CN101872077A - 一种用于光纤通信的光隔离器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于光纤通信的光隔离器，其特征在于依次沿通光方向相互平行放置的正向光偏振态控制组件、隔离组件和反向光偏振态控制组件；正向光偏振态控制组件为依次沿通光方向相互平行放置的第一线偏振器和第一四分之一波片；隔离组件为依次沿通光方向相互平行放置的第一高反射率反射体、法拉第旋光器和第二高反射率反射体和永磁体；反向光偏振态控制组件为依次沿通光方向相互平行放置的第二四分之一波片和第二线偏振器。有益效果：法拉第旋转角的小幅变化不会严重劣化光隔离器的性能，降低了对法拉第磁光材料温度稳定性的要求；仅利用单级隔离就实现40-65dB以上隔离度的要求；光线不产生横向位移，光路短，可以实现器件的小型化。

Description

一种用于光纤通信的光隔离器

技术领域

本发明涉及一种用于光纤通信的光隔离器，用于防止激光器、光放大器等发光器件发出的光束经下游光学元件端面反射后重新返回光源，可应用干光纤通信系统中，属于激光、光纤通信技术领域。

背景技术

在光纤通信系统中，发光器件发出的信号光遇到下游光路中的光学元件端面时，会有部分光线被反射回光源，造成光源频谱展宽、噪声增加、功率不稳、性能劣化等。为了保护激光器、光放大器等发光器件，消除不期望的反射光波，保证系统稳定运行，往往需要在光源输出端后面的光路中放置一种只允许光单向传输的光器件，通常称之为光隔离器。

光线通信用的光隔离器按偏振特性可分为两类，即偏振相关型和偏振无关型。现有偏振相关型光隔离器主要由透振方向互成45°角的起偏器和检偏器，以及置于两者之间的法拉第旋光器所组成。入射光通过起偏器后成为平面偏振光，再经过法拉第旋光器后其偏振面向检偏器的透振方向旋转45°，正好平行于检偏器的透振方向，从而可顺利通过检偏器；出射光被下游光路中光学元件的端面部分反射后反向经过检偏器和法拉第旋光器，由于法拉第旋光器的非互易法拉第效应，反射光偏振面沿与入射光偏振面相同旋向的方向继续旋转45°而与起偏器透振方向垂直，从而使光束无法反向通过起偏器，实现隔离效果。由于法拉第旋光器对平面偏振光旋转的角度与平面偏振光的波长及该器件所处环境的温度有关，因此，此类光隔离器通常只能在相对较小的温度范围内实现上述功能。

偏振无关型光隔离器主要有楔型(wedge型)和位移型(walk-off型)两种，其基本原理相似，均包括两个偏振分光器和一个法拉第旋光器。入射光经第一自聚焦透镜准直后进入第一偏振分光器，其将入射光束的两个正交偏振分量(即单轴晶体中的o光和e光)作空间分离，正向通过的光束经法拉第旋光器后在第二偏振分光器处重新合成为一束光，再经第二自聚焦透镜耦合到光纤纤芯中输出。由于法拉第旋光器的非互易法拉第效应，反射光束经过第二偏振分光器、法拉第旋光器和第一偏振分光器后，o光和e光在空间分开较大距离，不能重新合成为一束光进入第一自聚焦透镜，从而实现隔离效果。然而在此类光隔离器中，光束的出射位置与入射位置存在有横向位移，且所述两个正交偏振光分量需要在空间分开较大距离，这不仅增加了光路长度，而且容易引入偏振模色散，使得这类器件体积大、成本高、性能不够理想。在某些装置中，为了进一步提高隔离度，抵消偏振膜色散，改为采用双级结构，然而这又进一步增大了器件的体积，不利于小型化的需要。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种用于光纤通信的光隔离器，克服现有隔离器工作温度范围较窄的不足，同时满足器件小型化的要求，本发明提出一种实现光学隔离的方法及装置，该光隔离器能在一个较宽的温度范围内实现正向通光和反向隔离的功能，且实现满足器件小型化的要求。

技术方案

一种用于光纤通信的光隔离器，其特征在于包括依次沿通光方向相互平行放置的正向光偏振态控制组件、隔离组件和反向光偏振态控制组件；所述正向光偏振态控制组件为依次沿通光方向相互平行放置的第一线偏振器4和第一四分之一波片5，且第一四分之一波片5的快轴方向与第一线偏振器4的透振方向成45°角；所述光隔离器的隔离组件为依次沿通光方向相互平行放置的第一高反射率反射体7、法拉第旋光器8和第二高反射率反射体10，在法拉第旋光器8与通光方向垂直的周围设有永磁体14；所述反向光偏振态控制组件为依次沿通光方向相互平行放置的第二四分之一波片11和第二线偏振器12，且第二四分之一波片11的快轴方向与第一四分之一波片5的快轴方向平行，第二线偏振器12的透振方向与第一线偏振器4的透振方向垂直。

在第一四分之一波片5与第一高反射率反射体7之间沿通光方向相互平行放置第一增透膜6；在法拉第旋光器8之后与第二高反射率反射体10之间，沿通光方向相互平行放置第二增透膜9。

将第二高反射率反射体10、第二四分之一波片11和第二线偏振器12固定连接于微位移装置15。

在正向光偏振态控制组件之前沿通光方向相互平行放置入射光纤2和第一光纤准直器3；在反向光偏振态控制组件之后沿通光方向相互平行放置第二光纤准直器16和出射光纤17。

当第二四分之一波片11的快轴方向与第一四分之一波片5的快轴方向垂直时，第二线偏振器12的透振方向与第一线偏振器4的透振方向平行。

所述第一高反射率反射体7和第二高反射率反射体10为反射镜或反射膜，反射率限制在80％以上，优选92％。

所述法拉第旋光器8由两端面平行抛光的磁光材料构成，为钇铁石榴石YIG或铽镓石榴石TGG的磁光晶体或磁光薄膜，其产生的法拉第旋转角度为15°-75°，最优值为45°。

所述永磁体14为空芯筒形或相对平行放置的一对平板，材料为钕铁硼Nd-Fe-B或钐钴Sm-Co。

所述第一增透膜6和第二增透膜9为单层膜或多层膜系。

本发明工作原理：激光器发出的正向入射单色光入射穿过第一线偏振器后，成为正向单色平面偏振光；再经过快轴方向与第一线偏振器透振方向成45°角的第一四分之一波片后，成为正向单色圆偏振光；而后正入射到含法拉第旋光器的、由第一高反射率反射体与第二高反射率反射体构成的法布里-珀罗标准具内。所述正向单色圆偏振光在法拉第旋光器中的折射率为N₁。该法布里-珀罗标准具腔长为一合适值，可使所述正向单色圆偏振光由第一高反射率反射体经法拉第旋光器至第二高反射率反射体的单程相移为π的整数倍，形成多光束相长干涉，则该法布里-珀罗标准具对正向单色圆偏振光具有最大光强透过率，正向单色圆偏振光以高透过率通过该法布里-珀罗标准具。之后，正向单色圆偏振光通过快轴方向与第一四分之一波片相垂直的第二四分之一波片后成为与初始入射正向单色平面偏振光偏振方向一致的平面偏振光，并穿过透振方向与该平面偏振光偏振方向一致的第二线偏振器后出射，从而实现光隔离器的正向通光功能。

出射光被下游光路中反射体端面部分反射后沿原光路逆向返回，经第二线偏振器和第二四分之一波片后转化为与正向单色圆偏振光偏振方向相反的反向单色圆偏振光；而后正入射到所述含法拉第旋光器的法布里-珀罗标准具内。法拉第旋光器对不同旋向的光具有不同的折射率，反向单色圆偏振光在法拉第旋光器中的折射率为N₂，因此，在法布里-珀罗标准具上述合适的腔长下，反向单色圆偏振光由第二高反射率反射体经法拉第旋光器至第一高反射率反射体的单程相移为π/2的奇数倍，可以形成多光束相消干涉，该法布里-珀罗标准具对反向单色圆偏振光具有最小光强透过率，反向单色圆偏振光以低透过率通过该法布里-珀罗标准具，从而实现光隔离器的反向隔离功能。

有益效果

本发明提出的一种用于光纤通信的光隔离器，利用左右旋圆偏振光在法拉第磁光材料中折射率不同的特性、法拉第效应的非互易效应以及法布里-珀罗标准具对光谱的压缩和滤波作用，将法拉第磁光材料置于法布里-珀罗标准具内，实现对某一旋向的圆偏振光具有高透过率而对另一相反旋向的圆偏振光具有低透过率的效果，达到光学隔离的目的。

光学隔离的优势在于：

1、本发明利用法拉第效应控制相反旋向的圆偏振光之间产生π/2的相位差实现光隔离的效果，但并不需要因此将法拉第旋转角严格稳定在45°上即，法拉第旋转角的小幅变化不会严重劣化光隔离器的性能，这样有效降低了对法拉第磁光材料温度稳定性的要求，因此可用于工作在大温差环境的系统中；

2、仅利用单级隔离就可以实现40-65dB以上隔离度的要求；

3、光线不产生横向位移，光路短，可以实现器件的小型化。

附图说明

图1：是本发明光学隔离器的装置结构示意图；

图2：是利用本发明实现光学隔离时不同旋向圆偏振光的透过率曲线对比图；

实线为不同条件下光正向通过时的透过率曲线，虚线为相应条件下光反向通过时的透过率曲线

图3是利用本发明实现光学隔离时光强反射率R和法拉第旋转角θ对隔离度影响曲线对比图。

图中，1-激光器，2-入射光纤，3-第一光纤准直器，4-第一线偏振器，5-第一四分之一波片，6-第一增透膜，7-第一高反射率反射体，8-法拉第旋光器，9-第二增透膜，10-第二高反射率反射体，11-第二四分之一波片，12-第二线偏振器，13-支撑体，14-永磁体，15-微位移装置，16-第二光纤准直器，17-出射光纤，18-反射体，19-套筒。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

请参阅图1，本发明作为一体化集成器件应用于光纤通信系统中，包括激光器1、入射光纤2、第一光纤准直器3、第一线偏振器4、第一四分之一波片5、第一增透膜6、第一高反射率反射体7、法拉第旋光器8、第二增透膜9、第二高反射率反射体10、第二四分之一波片11、第二线偏振器12、支撑体13、永磁体14、微位移装置15、第二光纤准直器16、出射光纤17、反射体18和套筒19。法拉第旋光器8置于永磁体14内部，其磁光材料选用钇铁石榴石晶体(YIG)，其在正向入射光方向端面上镀有反射率为92％的反射膜作为第一高反射率反射体7，其在正向出射光方向端面上镀有第二增透膜9。第一四分之一波片5平行位于法拉第旋光器8之前，其在正向入射光方向端面镀有第一线偏振器4，其在正向出射光方向端面上镀有第一增透膜6；所述第一线偏振器4为一线偏振膜，其透振方向与第一四分之一波片5的快轴方向成45°角。第一四分之一波片5、法拉第旋光器8及永磁体14整体固定于支撑体13之上。第二四分之一波片11平行位于法拉第旋光器8之后且与微位移装置15联动，其快轴方向与第一四分之一波片5的快轴方向垂直，其在正向入射光方向端面上镀有反射率为92％的反射膜作为第二高反射率反射体10，其在正向出射光方向的端面镀有第二线偏振器12；所述第二线偏振器12为一线偏振膜，其透振方向与第一线偏振器4的透振方向平行。第一高反射率反射体7与第二高反射率反射体10构成法布里-珀罗标准具，法拉第旋光器8平行位于该标准具内。第一增透膜6和第二增透膜9为可使入射光在界面减少反射、增强透射的单层膜或多层膜系。第一光纤准直器3和第二光纤准直器16为可实现将光纤内的传输的高斯光转变成平行光，及将外界平行光耦合至光纤纤芯内的器件，如自聚焦透镜等，其端面镀增透膜(图中未画出)。永磁体14为一空芯圆筒形状钕铁硼材料的永磁体，为法拉第旋光器8提供平行于通光方向的、磁场正方向与正向入射光方向相同的轴向磁场。微位移装置15为精密螺丝，可通过其调整使含法拉第旋光器8的、由第一高反射率反射体7与第二高反射率反射体10构成的法布里-珀罗标准具具有最优腔长，以获得最佳隔离度。套筒19用于对器件整体封装。

工作过程可具体描述为：在如图4所示的坐标系中，激光器1发出的正向入射光沿入射光纤2进入第一光纤准直器3后变为正向平行光，垂直入射至透振方向为x-y平面一三象限角平分线的第一线偏振器4后转化为偏振方向为x-y平面一三象限角平分线的正向平面偏振光，再经过快轴为y轴方向的第一四分之一波片5后转化为正向右旋圆偏振光(该旋向是迎着所述入向光观察时定义的)。所述正向右旋圆偏振光在法拉第旋光器8中的折射率为n^-，其经过由第一高反射率反射体7和第二高反射率反射体10构成的含有法拉第旋光器8的法布里-珀罗标准具后的光强透过率为

$T=\frac{1}{1+\frac{4R}{{(1-R)}^2}{\sin }^2\left({\mathrm{\φ}}^{-}\right)}$

式中，R为第一高反射率反射体7和第二高反射率反射体10的光强反射率，φ^-为所述正向右旋圆偏振光由第一高反射率反射体7经法拉第旋光器8、第二增透膜9至第二高反射率反射体10的单程相移。第二高反射率反射体10、第二四分之一波片11和第二线偏振器12与微位移装置15联动，通过移动该微位移装置15，调整φ^-为π的整数倍，使正向右旋圆偏振光在含有法拉第旋光器8的法布里-珀罗标准具内形成多光束完全相长干涉，此时光强透过率T为最大值，实现正向通光的目的。正向右旋圆偏振光再经过快轴为x轴方向的第二四分之一波片11后转化为偏振方向为x-y平面一三象限角平分线的正向平面偏振光，经透振方向同样为x-y平面一三象限角平分线的第二线偏振器12后无损耗射出，进入第二光纤准直器16沿出射光纤17出射，成为正向出射光。

所述正向出射光被下游光路中反射体18的端面部分反射后沿出射光纤17返回，通过第二光纤准直器16后变为正向平行光，反向垂直入射穿过透振方向为x-y平面一三象限角平分线的第二线偏振器12后转化为偏振方向为x-y平面一三象限角平分线的反向平面偏振光，再经过快轴方向为x轴的第二四分之一波片11后转化为与正向右旋圆偏振光偏振方向相反的反向右旋圆偏振光(该旋向是迎着所述反向光观察时定义的)。所述反向右旋圆偏振光在法拉第旋光器8中的折射率为n⁺，其经过由第一高反射率反射体7与第二高反射率反射体10构成的含有法拉第旋光器8的法布里-珀罗标准具后的光强透过率为

$T=\frac{1}{1+\frac{4R}{{(1-R)}^2}{\sin }^2\left({\mathrm{\φ}}^{+}\right)}$

式中，φ⁺为所述反向右旋圆偏振光由第二高反射率反射体10经法拉第旋光器8至第一高反射率反射体7的单程相移。由于法布里-珀罗标准具内的法拉第旋光器8对不同旋向圆偏振光的折射率不同，即n^-与n⁺不相等，因此正向右旋圆偏振光和反向右旋圆偏振光通过同样的法拉第旋光器8后具有不同的单程相移，其差值为

$\mathrm{\Δ\φ}=|{\mathrm{\φ}}^{+}-{\mathrm{\φ}}^{-}|=2\mathrm{\π}\frac{|n^{+}-n^{-}|L}{\mathrm{\λ}}=2\mathrm{\θ}=2\mathrm{VBL}$

式中，L为法拉第磁光材料的通光长度，V为法拉第磁光材料的费尔德常量，θ为法拉第旋转角，B为施加在法拉第旋光器8上的磁场。通过调节磁场B的大小控制法拉第旋转角θ，可以调整不同旋向圆偏振光的单程相移差，当θ＝45°时，所述单程相移差Δφ＝π/2，此时当正向右旋圆偏振光单程相移φ^-为π的整数倍，形成多光束相长干涉，具有最大光强透过率时，反向右旋圆偏振光的单程相移φ⁺为π/2的奇数倍，形成多光束相消干涉，具有最小光强透过率，实现反向隔离的目的。

所述法拉第旋光器8的作用是使相反旋向的圆偏振光之间产生π/2的相位差，即，使正向右旋圆偏振光单程相移φ^-为π的整数倍形成完全相长干涉，反向右旋圆偏振光单程相移φ⁺为π/2的奇数倍形成完全相消干涉；其产生的产生的法拉第旋转角θ以能使不同旋向圆偏振光对法布里-珀罗标准具的透过率曲线尖峰能够有效分离为准，通常限制在15°-75°之间，越接近45°则隔离效果越好，最优值为45°(参见图2及图3)。

所述第一高反射率反射体7与第二高反射率反射体10的光强反射率R通常限制在80％以上，较大的R有利于隔离度的增加，但对后期器件组装和机械稳定性的要求更高，反之，较小的R不利于高隔离度的实现，但可以降低对后期器件组装和机械稳定性的要求；光强反射率R优选92％(参见图2及图3)。

Claims (9)

1.一种用于光纤通信的光隔离器，其特征在于包括依次沿通光方向相互平行放置的正向光偏振态控制组件、隔离组件和反向光偏振态控制组件；所述正向光偏振态控制组件为依次沿通光方向相互平行放置的第一线偏振器(4)和第一四分之一波片(5)，且第一四分之一波片(5)的快轴方向与第一线偏振器(4)的透振方向成45°角；所述光隔离器的隔离组件为依次沿通光方向相互平行放置的第一高反射率反射体(7)、法拉第旋光器(8)和第二高反射率反射体(10)，在法拉第旋光器(8)与通光方向垂直的周围设有永磁体(14)；所述反向光偏振态控制组件为依次沿通光方向相互平行放置的第二四分之一波片(11)和第二线偏振器(12)，且第二四分之一波片(11)的快轴方向与第一四分之一波片(5)的快轴方向平行，第二线偏振器(12)的透振方向与第一线偏振器(4)的透振方向垂直。

2.根据权利要求1所述的用于光纤通信的光隔离器，其特征在于：在第一四分之一波片(5)与第一高反射率反射体(7)之间沿通光方向相互平行放置第一增透膜(6)；在法拉第旋光器(8)之后与第二高反射率反射体(10)之间，沿通光方向相互平行放置第二增透膜(9)。

3.根据权利要求1或2所述的用于光纤通信的光隔离器，其特征在于：将第二高反射率反射体(10)、第二四分之一波片(11)和第二线偏振器(12)固定连接于微位移装置(15)。

4.根据权利要求1或2或3所述的任一用于光纤通信的光隔离器，其特征在于：在正向光偏振态控制组件之前沿通光方向相互平行放置入射光纤(2)和第一光纤准直器(3)；在反向光偏振态控制组件之后沿通光方向相互平行放置第二光纤准直器(16)和出射光纤(17)。

5.根据权利要求1～4所述任一用于光纤通信的光隔离器，其特征在于：当第二四分之一波片(11)的快轴方向与第一四分之一波片(5)的快轴方向垂直时，第二线偏振器(12)的透振方向与第一线偏振器(4)的透振方向平行。

6.根据权利要求1所述用于光纤通信的光隔离器，其特征在于：所述第一高反射率反射体(7)和第二高反射率反射体(10)为反射镜或反射膜，反射率限制在80％以上，优选92％。

7.根据权利要求1所述用于光纤通信的光隔离器，其特征在于：所述法拉第旋光器(8)由两端面平行抛光的磁光材料构成，为钇铁石榴石YIG或铽镓石榴石TGG的磁光晶体或磁光薄膜，其产生的法拉第旋转角度为15°-75°，最优值为45°。

8.根据权利要求1所述用于光纤通信的光隔离器，其特征在于：所述永磁体(14)为空芯筒形或相对平行放置的一对平板，材料为钕铁硼Nd-Fe-B或钐钴Sm-Co。

9.根据权利要求2所述用于光纤通信的光隔离器，其特征在于：所述第一增透膜(6)和第二增透膜(9)为单层膜或多层膜系。

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