[0001] 本发明涉及一种光隔离器，尤其是涉及一种偏振无关型1064nm的500mW高功率双级光隔离器。

[0002] 在激光系统中，光在传输过程中会在不同的光学界面处产生不同程度的反射，这些反射光会对光源、光放大器等前级器件等产生不良影响，进而影响整个系统的正常运转。为了消除这一由于反向传输的光造成的影响，保证系统稳定运行，就要对反向光进行隔离，这就需要在光源、光放大器等器件后面接入光隔离器。

[0003] 光隔离器一种非互易性器件，即只允许单向光通过的光无源器件，其工作原理主要是利用磁光晶体的法拉第效应，并且基于法拉第旋转的非互易性，使得通过光纤回波反射的光能够被光隔离器很好的隔离。具体来说，光隔离器是允许光向一个方向通过而阻止向相反方向通过的无源器件，作用是对光的方向进行限制，使光只能单方向传输，通过光纤回波反射的光能够被光隔离器很好的隔离，提高光波传输效率。光隔离器的功能是使正向传输的光能以较小的插入损耗通过，而反向传输的光则被隔离。

[0004] 光隔离器一般以波长来区分，波长在800-1600nm的较多，也有一些特殊波长。在激光系统中，随着功率的大幅提升，系统对其中使用的光隔离器的要求也越来越高，要求即要有较小的插入损耗、较大的隔离度，又要能承受较高的功率。并且要求光隔离器无论是在高功率的光输入或是在低功率的光输入时都必须保证正向插入损耗低，反向隔离度高，回波损耗高的特性。而在中国专 利局公开号为1393722中提及的《光隔离器》中，公开了一种采用的是金属外管设计的光隔离器，并在金属外管中仅设置有一个隔离中心，即包括一个磁环以及设于磁环内的第一偏振器、偏振旋转晶体以及第二偏振器的结构。或者如图1所示的传统双级光隔离器10的结构中，在一个金属外管11内设置一个隔离中心12，该隔离中心12包括了一个磁环121以及设于磁环121内的一对第一偏振器122、一对偏振旋转晶体123以及一对第二偏振器124的组合结构。上述提及的两种结构中，由于仅采用了一个磁环的设计，使得光隔离器在高功率（300毫瓦或者以上功率）的光输入时，光隔离器的插入损耗要比在低功率（低于100毫瓦）的光输入时大许多，无法达到光隔离器的作用。而上述的两种结构在300毫瓦或者不足300毫瓦的光输入时，就可能会出现光隔离器烧坏的情况。因为在高功率的光输入时，只有一个磁环的设计，使得其磁环内的散热不好，导致磁环内的偏振旋转晶体的温度升高，从而影响偏振旋转晶体温度过高影响工作效果，导致磁环内的偏振旋转晶体以及偏振器因为温度过高而烧坏。即使是内部偏振旋转晶体没有被烧坏，也无法达到在正常工作温度下的工作效果，所以光隔离器即使能够继续工作，其插入损耗也过高，达不到高功率光输入下时对光隔离器的正向插入损耗低，反向隔离度高，回波损耗高的要求。并且，采用金属外管的光隔离器，其加工工艺必须采用焊接技术，因此对加工工艺有较高的要求，且加工繁琐。

[0031] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

[0032] 参见图2，为本发明所提供的光隔离器20的剖面视图。该光隔离器20包括一管材21、设于管材21内部的隔离器芯24以及分别设于管材两端口的输入准直器22和输出准直器23。隔离器芯24为只允许单向光通过的光无源器件，通过光纤回波反射的光能够被隔离器芯24完全隔离，从而提高光波的传输效率。该隔离器芯24包括第一磁环241、第二磁环242、设于第一磁环241与第二磁环242之间的第三磁环243以及分别设于第一磁环241与第二磁环242内的隔离装置244。在第一磁环241和第二磁环242之间设置第三磁环243，一方面增加第一磁环241和第二磁环242的某一个极端的磁性，另一方面增加了第一磁环241与第二磁环242之间的距离，由于在光隔离器20的工作过程中，磁环内的隔离装置244是主要的热源，将两个磁环之间隔开，能够有效的隔开管材21内的两个热源，使得两者互相不干扰，更利于光隔离器20内部各器件之间的散热。而该隔离装置244包括一对双折射晶片2441以及设于一对所述双折射晶片2441之间的法拉第旋转晶片2442。该法拉第旋转晶片2442利用了磁光晶体的法拉第效应原理，充分实现了对光的方向进行限制，使得通过光隔离器20中的光波能够按照单一的方向传输。

[0033] 具体地，本发明中所提供的两个大磁环与一个第三磁环的组合排列的光隔离器20中，第一磁环241具有第一N极2412和第一S极2411，第二磁环242 具有第二N极2422和第二S极2421，第三磁环具有第三N极2431和第三S极2432，第一磁环241和第二磁环242与第三磁环243之间采取同极性端靠近设置。而在本发明所提供的实施例中，如图3所示，第一磁环241的第一S极2412与输入准直器22对接，第一磁环241的第一N极2412与第三磁环243的第三N极2431对接；第二磁环242的第二S极2421与第三磁环243的第三S极2432对接，第二磁环242的第二N极2422与输出准直器23对接。在这种对接方式中，第三磁环243的第三N极2431与第一磁环241的第一N极2412对接，使得第一磁环
241的第一N极2412处的磁场增强；第三磁环243的第三S极2432与第二磁环242的第二S极2421对接，使得第二磁环242的第二S极2421处的磁场增强。隔离装置244分别置于第一磁环241的第一N极2412一侧和第二磁环242的第二S极2421一侧。因此，在隔离器芯24中的两个隔离装置244均处于两个大磁环的磁性增强端，而该磁性增强端能够保证隔离装置244中的法拉第旋转晶片2442在光纤照射的通光区域内的磁场处于饱和的状态，能够加强法拉第旋转晶片2442本身的散热能力，使得光隔离器20的中心区域的温度更易散出。而且由于相邻磁场并非出于全排斥状态，所以改善了磁铁的粘结性能。 [0034] 下面，结合上述结构，对本发明所提供的光隔离器20的工作原理进行说明。 [0035] 在本发明所提供的光隔离器20中，输入准直器22与输出准直器23通过导热胶固定粘接在光隔离器20的外管管材21的两个端口。而该输入准直器22包括了玻璃管223以及置于玻璃管内的光纤221、固定光纤221的毛细管222以及设于光纤221前端的透镜
224。输出准直器23与输入准直器22的结构相同，均是将光纤221中传输的光束转换为平行光，以提高光器件的耦合效率。

[0036] 而光隔离器20中的隔离器芯24置于外管管材21的内部，且置于输入准直器22与输出准直器23之间。包括了第一磁环241、第二磁环242以及第三磁环243。其中第一磁环241和第二磁环242中分别设置有一个隔离装置244，该隔离装置244包括了双折射晶片2441和双折射晶片2443以及置于一对双折射 晶片2441和双折射晶片2443之间的法拉第旋转晶片2442，该隔离装置244充分利用法拉第效应，有旋光性的法拉第旋转晶片2442在磁场的作用下，使通过该法拉第旋转晶片2442的光的偏振方向发生旋转。 [0037] 当正向通光时，光由输入准直器22进入光隔离器20的管材21内部，光束进入第一磁环241的隔离装置244内，当光束穿过双折射晶片2441时，由于双折射效应被分为O光（ordinary light,寻常光）和E光（extraordinary light,非寻常光）两束线偏振光，该两束线偏振光在经过法拉第旋转晶片2442后，由于第一磁环241与第三磁环243在第一N极
2412处汇聚的磁场增强的作用下发生磁致旋光效应，两束线偏振光均在偏振方向上旋转了
45°，。由于本发明实施例中，双折射晶片2441为楔角片。而选用的楔角片的光轴角度为
22.5°，因此，双折射晶片2441与双折射晶片2443之间的光轴角度相差45°。经过法拉第旋转晶片2442发生偏振方向旋转45°的两束线偏振光再经过双折射晶片2443之后，出射时形成两束间距很小的平行光。所以，由输入准直器22射入的光束经过第一磁环241内的隔离装置244后，分为两束间距很小的平行光，穿过第三磁环243进入第二磁环242的隔离装置244内。而从第一磁环241射出的两束平行光，进入第二磁环242的隔离装置244的双折射晶片2441时，被分别分成了O光和E光，且经过同第一磁环241内隔离装置244一样的双折射过程以及磁致旋光过程，最终从第二磁环242的隔离装置244出射的两束间距很小的平行光耦合进入输出准直器23中，实现了较小的插入损耗传输。 [0038] 当反向通光时，反向光由输出准直器23进入第二磁环242的隔离装置244内，光束被隔离装置244的双折射晶片2443分为O光和E光，而由于法拉第旋转晶片2442的非互易性，反向传输的两束线偏振光进入双折射晶片2441后发生了O光和E光的转换，即从双折射晶片2443分出的O光在经过法拉第旋转晶片2442时不发生偏振方向旋转，而直接进入双折射晶片2441，此时进入双折射晶片2441的O光，出射时变为E光；进入双折射晶片2441的E光，出射时变为O光；并且两束反向光出射后被分开较大的角度。在经过第二磁环242 的隔离装置244后被分开较大角度的两束反向光再经过第三磁环243射入第一磁环241的隔离装置244，两束反向光如同反向进入第二磁环242的隔离装置244一样，从第一磁环241的隔离装置244的双折射晶片2441射出时为两束分开较大角度的O光和E光，而被分开的光线，无法耦合进入输入准直器22内，从而实现了对于反向光的隔离作用。 [0039] 特别是，在本发明中，第一磁环241内的隔离装置244设于距离输入准直器22较远的第一N极2411一侧，使得隔离装置244与输入准直器22之间的距离较长，能够减弱O光和E光对输入准直器22特别是输入准直器22内的光纤221端面的影响，从而加强了输入准直器22耐高功率的可靠性。

[0040] 本发明所提供的光隔离器20不仅通过三个磁环的组合结构实现较好的散热。该光隔离器20在激光系统中，通过高功率的信号光时，能够将法拉第旋转晶片2442上产生的热量迅速的散发出来，确保光隔离器长时间高功率下的正常稳定工作。本发明所提供的光隔离器20在不同功率的信号光输入下的插入损耗与隔离度的数据由下表可知，在低功率的信号光输入时，本发明所提供的光隔离器的插入损耗在2.2dB左右，隔离度在60dB；在300毫瓦的信号光输入时，本发明所提供的光隔离器的插入损耗在2.92dB左右，隔离度在
60dB；在500毫瓦的信号光输入时，本发明所提供的光隔离器的插入损耗在3.6dB左右，隔离度在60dB。因此，本发明所提供的光隔离器20能够做到在不同功率的信号光输入时都能达到正向插入损耗低，反向隔离度高且回波损耗高的要求。

[0041]

[0042] 当然，第一磁环241和第二磁环242与第三磁环243之间采取同极性端靠近设置，还包括了另一种连接方式（图中未示出），即，第一磁环的第一N极与输入准直器对接，第一S极与第三磁环的第三S极对接；第二磁环的第二N极与第三磁环的第三N极对接，第二磁环的第二S极与输出准直器对接；隔离装置分别置于第一磁环的第一S极一侧和第二磁环的第二N极一侧。

[0043] 具体地，在本发明中，隔离装置244内的一对双折射晶片2441与法拉第旋转晶片2442之间采用导热胶粘接固定。两者之间采用导热胶连接，能够将法拉第旋转晶片2442上产生的热量尽可能的有效的传导到双折射晶片2441上。

[0044] 而更为重要的是，于第一磁环241与隔离装置244以及第二磁环242与隔离装置244之间还设有金属管245，隔离装置244与金属管245、金属管245与第一磁环241以及金属管245与第二磁环242之间采用导热胶粘接固定。具体在本实施例中，金属管采用导热效果最理想的铝管，并通过导热胶相互固定连接，该导热胶为环氧胶。使得隔离装置244内所产生的热量能够通过导热胶以及金属管245更为快速以及有效的散开，金属管245的设置增加了隔离装置244的散热面积，并且增快了隔离装置244的导热速度，能够尽量减少因工作温度的升高对法拉第旋转晶片2442造成的负面影响，确保隔离装置244能够长时间高功率下的稳定工作。

[0045] 具体地，隔离器芯24中的第一磁环241与第三磁环243以及第二磁环242与第三磁环243之间采用导热胶粘接固定。将三个磁环通过导热胶粘接在一起，能够增加散热面积，同时第三磁环243还将第一磁环241与第二磁环242间隔了一段距离，使得置于磁环内的隔离装置244作为两个热源能够间隔开，三者之间即能够互相减少热源干扰，又能增加散热面积，提高散热速度，能够有效控制光隔离器20内的工作温度。

[0046] 而本发明的光隔离器20其中的管材21为玻璃管材，隔离器芯24与管材21之间采用导热胶粘接固定。光隔离器20的外管21采用玻璃管材，能够方便光隔离器20的加工过程，直接采用导热胶粘接，容易操作，实现简单，便于加 工，能够有效提高光隔离器20的制作速度，适合大批量制作生产。但是该外管21也可以采用金属管材，但是外管21采用金属管材加工工艺复杂，且隔离器芯24与管材21之间采用焊接固定，但是采用金属管材有利于光隔离器20的散热，也能提高光隔离器20的工作效果。

[0047] 以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。