CN101872076A - 光学实验及光纤通信***中实现光学隔离的方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光学实验及光纤通信***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。

Description

光学实验及光纤通信***中实现光学隔离的方法及其装置

技术领域

本发明涉及一种光学实验及光纤通信***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***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***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***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o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***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***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。

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N₁。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π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π/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***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π/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***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。

附图说明

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***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匀轴向磁场。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z轴正方向垂直入射至透振方向为x-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x-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n^-，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

$T=\frac{1}{1+\frac{4R}{{(1-R)}^2}{\sin }^2\left({\mathrm{\φ}}^{-}\right)}$

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，φ^-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φ^-为π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

$T=\frac{1}{1+\frac{4R}{{(1-R)}^2}{\sin }^2\left({\mathrm{\φ}}^{+}\right)}$

式中，φ⁺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

$\mathrm{\Δ\φ}=|{\mathrm{\φ}}^{+}-{\mathrm{\φ}}^{-}|=2\mathrm{\π}\frac{|n^{+}-n^{-}|L}{\mathrm{\λ}}=2\mathrm{\θ}=2\mathrm{VBL}$

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，θ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θ，可以调整不同旋向圆偏振光的单程相移差，当θ＝45°时，所述单程相移差Δφ＝π/2，此时当正向右旋圆偏振光单程相移φ^-为π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φ⁺为π/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π/2的相位差，即，使正向右旋圆偏振光单程相移φ^-为π的整数倍形成完全相长干涉，反向右旋圆偏振光单程相移φ⁺为π/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θ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)。

Claims (10)

1.一种在光学实验及光纤通信***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-Co。

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°。

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