减薄的光学隔离器及其在激光光学系统中的使用方法与流程

本公开描述了一种减薄的光学隔离器，其可以用在激光光学系统中以避免或防止不想要的光信号对光信号(激光)源的反馈。

背景技术：

1、参考图1a，光学隔离器2是允许光信号单向传输的设备。它通常用在光学系统，诸如激光光学系统中，以避免不想要的光学反射。例如，激光器4，例如激光二极管，对外部光学反馈敏感。在本文中，“激光器”可以被称为“光信号源”并且这些术语可以互换使用。

2、取决于激光器，即使来自外部光学电路6的光反射水平非常低，大约为–20db至–50db，也足以导致激光相位噪声、强度噪声和/或波长不稳定性的显著增加。因此，在需要低光噪声和稳定光频率的应用中，每个激光器4的输出端通常需要光学隔离器2。

3、图1a中显示了其分解图的光学隔离器2基于夹在第一偏振器10和第二偏振器或检偏器18之间的法拉第旋转器或石榴石14，如图1b中所示。在本文中，为了区分第一偏振器和第二偏振器，可以将第一偏振器10称为“偏振器10”，并且可以将第二偏振器或检偏器18称为“检偏器18”。如图1c中所示，替代实施例光学隔离器2可以包括石榴石14，其包括例如通过一个或多个光刻工艺形成在石榴石14的相应第一和第二表面中的偏振器10和检偏器18。图1b和1c中所示的光学隔离器2以相同的方式起作用。

4、在示例中，法拉第旋转器或石榴石14可以是铋铁石榴石、铽镓石榴石或钇铁石榴石。但是，这不应解释为限制性意义，因为可以设想使用现在已知或以后开发的执行与本文所述的石榴石14相同功能的任何其它物质组合物。

5、参考图2并继续参考图1a，无论使用何种形式的光学隔离器2(如图1b或图1c中所示)，经由输入光介质，例如周围环境、光纤或任何其它能够传递输入光信号8的合适的和/或期望的介质直接来自激光器4的输入光信号8穿过偏振器10，其偏振轴或方向在该示例中处于垂直方向或0°，并且在该示例中，其与输入光信号8的偏振12匹配(参见图2附图标记30)。如本领域技术人员所理解的，如果输入光信号8的偏振12的主方向与偏振器10的偏振轴或方向不匹配，那么偏振器10将衰减并且向石榴石14传递输入光信号8的偏振与偏振器10的偏振轴或方向匹配或基本匹配的那部分。即，偏振器10将至少阻挡输入光信号的偏振与偏振器10的偏振轴或方向不匹配或基本不匹配的部分。

6、然后，石榴石14将输入光信号8的偏振沿着顺时针方向旋转，在这个示例中，45°(参见图2的附图标记32和34)。取决于其设计，石榴石14可以顺时针或逆时针旋转输入光信号8的偏振。相对于输入光信号8的方向顺时针旋转的偏振在图1a和图2中由附图标记16示出(参见图2的附图标记34)。

7、石榴石14对输入光信号8的旋转量基于石榴石14的厚度t1。在示例中，取决于其特性，具有310μm的厚度t1的石榴石14与具有1310nm波长的输入光信号8一起操作可以将输入光信号8的偏振旋转45°±3°。但是，该示例不应被解释为限制性意义，因为可以选择形成石榴石14的材料和材料的特性、石榴石14的厚度t1和输入光信号8的波长以实现输入光信号8的任何期望量的偏振旋转。在示例中，石榴石14对输入光信号8的偏振的或多或少的旋转可以通过使用具有更大或更小厚度t1的石榴石14来实现。

8、出于本描述的目的，假设石榴石14相对于输入光信号8的方向以顺时针方向(即，在图1a中从左到右)旋转从任一侧进入石榴石14的光信号的偏振。但是，这不应被解释为限制性意义，因为可以设想石榴石14可以被设计为相对于输入光信号8的方向以逆时针方向旋转从任一侧进入石榴石14的光信号的偏振。

9、在这个示例中，检偏器18的偏振轴或方向被定向为相对于输入光信号8的方向顺时针45°，这允许来自石榴石14的其偏振被石榴石14旋转45°的光信号20直接穿过检偏器18，经由输出光介质几乎没有衰减地到达外部光学电路6(参见图2的附图标记36)。输出光介质可以是周围环境、光纤或能够传递输入光信号的任何其它合适的和/或期望的介质。输入和输出光介质可以相同或不同。

10、如果在图1a的右侧存在来自外部光学电路6的反射，那么反射光信号22的包括45°的偏振态16'的那部分将在图1a中从右到左几乎没有衰减地通过检偏器18和石榴石14(参见图2的附图标记38和40)。如本领域技术人员将理解的，反射光信号22包括除45°的偏振态16'之外的偏振态。在本文中，术语“偏振”和“偏振态”可以互换使用。由于石榴石14是不可逆设备，因此在这个示例中，反射光信号22的偏振将在与输入光信号8相同的方向上旋转附加的45°，从而变得与偏振器10的偏振轴或方向垂直，即90°(参见图2的附图标记42)。这种旋转的偏振在图1a和图2中由附图标记24示出。

11、以这种方式，偏振器10有效地阻挡了反射的光信号22(参见图2的附图标记44)并且有助于确保输入到光学隔离器2中的光信号8的单向传输。

12、上文讨论的光偏振12、16、16'和24的特定角度以及偏振器10和检偏器18的光轴的特定角度是在本公开之前的光学隔离器2中发现的。

13、对于一定厚度的石榴石14，偏振旋转的角度与可以施加到石榴石的可选外部磁场的强度之间的关系通常不是线性的。因此，当使用磁体26(图1a-1c中的虚线所示)施加可选的外部磁场时，可以使用本领域已知的具有足够强度的磁场强度来促进当石榴石厚度t1被定义时稳定的旋转角度。隔离值主要由偏振旋转角的准确度决定，因此由石榴石14的厚度t1决定。

14、在非限制性示例中，对于波长为1310nm的光信号，石榴石14的厚度t1可以是大约310μm±1μm或±5μm，并且图1b中所示类型的偏振器10和检偏器18的厚度t2和t3各自可以为大约300μm±1μm或±5μm。因此，如图1b中所示，与1310nm波长一起使用的典型光学隔离器2的厚度t1、t2和t3之和可能大约为910μm±3μm或±15μm。

15、施加到石榴石14的外部磁场对齐其磁畴，这使得石榴石能够以上述方式旋转输入和反射光信号8和22的偏振。虽然通常使用磁体26来对齐石榴石14的磁畴，但也可以设想在光学隔离器2中使用使其磁畴永久对齐而不需要外部施加的磁场，即，不使用光学隔离器2的磁体26的石榴石14。后一种石榴石通常被称为“自锁(self-latching)”。

16、在实践中，并且如本领域技术人员所理解的，从偏振器10沿着任一方向出射，即向石榴石14出射或向激光器4出射的光信号包括除与偏振器10的偏振轴或方向对应的偏振之外的偏振，但是在具有与偏振器10的偏振轴或方向匹配的偏振的光信号上强度降低。类似地，从检偏器18沿着任一方向出射，即向外部光学电路6出射或向石榴石14出射的光信号包括除与检偏器18的偏振轴或方向对应的偏振之外的偏振，但是在具有与检偏器18的偏振轴或方向匹配的偏振的光信号上强度降低。

17、用于形成偏振器10的(一种或多种)材料和/或如何制造或形成偏振器10可能影响(influence)和/或作用于(affect)从偏振器10出射的包括与偏振器10的偏振轴或方向不匹配的偏振的光信号的量和/或强度。类似地，用于形成检偏器18的(一种或多种)材料和/或如何制造或形成检偏器18可能影响和/或作用于从检偏器18出射的包括与偏振器18的偏振轴或方向不匹配的偏振的光信号的量和/或强度。因此，本文应该理解的是，沿着任一方向从偏振器10或检偏器18出射的光信号包括除与相应偏振器10或检偏器18的偏振轴或方向对应的偏振之外的偏振，但是在具有与相应偏振器10或检偏器18的偏振轴或方向匹配的偏振的光信号上强度降低。

18、与1310nm的波长一起使用并且总厚度大约为910μm±3μm或±15μm的光学隔离器2，如图1b中所示的光学隔离器2，对于诸如并入半导体激光器的手持设备之类的某些应用来说可能太厚。实际上，即使是像图1c中所示的包括在石榴石14的相应第一和第二表面或面中形成的偏振器10和检偏器18，并且其总厚度可以与石榴石14的厚度t1对应(例如310μm±1μm或±5μm)的光学隔离器2，对于并入半导体激光器的手持设备之类的应用来说可能太厚。

19、因此，期望提供减薄或更薄的光学隔离器2用在这样的应用中，这些应用即使在权衡在此类应用中可能可以接受的增加的插入损耗时，也维持与图1a、图1b、图1c和图2中所示的光学隔离器2相同的光学隔离水平。

技术实现思路

1、本文公开了一种将光信号源与外部光学电路光学隔离的方法。该方法包括：a)在具有第一偏振轴或方向的偏振器处接收来自光信号源的光信号，该偏振器输出在该偏振器处接收到的光信号的至少一部分；b)在石榴石主体中直接从偏振器接收在步骤a)中由偏振器输出的光信号的至少一部分，石榴石相对于第一偏振轴或方向将步骤a)中由偏振器输出的光信号的至少一部分的偏振旋转45°-θ1°的角度并且输出该步骤b)的偏振旋转光信号的至少一部分，其中5°≤θ1°<42°；c)在具有相对于第一偏振轴或方向成45°+θ2°的第二偏振轴或方向的检偏器处，直接从石榴石接收在步骤b)中由石榴石输出的偏振旋转光信号的所述部分，检偏器将本步骤c)中从石榴石接收到的光信号的至少一部分直接输出到外部光学电路，其中5°≤θ2°<42°；d)在检偏器处直接从外部光学电路接收在步骤c)中由检偏器输出的光信号的至少一部分的反射，检偏器输出反射光信号的至少一部分；e)在石榴石主体中直接从检偏器接收在步骤d)中由检偏器输出的反射光信号的至少一部分，石榴石相对于第一偏振轴或方向将在步骤d)中由检偏器输出的反射光信号的所述部分的偏振在与步骤b)中的偏振旋转方向相同的方向旋转角度45°-θ1°并且输出该步骤e)的偏振旋转反射光信号的至少一部分；以及f)在具有第一偏振轴或方向的偏振器处直接从石榴石接收步骤e)的偏振旋转光信号，偏振器阻挡≥25db的从石榴石接收到的偏振旋转光信号。

2、还公开了一种用于将光信号源与外部光学电路隔离的光学隔离器。该光学隔离器包括：偏振器，具有第一偏振轴或方向，用于直接接收来自光信号源的光信号并输出光信号的至少一部分；石榴石，用于直接接收由偏振器输出的光信号的所述至少一部分的偏振并且用于将该偏振相对于第一偏振轴或方向旋转45°-θ1°的角度，并且用于将其至少一部分输出为第一石榴石输出光信号，其中5°≤θ1°<42°；以及检偏器，具有相对于第一偏振轴或方向成45°+θ2°的第二偏振轴或方向，用于直接接收第一石榴石输出光信号并且用于将其至少一部分作为第一检偏器光信号直接输出到外部光学电路，其中5°≤θ2°<42°；其中：检偏器直接从外部光学电路接收第一检偏器输出光信号的至少一部分的反射，并且将第一检偏器输出光信号的所述至少一部分的反射的至少一部分作为第二检偏器输出光信号直接输出到石榴石；石榴石直接接收第二检偏器输出光信号的偏振，并相对于第一偏振轴或方向在与石榴石旋转由石榴石从偏振器接收到的光信号的至少一部分的偏振的方向相同的方向上将其旋转45°-θ1°的角度，并将其至少一部分作为第二石榴石输出光信号输出到偏振器；以及偏振器阻挡≥25db的由偏振器从石榴石接收到的第二石榴石输出光信号。