CN101782693B - 一种多功能集成光学设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种多功能集成光学设备，其包括一个带尾纤的输入端光准直器；一个输入双折射晶体光楔；一个法拉第旋转器；一个普克尔盒；一个输出双折射晶体光楔；一个带尾纤的输出端光准直器；一个驱动可调光衰减器和光开关的电驱动器和一个驱动光调制器的电驱动器。本发明是一种集成的、结构紧凑的多功能光学设备，可以用作偏振无关的光隔离器、光开关、可调光衰减器和光学调制器，没有机械移动部件，适合在各种激光器系统中使用，特别是在针对光纤通信网络的系统中使用；本光学设备可作为对光学信号超快速度(纳秒级)的衰减和开关；设计简单而又集成度高，因此易于生产，使得这种设备可以以低成本进行大规模生产。

Description

一种多功能集成光学设备
技术领域
本发明涉及一种偏振无关的光隔离器、光开关、可调光衰减器和调制器的集成设备，尤其是一种涉及使用了法拉第旋转器和普克尔盒来控制光偏振状态的多功能集成光学设备。
背景技术
目前，激光器系统，尤其是现代光纤通信网络中广泛使用了光隔离器、光开关、可调光衰减器和调制器。
光隔离器可以消除多余的或反射的光信号，从而避免与希望的光功能产生干扰。在光纤通信系统中，一些光线可能会从光纤网络中反射回来，这些反射光会干扰甚至改变激光器输出的振荡频率，从而影响激光二极管的运行。所以经常在激光二极管和光纤之间使用一个光隔离器来将光纤网络的反射减至最小。自由空间光学系统通常使用偏振相关的光隔离器，这是由于光源的偏振状态一般是由系统决定的。在大多数光纤通信系统中，偏振方向通常是发散的。所以，在输入信号处于任何偏振状态下光学设备都能够有效的运行就变得尤为重要。
正如在之前技术中所披露的，图1显示了偏振无关的光隔离器的传统设计。光隔离器100包括一个输入双折射晶体光楔16(其寻常光偏振方向为垂直，非常光偏振方向为水平)，一个输出双折射晶体光楔24(其寻常光偏振方向为45度角，非常光偏振方向为-45度角)和一个法拉第旋转器18安装在光楔16和24之间。如图1所示，晶体光楔16和24的角度q通常是7度。
向前传播的光线10被输入双折射晶体光楔16分为垂直(0度角)部分14和水平(90度角)部分12，在图2中分别被称为寻常光(o光)和非常光(e光)。法拉第旋转器18在x-y平面把o光和e光同时旋转45度。这意味着相对x轴，光线20现在是45度角，光线22是-45度角，如图3所示。输出双折射晶体光楔24再将两个部分合并为光线26。
图4显示了反向传播的光路。如图5所示，光线30被双折射晶体光楔24分为45度角的o光32和-45度角的e光34。法拉第旋转器18再次将两个光线旋转45度，这样o光36变为90度，而e光37变为0度，如图6所示。由于法拉第旋转器的非互易性，角度关系与正向光线相反，这样在经过双折射晶体光楔16后，光线并没有合并，反而发散为两条光线38和39。通常在光隔离器的两端使用准直器。在传输方向，光线被分离然后合并，最后聚焦从输出准直器输出。在隔离方向，光线被分离然后发散，所以最后不能在准直器聚焦输出。
光衰减器在控制光学信号传输的光路中是一个非常重要的部件。在光纤通信系统中，可调光衰减器被广泛的用于调节光功率水平，来防止不规则的光功率变化对光接收器造成影响。当光功率波动时，使用一个可调光衰减器，结合输出功率检测器和反馈控制回路，可以实时调节衰减使得输出到光接收器的功率保持在一个相对恒定的水平。通过使部分或全部的光信号从原来的光路上偏离就可以实现光信号的衰减，具体实施可以用多种方法实现。
可调光衰减器(VOA)已经有多种技术的实施。目前，市场上有几种类型的可调光衰减器，例如使用步进电机或磁光晶体的光机VOA设备、使用液晶技术的设备、以及使用微电子机械系统(MEMS)技术的设备。
使用普克尔盒制作的光衰减器或开关，其原理基于电光晶体的双折射特性，通常使用在非通信应用中，主要原因是普克尔盒的高电压要求。普克尔电光效应通过一个固定的或变化的电场在光介质中产生双折射特性。电场可以以与光线横向或者纵向的方向加在晶体介质上。纵向普克尔盒需要透明电极或环形电极。横向电压的需求可以通过增加晶体长度来减小。结合两个偏振片的普克尔盒可以使用在多种应用中。正如在之前技术中所披露的，图7显示了一个简单的基于普克尔盒的设备，可以实现多种功能。例如可调光衰减器和用于线偏振光线的调制器。图8和图9显示了常闭光开关(不加电压时光开关为关闭状态)两个偏振片的偏振面方向，第一个偏振片44-1的偏振面41与x轴对齐，第二个偏振片44-2的偏振面45与y轴对齐。
当普克尔盒驱动器49产生的可变电场的值在0和半波电压(即普克尔盒46将入射光偏振面旋转90度所需的电压)之间时，输入光线40-1可以被衰减至从完全关闭到完全透明的范围，成为光线40-2从偏振片44-2射出。
尽管这种结构的响应时间非常快，可以达到纳秒级，但是很少在光纤通信系统中使用，主要原因是极高的电压(半波电压通常需要几千伏特或者更高)需求。但是随着新材料的发展，产生双折射特性的电压需求已经大幅度下降，所以本发明在光纤通信系统中的应用是可行的，尤其是应用在有能力以高频率、低电压直接调制激光信号的发射机中。
发明内容
本发明的目的在于提供一种集成的、结构紧凑的多功能光学设备，可以用作偏振无关的光隔离器、光开关、可调光衰减器和光学调制器。
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
一种多功能集成光学设备，其特征在于包括：
一个输入端光准直器和一个输出端光准直器，每个准直器都带一根单模光纤尾纤，其中输入端光准直器接收输入光线，输出端光准直器提供输出光线；
一个输入双折射晶体光楔和一个输出双折射晶体光楔，其中输入双折射晶体光楔从输入端光准直器接收光线，输出双折射晶体光楔向输出端光准直器输出光线，输入双折射晶体光楔的寻常光偏振方向为垂直，非常光偏振方向为水平，相对于输入双折射晶体光楔的双折射轴，输出双折射晶体光楔的寻常光偏振方向为45度角，非常光偏振方向为-45度角；
一个普克尔盒，该普克尔盒根据外加电压来旋转输入光线的偏振态，该普克尔盒有两个双折射轴，与所述的输入双折射晶体光楔的双折射轴对齐；
一个法拉第旋转器，该法拉第旋转器安放在输入双折射晶体光楔和普克尔盒之间，从输入双折射晶体光楔接收光线，普克尔盒安放在法拉第旋转器和输出双折射晶体光楔之间并从法拉第旋转器接收光线，输入双折射晶体光楔安放在输入端光准直器和法拉第旋转器之间并从输入端光准直器接收光线，输出双折射晶体光楔安放在普克尔盒和输出端光准直器之间，从普克尔盒接收光线并将光线重新合并后从输出端光准直器输出；
至少一个电驱动器作为可调光衰减器和光开关的驱动源；
一个电驱动器作为光调制器的驱动源。
而且，所述的输入光线是相干的、单色的或者是有有限光谱带宽的光线。
而且，所述的法拉第旋转器被配置为只将单一波长或有限光谱带宽的输入光线的偏振面旋转45度角。
而且，所述的法拉第旋转器根据具体应用的波长要求进行选择。
而且，作用在普克尔盒介质上的电场与光线成横向方向或者成纵向方向。
而且，所述的普克尔盒的介质根据具体应用的波长需求进行选择。
而且，所述的输入端光准直器、输入双折射晶体光楔、法拉第旋转器、普克尔盒、输出双折射晶体光楔以及输出端光准直器的表面都涂有多层的抗反射电介质薄膜来消除反射并减少光插入损耗。
而且，所述的输入双折射晶体光楔、法拉第旋转器、普克尔盒以及输出双折射晶体光楔使用粘合剂固定，粘合剂对选定的波长是透明的，或者使用粘合剂的表面部分避开通光光路。
本发明的优点和积极效果是：
本发明是一种集成的、结构紧凑的多功能光学设备，可以用作偏振无关的光隔离器、光开关、可调光衰减器和光学调制器，没有机械移动部件，适合在各种激光器系统中使用，特别是在针对光纤通信网络的系统中使用；本光学设备可作为对光学信号超快速度(纳秒级)的衰减和开关；设计简单而又集成度高，因此易于生产，使得这种设备可以以低成本进行大规模生产。
附图说明
图1显示了已有技术中使用的一种光隔离器设计。
图2显示了经过图1的光隔离器的输入双折射晶体光楔后产生的两条光线的偏振面方向。
图3显示了经过图1的光隔离器的法拉第旋转器后两条光线的偏振面方向。
图4显示了图1的光隔离器光线反向传播时的光路。
图5显示了反向经过图1的光隔离器的双折射晶体光楔后产生的两条光线的偏振面方向。
图6显示了反向经过图1的光隔离器的法拉第旋转器后两条光线的偏振面方向。
图7显示了已有技术中使用的一种光衰减器设计。
图8显示了在图7光衰减器设计中第一个偏振片的偏振面方向。
图9显示了在图7光衰减器设计中第二个偏振片的偏振面方向。
图10显示了本发明多功能集成设备的一种具体实施。
图11显示了图10中当普克尔盒外加电压为0时(V＝0)光线正向经过输入个双折射晶体光楔后的偏振面方向。
图12显示了图10中当普克尔盒外加电压为0时(V＝0)光线正向经过法拉第旋转器后的偏振面方向。
图13显示了图10中当普克尔盒外加电压为0时(V＝0)光线正向经过普克尔盒后的偏振面定向。
图14显示了本发明的一个具体实施中当普克尔盒外加电压为半波电压时(V＝Vπ)光线正向传播的光路。
图15显示了普克尔盒外加电压后双折射轴的方向。
图16显示了图14中当普克尔盒外加电压为半波电压时(V＝Vπ)光线正向传播经过普克尔盒后的偏振面方向。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例做进一步详述。
图10显示了作为首选具体实施的，一种可以用作偏振无关的光隔离器、光开关、可调光衰减器和调制器的多功能集成光学设备的结构原理图。为了便于描述和理解，坐标轴的设置如下：z方向(图中指向右方)代表光学部件对齐的方向；x方向(垂直方向)和y方向(水平方向)代表与z方向正交的两个方向。
本偏振无关的多功能集成光学设备300包括一个带单模光纤尾纤的输入端光准直器101；一个输入双折射晶体光楔110(其寻常光偏振方向为垂直，非常光偏振方向为水平)；一个法拉第旋转器120；一个普克尔盒130(其双折射轴分别与垂直方向和水平方向对齐)；一个输出双折射晶体光楔140(其寻常光偏振方向为45度角，非常光偏振方向为-45度角)；一个带单模光纤尾纤的输出端光准直器102；一个驱动可调光衰减器和光开关的电驱动器150，和一个驱动光调制器的电驱动器160。
法拉第旋转器安放在输入双折射晶体光楔和普克尔盒之间，从输入双折射晶体光楔接收光线；普克尔盒安放在法拉第旋转器和输出双折射晶体光楔之间并从法拉第旋转器接收光线；输入双折射晶体光楔安放在输入端光准直器和法拉第旋转器之间并从输入端光准直器接收光线；输出双折射晶体光楔安放在普克尔盒和输出端光准直器之间，从普克尔盒接收光线并将光线重新合并后从输出端光准直器输出。
输入双折射晶体光楔110和输出双折射晶体光楔140的角度q通常是7度，输入端光准直器101和输出端光准直器102通常使用单模光纤。法拉第旋转器120被设计为特定的输入光线波长工作，这是由于法拉第旋转器的旋转角度是由波长相关的。通常根据特定应用中对波长的要求，可以将法拉第旋转器设计为单一波长或一定的波长范围内工作。应用于光通信的法拉第旋转器通常使用YIG(钇铁石榴石晶体安放在永磁场内)制成。双折射晶体光楔通常使用钒酸钇(YVO4)和铌酸锂(LiNbO3)晶体制造。用于制造普克尔盒的介质可根据具体应用的波长需求进行选择，几种常用物质包括磷酸二氢钾(KDP)、偏硼酸钡(BBO)和铌酸锂(LiNbO3)晶体等。在选择制造普克尔盒的材料时应考虑以下一些因素：成本、半波电压、光学损坏极限等，以及其他因素。光准直器通常采用GRIN透镜(自聚焦透镜)或C透镜来制造。输入光线是相干的、单色的、或者有限的光谱带宽。
通过输入端光准直器101后正向传播的入射光线50被输入双折射晶体光楔110分为垂直(0度角)分量51和水平(90度角)分量52，在图11中分别被称为寻常光(o光)和非常光(e光)。在经过法拉第旋转器120后，o光51和e光52在x-y平面被旋转45度角，这个过程可以用琼斯矩阵运算
Figure G201010300865120100128D000051
来表示。如图13所示，现在光线53是45度角，光线54是-45度角。在没有外加电压时，普克尔盒130是透明的各向同性或非双折射的介质，也就是说光线53和54在通过普克尔盒时不会产生任何偏振状态的变化。光线56和57被输出双折射晶体光楔140重新合并，并由输出端光准直器102聚焦至输出光纤。作为偏振无关的隔离器，图10所示的结构与图1所示的系统工作完全一致，可以为反向信号提供非常高的衰减。
当电驱动器150和/或160产生的电场加载时，普克尔盒130就变成了一个压控波片，即其偏振轴70和71分别与x轴和y轴对齐，如图15所示。为了使该系统工作在开关状态，驱动器150需产生一个足够大的电压V使得普克尔盒130成为一个半波片，即
Figure G201010300865120100128D000062
其中
Figure G201010300865120100128D000063
在x-y平面将法拉第旋转器120出来的入射光线53和54的偏振方向旋转90度，如图12和图13所示。这样的电压通常称为半波电压。从普克尔盒130射出的光线56-1和57-1对应输出双折射晶体光楔140分别是e光和o光，所以不能被输出双折射晶体光楔140合并，也就不能被输出端光准直器102接收，实现了光开关的功能。正如之前技术中所披露的，由于常用普克尔盒的超快响应时间，这样的遮光器可以做到纳秒级的开关时间。
当施加电压小于半波电压时，系统就成为了衰减器。通过改变所加的电压，入射光50通过输入双折射晶体光楔110、法拉第旋转器120、普克尔盒130和输出双折射晶体光楔140后能够到达输出端光准直器102的光强可以从完全通过变化到完全阻隔。在实际应用中，由于材料吸收、散射、反射以及偏振轴不完全对齐等因素，在没有施加电场的情况下也会产生一些插入损耗。应该注意，尽管当首选的系统作为衰减器工作时对光线的反射隔离有所下降，但是由于输入光线被衰减，反射光线也大为减少。因此，系统整体的反射隔离并没有被明显牺牲。明显地，如果使用调制驱动器160来驱动普克尔盒130，就可以实现对输入光线50的调制。由于所需的半波电压较高，开关状态的调制频率很难做到很高，但是对光线50的小幅度调制还是可行的。
输入端光准直器、输入双折射晶体光楔、法拉第旋转器、普克尔盒、输出双折射晶体光楔以及输出端光准直器的表面都涂有多层的抗反射电介质薄膜来消除反射并减少光插入损耗。输入双折射晶体光楔、法拉第旋转器、普克尔盒以及输出双折射晶体光楔使用粘合剂固定，粘合剂对选定的波长是透明的，或者使用粘合剂的表面部分避开通光光路。
针对本发明的说明仅起到演示和描述的作用，并不是一个详细无遗漏的说明，也没有意图将本发明限制在所描述的具体形式上。经过上面的描述，对本发明的许多改动和变化都可能出现。所选择的具体实施仅仅是为了更好的解释本发明的原理和实际中的应用。这个说明能够使熟悉此领域的人可以更好的利用本发明，根据实际需要设计不同的具体实施和进行相应的改动。

Claims (8)

1.一种多功能集成光学设备，其特征在于包括：
一个输入端光准直器和一个输出端光准直器，每个准直器都带一根单模光纤尾纤，其中输入端光准直器接收输入光线，输出端光准直器提供输出光线；
一个输入双折射晶体光楔和一个输出双折射晶体光楔，其中输入双折射晶体光楔从输入端光准直器接收光线，输出双折射晶体光楔向输出端光准直器输出光线，输入双折射晶体光楔的寻常光偏振方向为垂直，非常光偏振方向为水平，相对于输入双折射晶体光楔的双折射轴，输出双折射晶体光楔的寻常光偏振方向为45度角，非常光偏振方向为-45度角；
一个普克尔盒，该普克尔盒根据可调光衰减器和光开关电驱动器150、光调制器电驱动器160的外加电压来旋转输入光线的偏振态，该普克尔盒有两个双折射轴，与所述的输入双折射晶体光楔的双折射轴对齐；
一个法拉第旋转器，该法拉第旋转器安放在输入双折射晶体光楔和普克尔盒之间，从输入双折射晶体光楔接收光线，普克尔盒安放在法拉第旋转器和输出双折射晶体光楔之间并从法拉第旋转器接收光线，输入双折射晶体光楔安放在输入端光准直器和法拉第旋转器之间并从输入端光准直器接收光线，输出双折射晶体光楔安放在普克尔盒和输出端光准直器之间，从普克尔盒接收光线并将光线重新合并后从输出端光准直器输出；
至少一个电驱动器作为可调光衰减器和光开关的驱动源；
一个电驱动器作为光调制器的驱动源；
当可调光衰减器和光开关驱动器(150)产生一个足够大的电压V使得普克尔盒(130)成为一个半波片，即 
Figure FDA0000081421460000011
其中 
Figure FDA0000081421460000012
该系统工作在开关状态；
当可调光衰减器和光开关施加电压小于半波电压时，系统就成为了衰减器； 
当光调制器电驱动器(160)驱动普克尔盒(130)，可实现对光线(50)的小幅度调制。
2.根据权利要求1所述的多功能集成光学设备，其特征在于：所述的输入光线是相干的、单色的或者是有有限光谱带宽的光线。
3.根据权利要求1所述的多功能集成光学设备，其特征在于：所述的法拉第旋转器被配置为只将单一波长或有限光谱带宽的输入光线的偏振面旋转45度角。
4.根据权利要求1所述的多功能集成光学设备，其特征在于：所述的法拉第旋转器根据具体应用的波长要求进行选择。
5.根据权利要求1所述的多功能集成光学设备，其特征在于：作用在普克尔盒介质上的电场与光线成横向方向或者成纵向方向。
6.根据权利要求1所述的多功能集成光学设备，其特征在于：所述的普克尔盒的介质根据具体应用的波长需求进行选择。
7.根据权利要求1所述的多功能集成光学设备，其特征在于：所述的输入端光准直器、输入双折射晶体光楔、法拉第旋转器、普克尔盒、输出双折射晶体光楔以及输出端光准直器的表面都涂有多层的抗反射电介质薄膜来消除反射并减少光插入损耗。
8.根据权利要求1所述的多功能集成光学设备，其特征在于：所述的输入双折射晶体光楔、法拉第旋转器、普克尔盒以及输出双折射晶体光楔使用粘合剂固定，粘合剂对选定的波长是透明的，或者使用粘合剂的表面部分避开通光光路。 
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