專利名稱：多級(jí)光隔離器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種多級(jí)光隔離器，尤其涉及一種至少兩級(jí)的光隔離器，它只需要在兩個(gè)單向旋轉(zhuǎn)元件之間加入一個(gè)雙折射元件。
光隔離器在光通信系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用。通常，光隔離器是用于防止發(fā)送信號(hào)的反射部分重入發(fā)送器件的。以往較早的現(xiàn)有技術(shù)設(shè)計(jì)都是用一種偏振光選擇方法來防止反射重入發(fā)送器件的。但是，在一定情況下，其中傳送系統(tǒng)會(huì)導(dǎo)致偏振光變化的不可控，從而無法知道信號(hào)的偏振狀態(tài)，因而這些早期的偏振相關(guān)設(shè)計(jì)可以說是不實(shí)用的。因此，后來都大力著手開發(fā)一種偏振不相關(guān)的隔離器。它也可以認(rèn)為是一種光隔離器，它有能力隔離出高能光信號(hào)但沒有綜合考慮這種隔離器的壽命問題。
專利號(hào)為5,033,830而頒證日為1991.7.23且名為“偏振光不相關(guān)的光隔離器”的美國專利公開了一項(xiàng)Jameson提出的現(xiàn)有技術(shù)。它含有一塊單個(gè)的雙折射板，一對(duì)重疊的往復(fù)旋轉(zhuǎn)件(reciprocal rotator)，一個(gè)法拉第旋轉(zhuǎn)件，一個(gè)串列布置在雙折射板近傍的反射鏡。在光的正(傳輸)方向，一束來自光纖的光波信號(hào)由雙折射板分成一對(duì)正交光線。然后，這束正交光線通過第一個(gè)往復(fù)旋轉(zhuǎn)件和提供22.5°轉(zhuǎn)角配置的法拉第旋轉(zhuǎn)件。這束已轉(zhuǎn)向的光線再經(jīng)反射鏡改向折回法拉第旋轉(zhuǎn)件。在通過第二往復(fù)旋轉(zhuǎn)件后，這束正交光重新進(jìn)入上述同一塊雙折射板，在那里它們又重新合成并入射到輸出端光纖。因?yàn)榉ɡ谛D(zhuǎn)件是一種單向器件，任何以反(隔離)方向穿過這個(gè)隔離器的光都將由它一分為二地向雙折射板透射，這樣任何一個(gè)都不會(huì)去阻斷輸入端光纖。在實(shí)際上，上述的Jameson單級(jí)隔離器可以提供足夠的隔離度；但是在有些情況下還需要再增加。這種附加的隔離度，眾所周知是可以通過一種多級(jí)光頻隔離裝置來提供的。通常，這些多級(jí)裝置的制造成本是很大的，常常需要比單級(jí)裝置多出約一倍的光學(xué)元件。尤其重要的是，面對(duì)多了約一倍的元件在互相之間進(jìn)行準(zhǔn)直時(shí)可能是困難的，既耗時(shí)又費(fèi)錢，通常還會(huì)增加整體的準(zhǔn)直誤差。
例如，專利號(hào)為5,581,640且以Pan等人的名義轉(zhuǎn)讓給E-tekDynamics,Inc.的美國專利描述了一種多級(jí)光隔離器，其中兩片偏振鏡的雙折射材料使用的是鈮酸鋰雙折射晶體光劈。這種偏振鏡可以視為是一種帶互補(bǔ)斜面且相互隔開的晶體光劈，見

圖1(即’640專利的圖6)。但是，在光學(xué)元件即圖中所示器件中所有元件之間的間隙是否僅僅為了舉例說明這一點(diǎn)在說明書中是不清楚的。例如，如果圖1的元件64a和64b的有缺口的端面是空氣氣隙，那么這個(gè)端面好像還需要有一層防反射(AR)涂層。
本發(fā)明既不需要對(duì)位于兩個(gè)單向偏振旋轉(zhuǎn)件中間的兩塊晶體涂AR膜，而且可以去除這兩塊晶體，從而也不需要在這些晶體間用粘合劑。
由于本發(fā)明不需要在兩個(gè)單向偏振旋轉(zhuǎn)件之間再設(shè)置兩塊晶體，因而也免除了排列元件時(shí)的復(fù)雜和困難，而在使用兩塊串接晶體的多級(jí)隔離器中這是不可避免的。
本發(fā)明的目的在于提供一種成本相對(duì)較低的光隔離器，它很適宜于傳輸高功率光信號(hào)。
根據(jù)本發(fā)明提供一種多級(jí)光隔離器，至少含有兩級(jí)，其特征在于，它含有輸入端雙折射晶體，用于把一束輸入光分成兩支正交偏振的子光束，輸出端雙折射晶體用于在輸出端把兩支正交偏振的光束結(jié)合成一束單一的輸出光，第一旋轉(zhuǎn)件用于使從輸入端雙折射晶體的輸出端接收的光束的偏振發(fā)生偏轉(zhuǎn)，第二旋轉(zhuǎn)件用于使導(dǎo)向輸出端雙折射晶體的輸入端的光束的偏振發(fā)生偏轉(zhuǎn)，一塊位于中間的雙折射晶體，其厚度大體上是輸入端的和輸出端的雙折射晶體的厚度之和，其位置是在第一和第二旋轉(zhuǎn)件之間，其作用是對(duì)從第一旋轉(zhuǎn)件接收的兩束偏轉(zhuǎn)光進(jìn)行合成，在合成一束后再把所述光束在其內(nèi)分開成兩束光向第二旋轉(zhuǎn)件傳送。
根據(jù)本發(fā)明所提供的一種兩級(jí)光隔離器，其特征在于，它含有兩塊雙折射晶體，各位于一端，厚度各為“t”；至少有兩個(gè)單向旋轉(zhuǎn)件，都位于兩塊雙折射晶體之間；單塊雙折射晶體，厚度大致為“2t”，位于兩個(gè)單向旋轉(zhuǎn)件之間。
根據(jù)本發(fā)明所提供的一種兩級(jí)光隔離器，有小于四個(gè)的雙折射晶體，其特征在于，它含有一塊位于中間的雙折射晶體；兩個(gè)單向旋轉(zhuǎn)件，各位于兩級(jí)光隔離器兩側(cè)各用于分離和合成兩支正交偏振光束；其中，位于中間的雙折射晶體其厚度要大于另外兩塊雙折射晶體的組合厚度；其中，位于中間的晶體其厚度是這樣的當(dāng)兩束正交偏振的分離光，它們分開距離為“d”，被從另外兩塊雙折射晶體中的某一塊接收到時(shí)，入射到位于中間的晶體，在所述晶體內(nèi)這兩束光先合成后發(fā)散，并射出這塊位于中間的晶體，分開距離為“d”。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是所述的隔離器每臺(tái)可以以較低的整體成本對(duì)一束輸入的光信號(hào)實(shí)現(xiàn)高度的隔離。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)還在于所述的隔離器很適合于去隔離高能光信號(hào)。
本發(fā)明的實(shí)施例現(xiàn)用下述附圖予以描述圖1是現(xiàn)有技術(shù)的雙級(jí)光隔離器的側(cè)視圖；圖2a是現(xiàn)有技術(shù)的四級(jí)光隔離器的側(cè)視圖；圖2b是現(xiàn)有技術(shù)的另外一種兩級(jí)光隔離器的側(cè)視圖；圖2c是圖2b所示隔離器的俯視圖；圖3是本發(fā)明所述兩級(jí)光隔離器的一個(gè)實(shí)施例的側(cè)視圖；圖3a～3i說明了用偏振光相關(guān)法分離后以及其偏振被偏轉(zhuǎn)時(shí)一束輸入光的狀態(tài)；圖4a～4i說明了向后入射到圖3i的器件其光的狀態(tài)及其隔離結(jié)果；圖5是有兩個(gè)單向旋轉(zhuǎn)件和三塊晶體的雙級(jí)隔離器的側(cè)視圖，其中位于中間的晶體比輸入、輸出端的要厚一些；圖6a～6f說明了用偏振光相關(guān)法分離后及當(dāng)其穿過圖5的器件后其偏振光被偏轉(zhuǎn)時(shí)一束輸入光的狀態(tài)圖7a～7f說明了向后入射到圖5器件其光的狀態(tài)及其隔離結(jié)果。
現(xiàn)在請(qǐng)參閱圖1，這是一種兩級(jí)偏振光不相關(guān)光隔離器，屬于現(xiàn)有技術(shù)，它含有在兩端反向排列的鈮酸鋰晶體62A和64B，分別位于晶體62A和64B內(nèi)側(cè)的法拉第旋轉(zhuǎn)件63A和63B。夾在兩個(gè)法拉第旋轉(zhuǎn)件63A和63B中間的是晶體64A和62B，它們的相對(duì)側(cè)是互補(bǔ)的斜面。其元件的排列是十分典型的，為了給輸入光提供一種隔離不相關(guān)的狀態(tài)，先把輸入光分成兩支正交偏振的子光束，在這兩束光穿過單向旋轉(zhuǎn)件后再重新合成。這是在元件62A、63A和64A中實(shí)現(xiàn)的。第二級(jí)分離是通過元件62B、63B和64B重復(fù)上述過程而完成的，它們和元件62A、63A和64A在罩殼69內(nèi)列成一行。
同樣地，圖2a中所示的是四級(jí)器件，它屬于同一類型，其中第二個(gè)兩級(jí)的器件80設(shè)在第一個(gè)兩級(jí)的器件70之后。
如上所述，當(dāng)元件端面間有氣隙時(shí)，一般需要涂覆一層AR膜。
圖2b和圖2c說的是另外一種隔離器，它是一種兩個(gè)單級(jí)隔離器，含有金紅石晶體20a和20b，半波片22a和22b，單向旋轉(zhuǎn)件24a和24b以及各自和24a、24b連接的輸入和輸出晶體26a和26b。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)向圖3，這是本發(fā)明所述的兩級(jí)光隔離器的一個(gè)實(shí)施例，它含有兩塊金紅石晶體20a和20b，分別用于把輸入光分成正交偏振的兩束子光束以及把上述兩束正交偏振的子光束合成一束單一的輸出光。位于晶體20a和20b之間的是兩片半波片22a和22b，兩個(gè)以法拉第旋轉(zhuǎn)件形式出現(xiàn)的單向旋轉(zhuǎn)件24a和24b。一塊金紅石晶體26設(shè)置在法拉第旋轉(zhuǎn)件24a和半波片22b之間，它的厚度大體上等于金紅石晶體20a和20b的厚度組合。工作時(shí)，當(dāng)入射到金紅石晶體20a的入射光分離成兩支正交偏振的子光束時(shí)，這兩束光首先穿過往復(fù)旋轉(zhuǎn)半波片24a并偏轉(zhuǎn)45度。然后當(dāng)它們?cè)跈M穿過片24a傳向器件的輸出端時(shí)它們第二次按同一方向又同時(shí)偏轉(zhuǎn)了45度。它們就進(jìn)入厚的晶體26并且匯合結(jié)合，聚焦在沿晶體快軸大致約一半長度位置。傳統(tǒng)的兩級(jí)隔離器在這一級(jí)是把合成光束入射到第二個(gè)隔離器片上的，與此相反，此例中這兩束光在合成后相互交叉彼此分離并繼續(xù)沿著原來的光路前進(jìn)。接著，它們每一個(gè)都由第二片半波片22b同時(shí)旋轉(zhuǎn)45°，然后再由法拉第旋轉(zhuǎn)件24b旋轉(zhuǎn)，此后它們就在輸出口由后一塊金紅石晶體20b合成。
與現(xiàn)有技術(shù)中圖1所示的兩塊晶體64A和62B相比較，使用單一晶體26的優(yōu)點(diǎn)是很多的。當(dāng)使用兩塊晶體時(shí)，水平或軸向的排列對(duì)齊就不是完全理想的了，隔離的效果也許會(huì)受到削弱。
較為合適的是使用單塊晶體，那么這些缺陷就可避免，而且當(dāng)高功率光信號(hào)沿著其快軸大致聚焦到單塊晶體26的中心，則把光束聚焦到兩塊晶體的交界面這樣一種困難就可以避免了。
現(xiàn)在參閱圖3a～圖3i，傳輸途徑定義為從輸入口經(jīng)元件20a、22a、24a、26、24b、22b和20b到輸出口(從左至右)。在一個(gè)備選實(shí)施例(未示)中，可逆的和單向的旋轉(zhuǎn)件的次序是可以互換的。
優(yōu)先把方解石或金紅石作為上述折射晶體片20a、20b和26使用。單向旋轉(zhuǎn)件較佳地作為法拉第旋轉(zhuǎn)件24a、24b，它們使用Y.I.G晶體或加Bi的薄膜晶體。加Bi的薄膜晶體成分，舉例而言，可以是(YbTbBi)3Fe5O12和(GdBi)3(GeAlGa)5O12或Y.I.G的和Y3xBixFe5O12的組合物。
下面，運(yùn)用圖3a～3i對(duì)該器件的操作作詳細(xì)描述。跟蹤進(jìn)入金紅石20d的光束沿著其光經(jīng)向前穿過(如圖所示，從左到右)器件時(shí)，將對(duì)其進(jìn)出每個(gè)光學(xué)元件的情況進(jìn)行說明。參見圖3a金紅石(標(biāo)為RUTILE1)端面下部中央位置的是一束偏振狀態(tài)未明的單束光。這束光在穿過金紅石晶體20a后分成兩支子光束(o光和e光)入射到第一半波片(HWP1)22a上，在那里偏轉(zhuǎn)了45度，見圖3c。這兩束光接著穿過第一法拉第旋轉(zhuǎn)件FR1 24a進(jìn)入厚的金紅石26時(shí)，在那里又再偏轉(zhuǎn)45度，見圖3d。在穿過厚的金紅石26一半的距離后，它們又匯合并聚焦在26的中心附近，見圖3e。然后按照偏振光相關(guān)方式分成兩束正交的分離光如圖所示地進(jìn)入第二半波片HWP2 22b，見圖3f。這束光線又受22b偏轉(zhuǎn)進(jìn)入FR2 24b，見圖3g。它們第二次又受24b偏轉(zhuǎn)并進(jìn)入金紅石晶體20b。圖3i示意在金紅石26b的輸出端這兩束光重新合成后再用傳統(tǒng)的方法通過一個(gè)諸如棒狀漸變折射率(GRIN)透鏡向一條光纖輸出。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)向圖4a～4i，隔離作用利用這些圖來說明。例如，當(dāng)光束進(jìn)入到第二金紅石并能形成反射光束時(shí)，該光束被金紅石晶體20b分離成兩支子光束如圖4b所示進(jìn)入FR2 24b。圖4c說明光束在HWP222b的輸入端面順時(shí)針偏轉(zhuǎn)45度。在穿過HWP2 22b后，光束如圖4d所示在厚的金紅石26的輸入面又反時(shí)針方向偏轉(zhuǎn)45度實(shí)現(xiàn)了第一級(jí)隔離。
第二級(jí)隔離繼續(xù)從金紅石26的中間部分開始，這兩支分離光束如圖4f所示在FR1 24a的輸入面進(jìn)一步拉大了距離。在被FR1 24a偏轉(zhuǎn)45度后又被金紅石22a偏轉(zhuǎn)45度，如圖所示兩支分離光束間隔了一個(gè)大的距離，從而實(shí)現(xiàn)了高的隔離度。
圖5是本發(fā)明的另一實(shí)施例，其中雙級(jí)隔離器的隔離部分含有輸入端金紅石晶體50a(rutile1)，第一法拉第旋轉(zhuǎn)件53a FR1位于中間的較厚的金紅石晶體55以及依次跟著的第二法拉第旋轉(zhuǎn)件53b FR2和輸出端金紅石晶體50b(rutile 2)。為了簡單和清楚起見，準(zhǔn)直/聚焦，輸入/輸出透鏡未示。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)向圖6a～6f，它展示的是當(dāng)一束輸入光入射到隔離器的輸入端且一直傳播到輸出端時(shí)偏振光的各個(gè)狀態(tài)。光束如圖6a所示出射出金紅石50a后，就在法拉第旋轉(zhuǎn)件FR1 53a的輸入端如圖6b所示分成兩支正交偏振的子光束。偏轉(zhuǎn)后這兩束光在厚的金紅石55的輸入端如圖6c所示。然后光束被金紅石55移動(dòng)在法拉第旋轉(zhuǎn)件FR2輸入面的情況見圖6d。這兩束光被旋轉(zhuǎn)件53b所偏轉(zhuǎn)以及它在rutile 2的輸入面的情況見圖6e。輸出端金紅石晶體50b在輸出端把這兩束光合成單束光的情況見圖6f。
圖7a～7f說明了進(jìn)入到隔離器的光從金紅石晶體50b向著金紅石晶體50a的方向返回到輸入端時(shí)光束的一系列偏振狀態(tài)。圖7f說明的是兩支已分離的光束，它們離開用“R”表示的“實(shí)際”輸入端口一段距離。
當(dāng)然，所示的兩級(jí)光隔離器可以作為n級(jí)光隔離器的一部分來使用，其中n＞2。
綜上所述，本發(fā)明所述光隔離器具有高強(qiáng)的處理能力，因?yàn)榇┰狡骷墓饧性诰w內(nèi)部；偏振相關(guān)損耗也由于其高容差而下降；由于任何失配引起的插入損耗也下降了，而這種失配在中間有兩個(gè)晶體的傳統(tǒng)器件中常常是會(huì)在金紅石晶體間發(fā)生的；并且還獲得高消光比。此外，上述所有優(yōu)點(diǎn)都可用一個(gè)器件來實(shí)現(xiàn)，其制造成本也低于傳統(tǒng)的二級(jí)隔離器。
許多其他實(shí)施例還可在本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)設(shè)想出來。
權(quán)利要求
1．一種多級(jí)光隔離器，至少具有兩級(jí)，包括輸入端雙折射晶體，用于把輸入光束分成兩支正交偏振的子光束，輸出端雙折射晶體，用于在其輸出端把兩支正交偏振的光束結(jié)合成一束單一的輸出光，第一旋轉(zhuǎn)裝置，用于使從輸入端雙折射晶體的輸出端接收的光束的偏振發(fā)生偏轉(zhuǎn)，第二旋轉(zhuǎn)裝置，用于使導(dǎo)向輸出端雙折射晶體的輸入端的光束的偏振發(fā)生偏轉(zhuǎn)，一塊位于中間的晶體，其厚度等于輸入端的和輸出端的雙折射晶體的厚度之和，其位置在第一和第二旋轉(zhuǎn)裝置之間，其作用是對(duì)從第一旋轉(zhuǎn)裝置接收的兩束已偏轉(zhuǎn)的光進(jìn)行合并，并且在合并后把所述光束分開以便向第二旋轉(zhuǎn)裝置提供兩束分離的光束。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的多級(jí)光隔離器，其特征在于所述的第一和第二旋轉(zhuǎn)裝置，其每一個(gè)含有往復(fù)旋轉(zhuǎn)件和單向旋轉(zhuǎn)件。
3．根據(jù)權(quán)利要求1所述的多級(jí)光隔離器，其特征在于所述的位于中間的晶體在沿著光從輸入端雙折射晶體傳播到輸出端雙折射晶體的主方向上，其長度大體上等于輸入端雙折射晶體的長度和輸出端雙折射晶體的長度之和。
4．根據(jù)權(quán)利要求3所述的多級(jí)光隔離器，其特征在于所述的雙折射晶體是金紅石晶體。
5．根據(jù)權(quán)利要求1所述的多級(jí)光隔離器，其特征在于所述至少為兩級(jí)的光隔離器其兩級(jí)部分只含三塊雙折射晶體。
6．根據(jù)權(quán)利要求5所述的多級(jí)光隔離器，其特征在于所述的雙折射晶體是金紅石晶體。
7．一種兩級(jí)光隔離器，包括兩個(gè)雙折射晶體，各位于其一端，厚度各為“t”；至少兩個(gè)單向旋轉(zhuǎn)件，位于兩塊雙折射晶體之間；以及一個(gè)單塊雙折射晶體，厚度大致大于“t”，位于兩塊單向旋轉(zhuǎn)件之間。
8．根據(jù)權(quán)利要求7所述的兩級(jí)光隔離器，它含有兩個(gè)往復(fù)旋轉(zhuǎn)件，各位于安置在兩塊雙折射晶體中間的單塊雙折射晶體的不同側(cè)。
9．一種兩級(jí)光隔離器，有小于四個(gè)的雙折射晶體，它含有一塊位于中間的雙折射晶體，兩個(gè)單向旋轉(zhuǎn)裝置，各處于上述位于中間的雙折射晶體的兩側(cè)，以及另外兩塊雙折射晶體，各位于兩級(jí)光隔離器兩側(cè)，各自用于分離和結(jié)合兩支正交偏振的光束，其中，位于中間的雙折射晶體要厚于另外兩塊雙折射晶體的組合厚度，以及其中，位于中間的晶體的厚度是這樣的當(dāng)兩束正交偏振的光束，它們分開距離為“d”，被從另外兩塊雙折射晶體中的某一塊接收到，進(jìn)入到位于中間的晶體時(shí)，在所述晶體內(nèi)這兩束光合并隨后分開，并以基本上具有大約為“d”的間距射出這塊位于中間的晶體。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種多級(jí)光隔離器,含有一塊位于中間的大的雙折射晶體和兩塊較小的晶體,其尺寸是這樣設(shè)計(jì)的:用偏振光相關(guān)法先把輸入光分離成子光束再在輸出端把上述子光束合成輸出光。借助在中間設(shè)置一個(gè)單一的大晶體的方法,需要準(zhǔn)直的元件可更少些,因此需要較少的準(zhǔn)直。此外,本發(fā)明所述的隔離器對(duì)于高功率應(yīng)用是很適合的。
文檔編號(hào)G02F1/09GK1312476SQ0110125
公開日2001年9月12日 申請(qǐng)日期2001年1月5日 優(yōu)先權(quán)日2000年1月5日
發(fā)明者岡納羅·威利斯 申請(qǐng)人:Jds尤尼費(fèi)斯公司