專利名稱：光學(xué)隔離器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學(xué)隔離器，和使用光學(xué)隔離器的光學(xué)器件，特別是半導(dǎo)體激光器模塊。
光學(xué)隔離器允許光從一個方向通過隔離器，但在相反的方向禁止(或至少充分地衰減)光通過隔離器。為實現(xiàn)這種不可逆的操作，光學(xué)隔離器必須包括一種取決于光通過方向而行為有所不同的元件。該元件通常為一個法拉第旋轉(zhuǎn)器。法拉第旋轉(zhuǎn)器包含一種材料，典型情況下為晶體材料，它可以根據(jù)外加磁場旋轉(zhuǎn)通過其中的光的偏振面。偏振面的旋轉(zhuǎn)方向取決于通過法拉第旋轉(zhuǎn)器的光的傳播方向，該方向相對于外加磁場的方向而言。法拉第旋轉(zhuǎn)器結(jié)合一個或多個通常為兩個偏振器或雙折射散射晶體來形成隔離器。在一個方向上由法拉第旋轉(zhuǎn)器產(chǎn)生的偏振平面的旋轉(zhuǎn)允許光通過兩個偏振器，而在相反的方向偏振面的旋轉(zhuǎn)使得通過隔離器的光被偏振器阻擋。
光學(xué)隔離器在光通信系統(tǒng)中有特殊的用途，特別是用在使用半導(dǎo)體激光器的系統(tǒng)中。隨著光通信系統(tǒng)傳輸速率的增加，例如每秒幾個吉比特，對這種系統(tǒng)中所用激光器的性能要求也在增加。眾所周知，從光通信系統(tǒng)中某些部分反射回來的光反過來會影響這樣一個高性能激光器的運行，例如導(dǎo)致激光器的頻譜、線寬或本征噪聲的漲落。光學(xué)隔離器被用來保證這種高性能激光器避免這些反射，并且不僅在研究用系統(tǒng)中，還是在商業(yè)用系統(tǒng)中都被越來越多地采用。為防止隔離器給激光器發(fā)射機增加太多額外的費用，隔離器必須小型化、易于與激光器對準(zhǔn)、以及低成本。
許多小型化的光學(xué)隔離器已經(jīng)公開。WO 93/20465公開了一種放置在光纖饋入管中的疊層隔離器元件。這種隔離器的制備和安裝工藝復(fù)雜、昂貴。此外，盡管這種隔離器元件本身很小，所用柱形磁鐵使得這種隔離器的結(jié)構(gòu)體積大且笨重。
US4,966,444中的光學(xué)隔離器的結(jié)構(gòu)試圖利用法拉第旋轉(zhuǎn)器作為透鏡來減少所用的元件數(shù)目。除了對隔離器的性能進行了折衷，由于法拉第旋轉(zhuǎn)器透鏡要求大的曲率半徑以及所用的大的柱形磁鐵，這種結(jié)構(gòu)仍然體積較大。
US 5,452,122公開了另一種隔離器結(jié)構(gòu)，它利用層疊的隔離器單元和柱形磁鐵。由于采用柱形磁鐵，隔離器必須在旋轉(zhuǎn)的情況下與半導(dǎo)體激光器的輸出模式對準(zhǔn)。
根據(jù)本發(fā)明的第一個實施方案，提供一種可安裝在平面表面的光學(xué)隔離器，這種光學(xué)隔離器包括一個隔離器單元，它具有一個光軸、包括一個法拉第旋轉(zhuǎn)器和至少一個偏振器或雙折射散射晶體和一個磁鐵，其中磁鐵為空芯型磁鐵，這種磁鐵的形狀使得當(dāng)放置在平面表面上時由磁鐵和平面表面確定一個開孔，隔離器單元放置在該開孔中，所說的光軸穿過這個開孔。本發(fā)明利用這種空芯磁鐵提供了一種可表面安裝的光學(xué)隔離器。本申請者發(fā)現(xiàn)空芯(即非柱形)磁鐵能夠提供足夠的磁通量來飽和法拉第旋轉(zhuǎn)器。
在本發(fā)明的一個優(yōu)選的實施方案中，磁鐵的橫截面通常為U-型，并且隔離器元件最好是一個疊層，包括一個固定在片狀偏振器中間的片狀法拉第旋轉(zhuǎn)器。
在本發(fā)明的實施方案中，其中由磁鐵確定的開孔的邊緣構(gòu)成一個矩形，磁鐵開孔中的隔離器元件的旋轉(zhuǎn)對準(zhǔn)由這種幾何結(jié)構(gòu)確定。由于非柱形磁鐵是可表面安裝的，磁鐵和任何光源(例如半導(dǎo)體激光器)之間的旋轉(zhuǎn)對準(zhǔn)，也是由磁鐵的幾何結(jié)構(gòu)預(yù)先確定。這樣，根據(jù)本發(fā)明的實施方案，光學(xué)隔離器的安裝無需旋轉(zhuǎn)對準(zhǔn)。
根據(jù)本發(fā)明的第二個方面，提供了一種光學(xué)器件，它包括產(chǎn)生光束的光源、接收光束的光波導(dǎo)、將光束聚焦到光波導(dǎo)上的聚焦裝置和根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)隔離器，其中聚焦裝置將光束會聚，使其通過隔離器然后照射到光波導(dǎo)上。本發(fā)明的實施方案提供一種特別緊湊的光學(xué)隔離器結(jié)構(gòu)，它利用會聚光束穿過隔離器。此外，利用會聚光束穿過隔離器防止了來自光學(xué)隔離器部件的反射光到達光源，例如半導(dǎo)體激光器。
優(yōu)選地聚焦裝置包括一個單透鏡，最好是球面透鏡。這種聚焦裝置特別簡單、有效并且成本低。
做為選擇，本發(fā)明的第三方面提供一種光學(xué)器件，它包括產(chǎn)生光束的光源、接收光束的光波導(dǎo)、將光束聚焦到光波導(dǎo)上的聚焦裝置和根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)隔離器，其中的聚焦裝置將光束變成平行光束使其通過隔離器，隔離器元件的光軸與平行光束有一個非零角度。這樣，在要求提供平行光束穿過隔離器的隔離器結(jié)構(gòu)中，本發(fā)明提供一種特別簡單有效的方法來調(diào)整光學(xué)隔離器與平行光束之間的角度，來避免來自隔離器部件的反射光到達光源。根據(jù)本發(fā)明，因為隔離器元件是在可表面安裝的磁鐵的開孔中，通過在可安裝表面的平面之內(nèi)旋轉(zhuǎn)磁鐵，整個光學(xué)隔離器相對于平行光束的角度可以容易地得到調(diào)整。這樣的旋轉(zhuǎn)不會影響光軸周圍的隔離器元件相對于光源輸出的旋轉(zhuǎn)對準(zhǔn)。
根據(jù)本發(fā)明的第四個方面，提供一種半導(dǎo)體激光器模塊，其中包括一個部件，該部件中安裝了一個光學(xué)器件，這個光學(xué)器件包括根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)隔離器。由本發(fā)明提供的這種特別緊湊的光學(xué)隔離器，結(jié)合其可表面安裝的能力，允許它們可以直接安裝在半導(dǎo)體激光器模塊的封裝中。這導(dǎo)致了許多優(yōu)點。在與半導(dǎo)體激光器相同的封裝中封裝光學(xué)隔離器，可以在零部件和安裝費用兩個方面降低成本。此外，光學(xué)隔離器受益于為半導(dǎo)體激光器封裝提供的受控環(huán)境。例如，許多半導(dǎo)體激光器模塊提供改善和穩(wěn)定半導(dǎo)體激光器性能的溫度控制。因為法拉第旋轉(zhuǎn)器的法拉第旋轉(zhuǎn)角度隨溫度變化，如果它的溫度由于其放置在半導(dǎo)體激光器模塊中而得到控制，那么在沒有附加成本的情況下光學(xué)隔離器的性能可以顯著地提高。
本發(fā)明的實施方案僅由例子參照附圖來描述，其中

圖1是根據(jù)本發(fā)明一個實施方案的光學(xué)隔離器的示意圖，圖2是根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體激光器模塊的第一實施方案的示意圖，圖3是本發(fā)明一個實施方案采用的磁鐵的示意圖，顯示了磁鐵中磁場強度的理論計算結(jié)果，圖4是根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體激光器模塊的第二實施方案的示意圖。
圖1是根據(jù)本發(fā)明的實施方案的光學(xué)隔離器的透視圖。隔離器1包括一個磁鐵2，它有一個邊緣為方形的開孔3，其中放置了隔離器器元件4。磁鐵2的橫截面通常為U-型，并且包括兩個處于同一平面的安裝區(qū)域5，用來在平面表面上安裝光學(xué)隔離器1。隔離器元件4是一個包括夾在兩個偏振器7a和7b之間的法拉第旋轉(zhuǎn)器6的疊層。隔離器元件4包括一個穿過磁鐵2中開孔3的光軸8。這種疊層的制備將在下面描述。
圖2是根據(jù)本發(fā)明實施方案的、利用光學(xué)隔離器1的半導(dǎo)體激光器模塊的示意透視圖。半導(dǎo)體激光器9被放置在激光器封裝11的熱沉10上。由于半導(dǎo)體激光器9的光學(xué)有源部分的幾何結(jié)構(gòu)，半導(dǎo)體激光器的輸出模式(TE00)相對于于半導(dǎo)體激光器封裝11的平面基座12是水平偏振的。光學(xué)隔離器1和半導(dǎo)體激光器9之間是氧化鋯球透鏡13。球透鏡13直徑為500μm，用來收集半導(dǎo)體激光器的輸出光束，并且將光束聚焦，使其通過光學(xué)隔離器，然后照射到單模光纖14上。
下面將更為詳細地描述隔離器元件4和磁鐵2的制備。
隔離器元件4由三層夾層裝配而成。隔離器元件4的中間層是用來旋轉(zhuǎn)光偏振面的法拉第旋轉(zhuǎn)器6。任何合適的材料，諸如晶體材料，可以用于此目的。優(yōu)選地隔離器元件4的法拉第旋轉(zhuǎn)器6是鉍鐵石榴石(“BiG”)晶片。隔離器元件4的外層是偏振器7a和7b。偏振器7a和7b靠合適的粘附劑固定在晶片6的全表面上。
盡管可以采用任何適當(dāng)?shù)木w，優(yōu)選情況下晶體6由美國紐約的住友公司的有色金屬分部銷售的、液相外延石榴石薄膜光學(xué)隔離器晶片得到[化學(xué)式，(TbBi)3Fe5O12]。對于所要求的中心波長晶體6具有45度旋轉(zhuǎn)角，+/-1度。為達到高產(chǎn)率，用來產(chǎn)生晶體6的晶片必須沿整個晶片具有轉(zhuǎn)動均勻性和大于90％的透射率。優(yōu)選的中心波長為1550納米，盡管1300納米波長也較常用。
為了使得在所要求的中心波長上隔離器單元的反射率為0.01％或更低，晶體6的主表面應(yīng)該覆蓋一個三層、高質(zhì)量增透膜(AR)。紐約Hauppauge的KML光學(xué)公司可以提供合適的增透膜。每一個增透膜的設(shè)計使得晶體6和相鄰的粘附層的折射率匹配。增透膜優(yōu)選地由離子束積得到。
盡管可以采用其它偏振器，優(yōu)選的偏振器7a和7b采用紐約Corning的Corning公司制備的材料制得，作為Corning Code 1550HC PolarcorTM偏振器銷售。偏振器之一7b具有一個45度邊角(也就是，通過偏振器的偏振平面與偏振器的邊成45度角)，而另一偏振器7a的邊角為零度。偏振器7a和7b分別靠折射率匹配的粘附劑粘貼到鍍膜的晶體6的主表面上。優(yōu)選地，粘附劑為紫外可固化環(huán)氧粘附劑，由美國馬薩諸塞的Bill erica環(huán)氧技術(shù)公司制備，作為Epotek353ND粘附劑銷售。
隔離器元件4靠采用粘附劑將用偏振器材料制成的薄片7a和7b(每一個近似為10×10×0.2mm)固定到晶體主表面(近似為10×10×0.35mm)來制備。由此產(chǎn)生的組合經(jīng)過固化，然后切割成隔離器1中所用的隔離器元件4。采用有0.07mm刀刃的金剛石切割刀完成這一切割。切割成的隔離器元件4近似為0.4mm×0.4mm。偏振器7a的一個邊做了標(biāo)記以便區(qū)分偏振器7a和7b，并且說明通過偏振器7a的偏振面的方向。
磁鐵2的寬度為2mm，高度為1.2mm，深度為0.7mm。當(dāng)磁鐵2放置在一個平面表面時，就確定了一個開孔3，其大小足以放得下0.4mm寬和0.4mm高的隔離器元件。磁鐵可以由多種磁性材料制得，但優(yōu)選地由釤鈷或釹鐵硼制得?？梢杂靡粔K實心磁性材料來加工這種磁鐵，或優(yōu)選地由于更低的成本，用樹脂結(jié)合材料模壓而成。在這種情況下，典型的組分包含約6％的樹脂。隨后在40 K高斯磁場下磁化制得磁鐵。對磁鐵2的開孔中的磁場強度已建立了理論模型，圖3顯示了磁鐵2的輪廓示意圖以及理論計算的在開孔3中垂直平面內(nèi)產(chǎn)生的磁場的強度。從這個圖中可以看出，磁場強度從開孔3頂部的3250高斯變化到開孔3底部的2000高斯。由于法拉第旋轉(zhuǎn)器6的飽和磁場強度為1000高斯，當(dāng)置于磁鐵2的開孔3中時法拉第旋轉(zhuǎn)器6將飽和。
然后隔離器元件4被固定在磁鐵2的開孔3中。隔離器元件4的取向使得偏振器7a安放在磁鐵中面向半導(dǎo)體激光器9，并且可以通過水平方向偏振的光。偏振器7a的偏振面平行于隔離器元件4的一個邊。
參考圖2，現(xiàn)在描述半導(dǎo)體激光器模塊的裝配。首先將熱沉10安放在半導(dǎo)體激光器封裝11的平面基座12上。它提供了一個平行于平面基座12、可以安裝半導(dǎo)體激光器9的平面，這樣半導(dǎo)體激光器9的輸出模式的偏振可以相對于基座12精確地準(zhǔn)直。此外，將光學(xué)隔離器的安裝區(qū)域5與半導(dǎo)體激光器封裝11的平面基座12相接觸就可以簡單地實現(xiàn)光學(xué)隔離器關(guān)于其光軸的旋轉(zhuǎn)對準(zhǔn)。接下來光學(xué)隔離器被安裝在平面基座12上。由于開孔3和隔離器元件4足夠大，這一點可以被動地實現(xiàn)，也就是不激活半導(dǎo)體激光器9。一根”臨時(dummy)”光纖14用來協(xié)助將球透鏡13與半導(dǎo)體激光器9進行精確的、主動式對準(zhǔn)。光纖14的一端臨時固定在激光器封裝11上，而光纖14的另一端插入一個光探測器中。半導(dǎo)體激光器9被加電，發(fā)出激光，對球透鏡13進行準(zhǔn)直使得半導(dǎo)體激光器9的光功率最大地耦合到光纖14中。一旦球透鏡13被固定，采用光固化樹脂，用一根放在光纖套管中的永久光纖14取代臨時光纖14。光纖14被主動地準(zhǔn)直，先纖套管被激光焊接到激光器封裝11的壁上。
應(yīng)用中，半導(dǎo)體激光器9發(fā)出的水平偏振光穿過透鏡13，通過偏振器7a進入隔離器1。由于偏振器7a的偏振面是水平對準(zhǔn)的，光通過其時幾乎沒有損失。處于磁鐵2的磁場中的法拉第旋轉(zhuǎn)器6將光的偏振面旋轉(zhuǎn)45度。然后光通過偏振器7b穿出隔離器，由于偏振器7b的偏振面準(zhǔn)直到與偏振器的邊成45度角，通過其中的光也幾乎沒有損失。從光纖14的末端15或用來固定光纖14的其它任何元件反射的光，通過光學(xué)隔離器1被禁止到達半導(dǎo)體激光器9。未與偏振器7b的偏振面對準(zhǔn)的反射光被偏振器急劇地衰減。與偏振器7b的偏振面對準(zhǔn)的反射光以很低的損耗通過偏振器7b，由法拉第旋轉(zhuǎn)器6旋轉(zhuǎn)45度，這樣它的偏振面垂直于激光器模塊11的平面基座12。由于偏振器7a的偏振面是水平的，光被偏振器7a急劇地衰減。
由于照射到隔離器的光束的會聚特性，半導(dǎo)體激光器9輸出的、從隔離器1各單元反射回半導(dǎo)體激光器的光(盡管在各個表面都鍍了增透膜)不可能到達半導(dǎo)體激光器9。之所以能采用會聚光束通過光學(xué)隔離器1，是因為所使用的偏振器7a和7b對于與光軸有大角度的光束有很高的消光比。對于與光軸的夾角小于10度的光束，所用偏振器的消光比大于30分貝。
對根據(jù)本發(fā)明實施方案的光學(xué)隔離器的測量表明，典型地隔離度為33分貝，插入損耗為0.5分貝。
圖4顯示了本發(fā)明的另一實施方案，其中采用兩個球透鏡13，以提供一個平行光束穿過光學(xué)隔離器1。為了防止光學(xué)隔離器的反射光到達半導(dǎo)體激光器9，光學(xué)隔離器1與平行光束有一個約2度的夾角。相對于垂直軸旋轉(zhuǎn)隔離器，可以容易地實現(xiàn)光學(xué)隔離器的傾角，并且不影響偏振器7a關(guān)于光軸8、相對于半導(dǎo)體激光器偏振面的準(zhǔn)直。
盡管本發(fā)明的實施方案是相對于半導(dǎo)體激光器來描述的，本發(fā)明也適用于光纖激光器。
此外，人們將認識到根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)隔離器可以便利地用于光電集成回路中(OEICs)，并且可以安放在包括金屬的、陶瓷的、或硅襯底的平面表面上。這樣的襯底可以提供定位臺階或V形槽。
權(quán)利要求
1．一種可安裝在平面表面的光學(xué)隔離器，包括隔離器元件和磁鐵，隔離器元件具有光軸、包括法拉第旋轉(zhuǎn)器以及至少一個偏振器或雙折射散射晶體；磁鐵為空芯型，其形狀使其當(dāng)被置于一個基準(zhǔn)平面表面上時，磁鐵和基準(zhǔn)平面表面限定了一個開孔，隔離器元件可以安裝在所說的開孔中，并且所說的光軸穿過所說的開孔。
2．根據(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)隔離器，其中的磁鐵包括兩個基本上處于同一平面的安裝區(qū)域，用于在平面表面上安裝磁鐵。
3．根據(jù)權(quán)利要求1或2中的光學(xué)隔離器，其中磁鐵的橫截面通常為U型。
4．根據(jù)前述任一項權(quán)利要求的光學(xué)隔離器，其中磁鐵在所說的開孔中產(chǎn)生的磁通量基本上平行于隔離器元件的光軸。
5．根據(jù)前述任一項權(quán)利要求的光學(xué)隔離器，其中所說的開孔的邊緣構(gòu)成一個矩形。
6．根據(jù)權(quán)利要求5的光學(xué)隔離器，其中所說的開孔的邊緣基本上構(gòu)成一個正方形。
7．根據(jù)前述任一項權(quán)利要求中的光學(xué)隔離器，其中的隔離器元件是一個包括固定在片狀偏振器之間的一個片狀法拉第旋轉(zhuǎn)器的疊層。
8．一種光學(xué)器件，包括產(chǎn)生光束的光源，接收光束的光波導(dǎo)，將光束聚焦到光波導(dǎo)上的聚焦裝置，以及根據(jù)前述任一項權(quán)利要求的光學(xué)隔離器，該器件中，光束經(jīng)聚焦裝置變成會聚光束，通過隔離器后照射到光波導(dǎo)上。
9．根據(jù)權(quán)利要求8的光學(xué)器件，其中聚焦裝置包括一個單透鏡。
10．根據(jù)權(quán)利要求8或9的光學(xué)器件，光學(xué)隔離器的每一個偏振器對于與光軸有一個大夾角的光束具有高的消光比。
11．根據(jù)權(quán)利要求10的光學(xué)器件，對于與光軸的夾角小于10°的光束，每一個偏振器的消光比大于30分貝。
12．根據(jù)權(quán)利要求8到11中任一項權(quán)利要求的光學(xué)器件，其中的偏振器是光柵型的。
13．一種光學(xué)器件，包括產(chǎn)生光束的光源，接收光束的光波導(dǎo)，將光束聚焦到光波導(dǎo)的聚焦裝置，以及根據(jù)權(quán)利要求1到7中任一項的光學(xué)隔離器，其中的聚焦裝置將光束變成平行光束，使其通過隔離器，并且隔離器元件的光軸與平行光束有一個非零夾角。
14．根據(jù)權(quán)利要求13的光學(xué)器件，其中的聚焦裝置包括兩個共焦透鏡。
15．根據(jù)權(quán)利要求8到14任一項的光學(xué)器件，其中的光波導(dǎo)是光纖。
16．根據(jù)權(quán)利要求8到14任一項的光學(xué)器件，其中的光波導(dǎo)是平面光波導(dǎo)。
17．根據(jù)權(quán)利要求8到16任一項的光學(xué)器件，其中的光源是半導(dǎo)體激光器。
18．根據(jù)權(quán)利要求8到16任一項的光學(xué)器件，其中的光源是光纖激光器。
19．一種半導(dǎo)體激光器模塊，包括一個其中安裝了根據(jù)權(quán)利要求8到17的任一項中的光學(xué)器件的封裝。
全文摘要
一種光學(xué)隔離器(1),包括具有光軸、法拉第旋轉(zhuǎn)器(6)和至少一個偏振器(7a,7b)的隔離器元件(4)和一個磁鐵(2)。磁鐵(2)是空芯型的,其形狀使其被放在基本為平面的表面上時,磁鐵(2)和基本為平面的表面限定出一個開口(3)。隔離器元件(4)位于所述開口中,使所述光軸穿過所述開口。這種隔離器特別適用于半導(dǎo)體激光器模塊。
文檔編號G02F1/09GK1220739SQ9719451
公開日1999年6月23日 申請日期1997年4月7日 優(yōu)先權(quán)日1996年5月21日
發(fā)明者C·A·帕克 申請人:惠普公司