专利名称：光隔离器及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种光隔离器，光隔离器允许一个方向的光以低损耗通过，而隔断相反方向的光。具体而言，本发明涉及一种适于隔断反射光并使其返回到半导体激光二极管元件的光隔离器，以及该光隔离器的制造方法。
背景技术：
半导体激光二极管元件作为由激光振荡产生光的光源的典型例证是公知的。调制此类型光源产生的光并将其用于信号传输。但是，光信号在传输的光路中不可避免地伴随有反射回程光的出现。反射回程光以相反的方向通过光路。因此，在大多数的此类光源中，反射回程光导致多种不利现象，例如振荡不稳定、产生光噪声以及光输出不稳定。在这种情况下，当光受到调制时难于进行稳定的信号传输。反射回程光不仅是由包含在光路中的多个光学部件产生的，而且可能是由事故导致的，例如光信号线的断裂。因此，需要隔断或阻挡反射回程光。
为了隔断反射回程光，普遍使用了这样一种结构，即，在半导体激光二极管元件的附近设置一个非互易的旋光元件。该非互易的旋光元件与一对偏振元件组合，用于使沿信号传输方向传播的光通过，而隔断反射回程光。这种含有非互易旋光元件的反射回程光隔断结构以及光偏振元件通常被称为光隔离器。光隔离器包括非互易旋光元件、在该非互易旋光元件两侧与其结合的两个偏振器，以及一个磁体。由于因光路的维护和结构而产生的限制，可以将光隔离器安排在光路的中间部分，而并不靠近半导体激光二极管元件。两个偏振器中位于光源对面的一个偏振器可称作检偏器。
通常将包含在光隔离器中的非互易旋光元件称作法拉第旋光器(Faraday rotator)。对于与被称作C轴的晶体轴平行的矢量组分来说，法拉第旋光器具有非互易旋光功能。因此，对于法拉第旋光器的C轴方向上的组分来说，带有例如发散角或会聚角的角的光具有偏振旋转角。在制造光隔离器时，必须在考虑到发散或会聚角的情况下进行对准。但是，因为发散或会聚角并不是恒定的并且考虑到生产率，所以通常是在考虑到平行光束而不是发散或会聚角的情况下进行对准。
参照图1，描述了一种典型的传统隔离器和将该隔离器用于其中的光学系统。在图1中，通过来自半导体激光二极管片1的激光振荡输出光。在光路中设置有光隔离器2。在光隔离器2的前面和后面，设置有用于使光束发散或会聚从而聚焦形成实像或虚像的透镜3-1和3-2。来自半导体激光二极管片1的输出光经过透镜3-1调整为平行光束4。然后，平行光束4通过光隔离器2，并且通过透镜3-2再次被聚焦，然后输入到光纤5。
但是，使用两个透镜3-1和3-2导致结构复杂以及组装生产率下降。在这种情况下，提出了这样一种技术方案，即，使包含在光隔离器中的两个偏振器之一具有透镜功能，用于使光束发散或会聚从而形成实像或虚像。在该技术中，对包含在光隔离器中的两个偏振器中的位于光源侧的那一个偏振器进行加工，使得该偏振器具有曲面。例如，在日本未审查专利申请公开文本(JP-A)H9-90282(下文称作文件1)中公开了这种技术。
在文件1公开的技术中，将具有平面形状的另一个偏振器设置在光隔离器的另一侧。因此，在组装步骤中，光学对准位置根据光隔离器的倾斜角而发生变化。结果，对准操作非常困难并且光隔离器的封装也会受到限制。除此之外，必须将一个侧表面加工成平坦表面，这是因为该侧表面用于固定。因此，降低了生产率。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种光隔离器，该光隔离器在组装过程中易于对准而无需任何包含透镜的分立光学系统，并提供一种制造该光隔离器的方法。
根据本发明的光隔离器包括一个用于非互易地旋转光偏振面的法拉第旋光器，以及连接到该法拉第旋光器两侧的两个偏振器。根据本发明的一个方面，将这两个偏振器中的每一个都加工成具有球形表面，形成一透镜，使通过偏振器的光会聚或发散，从而形成实像或虚像。
优选地，这些偏振器具有这样的特性，即，使一个特定的偏振组分与垂直于该偏振组分的另一个偏振组分分离。
优选地，每个偏振器都是由从金红石单晶体、YVO4单晶体和LiNbO3单晶体中选择的材料制成的。
这些偏振器可以具有这样的特性，即，允许一个特定的偏振组分通过并且吸收和消除垂直于该特定偏振组分的另一个偏振组分。
优选地，该光隔离器通过连接两个偏振器和位于它们中间的一个法拉第旋光器而形成，并且该光隔离器整体上具有基本上为球形的形状。
可以对基本上为球形的光隔离器的局部进行研磨从而形成表示偏振方向或固定表面的平坦表面。
两个偏振器可以由彼此之间具有不同折射率的材料制成。
根据本发明，提供了一种制造光隔离器的方法。该方法包括下述步骤制备一个法拉第旋光器和两个单晶体板，并将这两个单晶体板作为第一单晶体板和第二单晶体板；将有机粘接剂涂覆到该第一单晶体板上，从而使该法拉第旋光器的一个表面粘接并固定到该第一单晶体板；以及将有机粘接剂涂覆到该第二单晶体板上，使该法拉第旋光器的另一个表面粘接和固定到该第二单晶体板。该方法还包括下述步骤使该第二单晶体板的偏振轴对准；以及在偏振轴对准之后固化有机粘接剂，获得获得固化样本；切割该固化样本获得具有预定尺寸的切割样本；以及对切割样本进行打磨，使其具有基本上为球形的形状。
该方法还包括下述步骤对基本上为球形的光隔离器的一部分进行研磨，使其具有平坦表面。
图1是表示传统的光隔离器和与之结合在一起的光学系统的视图；图2是根据本发明的一个实施例的球形光隔离器的正视图；图3是在表示图2中所示的光隔离器制造过程的中间获得的粘接体的透视图；以及图4是表示图2中所示的光隔离器和用于测量该光隔离器特性的测量系统的视图。
具体实施例方式
现在，参照图2至4描述根据本发明的光隔离器。参照图2，根据本发明一个实施例的球形光隔离器10包括一个用于旋转光偏振面的非互易法拉第旋光器11，以及设置在法拉第旋光器11的两侧，用于选择特定偏振的两个偏振器12。该光隔离器10还包括设置在法拉第旋光器11和两个偏振器12的组合之外的磁体(图4中的21)。将两个偏振器12加工为球形表面。因此，偏振器12被加工为透镜，用于发散或会聚光束从而形成实像或虚像。两个偏振器12中，反射回程光入射到其上的一个偏振器起到了检偏器的作用。
为了获得图2中所示的形状，进行如下的步骤。参照图3，首先，将偏振器12粘接到法拉第旋光器11的两侧。切割彼此粘接在一起的偏振器12和法拉第旋光器11，获得基本上为立方体的粘接体。此后，将该粘接体作为一个整体进行加工，得到如图2中所示的基本上为球形的形状。这里所使用的偏振器12具有这样的特性，即，允许一个特定的偏振组分沿直线传播并分离与该特定偏振组分垂直的偏振组分。可替换的，也可以使用具有这样特性的偏振器12，即，允许一个特定的偏振组分通过并且吸收和消除垂直于该偏振组分的另一个偏振组分。两个偏振器12可以具有相同的折射率。但是，如果两个偏振器12使用的材料折射率不同，那么有可能进一步降低和调整像差。
第一实施例下面将会描述本发明的第一实施例。
在该第一实施例中，将GdBilG石榴石膜(铋取代的钆铁石榴石膜)用作法拉第旋光器从而使得光隔离器具有非互易特性。GdBilG石榴石膜的膜厚度为512(±2)μm，并且对于1.55μm波长的旋转角为45°。GdBilG石榴石膜的两个表面都具有折射率为1.5的抗反射涂层。将厚度为0.9mm的金红石单晶体板用作偏振器。每个金红石单晶体板的一个表面上都涂覆有折射率为1.0的抗反射涂层，另一表面上都涂覆有折射率为1.5的抗反射涂层。形成在每个GdBilG石榴石膜和金红石单晶体板上的抗反射涂层都是为1550nm波长而设计的。这里所使用的每个GdBilG石榴石膜和金红石单晶体板都是尺寸为11mm的正方形。
下面将会描述制造第一实施例中的光隔离器所使用的方法。首先，将有机粘接剂涂覆到第一金红石单晶体板的具有折射率为1.5的抗反射涂层的一侧。将该第一金红石单晶体板粘接和固定到GdBilG石榴石膜的一个表面，并且使它们的端面对准。将Epoxy Technology Inc.制造的353ND有机粘接剂用作有机粘接剂。接下来，将同样的有机粘接剂涂覆到第二金红石单晶体板的具有折射率为1.5的抗反射涂层的一侧。将该第二金红石单晶体板粘接到GdBilG石榴石膜的另一个表面。然后，在有机粘接剂固化之前，将激光束输入到起检偏器作用的金红石单晶体板。与此同时，施加磁场并且对准金红石单晶体板的偏振轴，从而使消光比最大化。在偏振轴对准之后固化有机粘接剂。这样，就获得了固化样本。
使用钻石轮划片机将固化样本(固化组件)切割成尺寸为2.3mm的正方形，从而获得图3中所示的粘接体。使用湿法转筒打磨对该粘接体进行打磨，从而得到直径为2.0mm的球。这样，获得了如图2中所示的具有半径为1.0mm的球形形状的光隔离器10。
将球形光隔离器10放置在由磁体产生的磁场中，并且测量该光隔离器的特性。具体而言，通过在其晶轴方向上对包含在光隔离器10中的GdBilG石榴石膜施加饱和磁场，使得该GdBilG石榴石膜变得饱和，并且测量光隔离器的特性。该测量系统具有如图4中所示的结构。
在图4中，将使法拉第旋光器变得饱和的环形磁体21放置在法拉第旋光器周围，并且靠近该法拉第旋光器与偏振器12并未接触到的外围端面。将带有套圈的光纤22分别放置到面对两个偏振器12的位置。
作为上述测量系统的测量结果，光隔离器10具有这样的特征，在1550nm波长处前向损耗为1.8dB，而反向损耗为45dB。当光隔离器10进一步具有抗反射涂层时，前向损耗相对于菲涅尔反射损耗可以改善大约1.6dB。
金红石单晶体的偏振面允许寻常光沿直线通过，但是使非寻常光按照预定的分离角分离。被分离的反向光束的偏移量为54.6μm。这样，可以发现回程光束并未到达作为光源的半导体激光二极管片。
第一实施例的光隔离器10具有基本上为球形的形状。为了便于固定光隔离器或者确定偏振器的偏振方向，可以按照下述方法对光隔离器10进行改型。例如，如图2中的虚线所示，可以对光隔离器10并未起到光路作用的一部分进行研磨，从而获得形成固定表面的平坦表面。可替换的，光隔离器10的一部分可具有标记。这样，可以进一步提高实用性。
第二实施例在第二实施例中，也将GdBilG石榴石膜用作法拉第旋光器从而使得光隔离器具有非互易特性。GdBilG石榴石膜的膜厚度为512(±2)μm，并且对于1.55μm波长的旋转角为45°。GdBilG石榴石膜的两个表面都具有折射率为1.5的抗反射涂层。将厚度为1.35mm的YVO4单晶体板用作偏振器。每个YVO4单晶体板的一个表面上都涂覆有折射率为1.0的抗反射涂层，另一表面上都涂覆有折射率为1.5的抗反射涂层。形成在GdBilG石榴石膜和YVO4单晶体板的每一个上的抗反射涂层都是为1550nm波长而设计。这里所使用的GdBilG石榴石膜和YVO4单晶体板的每一个都是尺寸为11mm的正方形。
下面将描述制造第二实施例中的光隔离器所使用的方法。首先，将有机粘接剂涂覆到第一YVO4单晶体板的具有折射率为1.5的抗反射涂层的一侧。将该第一YVO4单晶体板粘接和固定到GdBilG石榴石膜的一个表面，并且使它们的端面对准。将Epoxy Technology Inc.制造的353ND有机粘接剂用作有机粘接剂。接下来，将同样的有机粘接剂涂覆到第二YVO4单晶体板的具有折射率为1.5的抗反射涂层的一侧。将该第二YVO4单晶体板粘接到GdBilG石榴石膜的另一个表面。然后，在有机粘接剂固化之前，将激光束输入到起到检偏器作用的YVO4单晶体板。与此同时，施加磁场并且对准YVO4单晶体板的偏振轴，从而使消光比最大化。在偏振轴对准之后固化有机粘接剂。这样，就获得了固化样本。
使用钻石轮划片机将固化样本切割成尺寸为3.3mm的正方形，获得图3中所示的粘接体。使用湿法转筒打磨对该粘接体进行打磨，得到直径为3.0mm的球。这样，获得了如图2中所示的具有半径为1.5mm的球形形状的光隔离器10。
将球形光隔离器10放置在由磁体产生的磁场中，并且测量光隔离器的特性。具体而言，通过在晶轴方向上对包含在光隔离器10中的GdBilG石榴石膜施加饱和磁场，使该GdBilG石榴石膜变得饱和，并且测量光隔离器的特性。该测量系统具有如图4中所示的结构。
作为测量结果，光隔离器10具有这样的特性，即，在1550nm波长处前向损耗为1.3dB，而反向损耗为42dB。当光隔离器10进一步配有抗反射涂层时，前向损耗相对于菲涅尔反射损耗可以改善大约1.0dB。
YVO4单晶体的偏振面允许寻常光遵循斯涅尔定律通过其中，但是使非寻常光按照预定的分离角分离。被分离的反向光束的偏移量为75.5μm。这样，可以发现回程光束并未到达作为光源的半导体激光二极管片。
第二实施例的光隔离器10也具有基本上为球形的形状。如在第一实施例中所描述的那样，可以对光隔离器10并未起到光路作用的一部分进行研磨，从而获得形成固定表面的平坦表面。可替换的，光隔离器10的一部分可具有标记。这样，可以进一步提高实用性。
第三实施例在第三例子中，也将GdBilG石榴石膜用作法拉第旋光器。GdBilG石榴石膜的膜厚度为512(±2)μm，并且对于1.55μm波长的旋转角为45°。GdBilG石榴石膜的两个表面都具有折射率为1.5的抗反射涂层。将厚度为1.85mm的LiNbO3单晶体板用作偏振器。每个LiNbO3单晶体板的一个表面上都涂覆有折射率为1.0的抗反射涂层，另一表面上都涂覆有折射率为1.5的抗反射涂层。形成在每个GdBilG石榴石膜和LiNbO3单晶体板上的抗反射涂层都是为1550nm波长设计的。这里所使用的每个GdBilG石榴石膜和LiNbO3单晶体板都是尺寸为11mm的正方形。
下面将描述制造第三例子中的光隔离器所使用的方法。首先，将有机粘接剂涂覆到一个LiNbO3单晶体板的具有折射率为1.5的抗反射涂层的一侧。将该第一LiNbO3单晶体板粘接和固定到GdBilG石榴石膜的一个表面，并且使它们的端面对准。将Epoxy Technology Inc.制造的353ND有机粘接剂用作有机粘接剂。接下来，将同样的有机粘接剂涂覆到第二LiNbO3单晶体板的具有折射率为1.5的抗反射涂层的一侧。将该第二LiNbO3单晶体板粘接到GdBilG石榴石膜的另一个表面。然后，在有机粘接剂固化之前，将激光束输入到起检偏器作用的liNbO3单晶体板。与此同时，施加磁场并且对准LiNbO3单晶体板的偏振轴，从而使消光比最大化。在偏振轴对准之后固化有机粘接剂。这样，就获得了固化样本。
使用钻石轮划片机将经硫化处理的样本切割成尺寸为4.2mm的正方形，获得图3中所示的粘接体。使用湿法转筒打磨对该粘接体进行打磨，得到直径为4.0mm的球。这样，就获得了如图2中所示的具有半径为2.0mm的球形形状的光隔离器10。
将球形光隔离器10放置在由磁体产生的磁场中，并且测量光隔离器的特性。具体而言，通过在其晶轴上对包含在光隔离器10中的GdBilG石榴石膜施加饱和磁场，使得该GdBilG石榴石膜变得饱和，并且测量光隔离器的特性。该测量系统具有如图4中所示的结构。
作为测量结果，光隔离器10具有这样的特征，即，在1550nm波长处前向损耗为1.85dB，而反向损耗为40dB。当光隔离器10进一步配有抗反射涂层时，前向损耗相对于菲涅尔反射损耗可改善大约1.6dB。
LiNbO3单晶体的偏振面允许寻常光遵循斯涅尔定律通过其中，但是使非寻常光按照预定的分离角分离。被分离的反向光束的偏移量为39.1μm。这样，可以发现回程光束并未到达作为光源的半导体激光二极管片。
第三实施例的光隔离器10也具有基本上为球形的形状。如在第一和第二实施例中所描述的那样，可以对光隔离器10的并未起到光路作用的一部分进行研磨，从而获得形成固定表面的平坦表面。可替换的，光隔离器10的一部分可具有标记。这样，可以进一步提高实用性。
用于上述实施例中的偏振器允许寻常光组分遵循斯涅尔定律通过其中，即允许垂直入射光束沿直线传播而不发生折射，并且使非寻常光按照预定的分离角分离。可替换的，可以使用允许一种偏振组分通过而吸收和消除垂直于该偏振组分的另一种偏振组分的偏振器。
另外，如果两个偏振器是由具有不同折射率的材料制成，那么即使在两个偏振器的球形表面的曲率半径彼此相等的情况下，也可以获得不同的焦距。因此，可将光隔离器设计为一个偏振器适用于来自半导体激光二极管片的输出光的发散角，而另一个偏振器适用于耦合到光纤中的光的会聚角。
在上述例子中，GdBilG石榴石膜被用作法拉第旋光器。然而，法拉第旋光器的材料不限于GdBilG石榴石膜，只要能够实现法拉第旋光器的功能就可以采用。
如上结合几个优选实施例所描述的，本发明的特征在于两个光隔离器的偏振器都被打磨成曲面，从而抑制像差的产生。因此，通过光隔离器的光通过两个曲面抑制了像差的产生。
为了进一步改善像差，本发明使用了两个具有不同折射率的偏振器来调整曲面。这可以大幅改善像差。
另外，本发明的特征在于光隔离器整体上具有基本上为球形的形状。该技术使对准容差得到显著改善。
如上所述，在本发明的光隔离器中，已经得到证明的是，可以使两个偏振器形成曲面而不会导致特性变差，并且证明了使两个偏振器形成曲面，即使省略了包含在半导体激光二极管片组件中的透镜，性能也不会下降。因此，本发明提供了这样一种光隔离器，该光隔离器使得在组装过程中可以容易地实现对准，而无需任何包含透镜在内的分立光学系统。
根据本发明的光隔离器可应用于，例如用于光通信的光源、用于光通信的放大装置、激光测量装置等等。
尽管已经参考优选实施例对本发明进行了详细描述，但是对于本领域的技术人员来说，仍易于以其它形式实现本发明而不偏离在所附权利要求中提出的范围。
权利要求
1.一种光隔离器，包括用于非互易地旋转光的偏振面的法拉第旋光器，以及连接在该法拉第旋光器两侧的两个偏振器，其中所述两个偏振器中的每一个都被加工成球形表面，形成一个透镜，用于使通过所述偏振器的光会聚或发散，从而形成实像或虚像。
2.根据权利要求1所述的光隔离器，其中所述偏振器具有这样的特性使得一个特定的偏振组分与垂直于该特定的偏振组分的另一个偏振组分分离。
3.根据权利要求2所述的光隔离器，其中所述偏振器中的每个都是由从金红石单晶体、YVO4单晶体、LiNbO3单晶体中选择的材料制成的。
4.根据权利要求1所述的光隔离器，其中所述偏振器具有这样的特性允许一个特定偏振组分通过而吸收和消除垂直于所述特定偏振组分的另一个偏振组分。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的光隔离器，该光隔离器是通过连接两个偏振器和位于它们之间的法拉第旋光器而形成的，并且所述光隔离器整体上具有基本上为球形的形状。
6.根据权利要求5所述的光隔离器，其中对基本上为球形的光隔离器的局部进行研磨，形成表示偏振方向或固定表面的平坦表面。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的光隔离器，其中所述两个偏振器是由彼此之间具有不同折射率的材料制成的。
8.根据权利要求5所述的光隔离器，其中所述两个偏振器是由彼此之间具有不同折射率的材料制成的。
9.根据权利要求6所述的光隔离器，其中所述两个偏振器是由彼此之间具有不同折射率的材料制成的。
10.一种制造光隔离器的方法，该方法包括下述步骤制备一个法拉第旋光器和两个单晶体板，并将这两个单晶体板作为第一单晶体板和第二单晶体板；将有机粘接剂涂覆到该第一单晶体板上，从而使所述法拉第旋光器的一个表面粘接和固定到该第一单晶体板；将有机粘接剂涂覆到该第二单晶体板上，从而使所述法拉第旋光器的另一个表面粘接和固定到该第二单晶体板；使该第二单晶体板的偏振轴对准，并且在偏振轴对准之后固化有机粘接剂，获得固化样本；切割固化样本，获得具有预定尺寸的切割样本；以及对切割样本进行打磨，使其具有基本上为球形的形状。
11.根据权利要求10所述的制造光隔离器的方法，还包括下述步骤对基本上为球形的光隔离器的一部分进行研磨，使其具有平坦表面。
全文摘要
一种光隔离器，包括用于非互易地旋转光偏振面的法拉第旋光器，以及连接在该法拉第旋光器两侧的两个偏振器。该两个偏振器中的每一个都被处理成球形表面从而形成一个透镜，用于使通过所述偏振器的光会聚或发散从而形成实像或虚像。该光隔离器由连接两个偏振器和位于它们中间的一个法拉第旋光器形成，并且该光隔离器整体上具有基本上为球形的形状。该两个偏振器是由彼此之间具有不同折射率的材料制成的。
文档编号G02B6/26GK1670569SQ200510056398
公开日2005年9月21日 申请日期2005年3月18日 优先权日2004年3月18日
发明者户叶祐一, 米泽友浩, 加藤雄二郎 申请人:Nec东金株式会社