法拉第旋光方法及装置和使用该装置的光隔离方法及装置

1.一种法拉第旋光的实现方法，其特征在于，为实现最高消光比，所述方法为，使反向光经过旋光元件之间的半波片时，偏振光的偏振态正好与半波片的光轴平行或成90度。
2.根据权利要求1所述的法拉第旋光的实现方法，其特征在于，所述旋光元件包括法拉第元件及磁环，法拉第元件设于磁环中，法拉第元件的轴心与磁环轴心在同一轴线。
3.一种法拉第旋光装置，其特征在于，所述法拉第旋光装置包括法拉第元件、磁环及半波片；法拉第元件设于磁环中，法拉第元件的轴心与磁环轴心在同一轴线上，组成一旋光元件；两个以上旋光元件沿轴向彼此磁极反向排列，在相邻两个旋光元件之间的轴线上，设有半波片。
4.根据权利要求3所述的法拉第旋光装置，其特征在于，所述旋光元件为两个，旋光元件沿轴向彼此磁极反向排列，两个旋光元件之间的轴线上，设有半波片。
5.根据权利要求3所述的法拉第旋光装置，其特征在于，所述旋光元件为三个，旋光元件沿轴向彼此磁极反向排列，相邻两个旋光元件之间的轴线上，设有半波片。

法拉第旋光方法及装置和使用该装置的光隔离方法及装置\n技术领域\n[0001] 本发明涉及激光器或光通讯等系统中的磁光器件技术，特别涉及光隔离器中的法拉第旋光装置相关技术。\n背景技术\n[0002] 法拉第旋光装置是目前光隔离器应用的核心器件。然而，目前已知的法拉第旋光材料在可见光400nm到1μm波长范围内的维尔德常数(Verdet Constant)都非常小，这就使得在这个波长范围内的光隔离器产品需要非常高的磁场强度和大量的法拉第晶体。从而，也导致了这个波长范围的光隔离器产品成本高、且不易生产。作为这个波段最主要的应用-光纤激光器技术，正在成为工业激光器的主流技术。其在材料加工、激光达标、激光武器等方面的应用正在飞速发展。今年，国家也加大了对光纤激光器技术的投入和支持。而隔离器已经成为限制其快速发展的瓶颈之一。\n[0003] 相关方面的研究为：\n[0004] 《电子技术》，2009(02)：31-32.该论文重点介绍了微型宽带光隔离器的设计方法。\n光隔离器包括偏振无关型在线式光隔离器和偏振相关小型化光隔离器。普通的偏振无关光隔离器一般都需要将光拆成o光和e光两部分，这就必须得用到偏光分束器。常用的偏光分束器有两种：1.双折射楔形晶体；2.平行分束的双折射一型晶体。它们有着明显的缺点：前者会使o光和e光在晶体中的光程不一样，产生自 然偏振膜色散，必须得外加偏振膜色散补偿片，这样一来既增加了成本又增大了隔离器的体积。后者虽然可以使o、e光光程相同，但晶体本身体积过大，难以满足现今光通信系统对器件小型化的要求。为此，设计了一种无需偏振膜色散补偿片，而在法拉第旋光片后加入1/4波片或全波片来达到扩展带宽目的的微型带宽光隔离器，克服了以上两者的缺点，不仅减小了反向隔离度，并可以使50dB光隔离器的隔离度范围变成大约80dB以上，故称为微型宽带光隔离器。\n[0005] 又如：\n[0006] 《激光与红外》，2006(02)：125-127.该文章提出了一种小型化光隔离器的设计方案，通过理论分析其实现原理以及各个光学参数，并由实验证实了该方案的有效性。设计结果表明，在保证获得优良参数情况下，采用该方案能使光隔离器结构更紧凑，且有效降低其成本和装配难度。通过1/4波片及全波片对法拉第旋光片的旋光色散特性补偿后，可使该器件的隔离度参数随波长变化不敏感，此外，由于采用对称的光路设计，该方案的偏振模色散理论值为0，无需额外补偿。\n[0007] 再如：\n[0008] 公开号为CN1389991[P]发明专利中，提供了一种增加隔离器隔离度带宽的方法及其宽带光隔离器，将法拉第旋光晶体的角度色散转化为偏振光的相位变化，然后用全波片减小相位变化，从而消除由法拉第旋光晶体的角度色散引起的器件隔离度的变化，使隔离器的带宽增加，隔离度增大。其宽带光隔离器由偏振分光器、法拉第旋光晶体、偏振合光器及在偏振分、合光器之间的全波片和λ/4波片组成。\n[0009] 再如：\n[0010] 公开号为CN201859277U[P]的实用新型专利中，一种用于光纤通信的光隔离器，其特征在于依次沿通光方向相互平行放置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；正向光偏振态控制组件为依次沿通光方向相互平行放置的第一线偏振器和第一四分之一波片；隔离组件为依次沿通光方向相互平行放置的第一高反射率反射体、法拉第旋光装置和第二高反射率反射体和永磁体；反向光偏振态控制组件为依次沿通光方向相互平行放置的第二四分之一波片和第二线偏振器。有益效果：法拉第旋转角的小幅变化不会严重劣化光隔离器的性能，降低了对法拉第磁光材料温度稳定性的要求；仅利用单级隔离就实现40-65dB以上隔离度的要求；光线不产生横向位移，光路短，可以实现器件的小型化。\n[0011] 技术内容\n[0012] 本发明目的是针对以上现有技术的不足，提供一种只允许线偏振光平行于主轴的偏振态光通过，以排除由于半波片加工精度所引起的消光比劣化，以提供最大可能的消光比，且基于此种法拉第旋光装置的隔离器也可以实现最大可能的隔离度，工作稳定的法拉第旋光装置结构。\n[0013] 本发明的目的可以通过以下技术方案实现：一种法拉第旋光的实现方法，为实现最高消光比，所述方法为，使反向光经过旋光元件之间的半波片时，偏振光的偏振态正好与半波片的光轴平行或成90度。\n[0014] 所述的法拉第旋光的实现方法，其旋光元件包括法拉第元件及磁环，法拉第元件设于磁环中，法拉第元件的轴心与磁环轴心在同一轴 线。\n[0015] 一种法拉第旋光装置，其法拉第旋光装置包括法拉第元件、磁环及半波片；法拉第元件设于磁环中，法拉第元件的轴心与磁环轴心在同一轴线上，组成一旋光元件；两个以上旋光元件沿轴向彼此磁极反向排列，在相邻两个旋光元件之间的轴线上，设有半波片。\n[0016] 所述的法拉第旋光装置，其旋光元件为两个，旋光元件沿轴向彼此磁极反向排列，两个旋光元件之间的轴线上，设有半波片。\n[0017] 所述的法拉第旋光装置，其旋光元件为三个，旋光元件沿轴向彼此磁极反向排列，相邻两个旋光元件之间的轴线上，设有半波片。\n[0018] 本发明的优点在于，提供了一种只允许线偏振光平行于主轴的偏振态光通过，以排除由于半波片加工精度所引起的消光比劣化，以提供最大可能的消光比，且基于此种法拉第旋光装置的隔离器也可以实现最大可能的隔离度，工作稳定的法拉第旋光装置结构即应用该旋光器光隔离器。\n附图说明\n[0019] 图1为本发明由两个相反磁性磁环组成的法拉第旋光装置的截图示意图；\n[0020] 图2为本发明由三个相反磁性磁环组成的法拉第旋光装置的截图示意图；\n[0021] 图3A为本发明线偏正光通过理想的，和波片主轴成45度角的半波片的示意图；\n[0022] 图3B为本发明线偏正光通过不完整的，和波片主轴成45度角的半波 片的示意图；\n[0023] 图4A为本发明偏振态平行于半波片快轴的线偏振光通过半波片的示意图；\n[0024] 图4B为本发明偏振态平行于半波片慢轴的线偏振光通过半波片的示意图；\n[0025] 图5A为本发明由两个法拉第元件组成的法拉第旋光装置以及单偏振态的偏振光正向通过该旋光装置的截图示意图；\n[0026] 图5B为本发明由两个法拉第元件组成的法拉第旋光装置以及单偏振态的偏振光反向通过的该旋光片的截图示意图；\n[0027] 图6A为本发明的由三个法拉第元件组成的法拉第旋光装置以及单偏振态的偏振光正向通过的该旋光装置的截图示意图；\n[0028] 图6B为本发明由三个法拉第元件组成的法拉第旋光装置以及单偏振态的偏振光反向通过的该旋光装置的截图示意图；\n[0029] 图7A为本发明光隔离器，以及光束正向通过该隔离器的侧面截图示意图；\n[0030] 图7B为本发明光隔离器，以及光束反向通过该隔离器的侧面截图示意图。\n具体实施方式\n[0031] 法拉第旋光装置是一种磁光器件，由法拉第元件和磁环组成。磁环为法拉第元件提供了用于产生法拉第效应的磁场。通过这种法拉第效应，可以使通过法拉第旋光装置的光线的不同偏振态产生偏转。由于这种偏转的单向性，法拉第旋光装置可以被应用于光隔离器中。 这种光隔离器可以只允许正向光线通过，并阻止反向光线通过，以保证整个激光系统的稳定性。当法拉第旋光装置被用于光隔离器时，正向和反向旋转的角度和必须为90度，以保证反向光被隔离；下面的法拉第偏转角度的计算公式：\n[0032]\n[0033] 其中，L代表法拉第元件的长度，V代表法拉第元件的维尔德常数，H代表光传输方向上的磁场。在可见光到1um波长范围内，可被用作法拉第元件的透明顺磁性材料的维尔德常数都非常小。因此，在这段波长范围内，需要非常强的磁场才能实现所需要的法拉第旋转角度。\n[0034] 为获得用于产生法拉第效应的强磁场，其获得强磁场的方法是在轴向排列多个磁化为相反磁极的磁环，由于这种复合的磁环所产生的磁场是由各个单独磁场重叠而成，因此可以产生比单个磁环强得多的磁场。也因此，这种磁环阵列的尺寸，比产生相同强度磁场的单独磁环要小得多。在这种复合磁环中，法拉第旋转的方向由沿轴向彼此反向排列的磁场方向决定。因此，除了磁环和法拉第元件外，还需要在相邻的两个旋光元件中间放入半波片才能实现设定的法拉第偏转方向。半波片本质上是一个拥有特定方向和厚度的双折射晶体。它的功能相当于是一个可以改变通过它的光波的偏振态的减速器。当半波片在厚度上存在偏差时，它会把线偏振光改变为低消光比的椭圆偏振 光，进而降低了法拉第旋光装置的消光比。因此，基于此种法拉第旋光装置的光隔离器的隔离度会受限于它的消光比。\n[0035] 在图1中，数字100标记为此项法拉第旋光装置的第一种整体结构，其中包含了两个同轴的磁环101、102，磁环中间为光通过孔；光通过孔内为两个由顺磁性材料构成的法拉第元件103，104，以及放置在两个旋光元件之间的半波片105。图中通过代表磁极字母N和S可以表明磁环101和102放置为同轴但是磁极相反，因此在通孔内可以获得非常强的磁场。\n[0036] 在图2中，数字200标记为此项法拉第旋光装置的第二种整体结构，其中包含了三个同轴的磁环201、202和203，磁环中间为光通过孔。通孔内为三个由顺磁性材料构成的旋光元件204，205和206，以及放置在旋光元件之间的两个半波片207和208。同样，为了在通孔内获得高强度的磁场，磁环201，202和203放置为同轴但是与相邻磁环之间磁极相反。\n[0037] 如之前所描述，半波片是此项改进的法拉第旋光装置的核心元件。半波片是由双折射晶体材料制成，并按照其光轴方向平行于表面的结构切割而成。当寻常折射率小于非寻常折射率时，例如石英，光轴被称作为快轴；而反过来，垂直表面平面的方向则被称为慢轴。快轴和慢轴都被称为波片的主轴。光线中平行于快轴的偏振态传输速度快于垂直于快轴的偏振态，由此产生相位差。对于不同厚度的玻片，通过偏振器件两个轴方向的光会产生不同偏振态的出射光。\n[0038] 半波片会延迟一个偏振态半波长或者180度相位差，因此可以改 变线偏振光的偏振方向。如图3A所示，为线偏振光通过理想半波片301的示意图，恰好延迟半波长。半波片\n301放置的位置为主轴302和Z轴垂直，同时和X、Y轴都成45度角。如303所示，入射光为传输方向与Z轴平行，偏振方向与Y轴平行的线偏振光。如304所示，出射光仍然为线偏振光，但是偏振态已经翻转到主轴的另外一面(偏振方向与X轴平行)。\n[0039] 现实中，由于加工精度的限制，半波片的厚度总是存在偏差。考虑到这个因素，图\n3B所示为现实中线偏振光通过厚度存在偏差的半波片后的翻转结果。厚度存在偏差的半波片305和之前的放置方法完全一样，其主轴305和X、Y轴都成45度角。它将相同的入射光转变为之前描述过的椭圆偏振光，其椭圆偏振光的主要光轴平行于X轴(沿半波片主轴翻转)，同时次要光轴与Y轴平行，如平面307所示。一束椭圆偏振光可以被分解为两束线偏振光，其偏振态分别存在于椭圆偏振光的主要和次要光轴。在次要光轴上光功率分量占全部光功率的比例称之为该椭圆偏振光的消光比。例如，如果椭圆光的总功率与次要光轴的光功率之比为1000∶1，则该椭圆偏振光的消光比为1000，或者30dB。同样的，一束线偏振光的消光比为无限大。当偏振片的消光轴平行于偏振光的主光轴时，消光比决定了偏振光的隔离程度。举例说明，对于一束消光比为30dB的椭圆偏振光来说，在通过理想的偏振片后，它可以被隔离为入射光功率的0.01，而一束理想的线偏振光则可以被完全隔离。\n[0040] 而当入射光的偏振态与半波片的主轴平行时(不论快轴还是慢 轴)，出射光仍旧为线偏振光，这与半波片的厚度无关。如图4A所示，厚度存在偏差的半波片放置为快轴垂直于Z轴，用时平行于Y轴。当入射的线偏振光的偏振态同样平行于Y轴(快轴)，如图4A中平面\n403所示，出射光如平面404所示，依旧为线偏振光，其偏振态平行于Y轴(没有发生翻转)。同样，如果入射光的偏振态沿着X轴方向(慢轴)，如图4B中平面405，出射光如平面406所示，依旧为线偏振光，其偏振态仍然平行于X轴(慢轴)。\n[0041] 本发明的原理就是排列法拉第旋光装置中的半波片主轴，使得当线偏振光反向通过所发明的拉第旋光装置时，它的偏振态平行于法拉第旋光装置内部半波片的主轴。这样，从该法拉第旋光装置出射的光线仍旧为线偏振光，以达到完全被偏振片隔离的效果。由于半波片加工精度引起的消光比可以被完全排除，以此法拉第旋光装置发明为基础的隔离器可以实现最大可能的光隔离度。同时，正向通过的线偏振光则被该法拉第旋光装置转变为椭圆偏振光。因此，当光束通过该隔离器时，在次要光轴上传输的光矢量在出射后耦合到偏振片的过程中被丢失。但是，这种光功率的损失非常小(对于30dB消光比为0.1％)，可以忽略不计。\n[0042] 作为此项发明的第一种结构，图5具体描述了之前介绍过的法拉第旋光装置100。\n为了简化的目的，图中省略了磁环101和102。由负维德特常数的顺磁材料制成的法拉第元件103、104，例如TGG晶体，被放置于磁性在平行于Z轴方向，但互相对立的两个磁场中。因此它们的旋转方向各自为顺时针方向(正向)和反时针方向(反向)。 通过选择适当的法拉第元件的长度以及磁环的材料和形状，法拉第元件103和104的绝对旋转角度同样为22.5度。\n半波片105在厚度上存在偏差，放置在两个法拉第元件之间，并且其主轴501和X轴成-22.5度角(从X轴方向逆时针旋转22.5度)。\n[0043] 图5A显示的是线偏振光正向通过法拉第旋光装置100的原理图(平行与Z轴)。如图中平面503所示，入射光为偏振态平行于Y轴的线偏振光。其在每个平面上的偏振态都显示在四个偏振态图表中。出射光为椭圆偏振光，其主要光轴为X轴，次要光轴为Y轴，如平面503所示。同样的，如果入射光为平行于X轴的线偏振光，其出射光为主要光轴平行与Y轴，次要光轴平行于X轴的椭圆偏振光。\n[0044] 图5B显示的是线偏振光反向通过法拉第旋光装置100的原理图(反向平行于Z轴)。\n如图中平面504所示，入射光为偏振态沿X轴方向的线偏振光。入射光在达到半波片105前，其偏振态先被法拉第元件104旋转-22.5度，使其平行于半波片105的主轴。因此，该线偏振光在通过半波片105后仍然为线偏振光。然后，其偏振态被法拉第元件103旋转22.5度，最终从法拉第旋光装置100中出射的光线为平行于X轴的线偏振光。光线在各个平面上的偏振态显示在各个偏振态图标。同样，如果入射的线偏振光的偏振态平行于Y轴，出射光仍然为平行于Y轴的线偏振光。\n[0045] 图6是该项发明的第二种结构，之前介绍过的法拉第旋光装置200。为了简化的目的，图中省略了磁环201，202和203。由负维德特常数的顺磁材料制成的法拉第元件204，\n205，206，例如TGG晶体， 被放置于磁性在平行于Z轴方向，但互相对立的三个磁场中。因此它们的旋转方向各自为顺时针方向(正向)和逆时针方向(反向)和顺时针方向(正向)。通过选择适当的法拉第元件的长度以及磁环的材料和形状，法拉第元件204，205，206的绝对旋转角度分别为11.25度，-22.5度和11.25度。半波片207和208分别被放置在法拉第元件204与205之间，205和206之间。半波片207的主轴601方向与X轴成-11.25度角，而半波片208的主轴602方向与X轴成11.25度，也因此两个半波片的主轴601与602之间的角度为22.5度。\n[0046] 图6A显示的是线偏振光正向通过法拉第旋光装置200的原理图(平行与Z轴)。如图中平面603所示，入射光为偏振态平行于Y轴的线偏振光。其在每个平面上的偏振态都显示在六个偏振态图表中。出射光为椭圆偏振光，其主要光轴为X轴，次要光轴为Y轴，如平面604所示。同样的，如果入射光为平行于X轴的线偏振光，其出射光为主要光轴平行于Y轴，次要光轴平行于X轴的椭圆偏振光。\n[0047] 图6B显示的是线偏振光反向通过法拉第旋光装置100的原理图(反向平行于Z轴)。\n如图中平面605所示，入射光为偏振态沿X轴方向的线偏振光。其偏振态先被法拉第元件206旋转11.25度，使其偏振态平行于半波片208的主轴602。因此，该线偏振光在通过半波片208后仍然为线偏振光。然后，其偏振态被法拉第元件205旋转-22.5度，使其偏振态平行于半波片207的主轴601，同样在通过半波片207后仍然为线偏振光。然后，在后面法拉第元件204的作用下旋转11.25度，最终从法拉第旋光装置200中出射的光线为平行于X 轴的线偏振光。\n光线在各个平面上的偏振态显示在各个偏振态图标中。同样，如果入射的线偏振光的偏振态平行于Y轴，出射光仍然为平行于Y轴的线偏振光。\n[0048] 综上所述，偏振态平行于X或Y轴的线偏振光在正向通过此项发明的法拉第旋光装置后被转变为主轴垂直于最初偏振方向的椭圆偏振光。而反向通过此项发明的法拉第旋光装置后，仍然为线偏振光，而且偏振态的偏振方向不变。\n[0049] 本发明的法拉第旋光装置可以被应用在不同类型的光隔离器中。图7所示为该项发明的法拉第旋光装置优选的对偏振态不敏感的一种光纤到光纤的光隔离器结构。这种光隔离器沿轴向的组件包括：将光线从光纤中传输到自由空间的光纤准直器701；阻止不需要的光束返回准直器的光栏；第一个光束和波/分波器703；此项发明的法拉第旋光装置704；\n厚度和第一个和波/分波器703相同的第二个光束和波/分波器705；阻止不需要的光束入射到输出准直器的输出光栏706；以及将光束从自由空间传输到光纤中的输出准直器707。第一个和第二个和波/分波器由双折射晶体制成，例如YV04。和波/分波器被加工成主截面平行于Y-Z轴面，同时，放置时要求它们的光轴708和709相互平行。\n[0050] 图7A所示为光线正向通过该项发明的光隔离器的原理图(平行与Z轴)。普通的偏振光由光纤入射后经光纤准直器701转变为平行光710。光线中的点和条分别代表光束中平行于x轴和y轴的两个偏振态。光栏702的通孔和光束710对齐，因此光束710可以通过光栏 入射到第一个和波/分波器703。分波/和波器的作用是将光束偏振态分离的波片。随即偏振光束710在经过第一个和波/分波器后背分离为两束线偏振光。第一束线偏振光为普通光(O-ray)，另外一束偏振光为非普通光(E-ray)。在第一个和波/分波器中，E-ray以垂直于O-ray的偏振态从O-ray中分离出来，最终从第一个和波/分波器703中的出射光分为711和712两个分量。分量711为平行于X轴的线偏振光(标示为点)，而分量712为平行于Y轴的线偏振光(标示为条)。\n[0051] 然后，两个分量711和712在沿正向通过该项发明的法拉第旋光装置704时，如前面所介绍，被转换成两束椭圆偏振光713和714。光束713的主要光轴平行于Y轴(同样标示为条)，而光束714的主要光轴平行于X轴(同样标示为点)。这两束光线又分别在经过第二个分波/和波器705时被分解为两个分量，主要光轴和次要光轴。光束分量713的主要光轴是非普通光(E-ray)，因此，它以沿着垂直方向分离出来并朝光束714方向传输。而光束714的主要光轴是普通光(O-ray)，因此它的主要光轴沿光束714原有的方向传输。最终，这两个主要光轴合并到一束光线715中继续传输，并通过输出光栏706，最终经输出的光纤准直器707耦合到输出光纤中。\n[0052] 光束713的次要光轴(标有点的虚线)在第二个和波/分波器中为普通光(O-ray)，因此它沿光束713的原有方向传输，最终被输出光栏706阻断。而光束714的次要光轴(标有条的虚线)在第二个和波/分波器中为非普通光(E-ray)，因此它沿着垂直于光束714原来的方向分离出来，并最终同样被输出光栏阻断。由于这两束光线的能 量只是全部传输光纤能量的一小部分，因此所造成的功率损耗非常小。\n[0053] 图7B介绍的是光线反向(反向平行于Z轴)通过该项发明的隔离器的原理。普通的偏振光由光纤入射后经光纤准直器707转变为平行光716。光线中的点和条分别代表光束中平行于x轴和y轴的两个偏振态。光栏706的通孔和平行光716对齐，因此光束710可以通过光栏入射到第二个和波/分波器705。和波/分波器的作用是将光束偏振态分离的半波片。随即偏振光716在经过第二个和波/分波器后背分离为两束线偏振光。第一束线偏振光为普通光(O-ray)，另外一束偏振光为非普通光(E-ray)。在第一个和波/分波器中，E-ray以垂直于O-ray的偏振态从O-ray中分离出来，最终从第一个和波/分波器703中的出射光分为711和712两个分量。分量711为平行于X轴的线偏振光(标示为点)，而分量712为平行于Y轴的线偏振光(标示为条)。\n[0054] 然后，两个分量717和718在沿反向通过该项发明的法拉第旋光装置704时，如前介绍，他们的偏振态和偏振方向都保持不变。因此，分量717和718在第一个和波/分波器703中不会再次被分离，而是各自按照普通光(O-ray)和非普通光(E-ray)在第一个和波/分波器中传输。分量717是一束E-ray，因此它沿着垂直于原来传输的方向前进，并最终被输入光栏\n702所阻断。而分量718是一束O-ray，因此它沿着原方向继续传输，同样最终被输入光栏所阻断。最终结果是反向传输的光能量全部都被阻断，因此可实现最大可能的隔离度。