专利名称：光学实验及光纤通信系统中实现光学隔离的方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光学实验及光纤通信系统中实现光学隔离的方法及其装置，用于 防止光源发出的光束经某一光学元件端面反射后重新返回光源，可应用于光学实验及光纤 通信系统中，属于激光、光纤通信技术领域。
背景技术：
在光学实验及光纤通信等系统中，发光器件发出的光束会被下游光路的某一光学 元件的端面反射并重新返回光源，造成光源频谱展宽、噪声增加、功率不稳、性能劣化等影 响。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 光隔离器主要由起偏器、法拉第旋光器和检偏器组成(参见图1)，检偏器的透振方向与起 偏器的透振方向成45°角，法拉第旋光器置于两者之间。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位移型和楔形两种。其基本原理是，在两个自聚焦透 镜之间，放置一偏振分光器，将入射光束的两个正交偏振分量(即单轴晶体中的ο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另一偏振分光器处重新合成为一束 光，而反向通过的光束经过偏振分光器和法拉第旋光器后不能重新合成为一束光，从而实 现隔离效果。然而，只有当反向的两个正交偏振光分量在空间分开较大距离时，才能起到隔 离作用，这使得作为偏振分光器的晶体和法拉第旋光片或者楔形双折射晶体需要有较大尺 寸，从而造成器件的体积大、成本高。
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，本发明提出一种光学实验及光纤通信系统中实现 光学隔离的方法及其装置，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，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
一种光学实验及光纤通信系统中实现光学隔离的方法，其特征在于步骤如下步骤1 将正向入射激光束&转化为正向单色圆偏振光Pi ；所述的正向为初始光 线的入射方向；步骤2 在磁场环境中，将正向单色圆偏振光Pi垂直照射并透射目标位A后垂直照 射目标位B，在磁场作用下正向单色圆偏振光PjA目标位A到目标位B的单程相移为ji的 整数倍；步骤3 将正向单色圆偏振光Pi在目标位B和目标位A之间进行多次折返，在目标 位B折返的透射光束在目标位B后端光路进行多次叠加成为正向单色圆偏振光P2，在目标 位B得到与折返相应的多光束相长干涉；所述正向单色圆偏振光P2与正向单色圆偏振光Pi 的偏振方向相同，实现正向通光功能；步骤4 将反射激光束转化为与正向单色圆偏振光己偏振方向相反的反向单 色圆偏振光P3 ；步骤5 在磁场环境中，将反向单色圆偏振光P3反向垂直照射并透射目标位B后垂 直照射目标位A，在磁场作用下该反向单色圆偏振光P3从目标位B到目标位A的单程相移 为n/2的奇数倍；所述的反向为初始光线入射方向相反的方向；步骤6 将反向单色圆偏振光P3在目标位A和目标位B之间进行多次折返，在目标 位A折返的透射光束在目标位A后端光路叠加后抵消形成多光束相消干涉，实现反向隔离 功能。一种实现上述方法的光学隔离装置，其特征在于包括沿光轴顺序而设的正向光偏 振态控制组件1、隔离组件2和反向光偏振态控制组件3 ；所述正向光偏振态控制组件1为 沿光轴顺序而设的第一线偏振器11和第一四分之一波片12，且第一四分之一波片12的快 轴方向与第一线偏振器11的透振方向成45°角；所述隔离组件2为沿光轴顺序而设的、置 于轴向磁场27中的第一高反射率反射体22、法拉第旋光器21和第二高反射率反射体23 ； 所述的第一高反射率反射体22与第二高反射率反射体23相互平行放置，构成法布里_珀 罗标准具结构；法拉第旋光器21位于所述法布里-珀罗标准具内；所述反向光偏振态控制 组件3为沿光轴顺序而设的第二线偏振器31和第二四分之一波片32，第二四分之一波片 32的快轴方向与第一四分之一波片12的快轴方向平行，第二线偏振器31的透振方向与第 一线偏振器11的透振方向垂直。所述隔离组件2包括法拉第旋光器21、第一高反射率反射体22、第二高反射率反 射体23、增透膜24、微位移装置25、永磁体26和支撑体41 ；在支撑体41的两端固定永磁体 26和微位移装置25，永磁体26的中间为法拉第旋光器21，法拉第旋光器(21)的两边为第 一高反射率反射体22和增透膜24 ；微位移装置25与增透膜24相近的一端设有第二高反 射率反射体23 ；法拉第旋光器21、第一高反射率反射体22、第二高反射率反射体23和增透 膜24为同光轴。所述的第二四分之一波片32的快轴方向与第一四分之一波片12的快轴方向垂直 时，第二线偏振器31的透振方向与第一线偏振器11的透振方向平行。所述第一高反射率反射体22和第二高反射率反射体23为反射镜或反射膜，反射 率在80%以上，优选92%。所述法拉第旋光器21由产生法拉第效应的两端面平行抛光的磁光材料构成，所述磁光材料为钇铁石榴石YIG、铽镓石榴石TGG、等高费尔德常量的磁光晶体或磁光薄膜、 要求产生的法拉第旋转角度为15° 75°。所述轴向磁场27为一施加在法拉第旋光器21上的永磁体26 ；所述永磁体26为 钕铁硼Nd-Fe-B或钐钴Sm-Co。所述增透膜24为单层膜或多层膜系。所述微位移装置25为压电晶片PZT。所述法拉第旋光器(21)的法拉第旋转角度为45°。本发明的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K。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n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n/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光学实验及光纤通信系统中实现光学隔离的方法及其装置，有益 效果是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。利用该方法实现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Ji /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，可以实现器件的小型化。
图1是现有的偏振相关型光隔离器工作原理示意图；图2是本发明光学隔离方法的光学原理示意图；图3是实现本发明光学隔离器结构示意图；图4是利用本发明光学隔离方法实现光学隔离的装置结构示意图；图5是利用本发明光学隔离方法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6是利用本发明光学隔离方法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-正向光偏振态控制组件，11-第一线偏振器，12-第一四分之一波片；2-隔 离组件，21-法拉第旋光器，22-第一高反射率反射体，23-第二高反射率反射体，24-增透 膜，25-微位移装置，26-永磁体，27-轴向磁场；3-反向光偏振态控制组件，31-第二线偏振 器，32-第二四分之一波片；41-支撑体，42-第一光纤准直器，43-入射光纤，44-第二光纤 准直器，45-出射光纤，46-套筒，47-激光器，48-反射体。
具体实施例方式现结合实施例、附图对本发明作进一步描述请参阅图4，本实施例应用于分离元件搭建的光学实验系统中，包括激光器47、第 一线偏振器11、第一四分之一波片12、法拉第旋光器21、第一高反射率反射体22、增透膜 24、永磁体26、第二高反射率反射体23、微位移装置25、支撑体41、第二四分之一波片32、第 二线偏振器31和反射体48。法拉第旋光器21置于永磁体26的内部，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22，其在正向出射光方向端面上镀有增透膜24 ；第二高反射率反射体23位于法 拉第旋光器21之后，与微位移装置25联动，且与第一高反射率反射体22构成法布里-珀罗 标准具，法拉第旋光器21平行位于该标准具内；微位移装置25、法拉第旋光器21及永磁体 26整体固定于支撑体41之上。第一线偏振器11与第一四分之一波片12依次平行位于所 述法布里-珀罗标准具之前，且第一线偏振器11的透振方向与第一 四分之一波片12的快 轴方向成45°角；第二四分之一波片32与第二线偏振器31依次平行位于所述法布里_珀 罗标准具之后，且第二四分之一波片32的快轴方向与第一四分之一波片12的快轴方向垂 直，第二线偏振器31的透振方向与第一线偏振器11的透振方向平行。增透膜24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。永磁体26为一空芯圆筒形状钕铁硼 材料的永磁体，其为法拉第旋光器21提供平行于通光方向的、磁场正方向与正向入射光方 向相同的均勻轴向磁场。微位移装置25为压电晶片(PZT)，可通过其调整使含法拉第旋光 器21的、由第一高反射率反射体22与第二高反射率反射体23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。本实施例的工作过程为在如图4所示的坐标系中，激光器47发出的正向入射光 沿ζ轴正方向垂直入射至透振方向为χ-y平面一三象限角平分线的第一线偏振器11后转 化为偏振方向为χ-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12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21中的折射率为rT，其经过由第一高反射率 反射体22和第二高反射率反射体23构成的含有法拉第旋光器21的法布里-珀罗标准具 后的光强透过率为 式中，R为第一高反射率反射体22和第二高反射率反射体23的光强反射率，小_为 所述正向右旋圆偏振光由第一高反射率反射体22经法拉第旋光器21至第二高反射率反射 体23的单程相移。通过移动与第二高反射率反射体23联动的微位移装置25，调整(K为 ^的整数倍，使正向右旋圆偏振光在含有法拉第旋光器21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32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 31后无损耗射出，成为正向出射光。所述正向出射光被下游光路中反射体48的端面部分反射后沿z轴负方向返回，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31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32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21中的折射率 为n+，其经过由第一高反射率反射体22与第二高反射率反射体23构成的含有法拉第旋光 器21的法布里-珀罗标准具后的光强透过率为 式中，为所述反向右旋圆偏振光由第二高反射率反射体23经法拉第旋光器21 至第一高反射率反射体22的单程相移。由于法布里_珀罗标准具内的法拉第旋光器21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21后具有不同的单程相移，其差值为 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，e为 法拉第旋转角，B为施加在法拉第旋光器21上的磁场。通过调节磁场B的大小控制法拉第旋 转角0，可以调整不同旋向圆偏振光的单程相移差，当0 =45°时，所述单程相移差A小 =n/2，此时当正向右旋圆偏振光单程相移为Ji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为n/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21的作用是使相反旋向的圆偏振光之间产生Ji /2的相位差， 即，使正向右旋圆偏振光单程相移 -为n的整数倍形成完全相长干涉，反向右旋圆偏振 光单程相移为ji/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e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6及图7)。
所述第一高反射率反射体22与第二高反射率反射体23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6及图7)。
权利要求
一种在光学实验及光纤通信系统中实现光学隔离的方法，其特征在于步骤如下步骤1将正向入射激光束P0转化为正向单色圆偏振光P1；所述的正向为初始光线的入射方向；步骤2在磁场环境中，将正向单色圆偏振光P1垂直照射并透射目标位A后垂直照射目标位B，在磁场作用下正向单色圆偏振光P1从目标位A到目标位B的单程相移为π的整数倍；步骤3将正向单色圆偏振光P1在目标位B和目标位A之间进行多次折返，在目标位B折返的透射光束在目标位B后端光路进行多次叠加成为正向单色圆偏振光P2，在目标位B得到与折返相应的多光束相长干涉；所述正向单色圆偏振光P2与正向单色圆偏振光P1的偏振方向相同，实现正向通光功能；步骤4将反射激光束P’0转化为与正向单色圆偏振光P2偏振方向相反的反向单色圆偏振光P3；步骤5在磁场环境中，将反向单色圆偏振光P3反向垂直照射并透射目标位B后垂直照射目标位A，在磁场作用下该反向单色圆偏振光P3从目标位B到目标位A的单程相移为π/2的奇数倍；所述的反向为初始光线入射方向相反的方向；步骤6将反向单色圆偏振光P3在目标位A和目标位B之间进行多次折返，在目标位A折返的透射光束在目标位A后端光路叠加后抵消形成多光束相消干涉，实现反向隔离功能。
2.一种实现权利要求1所述方法的光学隔离装置，其特征在于包括沿光轴顺序而设的 正向光偏振态控制组件(1)、隔离组件(2)和反向光偏振态控制组件(3)；所述正向光偏振 态控制组件(1)为沿光轴顺序而设的第一线偏振器(11)和第一四分之一波片(12)，且第 一四分之一波片(12)的快轴方向与第一线偏振器(11)的透振方向成45°角；所述隔离组 件(2)为沿光轴顺序而设的、置于轴向磁场(27)中的第一高反射率反射体(22)、法拉第旋 光器(21)和第二高反射率反射体(23)；所述的第一高反射率反射体(22)与第二高反射率 反射体(23)相互平行放置，构成法布里-珀罗标准具结构；法拉第旋光器(21)位于所述法 布里-珀罗标准具内；所述反向光偏振态控制组件(3)为沿光轴顺序而设的第二线偏振器(31)和第二四分之一波片(32)，第二四分之一波片(32)的快轴方向与第一四分之一波片 (12)的快轴方向平行，第二线偏振器(31)的透振方向与第一线偏振器(11)的透振方向垂 直。
3.根据权利要求2所述的光学隔离装置，其特征在于所述隔离组件(2)包括法拉第 旋光器(21)、第一高反射率反射体(22)、第二高反射率反射体(23)、增透膜(24)、微位移装 置(25)、永磁体(26)和支撑体(41)；在支撑体(41)的两端固定永磁体(26)和微位移装置 (25)，永磁体(26)的中间为法拉第旋光器(21)，法拉第旋光器(21)的两边为第一高反射率 反射体(22)和增透膜(24)；微位移装置(25)与增透膜(24)相近的一端设有第二高反射 率反射体(23)；法拉第旋光器(21)、第一高反射率反射体(22)、第二高反射率反射体(23) 和增透膜(24)为同光轴。
4.根据权利要求2或3所述的光学隔离装置，其特征在于所述的第二四分之一波片(32)的快轴方向与第一四分之一波片(12)的快轴方向垂直时，第二线偏振器(31)的透振 方向与第一线偏振器(11)的透振方向平行。
5.根据权利要求2或3所述的光学隔离装置，其特征在于所述第一高反射率反射体 (22)和第二高反射率反射体(23)为反射镜或反射膜，反射率在80%以上，优选92%。
6.根据权利要求2或3所述的光学隔离装置，其特征在于所述法拉第旋光器(21) 由产生法拉第效应的两端面平行抛光的磁光材料构成，所述磁光材料为钇铁石榴石YIG、 铽镓石榴石TGG、等高费尔德常量的磁光晶体或磁光薄膜、要求产生的法拉第旋转角度为 15° 75°。
7.根据权利要求2或3所述的光学隔离装置，其特征在于所述轴向磁场(27)为一 施加在法拉第旋光器(21)上的永磁体(26)；所述永磁体(26)为钕铁硼Nd-Fe-B或钐钴 Sm-Co0
8.根据权利要求3所述的光学隔离装置，其特征在于所述增透膜(24)为单层膜或多层膜系。
9.根据权利要求3所述的光学隔离装置，其特征在于所述微位移装置(25)为压电晶 片 PZT。
10.根据权利要求6所述的光学隔离装置，其特征在于所述法拉第旋光器(21)的法 拉第旋转角度为45°。
全文摘要
本发明涉及一种光学实验及光纤通信系统中实现光学隔离的方法及其装置，其特征在于沿光轴顺序而设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。有益效果是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。
文档编号G02F1/09GK101872076SQ20101020223
公开日2010年10月27日 申请日期2010年6月17日 优先权日2010年6月17日
发明者底楠, 赵建林 申请人:西北工业大学