CN102004326B - 一种消偏延迟装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种可实现拉曼泵浦光消偏的相位延迟装置。本发明的消偏延迟装置利用一个光分离且合束元件先将从特定入射点入射的输入光束分离成第一子光束和偏振方向与第一子光束相互垂直的第二子光束，第一子光束沿原光路从特定出射点直线输出，第二子光束在该光分离且合束元件的偏离原光路的第一位置点被折返至该光分离且合束元件另一端的偏离原光路的第二位置点再被折返进入该光分离且合束元件，使之可以与第一子光束合为一束后从特定出射点输出。本发明的消偏延迟装置相比于已有技术，大大缩小了消偏延迟结构的尺寸，以利于实现光模块的小型化。
Description
技术领域
本发明涉及光通讯领域，尤其涉及一种可实现拉曼泵浦光偏振消偏的相位延迟装置。
背景技术
拉曼光纤放大器(RFA)具有宽的增益带宽(1292-1660nm)、灵活的增益谱、良好的温度稳定性、较低的自发辐射噪声，以及以普通光纤为增益介质等优点，在40G/100G传送网中得到广泛的应用。但由于其泵浦光是偏振光，即偏振度(DOP)较大，这将造成拉曼光纤放大器的偏振相关增益(PDG)将过大，从而影响放大器的增益均衡，因此通常需要对其泵浦光进行消偏处理。
现有常见的偏振消偏技术主要有空间消偏、时域消偏和频域消偏三大类。空域消偏其原理是：使光束通过一个可在空间上上产生不同相位延迟的光学组件，使得输出光在空间上不同位置呈现出不同的偏振态，当任意某个偏振态都不占优势时，即认为到达消偏效果。由于需要实现空间点最大相位差需大于2π，因此其整体结构尺寸都较大。时域消偏其原理是：通过电控的方式，产生一个随时间周期变换的相位延迟，实现输出光偏振度随时间快速变化，且在探测周期内各偏振态的能量达到一致，从而到达消偏效果。 但时域消偏需要电输入，且结构成本高，在很多应用场合并不适用。频域消偏技术最早是1928年由Lyot提出，由两片X切割的双折射晶体构成，双折射晶体的光轴夹角为45度，如图1所示。当具有一定光谱范围的偏振光垂直入射后，不同波长的偏振光在双折射晶体中产生不同偏振状态的子光束。当不同波长子光束的所叠加的偏振效果使得输出光的任意偏振态均不占优时，即可达到消偏效果。通常第二个晶体的厚度d2是第一个晶体厚度d1的2倍，即d2=2*d1，且随着d2的长度的增加，实现的消偏效果越好。为了对FWHM小于0.1nm的泵浦光进行消偏，d2的长度都较长，严重限制着最终产品的尺寸。
图2是一种现有的消偏延迟结构 ，其中1、2为双折射晶体厚片，3为延迟片。晶体厚片1将入射光分离为两个子光束o光41和e光42，然后用延迟片3单独对e光42进行相位延迟，最后再通过晶体厚片2将分离的子光束o光41和e光的42合为一束。通常晶体厚片1、2的材料为YVO4材料，为了对常规光斑进行有效分离，其长度需大于6mm，因此，即使不包括延迟片长度，整个延迟结构长度也已超过12mm。
图3是另一种现有的消偏延迟结构，主要采用PBS(偏振光分束器)1、2代替图2中的晶体厚片，分别实现分光、合光的功能。同样的，这种结构也存在延迟结构长度较长的缺陷。
综上可知，已有的技术中的消偏延迟结构均是采用分别设置于光路头尾两端的单独的光分离元件和光合束元件来实现。因此均存在消偏延迟结构长度较长的缺陷。
发明内容
因此，针对上述方案的不足，本发明提出一种小尺寸的消偏延迟结构，以利于实现光模块的小型化。本发明的技术方案是：
一种消偏延迟装置，具体是：利用一个光分离且合束元件先将从特定入射点入射的输入光束分离成第一子光束和偏振方向与第一子光束相互垂直的第二子光束，第一子光束沿原光路从特定出射点直线输出，第二子光束在该光分离且合束元件的偏离原光路的第一位置点被折返至该光分离且合束元件另一端的偏离原光路的第二位置点再被折返进入该光分离且合束元件，使之可以与第一子光束合为一束后从特定出射点输出，最终实现相位延迟的功能。其中，所述的特定入射点是所述第二子光束入射所述光分离且合束元件后，能与第一子光束合为一束输出的具有唯一性的入射点。
进一步的，所述的光分离且合束元件是双折射晶体厚片。或者所述的光分离且合束元件是偏振光分束器。
更进一步的，如果是双折射晶体厚片，所述的双折射晶体厚片的光轴与入射面法线的夹角范围为30度～70度，以实现所述第一子光束和第二子光束之间的分离角达到最大。所述的双折射晶体厚片可以是单体，也可以由多个晶体厚片组合而成。
进一步的，所述的第一位置点或第二位置点的光束折返方式是通过反射或者折射或者反射及旋转光束偏振方向或者折射及旋转光束偏振方向的方式改变所述第二子光束的行进路径。
更进一步的，所述的光束折返方式是通过直角反射棱镜、平面反射镜、斜方棱镜、道威棱镜及1/4波长的石英波片的任一或多个组合而实现。
再进一步的，所述的直角反射棱镜、平面反射镜、斜方棱镜、道威棱镜是一体的元件结构或者分体的元件结构。
进一步的，在所述的第一位置点和第二位置点的光束折返路径中插入增加或调节相位延迟量的元件。
更进一步的，所述的增加或调节相位延迟量的元件是平行平板。
本发明的技术方案，仅通过一个光分离且合束元件（双折射晶体厚片或PBS棱角）和设置于该光分离且合束元件两端或上方的光束折返元件组合即可实现消偏延迟装置。其相比于已有技术，大大缩小了消偏延迟结构的尺寸，以利于实现光模块的小型化。
附图说明
图1是现有技术的Lyot型晶体消偏器结构；
图2 是现有技术的一种消偏延迟结构；
图3 是现有技术的另一种消偏延迟结构；
图4A是本发明的第一个实施例的立体图；
图4B是本发明的第一个实施例的俯视图；
图4C是本发明的第一个实施例的前视图；
图5A是本发明的第二个实施例的立体图；
图5B是本发明的第二个实施例的俯视图；
图5C是本发明的第二个实施例的前视图；
图6是本发明的第三个实施例的结构示意图；
图7是本发明的第四个实施例的结构示意图；
图8是本发明各实施例的共同光路原理示意图；
图9是本发明的第二实施例的功能拓展的结构示意图；
图10是本发明的第三实施例的功能拓展的结构示意图；
图11是本发明的第五个实施例的结构示意图；
图12是本发明的第六个实施例的结构示意图；
图13A是直角反射棱镜的分体结构示意图；
图13B是道威棱镜棱镜的分体结构示意图；
图13C是斜方棱镜的分体结构示意图。
具体实施方式
现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
如图4A、图4B、图4C所示本发明装置的第一个实施例，由双折射晶体厚片1 、直角反射棱镜21、22和斜方棱镜23构成。其中直角反射镜21、22分别用粘结剂粘结在双折射晶体厚片1的两侧通光面上，而斜方棱镜23则粘结固定双折射晶体厚片1的上表面上。当入射光30入射到双折射晶体厚片1时，由于晶体的双折射效应，光束会分离为o光301(光偏振方向垂直于双折射晶体厚片的光轴11的面)和e光302(光偏振方向平行于双折射晶体厚片的光轴11的面)。o光301将直接透过双折射晶体厚片1输出。e光302则与o光301呈一定夹角在晶体内传输，最终偏离o光301一定距离后出射并入射到直角反射棱镜22中。由于直角反射棱镜的两个反射面221、222的作用，e光302向上偏移一定距离后反射到双折射晶体厚片1的上表面。再经过斜方棱镜的作用，e光302偏折一定距离后入射到直角反射棱镜２1中。随后在直角反射棱镜21中发生两次反射后重新入射到双折射晶体厚片1中，最后再次利用双折射晶体厚片1的双折射效应，使得e光302与o光301合并为一束输出。整个过程，e光302相对于o光301而言，行进了更长的距离，从而获得相位延迟的效果。而利用简单的光学元件对光束进行适当的折返，并利用同一个双折射晶体实现分光及合光的功能，从而大大压缩了整个延迟结构的长度。
如图5A、图5B、图5C所示本发明装置的第二个实施例，由双折射晶体厚片1 、直角反射棱镜21、22、23、24构成。其中直角反射棱镜21、23分别用粘结剂粘结在双折射晶体厚片1的两侧通光面上，直角反射棱镜22、24则粘结在双折射晶体厚片1的上表面上。与图4A、图4B所示本发明装置的第一个实施例所不同的是，采用两个直角反射棱镜22、23来实现斜方棱镜的偏折光束线路的功能。本实施例的优点在于除了必需的双折射晶体厚片外，仅需要一种规格的光学元件，更便于原材料的批量化采购。
图6所示是本发明装置的第三个实施例，由双折射晶体厚片1、道威棱镜21、1/4波长的石英波片22、23和平面反射镜24构成，道威棱镜21和1/4波长的石英波片22粘结在双折射晶体厚片1的一侧通光面上，而另1个1/4波长的石英波片23和平面反射镜24粘结在双折射晶体厚片的另一侧通光面上，并用粘结剂粘结为一个整体。入射光30首先正入射到道威棱镜21的212平面上，然后经过1/4波长的石英波片22后入射到双折射晶体厚片1中。由于晶体的双折射效应，光束会分离为o光301(光偏振方向垂直于双折射晶体厚片的光轴面)和e光302(光偏振方向平行于双折射晶体厚片的光轴面)。o光301将直接透过双折射晶体厚片1输出。e光302则与o光301呈一定夹角在晶体内传输，最终偏离o光301一定距离后出射，出射光经1/4波长的石英波片23，并在平面反射镜24上发生反射后再次经1/4波长的石英波片23。由于e光302两次经过1/4波长的石英波片23，其效果相当于经过一个1/2波长的石英波片，使得光束302的偏振方向旋转了90度，相对于双折射晶体厚片1而言光束已转变为o光。因此光束302将平行于 原o光301穿过双折射晶体厚片1，正入射到1/4波长的石英波片22，然后在道威棱镜21的两个反射面210、211上发生反射，然后再次正入射1/4波长的石英波片22。同样的，两次经过1/4波长的石英波片22，光束302的偏振方向再次旋转了90度，相对于双折射晶体厚片1而言光束再转变回为e光，最后再次利用双折射晶体厚片1的双折射效应，使得e光302与o光301合并为一束输出。
图7所示是本发明装置的第四个实施例，由双折射晶体厚片1、直角反射棱镜21、道威棱镜22构成，其中直角反射镜21和道威棱镜22分别用粘结剂粘结在双折射晶体厚片1的两侧通光面上。当入射光30入射到双折射晶体厚片1时，由于晶体的双折射效应，光束会分离为o光301(光偏振方向垂直于双折射晶体厚片的光轴面)和e光302(光偏振方向平行于双折射晶体厚片的光轴面)。o光301将直接透过双折射晶体厚片1输出。e光302则与o光301呈一定夹角在晶体内传输，最终偏离o光301一定距离出射后，经过道威棱镜直角反射面221、222的两次反射及直角反射棱镜21的反射作用，重新入射到双折射晶体厚片1中，最后再次利用双折射晶体厚片1的双折射效应，使得e光302与o光301合并为一束输出。
明显地，从上述4个实施例中可看出，各实施例具有一个共同的特征点：均是利用一个光分离且合束元件1先将从特定入射点101入射的输入光束30分离成第一子光束301和偏振方向与第一子光束相互垂直的第二子光束302，第一子光束301沿原光路从特定出射点102直线输出，第二子光束302在该光分离且合束元件1的偏离原光路的第一位置点501被折返至该光分离且合束元件1另一端的偏离原光路的第二位置点502再被折返进入该光分离且合束元件，使之可以与第一子光束301合为一束后从特定出射点102输出；其中，所述的特定入射点101是所述第二子光束302入射所述光分离且合束元件1后，能与第一子光束301合为一束输出的具有唯一性的入射点。例如，入射光30经过双折射晶体厚片时，由于双折射效应，分离出来的o光的第一子光束301和e光的第二子光束302，o光直接透射后输出，而e光在偏离o光301一定距离的第一位置点501输出，经过2个或2个以上的光学元件的反射或折射后，从另一个特定的第二位置点502处再次入射到双折射晶体厚片1上，再次利用其双折射效应，与原o光301合为一束光输出。
如图9所示本发明装置的第二实施例的功能拓展的样式示意图，即在如图5B所示本发明装置的第二个实施例中增加一个平行平板形光学元件41，其作用是在不影响光束路线情况下，增加光束的光程(即距离乘上折射率), 从而增加整个装置的相位延迟量。
如图10所示本发明装置的第三实施例的功能拓展的样式示意图，即在如图6所示本发明装置的第三个实施例中增加一个平行平板形光学元件25，其作用是在不影响光束路线情况下，增加光束的光程(即距离乘上折射率), 从而增加整个装置的相位延迟量。
进一步的，可采用偏振光分束器(PBS)代替上述各实施例中的双折射晶体厚片，同时实现分光、合光的功能。如图11所示是本发明装置的第五个实施例，由偏振光分束器1、直角反射棱镜21、22构成。直角反射棱镜21粘结在偏振光分束器1的上表面上，而另1个直角反射棱镜22粘结在偏振光分束器1的下表面上。入射光30首先正入射到偏振光分束器1上，并在分光面11上分离为o光301和e光302。o光301将直接透过偏振光分束器1输出。e光302垂直与o光301反射出偏振光分束器1输出后，经过直角反射棱镜21、22的作用，从另一面再次入射到偏振光分束器1上。此时，e光302在分光面11的反射作用下，与之前的o光301合并为一束输出。
如图12所示是本发明装置的第六个实施例，由偏振光分束器1、平面反射镜22、24构成及1/4波长的石英波片21、23构成。平面反射镜22和1/4波长的石英波片21粘结在偏振光分束器1的上表面上，而另1个1/4波长的石英波片23和另1个平面反射镜24粘结在偏振光分束器1的下表面上。入射光30首先正入射到偏振光分束器1上，并在分光面11上分离为o光301和e光302。o光301将直接透过偏振光分束器1输出。e光302垂直与o光301反射出偏振光分束器1输出后，经过1/4波长的石英波片21，在平面反射镜22的反射面221上发生发射后再次经过1/4波长的石英波片21，此时，光束302的偏振方向已旋转了90度，从而可直接透射过分光面11，入射到1/4波长的石英波片23上，同样地在平面反射镜24的反射面241上发射反射后再次经过1/4波长的石英波片23，此时光束302的偏振方向 又转回原e光的偏振状态，从而在分光面11的反射作用下，与之前的o光301合并为一束输出。
如图13A、图13B、图13C所示，显然，上述各实施例所述的直角反射棱镜、道威棱镜、斜方棱镜等光学元件，即可以是一体的，也可以是分体的(由多个光学元件构成)。如图13A所示的，就是将两个三角棱角201、202一同组成替代的直角反射棱镜。如图13B所示的，就是将两个直角梯形棱角201、202一同组成替代的道威棱镜。如图13C所示的，就是将两个错开的三角棱角201、202一同组成替代的斜方棱镜。
因此，依据优选实施方案的具体展示和介绍，所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。
Claims (16)
1.一种消偏延迟装置，其特征在于：利用一个光分离且合束元件（1）先将从特定入射点（101）入射的输入光束（30）分离成第一子光束（301）和偏振方向与第一子光束相互垂直的第二子光束（302），第一子光束（301）沿原光路从特定出射点（102）直线输出，第二子光束（302）在该光分离且合束元件（1）的偏离原光路的第一位置点（501）被设置于光分离且合束元件两端或上方的光束折返元件折返至该光分离且合束元件（1）的偏离原光路的第二位置点（502）再被光束折返元件折返进入该光分离且合束元件，使之可以与第一子光束（301）合为一束后从特定出射点（102）输出；其中，所述的特定入射点（101）是所述第二子光束（302）入射所述光分离且合束元件（1）后，能与第一子光束（301）合为一束输出的具有唯一性的入射点。
2.根据权利要求1所述的消偏延迟装置，其特征在于：所述的光分离且合束元件（1）是双折射晶体厚片。
3.根据权利要求2所述的消偏延迟装置，其特征在于：所述的双折射晶体厚片的光轴（11）与入射面法线的夹角范围为30度～70度。
4.根据权利要求2所述的消偏延迟装置，其特征在于：所述的双折射晶体厚片可以是单体，也可以由多个晶体厚片组合而成。
5. 根据权利要求1所述的消偏延迟装置，其特征在于：所述的光分离且合束元件（1）是偏振光分束器。
6.根据权利要求1所述的消偏延迟装置，其特征在于：所述的第一位置点（501）或第二位置点（502）的光束折返方式是：通过反射、或者折射、或者反射及旋转光束偏振方向、或者折射及旋转光束偏振方向的方式改变所述第二子光束（302）的行进路径。
7.根据权利要求6所述的消偏延迟装置，其特征在于：所述的光束折返方式是通过直角反射棱镜、平面反射镜、斜方棱镜、道威棱镜及1/4波长的石英波片的任一或多个组合而实现。
8.根据权利要求7所述的消偏延迟装置，其特征在于：所述的直角反射棱镜、平面反射镜、斜方棱镜、道威棱镜是一体的元件结构或者分体的元件结构。
9.根据权利要求1所述的消偏延迟装置，其特征在于：在所述的第一位置点（501）和第二位置点（502）的光束折返路径中插入增加或调节相位延迟量的元件。
10.根据权利要求9所述的消偏延迟装置，其特征在于：所述的增加或调节相位延迟量的元件是平行平板。
11.根据权利要求1所述的消偏延迟装置，其特征在于：所述的消偏延迟装置由1个双折射晶体厚片、2个直角反射棱镜和1个斜方棱镜构成，双折射晶体厚片作为光分离且合束元件，2个直角反射棱镜和1个斜方棱镜作为折返光束的元件；其中，2个直角反射棱镜分别粘结在双折射晶体厚片的两侧通光面上，而斜方棱镜粘结固定双折射晶体厚片的上表面上。
12.根据权利要求1所述的消偏延迟装置，其特征在于：所述的消偏延迟装置由1个双折射晶体厚片、4个直角反射棱镜构成，双折射晶体厚片作为光分离且合束元件，4个直角反射棱镜作为折返光束的元件；其中，2个直角反射棱镜分别粘结在双折射晶体厚片的两侧通光面上，而另外2 个直角反射棱镜相对分开地粘结在双折射晶体厚片的上表面上。
13.根据权利要求1所述的消偏延迟装置，其特征在于：所述的消偏延迟装置由1个双折射晶体厚片、1个道威棱镜、2个1/4波长波片和1个平面反射镜构成，双折射晶体厚片作为光分离且合束元件，1个道威棱镜、2个1/4波长波片和1个平面反射镜作为折返光束的元件；其中，1个道威棱镜和1个1/4波长波片粘结在双折射晶体厚片的一侧通光面上，而另1个1/4波长波片和平面反射镜粘结在双折射晶体厚片的另一侧通光面上。
14.根据权利要求1所述的消偏延迟装置，其特征在于：所述的消偏延迟装置由1个双折射晶体厚片、1个道威棱镜和1个直角反射棱镜构成，双折射晶体厚片作为光分离且合束元件，道威棱镜和直角反射棱镜作为折返光束的元件；其中，直角反射棱镜粘结在双折射晶体厚片的一侧通光面上，而道威棱镜粘结在双折射晶体厚片的另一侧通光面上。
15.根据权利要求1所述的消偏延迟装置，其特征在于：所述的消偏延迟装置由1个偏振光分束器和2个直角反射棱镜构成，偏振光分束器作为光分离且合束元件，2个直角反射棱镜作为折返光束的元件；其中，1个直角反射棱镜粘结在偏振光分束器的上表面上，而另1个直角反射棱镜粘结在偏振光分束器的下表面上。
16.根据权利要求1所述的消偏延迟装置，其特征在于：所述的消偏延迟装置由1个偏振光分束器、2个1/4波长波片和2个平面反射镜构成，偏振光分束器作为光分离且合束元件，2个1/4波长波片和2个平面反射镜作为折返光束的元件；其中，1个平面反射镜和1个1/4波长波片粘结在偏振光分束器的上表面上，而另1个1/4波长波片和另1个平面反射镜粘结在偏振光分束器的下表面上。
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