CN1472891A - 嵌入型光学不可逆的回路装置 - Google Patents

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Abstract

提供一种实现低插入损耗和高回程损耗的嵌入型光学不可逆回路装置。其中被嵌入光纤的光路中或有光轴的光学波导管中的光学元件包括按所述的顺序沿光路的方向叠加的入射端偏振器、法拉第旋转器和出射端偏振器。该装置有一个沿相对光轴斜向延展穿过光轴的槽，光学元件被插入该槽并且在光学元件和槽的入射和出射端的壁之间的空间填充了光学粘合剂；并且入射端偏振器、法拉第旋转器、出射端偏振器以及光学粘合部分之间的至少一个，相对槽的入射端的斜向壁界面倾斜一个角度，该角度从槽倾斜的入射端来观察与垂直于光轴的平面反向。

Description

嵌入型光学不可逆的回路装置
发明背景
本发明涉及用于光通讯、光测量和其他类似领域的光学不可逆回路装置。
相关技术的描述
通常被用作各种光学系统的光源的半导体激光在振动时被认为会变得不稳定，这是因为从耦合到该激光器本身的光学系统反射出的入射光造成的。为了防止这样的问题，光隔离器开始被使用。近些年，光通讯系统的快速流行刺激了对比现有的更紧凑并且更低损耗的光隔离器的需求。使用传统结构的光隔离器，半导体激光以及光纤通过透镜被耦合，并且光隔离器元件被设置于透镜和光纤之间的空间，以便消除反射光。这种结构必须要求大的总体尺度也需要透镜和光纤的位置调整。
图19说明了现有技术的基本的隔离器设计。法拉第旋转器11夹在一对偏振器10a，10b之间并且被在给定方向磁化旋转器的磁体12包围。在该隔离器和二段光纤8a，8b之间，必须安置两个聚光透镜9a，9b。这种排列发送从前方入射的光(该方向用箭头C表示)但是截断了相反方向的入射光(该方向用箭头D表示)。这种情况下，这种排列起到了隔离器的功能但是要求很多光学元件，这使整个结构复杂而且尺度很大。
为了克服这种复杂性并追求更简单的过程，一种结构因此被提出，即在这种结构中通过在光纤的两个段之间安置的元件，激光和光纤被直接耦合而不通过聚光透镜。
这种结构的光学隔离器，被称为“嵌入型”光学隔离器，它的制作过程是牢固地将光纤嵌入衬底并且用树脂或类似的东西固定它，用切割锯或其他方法在衬底上穿过光纤嵌入部分开槽，然后安装光学隔离器元件到槽内，并且在原地将它们牢固地结合。这样，不需要光轴匹配，光学隔离器的制作被很好的简化了。另一方面，从光纤入射的光束在它通过元件部分时产生衍射。这种衍射是相当重要的因为法拉第旋转器必须有相当大的厚度，或者是足够使法拉第旋转器的角度设置到一个理想的值(通常是45度)的厚度。这造成诸如在出射端被耦合到光纤的光量减少，或所谓“插入损耗”增加的问题。在采取的对策中使用的是局部加热，由此光纤的芯膨胀并且衍射减弱。
因此，对准直接接收激光束的两段光纤间的光学隔离器元件给出了没有聚光透镜并且不需要光轴调整的光学隔离器。当任一光学隔离器元件的入射平面简单地设置成相对于来自在入射端的光纤的光束垂直于光轴时，从光学隔离器元件表面来的反射光行进返回去穿过光纤的入射端到达激光，结果对激光器的振荡上产生不利的影响。一种可以被采用来防止所述影响的方法在于在相对光轴的一个给定角度上设置元件。这种排列防止了反射光行进返回到激光器，但是当光行进穿过光学隔离器元件部分的光束折射可以导致传输的光偏离光轴。在预对准状态下在光学隔离器元件安置于两段光纤之间的地方，偏离光轴导致损耗的增加。
一种被设计用于纠正这种从光轴偏离并达到高反射衰减的光学隔离器揭示于日本专利申请Kokai No.9-54283。然而，光学隔离器是独立偏振的类型，并且其元素排列使用楔型偏振束分离器用以增强偏振分离，双折射平行平面用以纠正光轴的偏离，以及法拉第旋转器。
上述元件布置涉及到诸如结构复杂，增加了单个元件的厚度，和元件装配昂贵的困难，然而根据本发明的光学隔离器在用作LD模块时不需要这样的独立偏振。另一种独立偏振光学隔离器迄今被建议使用，他使用更薄的元件而不需要纠正位置偏差。由于来自光纤的入射角度被设为零，该隔离器在向前的方向引起少许位置偏差。另外，单个光学元件通过与用于粘合的反反射涂层粘合以控制反射的衰减。然而，通常使用的防反射膜层有30dB的限制并且因此被涂层的元件不能达到适当的性能。
传统的光学隔离器如图1所示。传统的光学隔离器的制造是通过以相对于两个光纤的段(TEC光纤如图所示)1a，1b的共同光轴的一个给定角度在套圈毛细管2上形成一个槽3，这两段光纤被保持在毛细管中(表示为槽角θg的角度是从垂直于光轴的平面开始测量)，以重叠的排列方式插入一个包括入射端偏振器4a，法拉第旋转器5和出射端偏振器4b的光学元件到槽内，并且在剩余的空间内填入光学粘合剂6用以形成整体结构。在该结构中，来自光纤1a入射到入射端偏振器4a的光束被光学元件的端面反射，由此向后反射的光ηr的量会减弱。因此，槽的角度越大，反射光的量越少。但是，发射光偏离光轴的偏差d引起与到出射端光纤1b的光束不适当的连接，这导致损耗的增加。通常，法拉第旋转器5和偏振器4a，4b如图1中一样是矩形的，并且它们的表面构成平面基本平行于槽壁的平面。结果，伴随着光束的行进，设置成一给定角度的槽造成一个问题，即增加了发射光ηt偏离光轴的偏差量(距离)，如图所示。
作为具体的例子，典型用于实际应用的两个波长和传统如图1所示的隔离器一起使用，并且根据以下的条件进行计算：
(1)光束的波长：1.31μm
光纤：光斑尺寸＝15μm
(模场直径：30μm)
折射率n0＝1.45
槽宽：400μm
玻璃偏振器：宽＝60μm
折射率n2＝1.51
法拉第旋转器厚度：宽＝250μm
折射率n3＝2.41
光学粘合剂：全部厚度＝30μm
折射率n1＝1.51
(2)光束波长：1.55μm
光纤：光斑尺寸＝15μm
(模场直径：30μm)
折射率n0＝1.45
槽宽：520μm
玻璃偏振器：宽＝60μm
折射率n2＝1.51
法拉第旋转器厚度：宽＝370μm
折射率n3＝2.41
光学粘合剂：全部厚度＝30μm
折射率n1＝1.51
图2显示槽角θg和连接损耗的关系。这说明，使用如图1所示的传统结构的光学隔离器，由于在光轴偏差d的相应增加，除了因为槽的衍射损耗，槽角越大连接损耗就越大。
图3概述当光束从光纤入射到光学元件上时与槽角有关的回程损耗的计算结果。很明显槽角越大，结果越好。
考虑到上面所述，为了正常光学隔离器的回程损耗满足最少60dB的需要的情况是(1)在波长为1.31μm，槽角不少于2度并且(2)波长为1.55μm，槽角不少于2.4度。
至于正常光学隔离器的插入损耗，不超过1dB的限制是必要的。光学隔离器的插入损耗是光学元件的吸收损耗，反射损耗，连接器损耗(在隔离器整体地结合了连接器的情况下)，反映元件所插入的槽的连接损耗的衍射损耗，以及由于位置偏离产生的损耗的总和。因此，嵌入元件的槽的连接损耗必须被限制于0.5dB或更少。由此，在其回程损耗超过60dB时的槽角上，槽的连接损耗为0.4dB(1)在波长为1.31μm或1.0dB(2)在波长为1.55μm。因此，隔离器可以使用于1.31μm但很难用于使用1.55μm的目的。
由于制造的容限，有必要采取一个更大的槽角，这是为了使回程损耗在一个稳定的状况下并且对于1.31μm波长角度仍旧不令人满意。
为了解决所述的问题，本发明通过改变光学隔离器的元件的结构或设计，纠正光轴偏离。为了更具体，相对于到一个形成于光纤或光学波导管的槽的入射光，倾斜地提供了引起反射或折射的不同折射率的区域的界面，因此反射的回程光被引导到光纤或光学波导管的光接收角度的外边，而传输光被折射出再入射到光学隔离器的例如偏振器和法拉第旋转器的元件上。光轴偏离被纠正并且损耗的增加通过改变具有不同折射率的区域和具有不同折射率的区域形成的光学元件的衍射平面间的倾斜界面的相对角度而得到抑制。
因此，本发明通过一种嵌入型光学不可逆回路装置解决所述问题，该器件中一个光学元件被嵌入光纤的光路中或有光轴的光学波导管中，该光学元件包括按所述的顺序沿光路的方向上叠加的入射端偏振器，法拉第旋转器，以及出射端偏振器。
该装置有一个沿相对光轴斜向延伸穿过光轴的槽，光学元件被插入该槽并且在光学元件和槽的入射和出射端的壁之间的空间填充了光学粘合剂；并且
入射端偏振器，法拉第旋转器，出射端偏振器，以及光学粘合部分之间的界面中的至少一个倾斜了一个角度，该角度相对槽的入射端的斜向壁，该角度从垂直于光轴的平面开始计算。
在本发明的一个典型的方面，嵌入型光学不可逆回路装置有如下特征：插入槽中的光学元件入射和出射端的偏振器是楔形的，有一个偏振器平面朝向光纤或波导管，它基本以同槽的倾斜角同样的方向倾斜而朝向法拉第旋转器的偏振器平面以及法拉第旋转器的两个平面分别地，以相对槽入射端的倾斜壁的角度倾斜，角度从垂直于光轴的平面开始计算，并且法拉第旋转器的两个平面整体地与入射和出射端偏振器的平面结合。
所使用的偏振器最好是薄的以便能最小化槽的衍射损耗。常使用在正常光学隔离器上的玻璃偏振器片有大约500μm的厚度。更薄的有大约200μm的厚度。
这样的玻璃偏振器有微小的球形金属颗粒定向在从两个玻璃表面向内的30到80μm厚的层中，并且正是这些层起着光偏振的作用。所以，只有形成于玻璃偏振器的两个端的微小的球形金属颗粒的两端层中的一个可以被用于提供一个30到80μm薄的偏振器。这使得到有低槽衍射损耗的嵌入型光学隔离器成为可能。事实上，在玻璃偏振器上的微小的球形金属颗粒层呈现的偏振功能是现有的玻璃偏振器的一半并且消光比退化。然而，从嵌入型隔离器隔离的观点看，隔离器可以充分地被用于LD模块，因为隔离的退化受温度范围和波长范围的限制，虽然在工作中心波长处的峰值隔离变差了。
此外，因为两个玻璃偏振器元件可以从单片玻璃偏振器获得，可以实现降低成本。
因此，本发明提供一种包括一个光学元件的嵌入型光学不可逆回路装置，该光学元件由入射端偏振器、法拉第旋转器和出射端偏振器按所述的顺序沿光路的方向叠加组成，所用的偏振器是几片玻璃偏振器，每一片包括一个微小的球形金属颗粒层并且沿光路的方向定向并形成于玻璃衬底的一边。
在其他可能的光学元件排列中使用用于为了在光路中的干涉产生相位差的双折射波片。该元件包括第一双折射区域、第二双折射区域和结合两个双折射区域于法拉第旋转器一端的第五粘合剂区域，并且还包括与第一双折射区域对准成一直线的第三双折射区域、与第二双折射区域对准成一直线的第四双折射区域和结合两个双折射区域于法拉第旋转器另一端的第六粘合剂区域。单个双折射片的光轴成这样一种关系，即第一和第二双折射区域被安置成与第三和第四双折射区域成90度彼此交叉，并且第一和第三双折射区域的光轴与第二和第四双折射区域成约45度角。法拉第旋转器的厚度对于使用的波长有45度的旋转角。
在使用石英波片作为双折射片时，片的厚度对于波长1.31μm通常为41μm并且对于波长1.55μm通常为48μm，因此使得到薄的光学元件排列成为可能。
由于所述使用双折射片的光学元件结构产生独立偏振的嵌入型光学隔离器，该产品除了用于LD模块还可以用于直列式应用。
更有可能实现具有低损耗和高回程损耗的嵌入型光学隔离器，部分通过扩大光纤芯或光学波导管的直径，开槽于膨胀的芯部分，并且然后插入任一所述的光学元件到槽中。
在更具体的元件排列中，光纤的折射率，光学粘合剂，入射端偏振器，法拉第旋转器，以及装置包括的出射端偏振器有如下关系，光纤n0＜＝光学粘合剂n1＜＝入射端偏振器n2a(＝出射端偏振器n2b)＜法拉第旋转器n3，并且法拉第旋转器以相对槽入射端的斜边的角度倾斜，该角度从垂直于光轴的平面开始测量。
因此，这样制造的不可逆回路装置使得很容易纠正由于元件的倾斜位置造成的光轴偏离并且得到高的回程损耗。
更广泛的，本发明提供一个嵌入型光学不可逆回路装置，其中的光学元件包括在光路的方向上以所述顺序叠加的许多入射端光学构件，一个法拉第旋转器以及许多出射端光学构件。该光学元件被嵌入到光纤或有光轴的光学波导管的光路中。
该装置有一个沿相对于光轴的倾斜方向延伸过光轴的槽，光学元件被插入该槽并且光学元件和槽的入射和出射端的壁之间的空间被填满光学粘合剂；并且
入射端光学构件和法拉第旋转器间的至少一个界面以相对槽入射端的壁的倾斜的角度倾斜，该角度从垂直于光轴的平面开始测量，以这样的方式则满足下述关系：
nf＜n1*L1/L+n2*L2/L+n3*L3/L+…＜nr，
其中nf：光纤的折射率，
L：入射端光纤到法拉第旋转器的距离，
n1，n2，n3…：插于入射端光纤到法拉第旋转器之间的材料的折射率，
L1，L2，L3…：材料的厚度，
nr：法拉第旋转器的折射率，
插于入射端光纤到法拉第旋转器之间的材料包括一个偏振器并且偏振器的折射率不超过法拉第旋转器的折射率。
本发明还提供一个不可逆回路装置，按现实情况，其功能是通过嵌入一个光学元件实现的，该光学元件包括在光纤或光学波导管的光路上，按所述的顺序沿光路的方向叠加的入射端偏振器、法拉第旋转器和出射端偏振器，其特征在于插有光学元件的槽具有相对倾向光轴方向的壁表面，光学粘合剂被导入光学元件和槽的入射出射端之间的空间以填满该空间形成光学结合部，并且入射端偏振器，法拉第旋转器，出射端偏振器和光学粘合剂部之间的至少一个界面以相对槽的入射端的倾斜壁的角度倾斜，该角度从垂直于光轴的平面开始测量。在这个实施例中，槽向上反射光斑以便于观察槽的侧壁并允许直接的检查。侧壁可以重新研磨或镜面抛光，例如，使用纵向切削砂轮，散布金刚石磨料或其他类似物的抛光薄片，或磨条。因此，嵌入型部分在品质和成品率上有所提升。
对于偏振器，实际上不可能使用双折射棱镜偏振器和双折射偏振片分离器(诸如金红石)于嵌入型，因为它们使降低元件厚度以得到合适的光学特性变得困难并且它们需要更大的槽宽，这将导致衍射损耗的增加。
依据本发明的安排允许在光学隔离器元件间中以一定的方向的光折射，该方向射通过给予一个特定角度差沿与平常的方向相反的方向，这个特定的角度差从光学隔离器元件厚度和折射率以及从安置于光纤的两段之间到光学隔离器的一个或多个部分元件的入射和出射平面的角度计算出来。因此，为了减少反射回程光而使元件和槽的入射出射平面的倾斜导致的光轴偏离通过整个元件被纠正并且实现了有限反射回程光的光学隔离器和低损耗。而且，不用棱镜，可以提供一种小尺寸，低损耗的光学隔离器和装配光学隔离器的LD模块。
附图的概述
图1是一个传统嵌入型光学隔离器的剖面图。
图2是表述槽角θg和传统嵌入型光学隔离器的连接损耗的关系的曲线图。
图3说明当光从光纤入射到光学元件上时与槽角有关的回程损耗的计算结果
图4是说明光纤缝隙和衍射损耗的关系的图，其中在两段光纤之间的缝隙中只有空气。
图5是说明光纤缝隙和衍射损耗的关系的图，其中填充光学粘合剂的空间的折射率为1.51并且插于原地的法拉第旋转器的厚度固定为370μm。
图6说明一个本发明的光学隔离器的实施例。
图7是说明光纤缝隙和回程损耗在不同槽角时的关系的曲线图。
图8是说明槽角θg和角度θf的关系的曲线图，偏离先前的位置角度θf被纠正。
图9说明槽角θg在槽宽为600μm(波长＝1.55μm)时和回程损耗的关系。
图10是比较传统光学隔离器和本发明光学隔离器的实施例关于不同槽角的连接损耗的曲线图。
图11是说明在不同槽角时的回程损耗的曲线图。
图12说明本发明的光学隔离器的另一个不使用楔形玻璃偏振器的实施例。
图13说明一个使用于另一个本发明实施例的光学元件。
图14显示使用楔形玻璃偏振器增加元件厚度的趋向。
图15是说明玻璃偏振器的消光率和隔离的关系的曲线图。
图16是说明典型的光学隔离器的隔离的温度特征的曲线图。
图17是本发明另一个实施例的剖面图。
图18是本发明又一个实施例的剖面图。
图19是传统的光学隔离器的一个示意图。
图20显示根据一个第二原型样例的一个光学隔离器的示意图。
图21显示根据一个第三原型样例的一个光学隔离器的示意图。
较佳实施例的说明
现在将详细描述一个符合本发明的光学隔离器。隔离器被作为依照本发明的嵌入型光学不可逆回路装置的例子。图6说明了本发明的一个实施例，其中与图1中的相同部件对应的部件由相同的数字或符号表示。参考附图，光学隔离器的制造是通过以相对于两段光纤(在一端延长的TEC光纤如图所示)1a，1b的共同光轴的一个给定角度在套圈毛细管2上形成一个槽3，这两段光纤被保持在毛细管中(表示为槽角θg的角度是从垂直于光轴的平面开始测量)，以叠加的排列方式插入到槽内的一个光学元件包括楔形入射端偏振器4a，法拉第旋转器5和楔形出射端偏振器4b，并且在剩余的空间内填入光学粘合剂6用以形成整体结构。因此，这样插入的光学元件的入射端偏振器4a和出射端偏振器4b都是楔形的使得它们分别面向光纤两段1a，1b的平面基本沿与槽3的壁相同的方向并以倾斜角θg倾斜并且它们的面向法拉第旋转器5的平面以角度θf并沿与槽3的倾斜角相反的方向倾斜(或者以如所示的以从与光轴垂直的的平面开始测量的倾斜角θf倾斜)。法拉第旋转器5的两个面整体地与在入射和出射端的偏振器的面一致地倾斜，就象在相反的方向以与两个偏振器的平面相同的角度倾斜。
在本发明中，也可以从图6中理解，由在槽角θg时的折射引起位置偏离通过法拉第旋转器的位置角度θf被纠正。用于纠正的角度θf小于槽角，并且因此在法拉第旋转器的表面的反射光ηf必须被考虑。反射光ηf产生两倍于入射到法拉第旋转器上光束的角度偏离，并且该角度偏离导致光轴在光纤和法拉第旋转器之间距离的两倍的范围上的偏离。结果，即使角度θf相对较小，回到光纤的光的量也减少。
这种关系在下述的预定情况下被计算，并且结果由图8和图9给出。图8说明了角度θf的值，该角度相对于具有波长1.31μm和1.55μm的光束从槽角θg的位置偏离被纠正的角度。图9说明槽角θg和槽宽为600μm(波长＝1.55μm)时的回程损耗之间的关系。
组成元件的折射率
光纤：n0＝1.45；光学粘合剂：n1＝1.51；偏振器：n2＝1.51；法拉第旋转器：2.41
TEC光纤
光斑尺寸ω＝15μm(MFD＝30μm)。
可以从图8和9看到，当槽角θg＝5°考虑到在槽宽为600μm的情况下的容限，角度θf大约0.6°但回程损耗为80dB或更多。
按照本发明的意图，玻璃偏振器必须通过或者使用楔形玻璃偏振器或者形成和玻璃偏振器具有基本相同折射率的光学粘合剂的一个楔形区域使从法拉第旋转器保持为角度θf。在后面的情况中，玻璃偏振器是平面的并且在玻璃的相对应的表面和法拉第旋转器之间的空间被填满光学粘合剂。在那种情况下，槽宽依照楔形区域的尺寸被增加，但是这种增加考虑到由于光轴的位置偏离产生的损耗是可以忽略的。
光纤到光纤的空间或缝隙和衍射损耗的关系由图4和5给出。图4说明了在光纤两段间的槽中只有空气的情况。图5假定槽空间被填充折射率n＝1.51的光学粘合剂，同时嵌入槽中的法拉第旋转器具有固定的厚度370μm。
嵌入元件的槽的损耗应该被保持低于0.5dB，并且假定膨胀芯的光纤具有光斑尺寸ω＝15μm，该光斑尺寸允许稳定化的制造，可以从图5中看到：不超过600μm的光纤缝隙对于波长为1.55μm和一个厚的法拉第旋转器在元件性能上是很理想的。
依照槽角，光纤缝隙对回程损耗的关系由图7给出。单个元件的环境与图8和9中的相同；例如，n0＝1.45；光学粘合剂：n1＝1.51；偏振器：n2＝1.54；法拉第旋转器：2.41；TEC光纤模斑尺寸ω＝15μm。
从所述可知，现在可能制造一种理想的光学隔离器，它的槽角大约为5°(楔角＝5.6°)并且光纤的缝隙不超过600μm。
而总体元件厚度增加伴随着楔形玻璃偏振器角度的增加着的趋向由图14给出。用于波长为1.55μm的光学元件的装配情况下，法拉第旋转器的厚度为370μm并且玻璃偏振器的两个镜片，每一个都具有一个必要的50μm区域以便这样工作，需要组合厚度为100μm。因此，光学元件单元的总厚度为370+100＝470+楔角的增量α。
增量α等价于对衍射损耗的限制600μm-470μm＝130μm。因此，由图14使用增量130μm的元件具有计算出为1.3mm的尺寸(在玻璃偏振器的倾斜方向上的尺寸)。在实际中，具有约0.5mm的尺寸的光学元件很好地满足要求，并且伴随元件厚度的增加产生的衍射损耗的增加相当的小。
总之，现有技术和本发明中的光学隔离器的不同槽角所对应的连接损耗由图10给出并且这些隔离器的不同槽角对应的回程损耗由图11给出。如图10所示，依照本发明的嵌入型光学隔离器使得在保持回程损耗为足够大的值的时使连接损耗为最小值且与槽角无关。
图12说明本发明的光学隔离器的另一个实施例，它不使用任何楔形玻璃偏振器。显示了一个出射端偏振器4a，一个法拉第旋转器5，以及一个出射端偏振器4b，它们被整体地叠加以形成一个矩形光学元件。该元件被置于以相对垂直于光纤的光轴的平面的槽角θg形成的槽3，处于相反于相对垂直于光轴的平面的槽角的方向以角度θf倾斜的状态下。元件周围的空间被填满例如具有和偏振器相同的折射率的光学粘合剂7。这里光学粘合剂7形成一个在槽3的入射和出射端壁和光学元件的前面和后面之间具有角度θg+θf的楔形。因此，本实施例可以在与所述第一实施例中相同的情况下设计，明显地具有相同的功能和效果。
图13显示了一个用于本发明的另一个实施例的光学元件。该元件包括第一双折射区域21、第二双折射区域22和结合两个双折射区域到法拉第旋转器一端的第五粘合剂区域25，并且还形成与第一双折射区域对准在同一直线上的第三双折射区域23、与第二双折射区域对准在同一直线上的第四双折射区域24和结合两个双折射区域到法拉第旋转器另一端的第六粘合剂区域26。单个双折射片的光轴有这样的关系，即第一和第二双折射区域的光轴成90°角并且第三和第四双折射区域的光轴成90°角，并且第一和第三双折射区域的光轴成约45°角并且第二和第四双折射区域的光轴成约45°角。法拉第旋转器的厚度对于使用的波长有45度的旋转角。入射光的光束斑被设计为落于第一和第二双折射区域21，22上，并位于第五粘合剂区域25的中心。该光学元件是独立偏振的。符合要求的光衍射条件为：
2(no-ne)d＝(M+1/2)λ
其中no是正常光折射率，ne是异常光折射率，d是厚度，λ是波长，以及M是任意整数。
该光学元件置于类似于图12中所示的槽3，并且其周围的空间填满了类似于图12中使用的光学粘合剂7以组成一个嵌入型光学隔离器。由光学元件的不同部分的折射率以及由光学粘合剂的折射率，所给相反倾斜的角度θf可以被计算。
再参考图6，将描述一种实施例的修改形式。
在修改的实施例中，玻璃偏振器片，其中每一个包括一个形成于一侧的微小的金属的定向颗粒的表面，被用作偏振器4a，4b，在这种方式中微小的金属的定向颗粒侧面向光纤端。玻璃偏振器片和法拉第旋转器之间的空间填充具有和玻璃偏振器相同折射率的光学粘合剂。这样，得到了与图6中的实施例结构基本相同的光学隔离器。在这种关系下将作一些研究。一个使用正常玻璃偏振器(在两端的微小的金属定向颗粒)的光学隔离器和使用剥离一端的颗粒并且消光率退化的玻璃偏振器的光学隔离器可以如下比较它们的性质：
正常玻璃偏振器的消光率
标准＝至少40dB
特殊(一端)处理的光学偏振器的消光率
大约30-33dB
图15说明玻璃偏振器和隔离器的消光率的关系。由图可以看到在工作温度范围从-40℃到85℃下在消光率不低于30dB时隔离的退化相对较低。
图16显示典型光学隔离器的隔离对温度的依赖。应该清楚，借助使用一端处理的偏振器的隔离器的隔离稍许次于使用两端处理的偏振器的隔离但在相同的工作温度范围内更稳定。
图17显示了本发明的另一个实施例。该实施例不同于所描述的在其中形成于光纤两段之间的槽3的入射和出射端的壁彼此反向倾斜或向上延伸的实施例。入射端偏振器4a和出射端偏振器4b是楔形向上反射光斑的形式。它们被安置在相同的高度，这样由入射端偏振器4a引起的光的位置偏离可以通过出射端偏振器4b补偿。这种结构允许槽端壁的检查很方便(从上方)并且从开槽状态的定性保持的观点受益。虽然这种结构使纠正光轴的位置偏离成为可能，但是它产生了角度偏离并且由光纤的光的接收角度造成的损耗必须在预定的允许度内考虑。光入射和出射端的槽壁的角度不需要对称。
图18显示了一种作为本发明的又一个实施例的光学隔离器，该实施例类似于图17中的实施例，但对于角度偏离有所改进。具有和出射端偏振器4b相同折射率的材料的楔9，例如石英玻璃或树脂，被固定于偏振器4b以提供一个更大的楔，该楔的上端大于下端。这趋向增加光纤缝隙但这种趋势相对由光轴的位置偏离造成的损耗是可以忽略的。
修改的结构允许符合槽壁状况认和用于形状纠正的额外的匹配并且使高质量，高成品率的产品的制造更有效。
在图17和18所示的实施例中，沿在出射端的光学元件表面的相反的方向倾斜的平面构成在出射端偏振器4b(图17)或楔9的出射端表面(图18)的出射端上的表面。
实施例1
作为例子，一个针对波长为1.55μm的光束的光学隔离器实验性地如下制造。
所用的光学元件是玻璃偏振器(由Corning Glass Works以商标“Polarcore”制造)，每一片为10mm*10mm*0.5mm厚，并且法拉第旋转器(由TDK以商业名称“BFG4A15”)为10mm*10mm*0.37mm厚。
1.入射端和出射端上的玻璃偏振器片为了相对参考平面切割角度而被预先制造，这样玻璃偏振器的偏振方向可以有这样一个相对法拉第旋转器的角度以至于玻璃对于1.55μm的波长呈现理想的光学性质。
因此，玻璃元件被切割成0.5mm宽的矩形。
2.在入射和出射端上的玻璃偏振器片的切割矩形被转过90°使得切割侧到达顶部，并且在玻璃偏振器的两端的微小的金属的定向颗粒的层被分成两个。然后，所用的切割刀片是金属#302的砂轮，其宽度为100μm。
3.入射和出射端的玻璃偏振器片被结合到法拉第旋转器，它们微小的金属的定向颗粒的层与旋转器直接接触。
为了所述的目的，使用折射率为1.51(与玻璃偏振器的折射率相同)的粘合剂。法拉第旋转器为了粘合涂有一层AR。
4.结合的矩形光学元件(典型尺寸：0.5*10.0-t0.2)被倾斜碾磨直到玻璃偏振器以角度5.6°向更短的方向形成一个楔。(一端首先被碾磨成一角度，然后把已碾磨的表面作为基准面对后侧碾磨。)这样得到的文件具有0.52mm的厚度。
5.如此在两端加工的光学元件被切成许多元件片。切下的元件每个都为0.5*0.4*0.52mm并且形成5.6°角的楔的形式。
6.接下来，具有直径为1.25mm的氧化锆套圈被用作外部支持，并且一个在芯中通过局部加热扩散折射率可调的掺杂物制成的TEC光纤被插入套圈的贯穿孔道并且就地被结合。该光纤被设计为在槽部分具有30μm的模场直径。
7.依靠精密切片器，在套圈的中心与垂直于光轴的方向成5°角处形成550μm宽的槽。
8.楔形的光学元件和用于填充空间的光学粘合剂(具有和光纤一样的1.45的折射率)被放入槽内并且允许被结合并牢固地被固化。
9.然后，可以施加对光学元件必要的磁场的磁体被合适地安置并结合在一起。
10.测试这样构成的光学隔离器的光学性质。结果如下：
在向前的方向的损耗被测定为在范围0.7到0.8dB之间。
因为实验性地制作的光学隔离器被整体地与套圈连接器结合，所述损耗包含连接器的连接损耗。
在峰值波长的隔离的范围从33到42dB。
实际测量值大大超过计算的范围。这大概归因于特别制造的玻璃偏振器的消光率大于预期的消光率。
回程损耗可以被确定不低于60dB。
虽然实际值很难得到因为所用测量仪器的灵敏度，超过60dB的回程损耗对于光学隔离器是一个很令人满意的水平。
从所述的可以看见，可以制造具有合适的插入损耗和回程损耗并且可以满足用于LD模块的嵌入型光学隔离器。
实施例2
准备一个图20所描述的光学隔离器。
该模型包括单模光纤1c、入射缓变指数光纤1a、楔形玻璃13a、入射端平面偏振器4a、平面法拉第旋转器5、出射端平面偏振器4b、楔形玻璃13b和出射端缓变指数光纤1b以及单模光纤1d，以这个顺序排列，并且光学树脂填充槽壁和光学楔形玻璃13a和13b之间的空间。用光学粘合剂粘合楔形玻璃13a、入射端平面偏振器4a、平面法拉第旋转器5、出射端平面偏振器4b和楔形玻璃13b。这些元件的不同参数如下：
波长：1550nm
光纤1a的折射率：nf＝1.46
入射端光纤1a到法拉第旋转器5的距离：L＝0.44mm
树脂6的折射率：n1＝1.41
楔形玻璃13a的折射率：n2＝1.51
用与楔形玻璃13a和偏振器4a之间的粘合剂的折射率：n3＝1.51(＜nr)
偏振器4a的折射率：n4＝1.51
偏振器4a和法拉第旋转器之间的粘合剂的折射率：n5＝1.51
树脂13a的厚度：L1＝30μm
楔形玻璃的厚度：L2＝0.2mm
楔形玻璃13a和偏振器4a之间的粘合剂的厚度：L3＝5μm
偏振器4a的厚度：L4＝0.2mm
偏振器4a和法拉第旋转器5之间的粘合剂的厚度：L5＝5μm
法拉第旋转器5的折射率：nr＝2.41
法拉第旋转器的厚度：0.45mm
槽的宽度：1.33mm
从这些参数，我们可以通过以下的计算得到以下结果。
n1*L1/L+n2*L2/L+n3*L3/L+n4*L4/L+n5*L5/L＝1.503
因此，关系
nf＜n1*L1/L+n2*L2/L+n3*L3/L+n4*L4/L+n5*L5/L＜nr
被满足并且一种设计使在槽角为12度的情况下得到最小连接损耗成为可能，偏振器的楔的角度为14.3度并且在入射端离槽的倾斜面相反的方向从垂直于光轴的平面开始测量的法拉第旋转器的角度为2.3度。
实施例3
准备一个如图20说明的光学隔离器。
该模型包括入射端单模光纤1c、入射端缓变指数光纤1a、楔形树脂区域6、入射端平面偏振器4a、平面法拉第旋转器5、出射端平面偏振器4b、出射端楔形树脂7、出射端缓变指数光纤1b和出射端单模光纤1d，以这样的顺序排列。楔形光学树脂填充槽壁和偏振器4a和4b之间的空间。用光学粘合剂粘合楔形玻璃13a、入射端平面偏振器4a、平面法拉第旋转器13a、入射端平面偏振器4a、平面法拉第旋转器5、出射端平面偏振器4b和楔形玻璃13b。这些元件的各种参数如下。
波长1550nm
光纤1a的折射率：nf＝1.46
入射端光纤1a到法拉第旋转器5之间的距离：L＝0.855mm
树脂6的折射率：n1＝1.48
偏振器4a的折射率：n2＝1.51(＜nr)
偏振器4a和法拉第旋转器之间的粘合剂的折射率：n3＝1.51
树脂6的厚度：L1＝0.35μm(沿光纤的轴)
偏振器4a的厚度：L2＝0.5mm
偏振器4a和法拉第旋转器5之间的粘合剂的厚度：L3＝5μm
法拉第旋转器的折射率：nr＝2.41
法拉第旋转器的厚度：0.45mm
槽宽：2.15mm
从这些参数，我们通过计算得到如下结果。
n1*L1/L+n2*L2/L+n3*L3/L+L＝1.498
因此，关系
nf＜n1*L1/L+n2*L2/L+n3*L3/L＜nr
被满足并且一种设计使在槽角为12度的情况下得到最小损耗成为可能，并且在入射端离槽的倾斜面相反的方向从垂直于光轴的平面开始测量的法拉第旋转器的角度为2.7度。
如上所述，本发明提供一种嵌入型光学不可逆回路装置，它不仅能纠正光轴偏离并控制损耗的增加而且能达到回程损耗。

Claims (21)

1.一种嵌入型光学不可逆回路装置，其特征在于，其中有光学元件被嵌入光纤的光路中或有光轴的光学波导管中，该光学元件包括按所述顺序沿光路的方向叠加的入射端偏振器、法拉第旋转器和出射端偏振器，，
所述装置具有沿相对光轴斜向延展穿过光轴的槽，所述光学元件被插入该槽并且在光学元件和槽的入射和出射端的壁之间的空间填充了光学粘合剂；并且
入射端偏振器、法拉第旋转器、出射端偏振器与光学粘合部分之间的至少一个界面相对于槽的入射端的斜向壁倾斜一个角度，该角度从垂直于光轴的平面开始计算。
2.如权利要求1所述的回路装置，其特征在于，所述插入槽中、在光学元件的入射端和出射端上的偏振器是楔形的，面向光纤或波导管偏振器平面基本上以同槽的倾斜角同样的方向倾斜，而面向法拉第旋转器的偏振器平面以及法拉第旋转器的两个平面分别以相反于所述槽入射端倾斜壁的角度倾斜，角度从垂直于光轴的平面开始计算，法拉第旋转器的两个平面整体地与入射和出射端偏振器的平面结合。
3.如权利要求1或2所述的回路装置，其特征在于，所使用的偏振器是多片玻璃偏振器，每一片包括一层微小的球形金属颗粒并且沿光路方向定向、形成于玻璃衬底的任一边。
4.如权利要求1所述的回路装置，其特征在于，所述玻璃偏振器有微小的球形金属颗粒定向在30到80μm厚的层内。
5.如权利要求1所述的回路装置，其特征在于，所述光学元件包括第一双折射区域、第二双折射区域、以及结合两个双折射区域于法拉第旋转器一端的第五粘合剂区域，并且也包括与第一双折射区域成一直线的第三双折射区域、与第二双折射区域成一直线的第四双折射区域以及结合两个双折射区域于法拉第旋转器另一端的第六粘合剂区域。
6.如权利要求1或2的任一所述的回路装置，其特征在于，所述光纤或光学波导管有一个膨胀的芯部分并且所述槽通过膨胀的芯部分膨胀。
7.如权利要求3所述的回路装置，其特征在于，所述光纤或光学波导管有一个膨胀的芯部分并且所述槽通过膨胀的芯部分膨胀。
8.如权利要求4所述的回路装置，其特征在于，所述光纤或光学波导管有一个膨胀的芯部分并且所述槽通过膨胀的芯部分膨胀。
9.如权利要求5所述的回路装置，其特征在于，所述光纤或光学波导管有一个膨胀的芯部分并且所述槽通过膨胀的芯部分膨胀。
10.如权利要求1或2的任一所述的回路装置，其特征在于，所述器件所包括的光纤，光学粘合剂部，入射端偏振器，法拉第旋转器，以及出射端偏振器的折射率，有如下关系，光纤n0＜＝光学粘合剂n1＜＝入射端偏振器n2a(＝出射端偏振器n2b)＜法拉第旋转器n3，并且法拉第旋转器以相对于槽的入射端上的倾斜壁的角度倾斜，该角度从垂直于光轴的平面开始测量。
11.如权利要求3所述的回路装置，其特征在于，所述光纤的折射率，光学粘合剂部，入射端偏振器，法拉第旋转器，以及出射端偏振器，在其中包括的装置有关系，光纤n0＜＝光学粘合剂n1＜＝入射端偏振器n2a(＝出射端偏振器n2b)＜法拉第旋转器n3，并且法拉第旋转器以相对于槽的入射端上的倾斜壁的角度倾斜，该角度从垂直于光轴的平面开始测量。
12.如权利要求4所述的回路装置，其特征在于，所述器件所包括光纤，光学粘合剂部，入射端偏振器，法拉第旋转器，以及出射端偏振器的折射率，有如下关系，光纤n0＜＝光学粘合剂n1＜＝入射端偏振器n2a(＝出射端偏振器n2b)＜法拉第旋转器n3，并且法拉第旋转器以相对于槽的入射端上的倾斜壁的角度倾斜，该角度从垂直于光轴的平面开始测量。
13.如权利要求5所述的回路装置，其特征在于，所述器件所包括的光纤，光学粘合剂部，入射端偏振器，法拉第旋转器，以及出射端偏振器的折射率，有如下关系，光纤n0＜＝光学粘合剂n1＜＝入射端偏振器n2a(＝出射端偏振器n2b)＜法拉第旋转器n3，并且法拉第旋转器以相对于槽的入射端上的倾斜壁的角度倾斜，该角度从垂直于光轴的平面开始测量。
14.如权利要求6所述的回路装置，其特征在于，所述器件所包括的光纤，光学粘合剂部，入射端偏振器，法拉第旋转器，以及出射端偏振器的折射率，有如下关系，光纤n0＜＝光学粘合剂n1＜＝入射端偏振器n2a(＝出射端偏振器n2b)＜法拉第旋转器n3，并且法拉第旋转器以相对于槽的入射端上的倾斜壁的角度倾斜，该角度从垂直于光轴的平面开始测量。
15.如权利要求7所述的回路装置，其特征在于，所述器件所包括的光纤，光学粘合剂部，入射端偏振器，法拉第旋转器，以及出射端偏振器的折射率，有如下关系，光纤n0＜＝光学粘合剂n1＜＝入射端偏振器n2a(＝出射端偏振器n2b)＜法拉第旋转器n3，并且法拉第旋转器以相对于槽的入射端上的倾斜壁的角度倾斜，该角度从垂直于光轴的平面开始测量。
16.如权利要求8所述的回路装置，其特征在于，所述器件所包括的光纤，光学粘合剂部，入射端偏振器，法拉第旋转器，以及出射端偏振器的折射率，有如下关系，光纤n0＜＝光学粘合剂n1＜＝入射端偏振器n2a(＝出射端偏振器n2b)＜法拉第旋转器n3，并且法拉第旋转器以相对于槽的入射端上的倾斜壁的角度倾斜，该角度从垂直于光轴的平面开始测量。
17.如权利要求9所述的回路装置，其特征在于，所述器件所包括的光纤，光学粘合剂部，入射端偏振器，法拉第旋转器，以及出射端偏振器的折射率，有如下关系，光纤n0＜＝光学粘合剂n1＜＝入射端偏振器n2a(＝出射端偏振器n2b)＜法拉第旋转器n3，并且法拉第旋转器以相对于槽的入射端上的倾斜壁的角度倾斜，该角度从垂直于光轴的平面开始测量。
18.一种嵌入型光学不可逆回路装置，其特征在于，其中有光学元件被嵌入光纤的光路中或有光轴的光学波导管中，该光学元件包括按所述的顺序沿光路的方向叠加的入射端偏振器，法拉第旋转器和出射端偏振器，
插有光学元件的槽在与光轴方向反向倾斜的入射和出射端上有壁，光学粘合剂被引入光学元件和槽之间的空间以填满形成光学粘合剂部，并且
入射端偏振器、法拉第旋转器、出射端偏振器与光学粘合剂部之间的至少一个界面以相对于槽的入射端上的倾斜壁的角度倾斜，该角度从垂直于光轴的平面开始计算。
19.一种嵌入型光学不可逆回路装置，其特征在于，其中有光学元件被嵌入光纤的光路中或有光轴的光学波导管中，该光学元件包括按所述的顺序沿光路的方向叠加的多个入射端光学部件，一个法拉第旋转器以及多个出射端光学部件，
该装置具有沿相对光轴斜向延展穿过光轴的槽，光学元件被插入该槽并且在光学元件和槽的入射和出射端的壁之间的空间填充了光学粘合剂；并且
入射端光学部件和法拉第旋转器之间的至少一个界面以相对入射端的槽的倾斜壁的角度倾斜，该角度从垂直于光轴的平面开始测量，在这样的方式中满足下述关系：
nf＜n1*L1/L+n2*L2/L+n3*L3/L+…＜nr，
其中nf：光纤的折射率，
L：入射端光纤到法拉第旋转器的距离，
n1，n2，n3…：插于入射端光纤到法拉第旋转器之间的材料的折射率，
L1，L2，L3…：材料的厚度，
nr：法拉第旋转器的折射率，
插于入射端光纤到法拉第旋转器之间的材料由偏振器组成，并且偏振器的折射率不超过法拉第旋转器的折射率。
20.如权利要求19所述的嵌入型光学不可逆回路装置，其特征在于，所述光学元件包括一个入射端楔形玻璃和一个入射端平面偏振器作为入射端光学部件，法拉第旋转器，一个出射端平面偏振器和一个出射端楔形玻璃作为出射端光学部件，它们按此顺序叠加，以及一个填充槽壁和光学元件之间的空间的光学树脂。
21.如权利要求19所述的嵌入型光学不可逆回路装置，其特征在于，所述入射端光学部件包括楔形树脂区域、入射端平面偏振器、以及出射端平面偏振器、出射端楔形树脂、它们和法拉第旋转器一起以该顺序叠加。
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