专利名称：光隔离器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光隔离器，尤其是涉及一种偏振无关型1064nm的500mW高功率双级光隔离器。
背景技术：
在激光系统中，光在传输过程中会在不同的光学界面处产生不同程度的反射，这些反射光会对光源、光放大器等前级器件等产生不良影响，进而影响整个系统的正常运转。为了消除这一由于反向传输的光造成的影响，保证系统稳定运行，就要对反向光进行隔离，这就需要在光源、光放大器等器件后面接入光隔离器。光隔离器一种非互易性器件，即只允许单向光通过的光无源器件，其工作原理主要是利用磁光晶体的法拉第效应，并且基于法拉第旋转的非互易性，使得通过光纤回波反射的光能够被光隔离器很好的隔离。具体来说，光隔离器是允许光向一个方向通过而阻止向相反方向通过的无源器件，作用是对光的方向进行限制，使光只能单方向传输，通过光纤回波反射的光能够被光隔离器很好的隔离，提高光波传输效率。光隔离器的功能是使正向传输的光能以较小的插入损耗通过，而反向传输的光则被隔离。光隔尚器一般以波长来区分，波长在800-1600nm的较多，也有一些特殊波长。在激光系统中，随着功率的大幅提升，系统对其中使用的光隔离器的要求也越来越高，要求即要有较小的插入损耗、较大的隔离度，又要能承受较高的功率。并且要求光隔离器无论是在高功率的光输入或是在低功率的光 输入时都必须保证正向插入损耗低，反向隔离度高，回波损耗高的特性。而在中国专利局公开号为1393722中提及的《光隔离器》中，公开了一种采用的是金属外管设计的光隔离器，并在金属外管中仅设置有一个隔离中心，即包括一个磁环以及设于磁环内的第一偏振器、偏振旋转晶体以及第二偏振器的结构。或者如图1所示的传统双级光隔离器10的结构中，在一个金属外管11内设置一个隔离中心12，该隔离中心12包括了一个磁环121以及设于磁环121内的一对第一偏振器122、一对偏振旋转晶体123以及一对第二偏振器124的组合结构。上述提及的两种结构中，由于仅采用了一个磁环的设计，使得光隔离器在高功率(300毫瓦或者以上功率)的光输入时，光隔离器的插入损耗要比在低功率(低于100毫瓦)的光输入时大许多，无法达到光隔离器的作用。而上述的两种结构在300毫瓦或者不足300毫瓦的光输入时，就可能会出现光隔离器烧坏的情况。因为在高功率的光输入时，只有一个磁环的设计，使得其磁环内的散热不好，导致磁环内的偏振旋转晶体的温度升高，从而影响偏振旋转晶体温度过高影响工作效果，导致磁环内的偏振旋转晶体以及偏振器因为温度过高而烧坏。即使是内部偏振旋转晶体没有被烧坏，也无法达到在正常工作温度下的工作效果，所以光隔离器即使能够继续工作，其插入损耗也过高，达不到高功率光输入下时对光隔离器的正向插入损耗低，反向隔离度高，回波损耗高的要求。并且，采用金属外管的光隔离器，其加工工艺必须采用焊接技术，因此对加工工艺有较高的要求，且加工繁琐。
发明内容
本发明的目的在于解决现有光隔离器在高功率的光输入时插入损耗过大，无法满足光隔离器正向插入损耗低，反向隔离度高，回波损耗高的要求；提供一种光隔离器，能够保证在500毫瓦功率的光输入下，依然保证其工作性能的高功率双级光隔离器。本发明解决其技术问题采用的技术方案是:光隔离器，包括一管材、设于所述管材内部的隔离器芯以及分别设于所述管材两端口的输入准直器和输出准直器，所述隔离器芯包括第一磁环、第二磁环、设于所述第一磁环与所述第二磁环之间的第三磁环以及分别设于所述第一磁环与所述第二磁环内的隔离装置，所述隔离装置包括一对双折射晶片以及设于一对所述双折射晶片之间的法拉第旋转晶片。具体地，所述第一磁环具有第一 N极和第一 S极，所述第二磁环具有第二 N极和第二 S极，所述第三磁环具有第三N极和第三S极，所述第一磁环和所述第二磁环与所述第三磁环之间同极性端靠近设置。进一步地，所述第一磁环的第一 S极与所述输入准直器对接，所述第一磁环的所述第一 N极与所述第三磁环的第三N极对接；所述第二磁环的第二 S极与所述第三磁环的第三S极对接，所述第二磁环的第二N极与所述输出准直器对接；所述隔离装置分别置于所述第一磁环的第一 N极一侧和第二磁环的第二 S极一侧。或者，所述第一磁环的第一 N极与所述输入准直器对接，所述第一 S极与所述第三磁环的所述第三S极对接；所述第二磁环的第二 N极与所述第三磁环的所述第三N极对接，所述第二磁环的所述第二 S极与所述输出准直器对接；所述隔离装置分别置于所述第一磁环的第一 S极一侧和第二磁环的第二 N极一侧。具体地，所述隔离装置内的一对双折射晶片与所述法拉第旋转晶片之间采用导热胶粘接固定。具体地，所述隔离器芯中的所述第一磁环与所述第三磁环以及所述第二磁环与所述第三磁环之间采用导热胶粘接固定。具体地，所述管材为玻璃管材，所述隔离器芯与所述管材之间采用导热胶粘接固定。具体地，于所述第一磁环与所述隔离装置以及所述第二磁环与所述隔离装置之间还设有金属管，所述隔离装置与所述金属管、所述金属管与所述第一磁环以及所述金属管与所述第二磁环之间采用导热胶粘接固定。具体地，所述双折射晶片为楔角片，所述楔角片的光轴角度为22.5°。本发明的有益效果在于:本发明所提供的光隔离器采用了三个磁环的组合结构，并且采用同极靠近设置，使得磁环内的隔离装置处的磁场增强，这种结构设置一方面使得隔离装置内的法拉第旋转晶片上的通光区域处的磁场处于饱和状态，这样可以加强法拉第旋转晶片本身的散热能力，使得光隔离器核心部分的温度更易散发，另一方面，将光隔离器中的两个温度源(隔离装置)间隔开，使得两个温度源分隔一段距离，将两个温度源分开无干扰，更利于光隔离器的散热；并且在光隔离器内多个部件的连接均采用导热胶连接，便于光隔离器内部热量的传导与散发，能够有效控制光隔离器内法拉第旋转晶片上通光区域的温度，保证光隔离器能够在500毫瓦的光输入下依然长时间稳定的工作。
图1是传统双级光隔离器的整体结构剖视图；图2是本发明实施例提供的光隔离器的整体结构剖视图；图3是本发明实施例提供的隔离器芯中磁环的连接结构示意图；图中:10_传统双级光隔离器11-金属管材12-隔离中心121-磁环122-第一偏振晶片123-偏振旋转晶体124-第二偏振晶片20-光隔离器21-管材22-输入准直器221-光纤222-毛细管223-准直器玻璃管224-透镜23-输出准直器24-隔离器芯245-金属管241-第一磁环2411-第一 S 极2412-第一 N 极242-第二磁环2421-第二 S 极2422-第二 N 极243-第三磁环2431-第三N极2432-第三S极244-隔离中心2441 (2443)-双折射晶片2442-法拉第旋转晶片
具体实施例方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明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发明，并不用于限定本发明。参见图2，为本发明所提供的光隔离器20的剖面视图。该光隔离器20包括一管材21、设于管材21内部的隔离器芯24以及分别设于管材两端口的输入准直器22和输出准直器23。隔离器芯24为只允许单向光通过的光无源器件，通过光纤回波反射的光能够被隔离器芯24完全隔离，从而提高光波的传输效率。该隔离器芯24包括第一磁环241、第二磁环242、设于第一磁环241与第二磁环242之间的第三磁环243以及分别设于第一磁环241与第二磁环242内的隔离装置244。在第一磁环241和第二磁环242之间设置第三磁环243，一方面增加第一磁环241和第二磁环242的某一个极端的磁性，另一方面增加了第一磁环241与第二磁环242之间 的距离，由于在光隔离器20的工作过程中，磁环内的隔离装置244是主要的热源，将两个磁环之间隔开，能够有效的隔开管材21内的两个热源，使得两者互相不干扰，更利于光隔离器20内部各器件之间的散热。而该隔离装置244包括一对双折射晶片2441以及设于一对所述双折射晶片2441之间的法拉第旋转晶片2442。该法拉第旋转晶片2442利用了磁光晶体的法拉第效应原理，充分实现了对光的方向进行限制，使得通过光隔离器20中的光波能够按照单一的方向传输。具体地，本发明中所提供的两个大磁环与一个第三磁环的组合排列的光隔离器20中，第一磁环241具有第一 N极2412和第一 S极2411，第二磁环242具有第二 N极2422和第二 S极2421，第三磁环具有第三N极2431和第三S极2432，第一磁环241和第二磁环242与第三磁环243之间采取同极性端靠近设置。而在本发明所提供的实施例中，如图3所示，第一磁环241的第一 S极2412与输入准直器22对接，第一磁环241的第一 N极2412与第三磁环243的第三N极2431对接；第二磁环242的第二 S极2421与第三磁环243的第三S极2432对接，第二磁环242的第二 N极2422与输出准直器23对接。在这种对接方式中，第三磁环243的第三N极2431与第一磁环241的第一 N极2412对接，使得第一磁环241的第一 N极2412处的磁场增强；第三磁环243的第三S极2432与第二磁环242的第二 S极2421对接，使得第二磁环242的第二 S极2421处的磁场增强。隔离装置244分别置于第一磁环241的第一 N极2412 —侧和第二磁环242的第二 S极2421 —侧。因此，在隔离器芯24中的两个隔离装置244均处于两个大磁环的磁性增强端，而该磁性增强端能够保证隔离装置244中的法拉第旋转晶片2442在光纤照射的通光区域内的磁场处于饱和的状态，能够加强法拉第旋转晶片2442本身的散热能力，使得光隔离器20的中心区域的温度更易散出。而且由于相邻磁场并非出于全排斥状态，所以改善了磁铁的粘结性能。下面，结合上述结构，对本发明所提供的光隔离器20的工作原理进行说明。在本发明所提供的光隔离器20中，输入准直器22与输出准直器23通过导热胶固定粘接在光隔离器20的外管管材21的两个端口。而该输入准直器22包括了玻璃管223以及置于玻璃管内的光纤221、固定光纤221的毛细管222以及设于光纤221前端的透镜224。输出准直器23与输入准直器22的结构相同，均是将光纤221中传输的光束转换为平行光，以提闻光器件的I禹合效率。而光隔离器20中的隔离器芯24置于外管管材21的内部，且置于输入准直器22与输出准直器23之间。包括了第一磁环241、第二磁环242以及第三磁环243。其中第一磁环241和第二磁环242中分别设置有一个隔离装置244，该隔离装置244包括了双折射晶片2441和双折射晶片2443以及置于一对双折射晶片2441和双折射晶片2443之间的法拉第旋转晶片2442，该隔离装置244充分利用法拉第效应，有旋光性的法拉第旋转晶片2442在磁场的作用下，使通过该法拉第旋转晶片2442的光的偏振方向发生旋转。当正向通光时，光由输入准直器22进入光隔离器20的管材21内部，光束进入第一磁环241的隔离装置244内，当光束穿过双折射晶片2441时，由于双折射效应被分为O光(ordinary light,寻常光)和E光(extraordinary light,非寻常光)两束线偏振光,该两束线偏振光在经过法拉第旋转晶片2442后，由于第一磁环241与第三磁环243在第一 N极2412处汇聚的磁场增强的作用下发生磁致旋光效应，两束线偏振光均在偏振方向上旋转了45°，。由于本发明实施例中，双折射晶片2441为楔角片。而选用的楔角片的光轴角度为22.5°，因此，双折射晶片2441与双折射晶片2443之间的光轴角度相差45°。经过法拉第旋转晶片2442发生偏振方向旋转45°的两束线偏振光再经过双折射晶片2443之后，出射时形成两束间距很小的平行光。所以，由输入准直器22射入的光束经过第一磁环241内的隔离装置244后，分为两束间距很小的平行光，穿过第三磁环243进入第二磁环242的隔离装置244内。而从第一磁环241射出的两束平行光，进入第二磁环242的隔离装置244的双折射晶片2441时，被分别分成了 O光和E光，且经过同第一磁环241内隔离装置244 —样的双折射过程以及磁致旋光过程，最终从第二磁环242的隔离装置244出射的两束间距很小的平行光耦合进入输出准直器23中，实现了较小的插入损耗传输。当反向通光时，反向光由输出准直器23进入第二磁环242的隔离装置244内，光束被隔离装置244的双折射晶片2443分为O光和E光，而由于法拉第旋转晶片2442的非互易性，反向传输的两束线偏振光进入双折射晶片2441后发生了 O光和E光的转换，即从双折射晶片2443分出的O光在经过法拉第旋转晶片2442时不发生偏振方向旋转，而直接进入双折射晶片2441，此时进入双折射晶片2441的O光，出射时变为E光；进入双折射晶片2441的E光，出射时变为O光；并且两束反向光出射后被分开较大的角度。在经过第二磁环242的隔离装置244后被分开较大角度的两束反向光再经过第三磁环243射入第一磁环241的隔离装置244，两束反向光如同反向进入第二磁环242的隔离装置244 —样，从第一磁环241的隔离装置244的双折射晶片2441射出时为两束分开较大角度的O光和E光，而被分开的光线，无法耦合进入输入准直器22内，从而实现了对于反向光的隔离作用。特别是，在本发明中，第一磁环241内的隔离装置244设于距离输入准直器22较远的第一 N极2411 —侧，使得隔离装置244与输入准直器22之间的距离较长，能够减弱O光和E光对输入准直器22特别是输入准直器22内的光纤221端面的影响，从而加强了输入准直器22耐高功率的可靠性。本发明所提供的光隔离器20不仅通过三个磁环的组合结构实现较好的散热。该光隔离器20在激光系统中，通过高功率的信号光时，能够将法拉第旋转晶片2442上产生的热量迅速的散发出来，确保光隔离器长时间高功率下的正常稳定工作。本发明所提供的光隔离器20在不同功率的信号光输入下的插入损耗与隔离度的数据由下表可知，在低功率的信号光输入时，本发明所提供的光隔离器的插入损耗在2.2dB左右，隔离度在60dB ;在300毫瓦的信号光输入时，本发明所提供的光隔离器的插入损耗在2.92dB左右，隔离度在60dB ;在500毫瓦的信号光输入时,本发明所提供的光隔离器的插入损耗在3.6dB左右，隔离度在60dB。因此，本发明所提供的光隔离器20能够做到在不同功率的信号光输入时都能达到正向插入损耗低，反向隔离度高且回波损耗高的要求。
权利要求
1.光隔离器，包括一管材、设于所述管材内部的隔离器芯以及分别设于所述管材两端口的输入准直器和输出准直器，其特征在于，所述隔离器芯包括第一磁环、第二磁环、设于所述第一磁环与所述第二磁环之间的第三磁环以及分别设于所述第一磁环与所述第二磁环内的隔离装置，所述隔离装置包括一对双折射晶片以及设于一对所述双折射晶片之间的法拉第旋转晶片。
2.如权利要求1所述的光隔离器，其特征在于，所述第一磁环具有第一N极和第一 S极，所述第二磁环具有第二 N极和第二 S极，所述第三磁环具有第三N极和第三S极，所述第一磁环和所述第二磁环与所述第三磁环之间同极性端靠近设置。
3.如权利要求2所述的光隔离器，其特征在于，所述第一磁环的第一S极与所述输入准直器对接，所述第一磁环的所述第一 N极与所述第三磁环的第三N极对接；所述第二磁环的第二 S极与所述第三磁环的第三S极对接，所述第二磁环的第二 N极与所述输出准直器对接；所述隔离装置分别置于所述第一磁环的第一 N极一侧和第二磁环的第二 S极一侧。
4.如权利要求2所述的光隔离器，其特征在于，所述第一磁环的第一N极与所述输入准直器对接，所述第一 S极与所述第三磁环的所述第三S极对接；所述第二磁环的第二 N极与所述第三磁环的所述第三N极对接，所述第二磁环的所述第二 S极与所述输出准直器对接；所述隔离装置分别置于所述第一磁环的第一 S极一侧和第二磁环的第二 N极一侧。
5.如权利要求1所述的光隔离器，其特征在于，所述隔离装置内的一对双折射晶片与所述法拉第旋转晶片之间采用导热胶粘接固定。
6.如权利要求1所述的光隔离器，其特征在于，所述隔离器芯中的所述第一磁环与所述第三磁环以及所述第二磁环与所述第三磁环之间采用导热胶粘接固定。
7.如权利要求1所述的光隔离器，其特征在于，所述管材为玻璃管材，所述隔离器芯与所述管材之间采用导热胶粘接固定。
8.如权利要求1-7任一项所述的光隔离器，其特征在于，于所述第一磁环与所述隔离装置以及所述第二磁环与所述隔离装置之间还设有金属管，所述隔离装置与所述金属管、所述金属管与所述第一磁环以及所述金属管与所述第二磁环之间采用导热胶粘接固定。
9.如权利要求1-7任一项所述的光隔离器，其特征在于，所述双折射晶片为楔角片，所述楔角片的光轴角度为22.5°。
全文摘要
本发明提供了光隔离器，包括一管材、设于所述管材内部的隔离器芯以及分别设于所述管材两端口的输入准直器和输出准直器，所述隔离器芯包括第一磁环、第二磁环、第三磁环以及隔离装置，所述隔离装置包括一对双折射晶片以及设于一对所述双折射晶片之间的法拉第旋转晶片。本发明所提供的光隔离器采用了三个磁环的组合结构，这种结构设置一方面使得隔离装置内的法拉第旋转晶片上的通光区域处的磁场处于饱和状态，这样可以加强法拉第旋转晶片本身的散热能力，使得光隔离器核心部分的温度更易散发，另一方面，将光隔离器中两个温度源之间间隔一段距离，将两个温度源分开无干扰，更利于光隔离器的散热。
文档编号G02F1/09GK103217815SQ20131007358
公开日2013年7月24日 申请日期2013年3月7日 优先权日2013年3月7日
发明者李泉, 李成宽, 张开汉, 朱少军, 岳超瑜 申请人:深圳朗光科技有限公司