CN202939382U - 光学隔离器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及激光、传感及光通讯技术领域，尤其是一类高功率的光学隔离器。它包括从左至右依次相邻安装的第一准直器、第一走离晶体、法拉第旋转器组件、第二走离晶体和第二准直器。本实用新型通过将一束光经走离晶体分光、光斑直径增大、摊分法拉第旋转片、使散热片尽可能大面积的贴合法拉第旋转片等方式获得比现有技术方案高得多的功率承载能力和系统稳定性，特别适合对体积要求、成本要求、承载功率要求都较高的场合；同时，加入光阑的设计，可以使光隔离器能承受较强的反向光而不会影响相对脆弱的第一准直器的长期可靠性；本实用新型在成本、体积、承载功率、系统保护、长期可靠性方面提供了很好的解决方案。

Description

光学隔离器

技术领域

本实用新型涉及激光、传感及光通讯技术领域，尤其是一类高功率的光学隔离器。 

背景技术

当今光学隔离器中的核心元件主要基于钆镓石榴石、旋光玻璃、铋铁石榴石或钇铁石榴石。其中，钆镓石榴石和旋光玻璃的维尔德系数较低，获得45度的旋光角需要进行特殊的磁路设计，而且由于需要很强的磁场强度，所需的永磁体体积一般都较大，装配难度也高，成本居高不下；而铋铁石榴石和钇铁石榴石的维尔德系数很高，获得45度的旋光角不需要进行特殊的磁路设计，而且由于较低的磁场强度，所需的永磁体体积一般都很小，装配难度也低，成本很低。但在1030～1200nm的波段，尤其在需求量很大的1030～1100nm波段，铋铁石榴石和钇铁石榴石的吸收很高。 

基于目前的技术方案，如果功率达到一定程度，比如超过300mW，由于铋铁石榴石和钇铁石榴石吸收的热量多于器件能散掉的热量，本身温度会不断升高，同时会导致吸收更高，如此，器件损耗大大增加，表现为系统功率大大下降和不稳定，甚至有可能导致系统损毁。若加以主动散热器，则在增加成本的同时，也增加了系统的复杂程度、集成难度以及失效几率。本实用新型为克服以上几种材料和现有技术方案的缺点，提出一类光学隔离器的结构，能在300～2000mW的范围，既能解决钆镓石榴石和旋光玻璃材料光学隔离器成本高、体积大的问题，又能解决铋铁石榴石和钇铁石榴石材料光学隔离器在现有结构下性能差的问题。 

实用新型内容

本实用新型的目的是在1030～1200nm的波段、尤其是需求量很大的1030～1100nm的波段为激光器及相关设备提供一类低成本、小体积、高功率承载能力、高稳定性的光学隔离器，旨在克服上述几种材料及现有技术方案的缺点。 

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案： 

光学隔离器，它包括从左至右依次相邻安装的第一准直器、第一走离晶体、法拉第旋转器组件、第二走离晶体和第二准直器； 

所述的第一准直器包括第一光纤、第一单光纤毛细管、第一无芯光纤、第一正透镜和第一固定圆管，所述的第一光纤与第一无芯光纤熔接后固定在第一单光纤毛细管内，所述的第一单光纤毛细管与第一正透镜安装在第一固定圆管内，所述的第一正透镜位于第一单光纤毛细管的右侧； 

所述的第二准直器包括第二正透镜、第二单光纤毛细管、第二光纤、第二无芯光纤和第二固定圆管，所述的第二光纤与第二无芯光纤熔接后固定在第二单光纤毛细管内，所述的第二正透镜与第二单光纤毛细管安装在第二固定圆管内，所述的第二正透镜位于第二单光纤毛细管的左侧。 

优选地，所述的第一准直器和第一走离晶体之间还安装有用于遮挡或反射反向光的小孔光阑。 

优选地，所述的法拉第旋转器组件包括从左至右依次相邻安装的半波片、第一散热片、第一法拉第旋转片、第四散热片、永磁体、第三散热片、第二散热片和第二法拉第旋转片。 

优选地，所述的第一法拉第旋转片安装在第一散热片内并与第一散热片紧密贴合，所述的第一法拉第旋转片的右侧面与第四散热片紧密贴合； 

所述的第二法拉第旋转片安装在第二散热片内并与第二散热片紧密贴合，所述的第二法拉第旋转片的左侧面与第三散热片紧密贴合。 

优选地，所述的第一光纤和第一无芯光纤熔接，所述的第一无芯光纤的未熔接端的端面按一定角度研磨抛光并镀增透膜，且第一无芯光纤保留一定长度； 

所述的第二光纤和第二无芯光纤熔接，所述的第二无芯光纤的未熔接端的端面按一定角度研磨抛光并镀增透膜，且第二无芯光纤保留一定长度。 

优选地，在功率要求不甚高但对成本敏感的场合，所述的法拉第旋转器组件可包括从左至右依次相邻安装的半波片、第一散热片、第一法拉第旋转片、第四散热片和永磁体； 

所述的第一法拉第旋转片安装在第一散热片内并与第一散热片紧密贴合，所述的第一法拉第旋转片的右侧面与第四散热片紧密贴合。 

优选地，所述的第一光纤和第一无芯光纤熔接，所述的第一无芯光纤的未熔接端的端面按一定角度研磨抛光并镀增透膜，且第一无芯光纤保留一定长度； 

所述的第二光纤和第二无芯光纤熔接，所述的第二无芯光纤的未熔接端的端面按一定角度研磨抛光并镀增透膜，且第二无芯光纤保留一定长度 

优选地，所述的法拉第旋转器组件的外型为圆形。 

优选地，所述的第一法拉第旋转片和第二法拉第旋转片的截面均为长方形，两者的长边分别平行或接近平行于第一走离晶体和第二走离晶体的主平面。 

优选地，所述的第一法拉第旋转片和第二法拉第旋转片的截面均为正方形，两者各自的对角线分别平行或接近平行于第一走离晶体和第二走离晶体的主平面。 

由于采用了上述方案，本实用新型的光学隔离器具有以下优点： 

1、相比于钆镓石榴石或旋光玻璃作为法拉第旋转器的隔离器，本实用新型所公开的光学隔离器结构体积小，适合系统集成，尤其适合高功率激光器、放大器中的前级放大； 

2、相比于钆镓石榴石或旋光玻璃作为法拉第旋转器的隔离器，本实用新型所公开的光学隔离器结构用料少，材料便宜，利于量产，成本很低，有利于系统降低成本； 

3、相比于现有的光学隔离器，本实用新型所公开的光学隔离器结构散热更好，法拉第旋转器吸热单元在同等条件下吸热更少，总的功率承受能力更强； 

4、由于采用无芯光纤熔接的方式，使光纤表面功率密度大大降低，一般来说降低了25～100倍；因此，单就准直器而言，其功率承受能力也比现有的光学隔离器中的准直器提高了25～100倍； 

5、本实用新型所公开的光学隔离器可以通过调整光斑大小，得到不同的功率承载级别，在要求不高的场合，可以得到更好的透过率； 

6、本实用新型所公开的光学隔离器可以通过调整法拉第旋转器吸热单元数量，得到不同的功率承载级别，在要求不高的场合，可以进一步降低成本； 

7、本实用新型所公开的光学隔离器可以设计法拉第旋转片的尺寸，在大大提高功率承载能力的同时，兼顾成本不致提升； 

8、相比于现有相类似法拉第材料的光学隔离器，本实用新型所公开的光学隔离器的结构不需要主动散热即可达到较高功率，大大降低复杂程度和提升系统可靠性，也降低了成本，更利于量产； 

9、本实用新型所公开的光学隔离器能将后向反射光阻隔在输入准直器之外，使其不能反向耦合进输入准直器，相比现有的光学隔离器，大大提高了器件可靠性和应付系统突发事件的能力。 

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的光学隔离器的结构示意图。 

图中：1、第一光纤；2、第一单光纤毛细管；3、第一无芯光纤；4、第一正透镜；5、第一走离晶体；6、半波片；7、第一散热片；8、永磁体；9、第三散热片；10、第二散热片；11、第二走离晶体；12、第二正透镜；13、第二单光纤毛细管；14、第二光纤；15、第一固定圆管；16、小孔光阑；17、第一法拉第旋转片；18、第四散热片；19、第二法拉第旋转片；20、第二固定圆管；21、第二无芯光纤。 

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型，本实用新型可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。 

图1示出了本实用新型实施例提供的光学隔离器的结构。为了便于说明，仅仅示出了与本实用新型相关的部分。 

它包括从左至右依次相邻安装的第一准直器、小孔光阑16、第一走离晶体5、发拉底旋转器组件、第二走离晶体11和第二准直器，以上部件可根据底座或桥接件的结构类型选择焊接、胶接或机械固定连接等方式。其中： 

第一准直器由第一光纤1、第一单光纤毛细管2、第一无芯光纤3、第一正透镜4和第一固定圆管15组成，第一光纤1与第一无芯光纤3通过熔接机熔接后，固定在第一单光纤毛细管2内，第一单光纤毛细管2与第一正透镜4安装在第一固定圆管15之内，第一正透镜4位于第一单光纤毛细管2右侧； 

法拉第旋转器组件由从左至右依次相邻安装的半波片6、第一散热片7、第一法拉第旋转片17、第四散热片18、永磁体8、第三散热片9、第二散热片10和第二法拉第旋转片19组成，第一法拉第旋转片17安装在第一散热片7内，第二法拉第旋转片19安装在第二散热片10内； 

第二准直器由第二正透镜12、第二单光纤毛细管13、第二光纤14、第二无芯光纤21和第二固定圆管20组成，第二光纤14与第二无芯光纤21通过熔接机熔接后，固定在第二单光纤毛细管13内，第二正透镜12与第二单光纤毛细管13安装在第二固定圆管20之内，第二正透镜12位于第二单光纤毛细管13左侧。 

上述主要结构部件的结构方式或作用如下： 

第一光纤1和第二光纤14可选用保偏光纤、单模光纤或大模场直径光纤，第一无芯光纤3和第二无芯光纤21是材质分别与第一光纤1和第二光纤14的纤芯类似的均一光纤(在要求不高的场合，第一无芯光纤3和第二无芯光纤21也可采用低成本的多模光纤)，第一无芯光纤3与第一光纤1、第二无芯光纤21与第二光纤14熔接后，具有光斑扩大作用，从而大大提高功率承载能力； 

第一正透镜4将第一光纤1和第一无芯光纤3所发出的发散光准直，第二正透镜12将光纤14和第二无芯光纤21所发出的发散光准直； 

第一走离晶体5与第二走离晶体11是双折射晶体对；其中，第一走离晶体5将一束输入光分成一定间隔、光主轴平行、偏振面互相垂直的两束线偏振光；第二走离晶体11将分开一定间隔、光主轴平行、偏振面互相垂直的两束线偏振输入光合成一束光输出；第一走离晶体5将光分成两束，有利于减轻第一法拉第旋转片17、第二法拉第旋转片19的散热压力，第一走离晶体5与第二走离晶体11的光轴与输入光在同一平面内并与输入光成一定角度的夹角，从而使输入光与光轴构成了主平面； 

半波片6是双折射晶体，光轴垂直于入射光，由于光学隔离器需要精确控制相位延迟，所以半波片6选用如石英晶体等弱双折射晶体；半波片6将入射的光的偏振面朝其光轴的方向旋转一定夹角，其光轴是夹角的对称中心线，该夹角是输入光偏振面与其光轴的夹角的两倍，半波片6的位置可根据具体需要安装在第二散热片10和第二走离晶体11之间； 

第一散热片7和第二散热片10可以选用任何热导率高的材料，本实施例优选为铜，以用于迅速导走第一法拉第旋转片17、第二法拉第旋转片19吸收的光所转化的热量； 

永磁体8为其两端的第一法拉第旋转片17、第二法拉第旋转片19提供足够高的永磁场以实现法拉第效应； 

第三散热片9和第四散热片18可以根据实际情况选用红宝石、蓝宝石等高热导率的材料，以此充分的导走第一法拉第旋转片17、第二法拉第旋转片19的通光面上任何区域的热量； 

小孔光阑16使从左到右的正向光几乎无损的通过，而遮挡或反射被第一走离晶体5平移分开的两束反向光； 

第一法拉第旋转片17和第二法拉第旋转片19可以是铋铁石榴石或钇铁石榴石，由于两种材料都在1030～1200nm波段有不同程度的吸收，在外加磁场足够的情况下，法拉第旋转片能将正向和反向光的偏振面朝一个固定方向旋转一定的角度，该方向只与外加磁场方向有关；同时，在1030～1200nm波段，法拉第旋转片越厚吸收越高，对散热要求也越高；因此，在对性能要求较高的场合，本实施例将传统的45度法拉第旋转片转换成两片22.5度的法拉第旋转片，从而能达到近乎两倍的功率承载能力；在比较低的功率、对成本敏感而对性能要求不高场合，可以通过移除第三散热片9、第二法拉第旋转片19和第二散热片10来进行结构简化，即形成由半波片6、第一散热片7、第一法拉第旋转片17、第四散热片18和永磁体8构成的拉第旋转器组件，并且法拉第旋转片转换为45度旋转角，由此可以进一步降低成本。 

实施过程中，对第一光纤1去除合适长度的涂敷层并严格清洁，采用0度或小角度切割，得到平滑的端面；对第一无芯光纤3作同样的处理，然后将这一对处理的光纤端放入光纤熔接机熔接。截短第一无芯光纤3，将构造为一体的第一光纤1与第一无芯光纤3穿入第一单光纤毛细管2，控制穿入长度后，用合适的胶粘剂固定并固化。按合适角度研磨前述方法形成的组件，控 制第一无芯光纤3至准确的长度并精密抛光和镀高功率增透膜。将第一单光纤毛细管2和与第一单光纤毛细管2的外径一致的第一正透镜4套入内径与两者外径匹配的第一固定圆管15内，然后在精密调节架上调节第一光纤1与毛细管组件和第一正透镜4之间的距离以达到良好准直，此时点胶固定并固化使形成第一准直器；根据工艺需要，第一准直器可套接合适的固定管以利于桥接。 

实施过程中，可将小孔光阑16安装在第一正透镜4之上，并调整方位使第一准直器射出的光能几乎无损的通过小孔光阑16，小孔光阑16的通光孔大小控制在光斑大小的1.7～2倍之间。 

实施过程中，第二准直器的形成工艺与第一准直器的形成工艺一致，为使耦合优化，第一准直器和第二准直器的光斑大小应相近或相同；并且随着承载功率要求的提高，增大第一正透镜4与第二正透镜12的等效焦距以增大光斑，从而降低功率密度并使法拉第旋转片获得更大的散热面积，最终提高功率承载能力。 

实施过程中，需要将第一准直器、第二准直器分别安装在分开一定距离的左右两只精密调节架之上以调节所需要的方位。 

本实施例以铋铁石榴石为例说明，实施过程中，将第一法拉第旋转片17正中贴于第四散热片18之上，使两者紧贴；选材时，第一法拉第旋转片17优选有导热系数高的衬底的产品，使无衬底的一面紧贴第四散热片18，可用胶粘剂固定其四边，并且保证通光面无胶。第一法拉第旋转片17的形状为长方形或正方形；其中，在功率要求很高的场合，长方形能很好的兼顾性能和成本。第四散热片18为圆形的薄片，直径至少比第一法拉第旋转片17对角线的长度大，为便于散热以及与永磁体8组成构件，其直径可与永磁体8外径一致。另外，第一散热片7采用高热导率材料，其外形可与第四散热片18相似、厚度更厚、中间有孔以容纳第一法拉第旋转片17从而能与第四散热片18紧紧贴合；同时，将第四散热片18的另一面与永磁体8贴合；将半波片6 固于第一散热片7之上，并使半波片6的光轴与第一法拉第旋转片17的某一对边成22.5度或67.5度。各部分可用合适的胶粘剂在遵循光路无胶的前提下固定使其永久贴合。第二法拉第旋转片19的处理工艺与第一法拉第旋转片17的处理工艺一致。 

实施过程中，将第一走离晶体5、法拉第旋转器组件、第二走离晶体11按从左至右的次序安装在合适的底座之上。其中，第一走离晶体5和第二走离晶体11的通光面具有高的表面光洁度、平面度和平行度，且都镀有增透膜，两者平行放置，其光轴也保持平行。底座具有半圆或圆孔设计以与圆形的散热片贴合，通过轻微旋转法拉第旋转器组件，即可以调整半波片6的光轴与第一走离晶体5的主平面之间的夹角，通过隔离度的测试和监控，得到想要的优化角度，此时可用合适的胶粘剂将各部分固定在底座上。 

实施过程中，当得到的优化的隔离度后，需要微调安放第一准直器、第二准直器的精密调节架，使从第一准直器输入的光通过第一走离晶体5、法拉第旋转器组件、第二走离晶体11后尽可能高效率的耦合进第二准直器。再次，监测各项参数，达到要求后加装桥接件进行桥接。桥接工艺可以是胶接、焊接，也可以使机械固定，位置固定后仍需要进行适当的密封处理和退火处理，以确保结构件稳定可靠。 

以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。 

Claims (10)

1.光学隔离器，其特征在于：它包括从左至右依次相邻安装的第一准直器、第一走离晶体(5)、法拉第旋转器组件、第二走离晶体(11)和第二准直器； 

所述的第一准直器包括第一光纤(1)、第一单光纤毛细管(2)、第一无芯光纤(3)、第一正透镜(4)和第一固定圆管(15)，所述的第一光纤(1)与第一无芯光纤(3)熔接后固定在第一单光纤毛细管(2)内，所述的第一单光纤毛细管(2)与第一正透镜(4)安装在第一固定圆管(15)内，所述的第一正透镜(4)位于第一单光纤毛细管(2)的右侧； 

所述的第二准直器包括第二正透镜(12)、第二单光纤毛细管(13)、第二光纤(14)、第二无芯光纤(21)和第二固定圆管(20)，所述的第二光纤(14)与第二无芯光纤(21)熔接后固定在第二单光纤毛细管(13)内，所述的第二正透镜(12)与第二单光纤毛细管(13)安装在第二固定圆管(20)内，所述的第二正透镜(12)位于第二单光纤毛细管(13)的左侧。 

2.如权利要求1所述的光学隔离器，其特征在于：所述的第一准直器和第一走离晶体(5)之间还安装有用于遮挡或反射反向光的小孔光阑(16)。 

3.如权利要求2所述的光学隔离器，其特征在于：所述的法拉第旋转器组件包括从左至右依次相邻安装的半波片(6)、第一散热片(7)、第一法拉第旋转片(17)、第四散热片(18)、永磁体(8)、第三散热片(9)、第二散热片(10)和第二法拉第旋转片(19)。 

4.如权利要求3所述的光学隔离器，其特征在于： 

所述的第一法拉第旋转片(17)安装在第一散热片(7)内并与第一散热片(7)紧密贴合，所述的第一法拉第旋转片(17)的右侧面与第四散热片(18)紧密贴合； 

所述的第二法拉第旋转片(19)安装在第二散热片(10)内并与第二散热片(10)紧密贴合，所述的第二法拉第旋转片(19)的左侧面与第三散热片(9)紧密贴合。 

5.如权利要求4所述的光学隔离器，其特征在于： 

所述的第一光纤(1)和第一无芯光纤(3)熔接，所述的第一无芯光纤(3)的未熔接端的端面按一定角度研磨抛光并镀增透膜，且第一无芯光纤(3)保留一定长度； 

所述的第二光纤(14)和第二无芯光纤(21)熔接，所述的第二无芯光纤(21)的未熔接端的端面按一定角度研磨抛光并镀增透膜，且第二无芯光纤(21)保留一定长度。 

6.如权利要求2所述的光学隔离器，其特征在于： 

所述的法拉第旋转器组件包括从左至右依次相邻安装的半波片(6)、第一散热片(7)、第一法拉第旋转片(17)、第四散热片(18)和永磁体(8)； 

所述的第一法拉第旋转片(17)安装在第一散热片(7)内并与第一散热片(7)紧密贴合，所述的第一法拉第旋转片(17)的右侧面与第四散热片(18)紧密贴合。 

7.如权利要求6所述的光学隔离器，其特征在于： 

所述的第一光纤(1)和第一无芯光纤(3)熔接，所述的第一无芯光纤(3)的未熔接端的端面按一定角度研磨抛光并镀增透膜，且第一无芯光纤(3)保留一定长度； 

所述的第二光纤(14)和第二无芯光纤(21)熔接，所述的第二无芯光纤(21)的未熔接端的端面按一定角度研磨抛光并镀增透膜，且第二无芯光纤(21)保留一定长度。 

8.如权利要求1-7中任一项所述的光学隔离器，其特征在于：所述的法拉第旋转器组件的外型为圆形。 

9.如权利要求8所述的光学隔离器，其特征在于：所述的第一法拉第旋转片(17)和第二法拉第旋转片(19)的截面均为长方形，两者的长边分别平行或接近平行于第一走离晶体(5)和第二走离晶体(11)的主平面。 

10.如权利要求9所述的一种光学隔离器，其特征在于：所述的第一法拉第旋转片(17)和第二法拉第旋转片(19)的截面均为正方形，两者各自的对角线分别平行或接近平行于第一走离晶体(5)和第二走离晶体(11)的主平面。 

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