CN102967899B - 一种紧凑型四端口光环行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种紧凑型四端口光环行器，该光环行器沿着装置整体的轴线方向依次设置有双光纤准直器、分束/合束元件、偏振转换组件、光路变换元件、偏振转换组件、分束/合束元件以及双光纤准直器，其中所述双光纤准直器由热扩芯光纤头和C-Lens透镜共同构成；所述分束/合束元件为呈斜方体的双折射晶体结构，并且该晶体结构中分别与其下表面形成相同夹角的左右斜面朝向光的传输方向；所述光路变换元件呈楔角片对结构，该楔角片对由角度相匹配的两个楔角片组合而成，并且这两个楔角片各自的光轴相互正交。通过本发明，可以有效减小器件整体的体积，并且光环行器的输入和输出均保持在主轴上，因此便于生产装配且有利于光路调试和器件封装。

Description

一种紧凑型四端口光环行器

技术领域

本发明属于光导元件技术领域，更具体地，涉及一种紧凑型四端口光环行器。

背景技术

光环行器是光纤通信中一种重要的光无源器件，它的典型结构有N（N大于等于3）个端口，参见图1，当光由其中一个端口例如端口1输入时，光可以几乎毫无损失地由另外一个端口即端口2输出，其他端口处几乎没有光输出；而当光由端口2输入时，光几乎毫无损失地由端口3输出，其他端口处几乎没有光输出，以此类推，由此使得光信号只能沿固定的路径进行环行传输。光环行器作为一种多端口输入输出的非互易器件，可以实现正反向传输光的分离，因而广泛应用于单纤双向传输系统、色散补偿单元、波长阻塞器、通道均衡器以及波长选择开关等光通信子系统中。

四端口光环行器是三端口的延伸，能够提供更多的光信号输出路径，然而，现有的四端口光环行器仍然存在以下的缺陷或不足：第一，目前的四端口光环行器中通常采用长方体结构的双折射晶体作为分束/合束元件，这样分光后o光不会偏折，而e光会朝向双折射晶体自身的光轴发生一定角度的偏折，因此不可能保证两束光在光环行器主轴方向上的光路对称；第二，目前的四端口光环行器采用两个光轴彼此正交的长方体双折射晶体结构、和分别布置在正方体晶体两侧的屋脊棱镜来共同作为光路变换组件，以便实现光路控制达到环行传输的目的，但这种结构的光路变换器往往元件复杂、器件成本高，尤其是不利于光路调试和器件封装；第三，现有四端口光环行器的双折射晶体及偏振转换组件的设置位置通常超出在双光纤准直器的工作距离之外，相应造成器件整体体积较大，且不利于光路调试和器件封装。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或技术需求，本发明的目的在于提供一种紧凑型四端口光环行器，其通过对双光纤准直器、分光/合光元件和光路变换组件等元件的结构及其设置方式进行改进，可以有效减小器件整体的体积，提供一种紧凑型四端口光环行器，并且光环行器的输入和输出均保持在主轴上，因此便于生产装配且有利于光路调试和器件封装。

按照本发明，提供了一种紧凑型四端口光环行器，该光环行器沿着装置整体的轴线方向依次设置有双光纤准直器、分束/合束元件、偏振转换组件、光路变换元件、偏振转换组件、分束/合束元件以及双光纤准直器，其特征在于：

所述双光纤准直器由热扩芯光纤头和起到准直作用的C-Lens透镜共同构成；

所述分束/合束元件为呈斜方体的双折射晶体结构，并且该晶体结构中分别与其下表面形成相同夹角的左右斜面朝向光的传输方向；

所述光路变换元件呈楔角片对结构，该楔角片对由角度相匹配的两个楔角片组合而成，并且这两个楔角片各自的光轴相互正交。

通过以上构思，由于采用热扩芯光纤头和C-Lens透镜共同构成双光纤准直器，能够适当扩大准直器的最大工作距离，并使得分束/合束元件及偏振转换组件均可放置在该工作距离之内，从而有效减小光环行器的整体体积、实现紧凑化和小型化。此外，通过采用斜方体的双折射晶体结构作为分束/合束元件，当入射光到达晶体结构的斜面时，可以通过对其中o光与晶体结构的光轴所成角度θ进行调整，由此在分束/合束元件中形成对称的光路，相应避免光环行器难于准确装配的问题，同时保证各个分束/合束元件的输入/输出口均处于整体装置的轴线上；而通过采用楔角片对来替代现有技术的长方体双折射晶体结构及屋脊棱镜，能够在保证实现光路控制和顺利传输的同时，进一步减少光环行器的组成元件和装配复杂性，并降低成本。

作为进一步优选地，对于所述热扩芯光纤头，其热扩展芯径为扩散前芯径的3.5~4.5倍。

作为进一步优选地，所述双光纤准直器各自的尾纤分别作为光环行器的四个端口。

作为进一步优选地，对于所述分束/合束元件，其斜方体双折射晶体结构中左右斜面与其下表面所形成的夹角为4°~8°。

作为进一步优选地，所述偏振转换组件由上下两组90°的非互易旋转器共同组成，并且其上下两组非互易旋转器中的旋光片和λ/2波片的设置次序相反。

作为进一步优选地，所述楔角片对结构中三个呈斜面形状的光路传输面相对于其下表面的夹角分别依次为84.8°、83°和85.4°。

总体而言，按照本发明的紧凑型四端口光环行器与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1、通过采用热扩芯光纤头和C-Lens透镜共同构成双光纤准直器，能够适当扩大准直器的最大工作距离，并使得分束/合束元件及偏振转换组件均可放置在该工作距离之内，从而有效减小光环行器的整体体积、实现紧凑化和小型化；

2、通过对分束/合束元件以及光路变换元件结构上的调整和改进，能够保证形成对称光路，并使得光环行器的输入和输出均保持在整体装备的轴线上，同时可减少光路变换组件的组成元件，降低装配复杂性，同时尤其能便于光路调试的工序，并有效提高装配的精度；

3、按照本发明的紧凑型四端口光环行器能够有效实现正反向传输光的分离，并具备结构紧凑、体积小、制造成本低、以及便于装配和封装操作等特点，因此在各类光通信用途中具备广泛的应用前景。

附图说明

图1是用于显示现有技术中光环行器工作方式的结构示意图；

图2a是按照本发明的紧凑型四端口光环行器的主体结构侧视图；

图2b是按照本发明的紧凑型四端口光环行器的主体结构俯视图；

图3a是现有技术中的分束/合束元件的结构示意图；

图3b是按照本发明的分束/合束元件的结构示意图；

图4a是按照本发明的一个偏振转换组件的结构示意图；

图4b是按照本发明的另一偏振转换组件的结构示意图；

图5是按照本发明作为光路变换元件的楔角对元件的结构示意图；

图6a是按照本发明由热扩芯光纤头和C-Lens透镜共同构成的双光纤准直器的结构示意图；

图6b是图6a中所示双光纤准直器的最大工作距离的示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

11-双光纤准直器 12-分束/合束元件 13-偏振转换组件 14-光路变换元件 15-偏振转换组件 16-分束/合束元件 17-双光纤准直器 1301-λ/2波片 1302-旋光片 1303-旋光片 1304-λ/2波片 1501-旋光片 1502-λ/2波片 1503-λ/2波片 1504-旋光片

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图2a是按照本发明的紧凑型四端口光环行器的主体结构侧视图，图2b是按照本发明的四端口光环行器的主体结构俯视图。如图2a和图2b中所示，沿着光环行器装置整体的轴线方向依次设置有双光纤准直器11、分束/合束元件12、偏振转换组件13、光路变换元件14、偏振转换组件15、分束/合束元件16以及双光纤准直器17，由此在整个轴线方向上构成了对称结构。

双光纤准直器11、17均由热扩芯光纤头和C-Lens透镜共同经过精确定位构成，它们各自的尾纤分别作为光环行器的端口，具体而言，也即双光纤准直器11的2个尾纤构成了光环行器的端口1和端口3，双光纤准直器17的2个尾纤构成了端口2和端口4。双光纤准直器的主要作用在于将光纤内的传输光转变成准直光，或对外界平行光执行高效率耦合。其中由于采用热扩芯光纤头，通过下文的推导计算及大量测试表明，其能够适当扩大准直器的工作距离，并使得分束/合束元件12、16及偏振转换组件13、15均可放置在该工作距离之内，从而有效减小光环行器的整体体积、实现紧凑化和小型化。此外，通过选择C-Lens透镜作为准直透镜，其具备均匀的折射率分布，并能通过调节其端面曲率半径来实现光束的准直作用，因此有效替换目前较为昂贵的自聚焦GRIN-Lens透镜，相应在实现光路精确准直功能的同时，降低光环行器的整体制造成本。

分束/合束元件12、16的作用是根据光传输方向，对入射的光执行分束以生成两束偏振方向相正交的偏振光也即o光和e光，或者是将入射的两束偏振光也即o光和e光合束到一条光路上。考虑到现有技术中的分束/合束元件大多为正长方体的双折射晶体结构，并存在光路相对于主轴不对称的问题（具体参见图3a），相应使得在光环行器工艺制造过程中难以准确执行装配，在此情况下有必要对分束/合束元件的形状及设置方式作出改进和调整。如图3b中具体所示，在本发明中可以将分束/合束元件12（以及对称设置的分束/合束元件16）均设置成斜方体的双折射晶体结构，并且此晶体结构中分别与其上表面形成相同夹角的左右斜面朝向光的传输方向，这样当入射光到达晶体结构的斜面时，可以通过对其中o光与晶体结构的光轴所成角度θ进行调整，由此在分束/合束元件中形成对称的光路，相应避免光环行器难于准确装配的问题，同时保证各个分束/合束元件的输入/输出口均处于整体装置的轴线上。换而言之，在按照本发明的斜方体双折射晶体结构的分束/合束元件中，其斜面的具体倾斜角γ以及入射光与晶体结构光轴所成的角度θ共同决定了对称光路的形成、以及该对称光路之间的夹角δ的大小。在一个优选实施例中，可以将所述斜方体晶体中斜面的倾斜角具体设置为4°~8°的角度范围，这样在保证分束/合束元件可形成对称光路的同时，还能够对入射光的入射角度方便地执行调节，同时便于加工制造及在光环行器中的装配。

图4a和4b是按照本发明的偏振转换组件的结构示意图。如图4a中所示，偏振转换组件13可以由上下两组90°的非互易旋转器共同组成，其作用在于将来自分束/合束元件12的两束光变成偏振方向相同的光束，这些非互易旋转器均由λ/2波片和45°的法拉第旋光片构成，并且上下两组非互易旋转器的旋光片和λ/2波片的设置次序相反，具体而言，例如上部的旋转器从左到右为λ/2波片1301、旋光片1302，而下部的旋转器从左到右为旋光片1303、λ/2波片1304。如图4b中所示，偏振转换组件15同样可以由上下两组90°的非互易旋转器共同组成，其作用在于将发往分束/合束元件16的两束光变成偏振方向彼此正交的光束，这些非互易旋转器均由λ/2波片和45°的法拉第旋光片构成，并且上下两组非互易旋转器的旋光片和λ/2波片的设置次序相反，具体而言，例如上部的旋转器从左到右为旋光片1501、λ/2波片1502，而下部的旋转器从左到右为λ/2波片1503、旋光片1504。因此，偏振转换组件的主要用途是对入射光的偏振方向进行改变，由此实现o光与e光之间的相互转换过程。

光路变换元件在光环行器中的作用是实现光路的控制，以达到光路从一个端口到另外一个端口的环行传输的目的。然而，现有技术中的光路变换元件通常包括两个光轴彼此正交的长方晶体结构、以及分别设置在该长方晶体两侧的屋脊棱镜共同组成，对于这种结构的光路变换组件，会造成元件复杂和成本增加，而且在光路调试过程中，光束容易入射到各个屋脊棱镜两个屋脊面之间的连接线上，由此使得光束无法执行正确的光路偏折；显然可见的是，两个屋脊棱镜彼此之间的精确匹配，对调试人员来说提出了更高的操作要求，难以保证调试精度并会降低生产效率。在本发明中，光路变换元件14呈楔角片对结构，该楔角片对由角度相匹配的两个楔角片组合而成，并且这两个楔角片各自的光轴相互正交。所述楔角片对结构由两个角度（或相互结合的面）相互匹配的楔角片（Wedge）譬如通过胶合的方式完成粘结组装，并且这两个楔角片各自的光轴相互正交。具体而言，各个楔角片呈不规则的六面体晶体结构，该六面体晶体结构中除了用于光路传输的两个外侧面（在图5中为左右侧面）及其内部的胶合面之外，其余四个面中相互对置的面彼此平行，然后可以通过胶合的方式，将两个楔角片之间相匹配的侧面粘结起来，由此构成整体的楔角片对元件。相应地，通过对该楔角片对中三个呈斜面形状的光路传输面的倾斜角度进行设计和调整，由此能够顺利执行光路变换过程，并实现光由一个端口到另外一个端口的传输。在一个优选实施例中，可以将该楔角片对中三个呈斜面形状的光路传输面相对于下表面的夹角依次分别设置为84.8°、83°和85.4°，经过较多的试验和实践表明，这种具体结构的楔角片对能够较好地实现光路控制，保证光在端口之间的顺利传输。

对于按照本发明以上构思的光路变换组件，例如当光信号由端口1传输至端口2时，光束首先入射到光路变换元件14的一个楔角片的光路传输侧面，然后经过与其相胶合的另外一个楔角片的光路传输侧面射出，由此完成光路控制过程。相应地，在能够实现与现有结构的光路变换器相同功能的同时，按照本发明的光路变换组件可以进一步保证光路的对称，并减少光路变换器的组成器件，降低装配复杂性；此外，由于元件减少，这样在减少操作步骤的同时还能够有效提高装配的精度。

下面将具体阐述说明通过有效增加双光纤准直器的工作距离，来使分束/合束元件和偏振转换组件能够放置在该工作距离内的可行性。

采用C-Lens透镜的双光纤准直器所输出光束的交叉点至其输出端面之间的距离也即准直器工作距离L_C可用公式表示为：

$L_C\≈\frac{R}{n-1}$

其中，R为双光纤准直器输出端面的曲率半径，n为光纤头的折射率。而光束束腰半径ω_c可用公式表示为：

${\mathrm{\ω}}_c=\frac{\mathrm{\λR}}{(n-1)\mathrm{\π}{\mathrm{\ω}}_0}$

其中，λ表示光信号的波长，R为双光纤准直器输出端面的曲率半径，ω₀为光纤头内光斑的半径，n为光纤头的折射率。

为了使两个光斑能够完全分开，从理论上说它们在竖直方向上需要分开的距离d只需等于2倍的ω_c即可，但考虑到该半径ω_c只能覆盖83%的光能量，为了降低系统插入损耗，考虑取覆盖99%能量的1.5倍数的ω_c作为基数并乘以2倍进行计算；此外，对于用于制作分束/合束元件的钒酸钇晶体材料而言，它所能达到的最大分光能力用公式可表示为：

L:d=10:1

因此我们可得到光束经过分束/合束元件后所需要达到的最小距离L_M可表示为：

$L_M=10d=10\×2\×1.5{\mathrm{\ω}}_c=\frac{30\mathrm{\λR}}{(n-1)\mathrm{\π}{\mathrm{\ω}}_0}$

为了使得分束/合束元件和偏振转换组件能够放置在双光纤准直器的工作距离之内，同时考虑到偏振转换组件和系统空隙，以上最小距离需要满足L_M＜L_C，换算即为：

$\frac{30\mathrm{\&lambda;R}}{(n-1)\mathrm{\&pi;}{\mathrm{\&omega;}}_0}<\frac{R}{n-1}$

将现有的常规光纤准直器的规格数值代入到上述表达式中计算可知，现有的常规光纤准直器内光斑尺寸均不能达到需求，也即不能将分束/合束元件及偏振转换组件放置在准直器的工作距离之内。为此，可以考虑采用热扩芯技术来适当扩大准直器的工作距离。热扩芯过程中的参数可以根据具体需求来适当调整，只要保证能够使得分束/合束元件及偏振转换组件均可放置在准直器工作距离之内即可。在一个优选实施例中，可设定热扩展芯径为扩散前芯径的3.5～4.5倍。按照以上参数所获得的热扩芯准直器，经过大量测试表明，其能够使得分束/合束元件12、16及偏振转换组件13、15均可放置在该工作距离之内，从而有效减小光环行器的整体体积，并实现器件实现紧凑化和小型化。

下面将具体说明按照本发明的四端口光环行器的工作过程。

如图2a中所示，从侧视方向看，当光由端口1输入时，首先会由双光纤准直器11执行精确准直，然后输入至分束/合束元件12由此分成偏振方向彼此正交的o光和e光。接着，其中的o光往下偏折后通过偏振转换组件13，并且其偏振方向不变；而e光往上偏折后通过偏振转换组件13，并且其偏振方向改变90°由此变成o光。接着，如图2b中所示，从俯视方向看，入射光会往上偏折并入射到光路变换元件14的左侧楔角片，而且由于都是o光因此偏振方向不变；而当入射光到达光路变换元件14的右侧楔角片时，由于光轴发生90度的改变，由此变成e光并且偏折方向往下，然后再次经过偏振转换组件15。此时如图2a中所示，两束偏振方向相同的光变成为偏振相互正交的两束光，然后继续通过分束/合束元件16，最后经过双光纤准直器17并由端口2输出。

当光由端口2输入时，如图2a中所示，从侧视方向看，首先会由双光纤准直器17执行精确准直，然后输入至分束/合束元件16由此分成偏振方向彼此正交的o光和e光。接着，其中的o光往下偏折后通过偏振转换组件15，并且其偏振方向不变；而e光往上偏折后通过偏振转换组件15，并且其偏振方向改变90°由此变成o光。接着，如图2b中所示，从俯视方向看，入射光会往上偏折并入射至光路变换元件14的右侧楔角片，这两束光由于都是o光因此偏振方向不变；而当到达光路变换元件14的左侧楔角片时，由于光轴发生90度的改变，由此变成e光并且偏折方向往下并再次经过偏振转换组件13。此时如图2a中所示，两束偏振方向相同的光变成为偏振相互正交的两束光，继续通过分束/合束元件12，最后经过双光纤准直器11并由端口3输出。

当光由端口3输入时，同样如图2a中所示，从侧视方向看，首先会由双光纤准直器11执行精确准直，然后输入至分束/合束元件12由此分成偏振方向彼此正交的o光和e光。接着，其中的o光往下偏折后通过偏振转换组件13，并且其偏振方向不变；而e光往上偏折后通过偏振转换组件13，并且其偏振方向改变90°由此变成o光。接着，如图2b中所示，从俯视方向看，入射光会往上偏折并入射到光路变换元件14的左侧楔角片，而且由于都是o光因此偏振方向不变；而当入射光到达光路变换元件14的右侧楔角片时，由于光轴发生90度的改变，由此变成e光并且偏折方向往下，然后再次经过偏振转换组件15。此时如图2a中所示，两束偏振方向相同的光变成为偏振相互正交的两束光，然后继续通过分束/合束元件16，最后经过双光纤准直器17并由端口4输出。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种紧凑型四端口光环行器，该光环行器沿着装置整体的轴线方向依次设置有第一双光纤准直器（11）、第一分束/合束元件(12)、第一偏振转换组件(13)、光路变换元件（14）、第二偏振转换组件（15）、第二分束/合束元件（16）以及第二双光纤准直器（17），其特征在于：

所述第一、第二双光纤准直器（11,17）各自由热扩芯光纤头和起到准直作用的C-Lens透镜共同构成，其中所述热扩芯光纤头的热扩展芯径为扩展前的3.5～4.5倍，并使得各自所对应的所述分束/合束元件（12,16）和所述偏振转换组件（13,15）均处于双光纤准直器的最大工作距离之内；

所述第一、第二分束/合束元件（12，16）为呈斜方体的双折射晶体结构，并且该晶体结构中分别与其下表面形成相同夹角的左右斜面朝向光的传输方向，其中左右斜面与其下表面所形成的夹角为4°～8°；

所述光路变换元件（14）呈楔角片对结构，该楔角片对由角度相匹配的两个楔角片组合而成，并且这两个楔角片各自的光轴相互正交；各个楔角片呈角度不规则的六面体晶体结构，该六面体晶体结构中除了用于光路传输的两个外侧面及其内部的胶合面之外，其余四个面中相互对置的面彼此平行，然后通过胶合方式，将两个楔角片之间相匹配的侧面粘结起来，由此构成整体的楔角片；此外，所述楔角片对中三个呈斜面形状的光路传输面相对于其下表面的夹角分别依次为84.8°、83°和85.4°。

2.如权利要求1所述的紧凑型四端口光环行器，其特征在于，所述第一、第二双光纤准直器（11,17）各自的尾纤分别作为光环行器的四个端口。

3.如权利要求2所述的紧凑型四端口光环行器，其特征在于，所述第一、第二偏振转换组件(13，15)各自由上下两组90°的非互易旋转器共同组成，并且其上下两组非互易旋转器中的旋光片和λ/2波片的设置次序相反。

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