專利名稱：摻銦鉍鈣釩石榴石單晶光隔離器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種控制光的傳輸方向的裝置，即是關(guān)于大塊材料型光隔離器的，更確切地說，是涉及光隔離器里的由晶體組成的磁光光學(xué)元件。屬于光波技術(shù)領(lǐng)域。
光導(dǎo)纖維通信作為當(dāng)代最有魅力的一種嶄新的通信技術(shù)，由于其本身所特有的體積小、重量輕、抗電磁干擾性能強(qiáng)、頻帶寬，傳輸容量大、傳輸距離長和造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，發(fā)展速度之快和應(yīng)用范圍之廣，超出了人們的預(yù)料和想象。在國外，業(yè)已形成一個(gè)新興的光纖通信產(chǎn)業(yè)。特別是美、英、日，它們目前已經(jīng)把光纖傳輸技術(shù)用于各種通信、廣播電視、工業(yè)、交通、飛機(jī)、導(dǎo)彈、艦艇、核基地?cái)?shù)據(jù)傳輸、海纜和傳感器等技術(shù)領(lǐng)域?，F(xiàn)在，光纖通信正向著傳輸距離更遠(yuǎn)和通信容量更大的長波長單模光纖傳輸和光相干通信的方向發(fā)展。為了在光纖通信系統(tǒng)中，阻止沿光纖信道的隨機(jī)回波反射和阻止反射光或散射光進(jìn)入半導(dǎo)體激光器，造成激光器特性惡化，以及在光纖網(wǎng)絡(luò)(如計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò))中，抑制因反射波產(chǎn)生的脈沖失真甚至誤碼，必須在激光器與光纖之間以及光纖與光纖之間接裝光隔離器，以減少反射噪聲，使激光器振蕩穩(wěn)定和減少傳輸損耗。
這種光隔離器是利用法拉第磁光效應(yīng)的非互易特性制成的，其原理如

圖1所示，是在透射偏振光的使偏振方向向左偏轉(zhuǎn)45°角的起偏器1和檢偏器3之間插入也使偏振方向旋轉(zhuǎn)45°角的法拉第旋轉(zhuǎn)器2構(gòu)成。當(dāng)光正向入射時(shí)，光通過起偏器1后變成線偏振光，再通過法拉第旋轉(zhuǎn)器2之后，光偏振方向向左旋轉(zhuǎn)45°，恰與檢偏器3的偏振方向一致而能以很小的損耗順利通過。而當(dāng)反射光反方向入射時(shí)，通過檢偏器后，偏振方向與檢偏器方向一致，再通過法拉第旋轉(zhuǎn)器后，由于法拉第旋轉(zhuǎn)的非互易特性，即法拉第旋轉(zhuǎn)的方向只決定于外加磁場的方向，而與光傳輸?shù)姆较驘o關(guān)。故反射光的偏振方向再向左旋轉(zhuǎn)45°，正好與起偏器的方向垂直，損耗太大而不能通過。這樣就抑制了光的反射，起到了隔離的作用。圖1中，實(shí)線為入射光，虛線為反射光。
對光隔離器的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)性能要求為(1)對正向入射光的插入損耗要小;
(2)對反向反射光的隔離度要大;
(3)體積要小;
(4)造價(jià)便宜。
法拉第旋轉(zhuǎn)器是光隔離器中的關(guān)鍵部分，它的性能好壞，直接決定光隔離器性能的好壞。法拉第旋轉(zhuǎn)器的旋轉(zhuǎn)角度取決于法拉第旋光材料的長度和外加磁場的強(qiáng)度。如果外加磁場足夠強(qiáng)，使法拉第旋光材料達(dá)到磁化飽和，則法拉第旋轉(zhuǎn)器的旋轉(zhuǎn)角只取決于法拉第旋光材料的長度?？紤]到穩(wěn)定性的緣故，法拉第旋轉(zhuǎn)器都工作在磁化飽和狀態(tài)下，通過選擇法拉第旋光材料的長度即可控制旋轉(zhuǎn)角。
對法拉第旋轉(zhuǎn)器的主要技術(shù)、經(jīng)濟(jì)性能要求是(1)低光吸收損耗(低插入損耗);
(2)大法拉第旋轉(zhuǎn)系數(shù);
(3)高消光比;
(4)低飽和磁化強(qiáng)度;
(5)低生產(chǎn)成本。
釔鐵石榴石(YIGY3Fe5O12)單晶在近紅外1.1微米～1.7微米(μm)波段中，有良好的旋光性能(旋轉(zhuǎn)角大)和較小的吸收損耗，所以目前被廣泛用來制做光隔離器中的法拉第旋轉(zhuǎn)器，使用效果也較好。
例如在1985年的《電子快報(bào)》(ElectronicsLetters)第18期上，報(bào)道了美國電報(bào)電話公司(AT&T)貝爾實(shí)驗(yàn)室用YIG制作光隔離器的情況。他們選擇YIG最易磁化的<111>方向，作為光軸方向，又在偏振鏡和YIG的交界面處加入折射指數(shù)匹配液，還在偏振鏡端面和YIG端面上鍍防反膜，采取這些措施的目的都是要盡可能地增大隔離度和減小端面反射損耗。在采取上述三項(xiàng)措施后，他們制成的YIG光隔離器在1.2μm到1.7μm波段上，隔離度≥32dB，在1.55μm波段。隔離度約為36dB;而插入損耗在1.2μm處。為3.4dB，在1.3μm處為1.5dB，在1.55μm處為0.8dB。
在1988年3月的《電子快報(bào)》(ElcctronicsLctters)第5期上，又報(bào)道了英國電信研究所研制的光隔離器仍使用YIG晶體，其隔離度在1.5μm波長處為31dB。
但是，YIG法拉第旋轉(zhuǎn)器存在兩個(gè)問題一是成本價(jià)格問題。由于YIG單晶中含有價(jià)格昂貴的稀土元素釔(Y)，使原材料價(jià)格貴。而且，晶體生長溫度較高、生長困難，成品率低，又使得單晶生產(chǎn)成本上升。并且，由于YIG單晶的法拉第旋轉(zhuǎn)不是很大，使得制成的法拉第旋轉(zhuǎn)器長度較長，如在1.3μm～1.55μm波段，YIG法拉第旋轉(zhuǎn)器的長度約為2.1～2.6mm，所以，需用較大體積的YIG單晶，使得法拉第旋轉(zhuǎn)器成本很高，制成的光隔離器自然價(jià)格也高，不利于推廣實(shí)用。再者，在YIG單晶生長過程中使用的復(fù)合助熔劑氧化鉛+氧化鉍(PbO-Bi2O3)揮發(fā)性強(qiáng)，鉛毒污染和腐蝕性也強(qiáng)。二是器件體積問題。由于YIG單晶飽和磁化強(qiáng)度較高(約1800高斯)，所以必須用尺寸較大的強(qiáng)磁鐵才能使其達(dá)到磁化飽和，這就不利于器件的小型化。
近年來，有人研究用含鉍(Bi)的釓鐵石榴石(BiGdIG)單晶制作法拉第旋轉(zhuǎn)器。這是因?yàn)楹G的釓鐵石榴石(BiGdIGGd3-xBixFe5O12，x≥1)在紅外波段有很大的法拉第旋轉(zhuǎn)角QF和相對低的光吸收α(即單位長度的吸收損耗)，也就是說，這種材料有高的磁光優(yōu)值(QF/α)，所以，用它做的法拉第旋轉(zhuǎn)器，長度只有0.3～0.5毫米。BiGdIG的飽和磁化強(qiáng)度也比YIG要低些，約為1200高斯，所以，外加磁場也稍弱些。
在1986年美國光學(xué)學(xué)會(huì)的《應(yīng)用光學(xué)》(AppliedOptics)雜志第2期上介紹了日本東北(Tohoky)大學(xué)用BiGdIG制做的光隔離器情況，他們選擇另一易磁化方向<110>方向?yàn)楣廨S方向，隔離器達(dá)到的指標(biāo)是在1.29μm波長，隔離度為28dB，插入損耗(不包括菲涅耳反射-端面反射)為1.9dB;在1.52μm波長，隔離度為31dB，插入損耗(不包括菲涅耳反射)為1.1dB。但是，成本價(jià)格問題仍未解決，這是因?yàn)锽iGdIG中同樣含有價(jià)格昂貴的稀土元素(Gd)，晶體生長成品率更低，所以單晶成本仍無法降低。加上制成的光隔離器的性能指標(biāo)也比YIG光隔離器的性能稍差。因此，目前世界上仍廣泛采用YIG制做光隔離器。
本發(fā)明的目的是要提供一種采用低成本、低飽和磁化強(qiáng)度的磁光材料制做的光隔離器，以克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷。
本發(fā)明的光隔離器，也是由起偏器、法拉第旋轉(zhuǎn)器、永磁鐵和檢偏器等組成的，其中的法拉第旋轉(zhuǎn)器則是由摻銦鉍鈣釩石榴石單晶作為法拉第旋光材料，替代釔鐵石榴石制成的。
本發(fā)明中采用的摻銦鉍鈣釩石榴石(BiCaInVIG)單晶的組成成份的比例(結(jié)構(gòu)含量比)Bi3-2xCa2xFe5-x-yInyVxO12，x＝0.8～1.4，y＝0～0.4。該晶體有高的磁光優(yōu)值，法拉第旋轉(zhuǎn)角比YIG的要高4～6倍，故法拉第旋轉(zhuǎn)器的長度也比YIG的要短4～6倍。由于BiCaInVIG不含稀土元素，原材料價(jià)格低廉，要比YIG原材料便宜70～100倍！而且，晶體生長容易，溫度較低，晶體體積大，成品率高，容易加工。加上單晶生長過程中使用的助熔劑揮發(fā)性低，毒性和腐蝕性也低。用它做法拉第旋轉(zhuǎn)器，大大降低了法拉第旋轉(zhuǎn)器的成本造價(jià)，使光隔離器的造價(jià)也大大下降。并且，BiCaInVIG單晶的飽和磁化強(qiáng)度很小，只有0～500高斯，比YIG的要低許多。所以，只需要很弱的磁場就能使其在飽和磁化強(qiáng)度下工作，對器件的小型化極為有利。因此，本發(fā)明的實(shí)用價(jià)值很大，具有非常明顯和誘人的工業(yè)生產(chǎn)前景。
下面結(jié)合附圖2介紹本發(fā)明的實(shí)施例。
附圖2是本發(fā)明-用BiCaInVIG制成的光隔離器-示意圖。如圖所示，該光隔離器包括起偏器4、用BiCaInVIG做磁光光學(xué)元件的法拉第旋轉(zhuǎn)器5、永磁鐵6、檢偏器7和殼體8。其中法拉第旋轉(zhuǎn)器BiCaInVIG的有效通光截面面積為1～6mm2，其長度為400～700μm，遠(yuǎn)小于YIG晶體的長度。在相干光通信系統(tǒng)等實(shí)驗(yàn)中，我們研制實(shí)施的光隔離器在1.3μm和1.55μm波長，性能指標(biāo)為插入損耗＜1.0dB(包括起偏器和檢偏器的端面菲涅爾反射損耗0.8dB左右)，隔離度≥35dB。效果良好。在沒有采取任何其他防反射措施的情況下，有效地起到抑制反射影響的作用。
權(quán)利要求
1.一種利用法拉第磁光效應(yīng)的非互易特性制成的光隔離器，由起偏器、法拉第旋轉(zhuǎn)器、永磁鐵和檢偏器組成，其特征是其中的法拉第旋轉(zhuǎn)器是用摻銦鉍鈣釩石榴石單晶制成的。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光隔離器，其特征是摻銦鉍鈣釩石榴石(BiCaInVIG)單晶的組成成份的比例(結(jié)構(gòu)含量比)為Bi3-2xCa2xFe5-x-yInyVxO12，x＝0.8～1.4，y＝0～0.4。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光隔離器，其特征是摻銦鉍鈣釩石榴石(BiCaInVIG)單晶的飽和磁化強(qiáng)度很低，在0～500高斯范圍內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光隔離器，其特征是用摻銦鉍鈣釩石榴石單晶制成的法拉第旋轉(zhuǎn)器的長度為400～700微米(μm)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光隔離器，其特征是用摻銦鉍鈣釩石榴石單晶制成的法拉第旋轉(zhuǎn)器的截面直徑為1～6毫米。
全文摘要
本發(fā)明涉及光隔離器里的由晶體組成的磁光光學(xué)元件，即用摻銦鉍鈣釩石榴石單晶作法拉第旋光材料制成法拉第旋轉(zhuǎn)器。該晶體不含稀土元素，生長容易，體積大，成品率高，易加工。且有很高的磁光優(yōu)值和低的飽和磁化強(qiáng)度。既大大降低了法拉第旋轉(zhuǎn)器的成本和造價(jià)，又有利于器件的小型化。在光纖通信、光纖傳感、高分辨率干涉測量和磁光記錄等技術(shù)領(lǐng)域都有很大的實(shí)用價(jià)值和令人鼓舞的工業(yè)生產(chǎn)前景。
文檔編號G02F1/29GK1039309SQ8810398
公開日1990年1月31日 申請日期1988年7月4日 優(yōu)先權(quán)日1988年7月4日
發(fā)明者馬曉明, 陶尚平, 張鵬翔 申請人:陶尚平, 馬曉明, 張鵬翔