光学隔离器芯的制作方法

光学隔离器芯
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求享有于2020年5月7日提交的题为“optical isolator core in between fiber and collimator lens(光纤和准直透镜之间的光学隔离器芯)”的专利合作条约(pct)申请pct/cn2020/088952的优先权，其内容通过引用整体并入本文。
技术领域
3.本公开总体上涉及光学系统和光学隔离器芯设计，以便为在光学隔离器芯处接收的光提供横向移位离开(walk-off)。


背景技术：

4.光学隔离器(有时称为光学二极管或法拉第隔离器等)是在特定方向上透射光而在相反方向上阻挡光的光学装置。光学隔离器通常用于防止来自光学振荡器(诸如激光腔)外部的不期望的反馈。例如，在一些情况下(例如，在高功率下)，光学反馈可能损坏或破坏激光系统的操作。为了减少光学反馈，可以将光学隔离器插入激光系统中。光学隔离器可以是无源单向、非互易装置，其利用磁光旋转现象来隔离源并保护激光振荡器免受反射。


技术实现要素：

5.在一些实施方式中，光学组件包括：第一光纤和第二光纤；泵浦激光器，用于提供具有第一波长的泵浦光，所述泵浦光通过第一准直透镜、波分复用滤波器、第二准直透镜和布置在所述第一光纤和所述第二准直透镜之间的补偿器耦合到所述第一光纤中；以及隔离器，其布置在所述第二光纤和所述第二准直透镜之间，以传输具有第二波长的信号光，其中所述隔离器包括法拉第旋转器和多个双折射晶体板，以将所述信号光横向移位。
6.在一些实施方式中，单级光学隔离器包括法拉第旋转器以及多个双折射晶体板，其中所述多个双折射晶体板包括第一双折射晶体板和第二双折射晶体板，所述第一双折射晶体板用于将输入光分离成具有第一偏振的光和具有第二偏振的光，所述第二双折射晶体板用于将具有第一偏振的光和具有第二偏振的光在输出光中组合，所述输出光由所述单级光学隔离器横向移位，其中所述法拉第旋转器设置在所述第一双折射晶体板和所述第二双折射晶体板之间。
7.在一些实施方式中，双级光学隔离器包括第一隔离器芯以及第二隔离器芯，所述第一隔离器芯包括第一组层，所述第一组层包括布置在第一对双折射晶体板之间的第一法拉第旋转器和第一半波片；以及第二隔离器芯，其包括第二组层，所述第二组层包括布置在第二对双折射晶体板之间的第二法拉第旋转器和第二半波片，其中所述第一组层和所述第二组层具有相同的厚度和相应的磁取向，以抵消相对于彼此的材料公差和组装公差。
附图说明
8.图1a-图1e示出了单级隔离器的一个或多个示例性实施方式。
9.图2a-图2c示出了包括并联布置的两个隔离器芯的双级隔离器的一个或多个示例性实施方式。
10.图3a-图3c示出了包括串联布置的两个隔离器芯的双级隔离器的一个或多个示例性实施方式。
具体实施方式
11.示例实施方式的以下详细描述参考了附图。不同附图中的相同附图标记可以标识相同或相似的元件。
12.光学隔离器是通常被设计成允许光在向前方向上行进同时阻挡将在向后方向上行进的反射的装置。光学隔离器在许多光学系统和应用中是重要的。例如，单频半导体激光器对外部光学反馈非常敏感。除了其他示例之外，即使来自外部光学电路的非常低水平的光学反射(例如，大约-50db的级别)也足以引起激光相位噪声、强度噪声和/或波长不稳定性的显著增加。因此，在需要低的光噪声和稳定的单个光频率的应用中，通常在每个激光二极管的输出处提供光学隔离器。另一个例子是在需要单向光放大的光放大器中。在这种情况下，如果来自例如连接器和其他光学部件的外部光学反射足够强，则光学增益介质的光学放大的双向性质将引起自振荡。
13.传统的光学隔离器基于设置在两个偏振器(例如，输入偏振器和输出偏振器)之间的法拉第旋转器。在该配置中，在光学隔离器处接收的输入光穿过输入偏振器，该输入偏振器具有与输入光的偏振取向匹配的光轴。然后，法拉第旋转器将输入光信号的偏振沿顺时针方向旋转45度。输出偏振器的光轴相对于输入偏振器取向为45度，这允许光信号以很小的衰减通过。如果存在来自输出偏振器下游的一个或多个部件的反射，则反射光必须穿过输出偏振器和法拉第旋转器。因为法拉第旋转器是非互易装置，所以反射光的偏振状态将在与输入光相同的方向上旋转附加的45度，从而变得与输入偏振器的光轴正交。因此，输入偏振器有效地阻挡反射光并确保通过光学隔离器的单向光传输。
14.因此，在传统的光学隔离器设计中，光学芯以小角度偏转准直光束，这可以用于准直光束应用中。例如，一个准直光束应用可以涉及将隔离器芯与波分复用器滤波器和泵浦芯片集成在组合具有不同波长的光束的光学组件(例如，泵浦组合器)中。例如，光学组件可以包括接收第一波长(例如，1550纳米(nm))的输入信号的输入支路和其中第一波长的输入信号与具有第二波长(例如，980nm)的泵浦光组合的输出支路。这种准直光束应用中的典型方法是将光学隔离器放置在wdm滤波器和准直透镜之间的区域中，该准直透镜具有最大的物理空间来将光学隔离器集成在装置内。然而，如果光学隔离器放置在wdm滤波器和准直透镜之间的区域中，则光学隔离器可以阻挡相对于输入光在相反方向上行进的泵浦光(例如，因为光学隔离器通常包括对980nm泵浦光具有高吸收的材料，例如石榴石)。
15.本文描述的一些实施方式提供了一种隔离器芯和/或光学系统(例如，光学组件和/或光学装置)，其包括设计为提供横向移位离开的隔离器芯。例如，不是偏转在隔离器芯处接收的输入光束中的光，而是隔离器芯可以包括法拉第旋转器、多个双折射晶体板和/或半波片(hwp)，其被布置为在空间上分离和/或组合具有低偏振模色散(pmd)、偏振相关损耗(pdl)和/或插入损耗(il)的输入光束的正交偏振分量。此外，隔离器芯可以具有防止进入光学隔离器的输出侧的向后行进的光耦合到光学隔离器的输入侧的设计，这可以实现光学
隔离。在一些实施方式中，隔离器芯可以在光学组件中位于光纤和准直透镜之间，以实现同一侧输入/输出光纤(即，组件的同一侧)、集成的980nm/1550nm wdm功能、自补偿pmd和/或自补偿pdl。在一些实施方式中，隔离器芯可以具有通过利用光纤和准直透镜之间的空间来节省空间的设计。此外，隔离器芯设计可以提供将隔离器芯放置在光学组件的输入支路、光学组件的输出支路或光学组件的输入支路和输出支路两者中的灵活性。例如，在前向泵浦掺铒光纤放大器(edfa)中，其中980nm泵浦光通过wdm滤波器耦合到输出支路中，隔离器芯可以布置在输入支路中(例如，因为隔离器芯否则可能阻挡980nm泵浦光)。在另一示例中，在反向泵浦edfa中，其中980nm泵浦光通过wdm滤波器耦合到输入支路中，隔离器芯可以设置在输出支路中。在一些实施方式中，光学隔离器设计可以使输入光纤和输出光纤能够位于组件的同一侧，这可实现与980nm泵浦激光器芯片和/或监视器光电二极管的集成。
16.图1a-图1e示出了单级隔离器110的一个或多个示例性实施方式100。如图1a-1c所示，对于前向泵浦edfa，单级隔离器110(在本文中可以称为隔离器芯110)可以布置在光学组件中，以横向移位在隔离器芯110处接收的输入光束。例如，如图所示，隔离器110可以用于诸如泵浦组合器的光学组件中，该光学组件包括双光纤尾纤120或与双光纤尾纤120对接，双光纤尾纤120包括光学组件的输入支路中的输入光纤和光学组件的输出支路中的输出光纤。如图1a-1c所示，单级隔离器芯110可以位于双光纤尾纤120和第一准直透镜130-1(例如，第一非球面透镜(a透镜))之间。光学组件还可以包括泵浦芯片(或泵浦激光器)160以提供具有第一波长(例如，980nm)的泵浦光，其可以通过第二准直透镜130-2(例如，第二a透镜)、wdm滤波器140、第一准直透镜130-1和布置在双光纤尾纤120和第一准直透镜130-1之间的补偿器150耦合到输出支路中。
17.如图1a-图1c所示，光学组件可以是泵浦组合器、前向泵浦edfa或其他合适的装置，其中单级隔离器芯110设置在输入支路中以接收具有第二波长(例如，1550nm)的信号光，该信号光在输出支路中与来自泵浦芯片160的泵浦光组合。在这种情况下，泵浦光可以通过第二准直透镜130-2、wdm滤波器140(其在泵浦光的波长处是透射的)、第一准直透镜130-1和补偿器150耦合到输出支路中。替代地，在反向泵浦edfa(未示出)或其中泵浦光要耦合到输入支路的另一合适装置中，单级隔离器芯110可以设置在输出支路中，并且泵浦光可以通过第二准直透镜130-2、wdm滤波器140、第一准直透镜130-1和补偿器150耦合到输入支路。因此，隔离器芯110和补偿器150可以在双光纤尾纤120和第一准直透镜130-1之间、在输入支路和输出支路中彼此相邻地布置(反之亦然)。
18.在一些实施方式中，光学组件可以设置在具有高度集成的泵浦平台设计的集成模块中。例如，如图1a所示，集成模块可以包括各种机械部件，例如金属支架170，以固定或以其他方式支撑光学部件，例如双光纤尾纤120、隔离器芯、补偿器150、准直透镜130和wdm滤波器140。另外，在隔离器芯110与泵浦芯片160集成的情况下，集成模块可以包括用于安装泵浦芯片160的封装180和用于与一个或多个外部部件进行接口的封装引脚190。在另一示例中，隔离器芯110可以用在自由空间光学器件配置或另一合适配置的输入支路和/或输出支路中，该另一合适配置可以是较大组件的一部分，而不具有直接耦合到隔离器芯110和补偿器150中和/或从隔离器芯110和补偿器150中耦合出来的光纤。因此，应当理解，本文描述的组件仅是示例性的，并且隔离器芯110和/或其变型可以用于任何合适的光学装置或应用中。
19.在一些实施方式中，通过将隔离器芯110和补偿器150定位在双光纤尾纤120和第一准直透镜130-1之间，可以在输入支路和输出支路之间实现大于18分贝(db)的光学隔离。在一些实施方式中，补偿器150可以补偿输入支路和输出支路之间的光路。在一些实施方式中，在图1a所示的光学组件中，输入支路的光纤芯和输出支路的光纤芯可以具有460微米(μm)的光纤芯到光纤芯距离，准直透镜130可以具有2.7毫米(mm)焦距，并且wdm滤波器140可以是980nm(透射)/1550nm(反射)滤波器。输入支路和输出支路可以是将光纤模直径从6μm扩展到9μm的热膨胀芯(tec)光纤。以这种方式，包括隔离器芯110的光学装置可以具有3.0mm或更小的直径。
20.在一些实施方式中，如本文所述，隔离器芯110可以被配置为接收并提供横向移位离开(walk-off)，以将信号光朝向第一准直透镜130-1传输，所述第一准直透镜130-1产生由wdm滤波器140反射的准直光束(例如，wdm滤波器140在与泵浦光相关联的波长下是透射的，并且在与信号光相关联的波长下是反射的)。以这种方式，泵浦光和信号光被组合，并通过第一准直透镜130-1耦合到补偿器150中。此外，通过将隔离器芯110定位在双光纤尾纤120和第一准直透镜130-1之间(而不是在第一准直透镜130-1和wdm滤波器140之间)，隔离器芯110不会阻挡相对于(输入)信号光反向传播的泵浦光。在一些实施方式中，为了将信号光横向移位，隔离器芯110可以包括一组层或部件，所述一组层或部件被设计为在空间上分离和组合具有低pmd、低pdl和/或低il的信号光的正交偏振分量。如本文所述，隔离器芯110可以包括法拉第旋转器、输入偏振器(例如，第一双折射晶体板)、输出偏振器(例如，第二双折射晶体板)和附加部件(例如，第三双折射晶体板或半波片)，它们结合在一起(例如，通过粘合材料，例如环氧树脂等)。此外，如本文所述，可以控制隔离器芯110的各个层或部件的厚度和角度，以产生横向移位离开。
21.例如，如图1d所示，隔离器芯110可以包括由石榴石制成的法拉第旋转器112，以及第一双折射晶体板114-1，以接收包括正交偏振分量的输入光(例如，o光和e光，其可以分别指代具有水平偏振的光和具有垂直偏振的光)。在一些实施方式中，输入光可以通过第一双折射晶体板114-1在空间上分离成正交偏振分量。举例来说，第一双折射晶体板114-1可包含双折射材料，例如原钒酸钇(yvo4)，或具有取决于光的偏振及传播方向的折射率的另一合适材料。因此，因为正交偏振分量具有不同的偏振，所以第一双折射晶体板114-1相对于o光和e光具有不同的折射率，这使得o光和e光在空间上分离。然而，在隔离器芯110的输出处，o光和e光必须精确地组合在一起以避免偏振相关损耗或其他性能问题。因此，在o光和e光穿过第一双折射晶体板114-1之后，o光和e光由法拉第旋转器112旋转，并且提供另一对双折射晶体板114-2、114-3以组合o光和e光。
22.通常，在组装过程期间控制法拉第旋转器112和三个双折射晶体板114的厚度和角度可能是具有挑战性的，因为法拉第旋转器112和三个双折射晶体板114可以具有不同的材料公差(例如，相对于期望厚度加或减十微米)和不同的组装公差(例如，相对于期望角度加或减一定度数)。因此，在一些实施方案中，法拉第旋转器112可具有相对于邻近双折射晶体板114中的一者(例如，双折射晶体板114-1或双折射晶体板114-2)的固定取向，且其它两个双折射晶体板114可以以两个自由度旋转以调节必要角度以确保o光及e光在来自第三双折射板114-3的输出处精确地组合。例如，在一些实施方式中，法拉第旋转器112和第一双折射晶体板114-1可以是固定的，并且其他双折射晶体板114-2、114-3可以旋转以补偿不同的材
料和/或组装公差。替代地，可固定法拉第旋转器112及第二双折射晶体板114-2，且可旋转其它双折射晶体板114-1、114-3以补偿材料及/或组装公差。以这种方式，如图1d所示，o光和e光可以在从隔离器芯110输出或以其他方式由隔离器芯110传输的光中组合。在一个示例中，下面的表1示出了可以实现横向移位离开的隔离器芯110的设计特性，其中α、β和γ是每个双折射晶体板114的光轴的方位角，所述双折射晶体板中的一个相对于法拉第旋转器112固定，并且其中的两个是可旋转的。
[0023][0024]
表1
[0025]
替代地，在一些实施方式中，单级隔离器芯110可以具有如图1e所示的设计，其中隔离器包括第一双折射晶体板114-1、半波片(hwp)、法拉第旋转器112和第二双折射晶体板114-2。在这种情况下，不同的层(例如，第一双折射晶体板114-1和第二双折射晶体板114-2)可以从一个较大的块(例如，yvo4)切割。因此，图1d所示的设计通过旋转三个双折射晶体板114中的两个来实现对隔离器芯110的部件的厚度和角度的精确控制，图1e所示的设计可以确保o光和e光组合在一起以最小化pdl和/或插入损耗，因为不同的层具有相同的材料公差。以这种方式，即使隔离器芯110中的层未被完美地调节，o光和e光也将在来自隔离器芯110的输出处组合，因为双折射晶体板114-1、114-2层具有相同的厚度和相应的磁取向(例如，相反或相同的磁取向)以抵消相对于彼此的材料公差和组装公差。
[0026]
在一些实施方式中，如上所述，法拉第旋转器112可以由石榴石制成。例如，法拉第旋转器112可以由稀土铁石榴石(rig)单晶制成，该稀土铁石榴石单晶通常需要磁场来用作法拉第旋转器112和/或无磁石榴石(在本文中称为闭锁石榴石)。例如，当法拉第旋转器112由rig单晶制成并且rig暴露于大于饱和场的外部磁场时，与外部磁场相反的方向上的磁畴被中和，并且在对准了磁化方向的方向上形成单个磁畴。以这种方式，因为穿过具有单个磁畴的rig的光在一个方向上经受法拉第旋转，所以rig单晶可以用作法拉第旋转器112。替代地，在法拉第旋转器112由闭锁(或无磁)石榴石制成的情况下，一旦在强外部磁场中被磁化，则即使外部磁场稍后被移除，法拉第旋转器112也可以保持其单畴结构(尽管可以通过施加强外部磁场来反转单畴结构)。因此，当用作法拉第旋转器112时，闭锁石榴石不需要外部磁场。换句话说，闭锁石榴石用作法拉第旋转器112，而不暴露于外部磁场。
[0027]
如上所述，图1a-图1e是作为一个或多个示例来提供的。其他示例可以与关于图1a-图1e所描述的示例不同。
[0028]
图2a-图2c示出了包括并联布置的两个隔离器芯的双级隔离器的一个或多个示例性实施方式200。例如，如图2a-图2c所示，双级隔离器可以包括并联布置的第一隔离器芯210-1和第二隔离器芯210-2。例如，如图2a所示，第一隔离器芯210-1可以设置在光学组件的输入支路中，并且第二隔离器芯210-2可以设置在光学组件的输出支路中。在这种情况下，双级隔离器可以与单独隔离器应用中的准直透镜230和wdm滤波器240一起使用，以仅透
2。在这种情况下，在第一隔离器芯310-1和第二隔离器芯310-2串联布置的情况下，第一法拉第旋转器312-1和第二法拉第旋转器312-2可以取向成使得第一法拉第旋转器312-1的磁畴方向与第二法拉第旋转器312-2的磁畴方向相同。因此，因为各个层是从相同的原材料(例如，相同的石榴石和/或yvo4块)切割的，所以双级隔离器310可以包括具有特定性质(例如，相同的磁取向、厚度、角度等)的两个隔离器芯310-1、310-2。以这种方式，在第一隔离器芯310-1的输入偏振器(例如，双折射板314-11)处接收的输入光可以在空间上分离成具有正交偏振的分量(例如，o光和e光)，并且即使第一组层未被完美调节，分量也可以在第一隔离器芯310-1的输出偏振器(例如，双折射板314-12)处重新组合。在类似的方面，由第一隔离器芯310-1横向移位的光在第二隔离器芯310-2的输入偏振器(例如，双折射板314-21)处被接收，其中光再次在空间上分离成正交分量，所述正交分量在第二隔离器芯310-2的输出偏振器(例如，双折射板314-22)处重新组合。因此，在由第二隔离器芯310-2横向移位的光穿过准直透镜330之后，包括具有正交偏振的分量的光被wdm滤波器340反射回输出支路。此外，如图3c所示，并且由附图标记350所示，从输出支路反射到输入支路的任何向后行进的光被分离成具有正交偏振的分量。以这种方式，双级隔离器310的设计使得向后行进的光被引导或以其他方式转向远离光通过输入支路输入的位置或点，由此向后行进的光不耦合到输入支路中，并且在输入支路和输出支路之间实现高隔离。
[0033]
如上所述，图3a-图3c是作为一个或多个示例来提供的。其他示例可以与关于图3a-图3c描述的示例不同。
[0034]
前述公开内容提供了图示和描述，但并不旨在穷举或将实施方式限制为所公开的精确形式。可以根据上述公开内容进行修改和变化，或者可以从实施方式的实践中获得修改和变化。此外，除非前述公开明确地提供了一个或多个实施方式不可以组合的原因，否则可以组合本文描述的任何实施方式。
[0035]
如本文所使用的，术语电路、集成电路、芯片、芯片组、管芯、半导体装置、电子装置和/或类似物旨在被广泛地解释为适用于本文描述的各种实施方式，因为这些术语可以在电子领域中互换使用。关于电路、集成电路和/或类似物，电源、接地和各种信号可以经由物理导电连接耦合在电路元件(例如，电阻器、电感器、电容器、晶体管和/或类似物)之间。这样的连接可以被称为输入、输出、输入/输出(i/o)、端子、线、引脚、焊盘、端口、接口或类似的变型和组合。尽管电路之间和之中的连接可以通过电导体来进行，但是电路和其他电路元件可以附加地或替代地通过光学、机械、磁、静电、电磁和/或其他合适的接口来耦合。
[0036]
显而易见的是，本文描述的系统和/或方法可以以不同形式的硬件、软件、电路或其组合来实现。用于实现这些系统和/或方法的实际专用控制硬件、软件代码或电路不限制实现方式。因此，本文描述了系统和/或方法的操作和行为而不参考特定软件代码——应当理解，软件和硬件(例如，集成电路)可以被设计为基于本文的描述来实现系统和/或方法。
[0037]
尽管在权利要求书中叙述和/或在说明书中公开了特征的特定组合，但是这些组合并不旨在限制各种实施方式的公开内容。事实上，这些特征中的许多可以以权利要求书中未具体叙述和/或说明书中未公开的方式组合。尽管下面列出的每个从属权利要求可以直接从属于仅一个权利要求，但是各种实现方式的公开内容包括每个从属权利要求与权利要求集合中的每个其他权利要求的组合。
[0038]
除非明确描述如此，否则本文使用的元件、动作或指令不应被解释为关键或必要
的。此外，如本文所使用的，冠词“一”旨在包括一个或多个项目，并且可以与“一个或多个”互换使用。此外，如本文所使用的，冠词“该”旨在包括结合冠词“该”引用的一个或多个项目，并且可以与“一个或多个”互换使用。此外，如本文所使用的，术语“集合”旨在包括一个或多个项目(例如，相关项目、不相关项目、相关和不相关项目的组合等)。在仅意图一个项目的情况下，使用短语“仅一个”或类似语言。此外，如本文所使用的，术语“有”、“具有”、“拥有”等旨在是开放式术语。此外，除非另有明确说明，否则短语“基于”旨在表示“至少部分地基于”。此外，如本文所使用的，术语“或”在串联使用时旨在是包含性的，并且可以与“和/或”互换使用，除非另有明确说明(例如，如果与“任一个”或“仅一个”组合使用)。
[0039]
此外，为了便于描述，本文可以使用空间相对术语，例如“下方”、“下部”、“上方”、“上部”等，以描述如图所示的一个元件或特征与另一个元件或特征的关系。除了图中描绘的取向之外，空间相对术语旨在涵盖使用或操作中的设备、装置和/或元件的不同取向。设备可以以其他方式取向(旋转90度或以其他取向)，并且本文使用的空间相对描述符同样可以相应地解释。