專(zhuān)利名稱(chēng)：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：
本實(shí)用新型涉及一種控制光的傳輸方向的裝置，即是關(guān)于大型材料型光隔離器的。更確切地說(shuō)，是涉及光隔離器里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)纖維通信是當(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(zhǎng)和造價(jià)低廉等優(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(guó)外，已經(jīng)形成一個(gè)新興的光纖通信產(chǎn)業(yè)。尤其是美、英、日等國(guó)，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、海纜和傳感器等許多技術(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(zhǎng)波長(zhǎng)單模光纖傳輸和光相干通信的方向發(fā)展。由于從光纖端面反射回來(lái)的光將造成激光器特性的惡化，所以必須在激光器和光纖之間以及光纖和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。光隔離器在通信系統(tǒng)中的位置如


圖1所示，圖中1是激光器，2是耦合元件，3是光隔離器，4是單模光纖。
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2所示。即在透射偏振光的使偏振方向左旋轉(zhuǎn)45°角的起偏器5和檢偏器7之間，插入也使偏振方向旋轉(zhuǎn)45°角的法拉第旋轉(zhuǎn)器6構(gòu)成的。圖中實(shí)線為入射光，虛線為反射光。當(dāng)光正向入射時(shí)，光通過(guò)起偏器5后變成線偏振光，再通過(guò)法拉第旋轉(zhuǎn)器6之后，光偏振方向向左旋轉(zhuǎn)45°，恰好與檢偏器7的偏振方向一致而能以很小的損耗順利通過(guò)。而當(dāng)反射光反方向入射時(shí)，通過(guò)檢偏器后，偏振方向與檢偏器方向一致，再通過(guò)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(chǎng)的方向，而與光的傳輸方向無(wú)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(guò)。這樣就抑制了光的反射，起到了隔離的作用。
對(duì)光隔離器的技術(shù)，經(jīng)濟(jì)性能要求是1、對(duì)正向入射光的插入損耗要?。?、對(duì)反向反射光的隔離度要大；3、體積要??；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(zhǎng)度和外加磁場(chǎng)的強(qiáng)度。如果外加磁場(chǎng)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(zhǎng)度。考慮到穩(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(guò)選擇法拉第旋光材料的長(zhǎng)度即可控制旋轉(zhuǎn)角。
對(duì)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)單晶在紅外1.1μm～1.7μm(微米)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，目前國(guó)內(nèi)外廣泛采用它來(lái)制作光隔離器中的法拉第旋轉(zhuǎn)器，使用效果也較好。
例如在一九八六年全國(guó)第三次光纖通信學(xué)術(shù)會(huì)議論文集中介紹的南京工學(xué)院同志采用YIG晶體制作的光隔離器，在波長(zhǎng)1.52μm時(shí)，插入損耗為1.9dB，隔離度為35dB。
在一九八八年三月的《電子快報(bào)》(ElectronicsLetters)第5期上，報(bào)道的英國(guó)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(zhǎng)處為31dB。
但是，YIG法拉第旋轉(zhuǎn)器存在兩個(gè)問(wèn)題一是成本價(jià)格問(wèn)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(zhǎng)溫度較高，生長(zhǎng)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(zhǎng)度較長(zhǎng)。如在1.3μm～1.55μm波段，YIG法拉第旋轉(zhuǎn)器的長(zhǎng)度約為2.1～2.6毫米，所以，需用體積較大的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(zhǎng)過(guò)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(wèn)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，這就不利于裝置的小型化。
近年來(lái)，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(duì)低的光吸收α(即單位長(zhǎng)度的吸收損耗)，也就是說(shuō)，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(zhǎng)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(chǎng)也稍弱些。但是，成份價(jià)格問(wèn)題仍未解決。這是因?yàn)锽iGdIG中同樣含有價(jià)格昂貴的稀土元素釓(Gd)，晶體生長(zhǎng)的成品率更低，所以，單晶的成本仍無(wú)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制作光隔離器。
本實(shí)用新型的目的是要提供一種克服上述現(xiàn)有技術(shù)缺陷的、采用低成本、低飽和磁化強(qiáng)度的磁光材料制成的光隔離器，使之更富有實(shí)用意義和誘人的工業(yè)生產(chǎn)前景。
本實(shí)用新型是這樣實(shí)現(xiàn)的即在也是由起偏器、法拉第旋轉(zhuǎn)器、永磁鐵和檢偏器等組成的光隔離器中，采用由摻銦鉍鈣釩石榴石單晶作為法拉第旋光材料，替代釔鐵石榴石制作法拉第旋轉(zhuǎn)器。在旋轉(zhuǎn)器的圓周外圍有永磁環(huán)，在旋轉(zhuǎn)器的前后端有用偏振棱鏡做成的起偏器和檢偏器。
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是Bi3－2x，Ca2x，F(xiàn)e5－x－y，InyVxO12，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(zhǎng)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，單晶生長(zhǎng)容易，溫度較低，晶體體積大，成品率高，容易加工。加上晶體生長(zhǎng)過(guò)程中使用的助熔劑揮發(fā)性低，毒性和腐蝕性也小。用這種材料做法拉第旋轉(zhuǎn)器，大大降低了法拉第旋轉(zhuǎn)器的成本和造價(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4倍以上。只需要有很弱的磁場(chǎng)就能使其在飽和磁化強(qiáng)度下工作，對(duì)器件的小型化極為有利。因此，本實(shí)用新型的實(shí)用意義很大，具有非常顯著和令人鼓舞的工業(yè)生產(chǎn)前景。
以下結(jié)合附圖3介紹本實(shí)用新型的實(shí)施例。
附圖3是本實(shí)用新型的示意圖。圖中，8是起偏器，9是用BiCaInVIG做磁光光學(xué)元件的法拉第旋轉(zhuǎn)器，10是永磁環(huán)，11是檢偏器，12是外殼。其中法拉第旋光材料BiCaInVIG的截面面積為1～6mm2，其長(zhǎng)度為400～700μm，遠(yuǎn)小于用YIG晶體做的旋轉(zhuǎn)器的長(zhǎng)度。在相干光通信系統(tǒng)等實(shí)驗(yàn)中，我們實(shí)施的光隔離器在1.3μm和1.55μm波長(zhǎng)，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(méi)有采取其他任何防反射措施的情況下，有效地起到了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，在旋轉(zhuǎn)器的圓周外圍有永磁環(huán)，在旋轉(zhuǎn)器的前后端有用偏振棱鏡做成的起偏器和檢偏器。
2.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(zhǎng)度為400～700微米(μm)。
3.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。
4.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。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型是用摻銦鉍鈣釩石榴石單晶作法拉第旋光材料制成的光隔離器。由于該晶體不含稀土元素，生長(zhǎng)容易，體積大，成品率高，且有很高的磁光優(yōu)值和低的飽和磁化強(qiáng)度，制成的法拉第旋轉(zhuǎn)器長(zhǎng)度很短，有利于裝置的小型化并大大降低了法拉第旋轉(zhuǎn)器的造價(jià)和成本。在光纖通信、光纖傳感、高分辨率干涉測(cè)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(hào)G02B26/08GK2033909SQ8820781
公開(kāi)日1989年3月8日 申請(qǐng)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, 惠榮慶 申請(qǐng)人:陶尚平, 馬曉明, 張鵬翔, 惠榮慶, 吳尊