[发明专利]法拉第旋转器和隔离器

说明书

交叉参考相关申请

本申请是2011年6月29日递交的美国专利申请No.13/172,623，标题为“All Fiber Optical Isolator”的部分继续申请，US No.13/172,623是2010年5月12日递交的美国专利申请No.12/778,712，标题为“Highly Rare-Earth Doped Fiber Array”的部分继续申请，US No.12/778,712是2009年12月1日递交的美国专利申请No.12/628,914，标题为“Highly Rare Earth Doped Fiber”的部分继续申请。本申请按照35U.S.C.§120，要求基于前述申请的优先权，各申请的内容通过全文引用合并于本文，用于所有目的。

关于联邦赞助的研究或开发的声明

本发明按照合同No.FA9451-12-D-081，在政府支持下完成。政府在本发明中具有某些权利。

技术领域

本发明涉及基于光纤的法拉第旋转器，尤其涉及利用高稀土元素掺杂光纤的法拉第旋转器、光纤隔离器和光纤偏振旋转器。

背景技术

法拉第旋转，或法拉第效应，是一种磁光现象，它作为介质中光与磁场之间相互作用的结果，引起光波的偏振矢量旋转一定角度，该角度线性地比例于与光的传播方向共线的磁场分量的强度。例如，法拉第效应引起左的和右的圆偏振光波以略微不同的速度传播，一种称为圆双折射的性质。给定的线偏振矢量能够被表示为两个圆偏振分量的合成，法拉第效应作用到线偏振的光波上诱发的相对相移效应，是使光波的线偏振矢量的取向旋转。

光波的线偏振矢量旋转的经验角度，由β=VBd给出，这里β是旋转角度（以弧度为单位），V是光波传播所通过的材料的韦尔代（Verdet）常数，B是沿传播方向的磁通量密度（以特斯拉为单位），而d是路径长度（以米为单位）。韦尔代常数反映特定材料的法拉第效应的强度。韦尔代常数能够是正的或负的，当传播方向与磁场平行时，是对应于反时针方向旋转的正的韦尔代常数。韦尔代常数对绝大多数材料是极其小的并与波长有关。通常，光的波长越长，韦尔代常数越小。应当看到，旋转需要的角度能够在通过高韦尔代常数的材料传播时，在较短的距离上获得。

法拉第效应允许法拉第旋转器的构建，法拉第旋转器是法拉第隔离器的主要部件，法拉第隔离器是一种只沿一个方向透射光的装置。相关的法拉第旋转器和法拉第隔离器是大块的、单独应用的装置，不能很好地适用于光学集成（诸如，举例说，与基于波导或基于光纤的部件集成），而且，当被合并到集成光学系统中时，要求与该集成系统的其他部件进行自由空间光学耦合，从而限制该系统小型化的程度和引起耦合损耗。

发明内容

在一个实施方案中，一种全光纤法拉第旋转器和隔离器被给出。该装置有多成分玻璃光纤，该玻璃光纤有纤芯和包层，该纤芯有第一稀土金属氧化物的55%-85%（重量/重量）的第一掺杂浓度，该包层有第二稀土金属氧化物的55%-85%（重量/重量）的第二掺杂浓度，这里该第一稀土金属氧化物和第二稀土金属氧化物，是如下之一种或多种：Pr₂O₃、Nd₂O₃、Pm₂O₃、Sm₂O₃、Eu₂O₃、Gd₂O₃、Tb₂O₃、Dy₂O₃、Ho₂O₃、Er₂O₃、Tm₂O₃、Yb₂O₃、La₂O₃、Ga₂O₃、Ce₂O₃和Lu₂O₃，且这里包层的折射率小于纤芯的折射率。该光纤装置还包含多个磁性元件，各形成包含贯通磁性元件伸延的孔，这里该光纤被置于该多个磁性元件之一的孔中。