掺铟铋钙钒石榴石单晶光隔离器制造技术

本发明专利技术涉及光隔离器里的由晶体组成的磁光光学元件，即用掺铟铋钙钒石榴石单晶作法拉第旋光材料制成法拉第旋转器。该晶体不含稀土元素，生长容易，体积大，成品率高，易加工。且有很高的磁光优值和低的饱和磁化强度。既大大降低了法拉第旋转器的成本和造价，又有利于器件的小型化。在光纤通信、光纤传感、高分辨率干涉测量和磁光记录等技术领域都有很大的实用价值和令人鼓舞的工业生产前景。（*该技术在2008年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种控制光的传输方向的装置，即是关于大块材料型光隔离器的，更确切地说，是涉及光隔离器里的由晶体组成的磁光光学元件。属于光波
光导纤维通信作为当代最有魅力的一种崭新的通信技术，由于其本身所特有的体积小、重量轻、抗电磁干扰性能强、频带宽，传输容量大、传输距离长和造价低等优点，发展速度之快和应用范围之广，超出了人们的预料和想象。在国外，业已形成一个新兴的光纤通信产业。特别是美、英、日，它们目前已经把光纤传输技术用于各种通信、广播电视、工业、交通、飞机、导弹、舰艇、核基地数据传输、海缆和传感器等
现在，光纤通信正向着传输距离更远和通信容量更大的长波长单模光纤传输和光相干通信的方向发展。为了在光纤通信系统中，阻止沿光纤信道的随机回波反射和阻止反射光或散射光进入半导体激光器，造成激光器特性恶化，以及在光纤网络(如计算机网络)中，抑制因反射波产生的脉冲失真甚至误码，必须在激光器与光纤之间以及光纤与光纤之间接装光隔离器，以减少反射噪声，使激光器振荡稳定和减少传输损耗。这种光隔离器是利用法拉第磁光效应的非互易特性制成的，其原理如附图说明图1所示，是在透射偏振光的使偏振方向向左偏转45°角的起偏器1和检偏器3之间插入也使偏振方向旋转45°角的法拉第旋转器2构成。当光正向入射时，光通过起偏器1后变成线偏振光，再通过法拉第旋转器2之后，光偏振方向向左旋转45°，恰与检偏器3的偏振方向一致而能以很小的损耗顺利通过。而当反射光反方向入射时，通过检偏器后，偏振方向与检偏器方向一致，再通过法拉第旋转器后，由于法拉第旋转的非互易特性，即法拉第旋转的方向只决定于外加磁场的方向，而与光传输的方向无关。故反射光的偏振方向再向左旋转45°，正好与起偏器的方向垂直，损耗太大而不能通过。这样就抑制了光的反射，起到了隔离的作用。图1中，实线为入射光，虚线为反射光。对光隔离器的技术、经济性能要求为(1)对正向入射光的插入损耗要小;(2)对反向反射光的隔离度要大;(3)体积要小;(4)造价便宜。法拉第旋转器是光隔离器中的关键部分，它的性能好坏，直接决定光隔离器性能的好坏。法拉第旋转器的旋转角度取决于法拉第旋光材料的长度和外加磁场的强度。如果外加磁场足够强，使法拉第旋光材料达到磁化饱和，则法拉第旋转器的旋转角只取决于法拉第旋光材料的长度。考虑到稳定性的缘故，法拉第旋转器都工作在磁化饱和状态下，通过选择法拉第旋光材料的长度即可控制旋转角。对法拉第旋转器的主要技术、经济性能要求是(1)低光吸收损耗(低插入损耗);(2)大法拉第旋转系数;(3)高消光比;(4)低饱和磁化强度;(5)低生产成本。钇铁石榴石(YIGY3Fe5O12)单晶在近红外1.1微米～1.7微米(μm)波段中，有良好的旋光性能(旋转角大)和较小的吸收损耗，所以目前被广泛用来制做光隔离器中的法拉第旋转器，使用效果也较好。例如在1985年的《电子快报》(ElectronicsLetters)第18期上，报道了美国电报电话公司(AT&T)贝尔实验室用YIG制作光隔离器的情况。他们选择YIG最易磁化的<111>方向，作为光轴方向，又在偏振镜和YIG的交界面处加入折射指数匹配液，还在偏振镜端面和YIG端面上镀防反膜，采取这些措施的目的都是要尽可能地增大隔离度和减小端面反射损耗。在采取上述三项措施后，他们制成的YIG光隔离器在1.2μm到1.7μm波段上，隔离度≥32dB，在1.55μm波段。隔离度约为36dB;而插入损耗在1.2μm处。为3.4dB，在1.3μm处为1.5dB，在1.55μm处为0.8dB。在1988年3月的《电子快报》(ElcctronicsLctters)第5期上，又报道了英国电信研究所研制的光隔离器仍使用YIG晶体，其隔离度在1.5μm波长处为31dB。但是，YIG法拉第旋转器存在两个问题一是成本价格问题。由于YIG单晶中含有价格昂贵的稀土元素钇(Y)，使原材料价格贵。而且，晶体生长温度较高、生长困难，成品率低，又使得单晶生产成本上升。并且，由于YIG单晶的法拉第旋转不是很大，使得制成的法拉第旋转器长度较长，如在1.3μm～1.55μm波段，YIG法拉第旋转器的长度约为2.1～2.6mm，所以，需用较大体积的YIG单晶，使得法拉第旋转器成本很高，制成的光隔离器自然价格也高，不利于推广实用。再者，在YIG单晶生长过程中使用的复合助熔剂氧化铅+氧化铋(PbO-Bi2O3)挥发性强，铅毒污染和腐蚀性也强。二是器件体积问题。由于YIG单晶饱和磁化强度较高(约1800高斯)，所以必须用尺寸较大的强磁铁才能使其达到磁化饱和，这就不利于器件的小型化。近年来，有人研究用含铋(Bi)的钆铁石榴石(BiGdIG)单晶制作法拉第旋转器。这是因为含铋的钆铁石榴石(BiGdIGGd3-xBixFe5O12，x≥1)在红外波段有很大的法拉第旋转角QF和相对低的光吸收α(即单位长度的吸收损耗)，也就是说，这种材料有高的磁光优值(QF/α)，所以，用它做的法拉第旋转器，长度只有0.3～0.5毫米。BiGdIG的饱和磁化强度也比YIG要低些，约为1200高斯，所以，外加磁场也稍弱些。在1986年美国光学学会的《应用光学》(AppliedOptics)杂志第2期上介绍了日本东北(Tohoky)大学用BiGdIG制做的光隔离器情况，他们选择另一易磁化方向<110>方向为光轴方向，隔离器达到的指标是在1.29μm波长，隔离度为28dB，插入损耗(不包括菲涅耳反射-端面反射)为1.9dB;在1.52μm波长，隔离度为31dB，插入损耗(不包括菲涅耳反射)为1.1dB。但是，成本价格问题仍未解决，这是因为BiGdIG中同样含有价格昂贵的稀土元素(Gd)，晶体生长成品率更低，所以单晶成本仍无法降低。加上制成的光隔离器的性能指标也比YIG光隔离器的性能稍差。因此，目前世界上仍广泛采用YIG制做光隔离器。本专利技术的目的是要提供一种采用低成本、低饱和磁化强度的磁光材料制做的光隔离器，以克服上述现有技术存在的缺陷。本专利技术的光隔离器，也是由起偏器、法拉第旋转器、永磁铁和检偏器等组成的，其中的法拉第旋转器则是由掺铟铋钙钒石榴石单晶作为法拉第旋光材料，替代钇铁石榴石制成的。本专利技术中采用的掺铟铋钙钒石榴石(BiCaInVIG)单晶的组成成份的比例(结构含量比)Bi3-2xCa2xFe5-x-yInyVxO12，x＝0.8～1.4，y＝0～0.4。该晶体有高的磁光优值，法拉第旋转角比YIG的要高4～6倍，故法拉第旋转器的长度也比YIG的要短4～6倍。由于BiCaInVIG不含稀土元素，原材料价格低廉，要比YIG原材料便宜70～100倍！而且，晶体生长容易，温度较低，晶体体积大，成品率高，容易加工。加上单晶生长过程中使用的助熔剂挥发性低，毒性和腐蚀性也低。用它做法拉第旋转器，大大降低了法拉第旋转器的成本造价，使光隔离器的造价也大大下降。并且，BiCaInVIG单晶的饱和磁化强度很小，只有0～500高斯，比YIG的要低许多。所以，只需要很弱的磁场就能使其在饱和磁化强度下工作，对器件的小型化极为有利。因此，本专利技术的实用价值很大，具有本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用法拉第磁光效应的非互易特性制成的光隔离器，由起偏器、法拉第旋转器、永磁铁和检偏器组成，其特征是其中的法拉第旋转器是用掺铟铋钙钒石榴石单晶制成的。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：马晓明，陶尚平，张鹏翔，
申请(专利权)人：陶尚平，马晓明，张鹏翔，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]