5度的范围内的一平面的方向，所述直线连接位于球极平面投影图的中心处的平面(111)与该图中最外圆周上的平面(-1-12)或与其等效的平面；而一可变磁场施加在余下的两个元件上、沿垂直于在一直线的左右两侧各延伸5度的范围内的一平面的方向，所述直线连接位于球极平面投影图的中心处的平面(111)与该图中最外圆周上的平面(-101)或与其等效的平面。
8.如权利要求7的光衰减器，其特征在于，所述平行于光轴的磁场是由永磁体所产生的固定磁场，而所述垂直于光轴的磁场则是由电磁体所产生的可变磁场。
9.一种通过从两个不同的方向施加两个外部磁场、固定的和可变的磁场来控制通过具有法拉第效应的柘榴石单晶体的光束的法拉第旋转角的光衰减器，其特征在于，
至少一个具有法拉第效应的柘榴石晶体用作为法拉第元件，并且一用于将所述法拉第元件保持就位的部件具有用以定位电磁体磁轭前端的阻挡件，所述电磁体相对于磁场施加方向将所述可变磁场施加在所述保持件上及其周围。
10.如权利要求9的光衰减器，其特征在于，所述用于将法拉第元件保持就位的部件具有一对用以定位电磁体磁轭前端的定位凹槽，所述电磁体相对于光束方向将所述可变磁场施加在所述保持件上及其周围。
11.如权利要求9的光衰减器，其特征在于，施加所述可变磁场的电磁体的磁轭具有一前端平面，每个磁轭垂直于可变磁场的方向，其横截面积不小于垂直于可变磁场的方向的法拉第元件的平面的横截面积的1.7倍。
12.一种光衰减器，它包括：一部件，所述部件形成有横过光轴延伸的第一凹槽、并且还形成有沿着光轴通向所述第一凹槽的一开口，一法拉第元件设置在第一凹槽中与光轴对齐，所述部件具有一对形成在法拉第元件的两侧上并靠近该元件的第二凹槽，所述第二凹槽横过第一凹槽且沿垂直于光轴的方向延伸；以及一对产生可变磁场的电磁体，所述电磁体具有其端部装配在位于法拉第元件的两侧上的一对第二凹槽中的磁轭，所述第二凹槽的底部用作为用于定位磁轭前端的阻挡件。
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