光环形器的制作方法

本实用新型涉及光学器件领域，尤其涉及一种光环形器。

背景技术：

光环形器是利用光在磁光晶体中传播的非互易特性，完成多端口输入输出的定向传播，它的作用是使光信号只能沿规定的端口顺序传输。当光信号从指定的端口输入时，在器件中只能沿规定的端口输出。当光信号的传输顺序变更时，即不按指定的端口传输时，其损耗很大，可实现信号的隔离。

传统高功率环形器结构如图1所示，其主要缺点有：三端口独立设计造成尺寸较大，由于单个core需要调试性能，继而调试难度大不利于量产，以及焊接工艺的问题导致生产效率低下。

继而光环形器在往小型紧凑化，装配简易化和低成本化的方向改进发展。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种小型集成化和高稳定性能的光环形器，

为了实现本实用新型目的，本实用新型提供一种光环形器，包括第一光纤、第二光纤、第三光纤、第一偏振分光器件、第一波片组、第一法拉第旋转器、第二法拉第旋转器、第二波片组、第二偏振分光器件、固定管、第一磁环、第二磁环；第一光纤和第三光纤设置在固定管的第一轴向端，第二光纤设置在固定管的第二轴向端，在第一光纤和第二光纤之间且在固定管内依次放置第一偏振分光器件、第一波片组、第一法拉第旋转器、第二法拉第旋转器、第二波片组和第二偏振分光器件；第一磁环和第二磁环套在固定管外，第一磁环的第一轴向磁性端和第二磁环的第一轴向磁性端连接且极性相同，第一法拉第旋转器位于第一磁环内，第二法拉第旋转器位于第二磁环内。

由上述方案可见，通过将第一光纤、第二光纤、第一偏振分光器件、第一波片组、第一法拉第旋转器、第二法拉第旋转器、第二波片组、第二偏振分光器件和第三光纤依次布置在固定管内，并将第一磁环、第二磁环设置在固定管外，本案将光学器件与易产生粉尘的磁环分离布置，可实现光学器件的洁净组装，也降低了组装难度，提升了生产效率，同时提升整个产品的洁净度，提供高功率条件下的稳定性，同时，将极性相同的磁性端连接，通过组合互斥磁场设计，提高磁场强度，在磁场强度满足相同的法拉第饱和磁场的要求下，相比于单个磁环提供的磁场，本案可更进一步地缩小磁环尺寸，从而有效减少器件整体尺寸，有利于光环形器器件的小型集成化。

更进一步的方案是，第一法拉第旋转器位于第一磁环的轴向中部；或者，第一法拉第旋转器位于基于第一磁环的轴向中部远离第二磁环的侧部。

更进一步的方案是，第二法拉第旋转器位于第二磁环的轴向中部；或者，第二法拉第旋转器位于基于第二磁环的轴向中部远离第一磁环的侧部。

更进一步的方案是，第一磁环的轴向长度和第二磁环的轴向长度均为3mm，第一磁环和第二磁环沿光路方向布置，第一法拉第旋转器和第二法拉第旋转器沿光路方向布置；基于第一磁环的第二轴向磁性端为基准点，第一法拉第旋转器位于光路方向上0.5mm的位置处，第二法拉第旋转器位于光路方向上5.5mm的位置处。

由上可见，根据组合互斥磁场设计的磁场强度分布情况，将法拉第旋转器设置在对应磁环的轴向中部或基于轴向中部的侧部，由于采用了特殊的互斥压缩磁场的设计，从而该位置具有更大的磁场强度，另外在具体应用情况下，磁环轴向长度可为3mm，基于靠外的轴向磁性端为基准点，以此为起点，将第一法拉第旋转器位于光路方向上0.5mm的位置处，第二法拉第旋转器位于光路方向上5.5mm的位置处，从而两个法拉第旋转器处于磁场方向相反和磁场强度相对更高的位置，从而有效提高器件性能和稳定性，也能够缩小器件的整体尺寸。

更进一步的方案是，第一磁环和第二磁环通过焊接方式固定连接。

由上可见，由于第一磁环和第二磁环是互斥相连，故通过焊接方式固定连接，从而提高磁环的连接稳定性。

更进一步的方案是，沃拉斯顿楔角对邻接在第一法拉第旋转器和第二法拉第旋转器之间。

由上可见，对沃拉斯顿楔角对(wedgepair)的光路、光轴和尺寸的设计，将焦点位置调制最佳，提高光的耦合效率，使得整体器件在长度上更加紧凑。

更进一步的方案是，光环形器还包括设置在固定管内的弧形板，弧形板包括弧形底面和安装平面，弧形底面安装在固定管的弧形内壁上，第一偏振分光器件、第一波片组、第一法拉第旋转器、第二法拉第旋转器、第二波片组和第二偏振分光器件安装在安装平面上。

由上可见，利用弧形板的弧形底面安装在固定管的弧形内壁上，且将上述光学器件设置在平直的安装平面上，从而方便于光学器件的安装、定位和调试，从而降低了组装难度，提升了生产效率。

更进一步的方案是，第一偏振分光器件和第二偏振分光器件由yvo4晶体制成。

更进一步的方案是，第一波片组包括第一半波片和第二半波片，第一半波片和第二半波片的光轴夹角呈45°设置，第一半波片和第二半波片沿固定管的径向布置；第二波片组包括第三半波片和第四半波片，第三半波片和第四半波片的光轴夹角呈45°设置，第三半波片和第四半波片沿固定管的径向布置。

更进一步的方案是，光环形器包括双光纤准直器和单光纤准直器，双光纤准直器包括第一光纤和第三光纤，单光纤准直器包括第二光纤。

由上可见，通过yvo4的分光和半波片的偏振态旋转，以及双光纤准直器和单光纤准直器的集成设置，不仅方便于准确装配，也方便调试。

附图说明

图1是现有技术中的光环形器的结构图。

图2是本实用新型光环形器实施例的结构图。

图3是本实用新型光环形器实施例中磁环处的局部结构图。

图4是本实用新型光环形器实施例中组合磁场强度分布图。

图5是本实用新型光环形器实施例中不同位置下的磁场强度对比表。

图6是本实用新型光环形器实施例中p1－p2的光路示意图。

图7是本实用新型光环形器实施例中p2－p3的光路示意图。

以下结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明。

具体实施方式

参照图1和图2，光环形器包括双光纤准直器1、单光纤准直器2、第一偏振分光器件31、第一波片组、第一法拉第旋转器331、第二法拉第旋转器332、第二波片组、第二偏振分光器件37、固定管39、第一磁环351、第二磁环352、沃拉斯顿楔角对34和弧形板38。双光纤准直器1包括第一光纤11、第三光纤12、毛细管13和透镜14，第一光纤11和第三光纤12平行地设置在毛细管13内，毛细管13与透镜14斜面相对，单光纤准直器2包括第二光纤21、毛细管23和透镜24，第二光纤21设置在毛细管23内，毛细管23与透镜24斜面相对。

固定管39采用呈圆管状的玻璃管、金属管或橡胶管等，固定管39具有贯穿设置的安装孔，双光纤准直器1设置在固定管39的第一轴向端，单光纤准直器2设置在固定管39的第二轴向端。弧形板38设置在固定管39内，弧形板38包括弧形底面和安装平面，弧形底面安装在固定管39的弧形内壁上，弧形板38沿固定管39的轴向延伸，继而安装平面也沿固定管39的轴向延伸，第一偏振分光器件31、第一波片组、第一法拉第旋转器331、沃拉斯顿楔角对34、第二法拉第旋转器332、第二波片组和第二偏振分光器件37依次安装在安装平面上，使得位于安装平面上的上述器件均在双光纤准直器1和单光纤准直器2之间。

第一偏振分光器件31和第二偏振分光器件37由yvo4晶体制成，第一偏振分光器件31和第二偏振分光器件37分别呈斜柱设置，并分别在各自的两端设置有相互平行的斜面。

第一波片组包括第一半波片321和第二半波片322，第一半波片321和第二半波片322的光轴夹角呈45°设置，第一半波片321和第二半波片322沿固定管39的径向布置地贴在第一偏振分光器件31的斜面上，第一半波片321和第二半波片322各占第一偏振分光器件31的斜面的一半。

第二波片组包括第三半波片361和第四半波片362，第三半波片361和第四半波片362的光轴夹角呈45°设置，第三半波片361和第四半波片362沿固定管39的径向布置地贴在第二偏振分光器件37的斜面上，第三半波片361和第四半波片362各占第二偏振分光器件37的斜面的一半。

参照图3至图5，并结合图2，沃拉斯顿楔角对34连接在第一法拉第旋转器331和第二法拉第旋转器332之间，沃拉斯顿楔角对34(wedgepair)可采用单轴双折射晶体制成，沃拉斯顿楔角对34包括两个双折射晶体块，两个双折射晶体块相对地设置有斜面，并通过该斜面连接，两个双折射晶体块相背的端面均为垂直与固定管39轴向的平直面，两个双折射晶体块的光轴方向相互垂直。第一法拉第旋转器331和第二法拉第旋转器332固定在沃拉斯顿楔角对相背的端面上，由于双折射晶体块光轴的设置使得折射率的差异，继而发生角度变化，继而使得两束线偏振光调整为汇聚状。本实施例中采用单轴双折射晶体，通过楔角的组合来实现对双尾准直器的匹配。

第一磁环351和第二磁环352套在固定管39外，第一磁环351和第二磁环352分布在轴向两端具有轴向磁性端s和轴向磁性端n，第一磁环351的轴向磁性端s和第二磁环352的轴向磁性端s极性相同地固定连接，在连接时第一磁环351和第二磁环352可采用焊接方式固定连接，当然在本实施例外，亦可采用第一磁环351的轴向磁性端n和第二磁环352的轴向磁性端n极性相同地固定连接。第一法拉第旋转器331位于第一磁环351内，第一磁环351位于第一法拉第旋转器331的径向外侧，第二法拉第旋转器332位于第二磁环352内，第二磁环352位于第二法拉第旋转器332的径向外侧。

下面就第一磁环351、第二磁环352、第一法拉第旋转器331和第二法拉第旋转器332的相对位置进行说明，在本实施例中第一磁环351的轴向长度和第二磁环352的轴向长度均为3mm，第一磁环351和第二磁环352沿光路方向布置，第一法拉第旋转器331和第二法拉第旋转器332沿光路方向布置，基于第一磁环351的第二轴向磁性端为基准点，其作为起点，第一法拉第旋转器331位于光路方向上0.5mm的位置处，第二法拉第旋转器332位于光路方向上5.5mm的位置处。

由于第一磁环351和第二磁环352的相斥极性端连接，故构成组合互斥磁场，且可参见图4的组合磁场强度分布图，本案的组合磁场如实线所示，基于3mm位置处，两边磁场方向相反，磁场强度基本相同，如在相同轴向长度和径向尺寸下的单一磁环，其常规磁场如虚线的所示的，如图5所示，在组合磁环结构(od4.4mm，id3.3mm，l6mm)和常规磁环结构(od4.4mm，id3.3mm，l6mm)相同尺寸和结构下，在0.5mm位置处的常规磁场强度为442.85oe，在5.5mm位置处的常规磁场强度为446.96oe，两位置的磁场强度均不到450oe，相比之下，本案的组合磁场在0.5mm位置处的磁场强度为－918.77oe，在5.5mm位置处的磁场强度为1012oe，两种磁场强度均超过920oe，其磁场强度均满足法拉第饱和磁场的要求，而相同尺寸的单一磁环则无法达到所需要求，需通过增大径向尺寸才能达到饱和磁场要求。

当然，上述具体尺寸的设置只是其中一种较佳实施例，在实际应用中可根据使用需求采用其他尺寸进行布置，并从组合磁场分布趋向可知，第一法拉第旋转器331可设置在位于第一磁环351的轴向中部，或者，第一法拉第旋转器331位于基于第一磁环351的轴向中部远离第二磁环352的侧部，使得第一法拉第旋转器331位于较大磁场强度的位置处。第二法拉第旋转器332可设置在位于第二磁环352的轴向中部，或者，第二法拉第旋转器332位于基于第二磁环352的轴向中部远离第一磁环351的侧部，使得第二法拉第旋转器332位于较大磁场强度的位置处。当然，第一法拉第旋转器331和第二法拉第旋转器332可根据实际应用需求调整具体的位置，以在不同的磁场强度下运作。

参照图6，当光从作为第一端口port1(p1)的第一光纤11输入时，光入射至第一偏振分光器件31后，其偏振分光晶体用于将入射光信号按o光和e光进行分光，随后分别经过第一半波片321和第二半波片322旋转信号光的偏振态，即经过第一半波片321的光逆时针旋转45°，而经过第二半波片322的光顺时针旋转45°，使得两分光偏振态平行，并在xy平面内沿y轴夹角为135°。

随后依次经过第一法拉第旋转器331、沃拉斯顿楔角对34、第二法拉第旋转器332，由于第一法拉第旋转器331和第二法拉第旋转器332的磁场方向相反，故经过第一法拉第旋转器331时偏振态逆时针旋转45°，经过第二法拉第旋转器332时偏振态顺时针旋转45，而沃拉斯顿楔角对34用于调整光路角度，并用于匹配扩束双尾准直器的双光束夹角，实现1x2的管状环路结构，也使得沃拉斯顿楔角对34的焦点位置更短，整体器件长度更紧凑。

两分光再分别经过第三半波片361和第四半波片362，经第三半波片361的光顺时针旋转45°，经第四半波片362的逆时针旋转45°，最后通过第二偏振分光器件37进行合束并耦合输出至作为第二端口port2(p2)的第二光纤21。

参照图7，光从第二光纤21输入并依次经过第二偏振分光器件37、第二波片组、第二法拉第旋转器332、沃拉斯顿楔角对34、第一法拉第旋转器331、第一波片组、第一偏振分光器件31，最后从作为第三端口port3(p3)的第三光纤12，其偏振态的旋转情况如图7所示，而光束的位置是相对地发生偏移，继而可耦合入射至第三光纤12。并且，利用法拉第旋转器的非互易特征，实现光路单向导通，反向隔离的功能，即可隔离由第三端口p3输入的返回光。

上述实施例只是本案的较佳实施例，在实际应用下可具有更多变化，固定管还可呈矩形长条管设置，其轴向则为长度方向，或者在不采用沃拉斯顿楔角对的情况，亦可通过偏振分光器件和准直器的光路调整，也是可以实现光耦合，或者采用三个独立的准直器作为三个端口使用，或者偏振分光器件采用pbs进行偏振分光处理，配合独立的准直器耦合，同样可实现本实用新型目的。另外，第一磁环和第二磁环可采用非常靠近地布置，以实现磁场压缩效果，磁环靠近布置可以理解为磁场的连接，其也是在本实用新型构思下，上述改变属于本实用新型的保护范围内。

由上可见，通过将第一光纤、第二光纤、第一偏振分光器件、第一波片组、第一法拉第旋转器、第二法拉第旋转器、第二波片组、第二偏振分光器件和第三光纤依次布置在固定管内，并将第一磁环、第二磁环设置在固定管外，本案将光学器件与易产生粉尘的磁环分离布置，可实现光学器件的洁净组装，也降低了组装难度，提升了生产效率，同时提升整个产品的洁净度，提供高功率条件下的稳定性，同时，将极性相同的磁性端连接，通过组合互斥磁场设计，提高磁场强度，在磁场强度满足相同的法拉第饱和磁场的要求下，相比于单个磁环提供的磁场，本案可更进一步地缩小磁环尺寸，从而有效减少器件整体尺寸，有利于光环形器器件的小型集成化。