CN103728697B - 一种三端口光环行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了三端口光环行器，包括依次排列在该光环行器的纵向轴线上的双光纤准直器、第一分束/合束晶体、第一组偏振态转换器、光束环路器件、第二组偏振态转换器、第二分束/合束晶体以及单光纤准直器，所述光束环路部件是由单块双折射晶体加工了三个楔角面作为三个通光端面而成的晶体偏振分光棱镜，该晶体偏振分光棱镜的光轴在入射面内并且与纵向轴成一夹角，其中个三光通端面的方位角α1、α2、α3以及光轴方位角θ与所述双光纤准直器的光束交错耦合角度β相匹配。由于采用单块晶体棱镜作为光环路部件，避免了常规的多光学元件组合成的光环路装置，即减小了尺寸，也便于装配，有效提高了产品性能，同时也降低了成本。

Description

一种三端口光环行器

【技术领域】

本发明涉及光纤通信系统的光无源器件，尤其涉及一种三端口光环行器。

【背景技术】

三端口光环行器是包括有三个端口的光无源器件，一束光从环行器的第一端口输入，将从第二端口输出，但从第二端口输入的光却不会从第一端口输出，而是从第三端口输出。将光环行器安装在光纤一端，就能使在同一光纤中互为逆向传输的两束光在该光纤端分开到不同的端口。因此能将原本只能单向传输的光通道迅速并非常容易的变成双向传输的光通道，从而成倍的增加光传输容量。因此，光环形器被广泛用于波分复用器、掺铒光纤放大器、光分插复用器、色散补偿器等领域。

光环行器的典型结构可分为分光/合光器、偏振态转换器及光束环路器件三大部份。其中，第一部分，分光/合光器，通常为单块双折射晶体做成的光束分离器，能将一束光分成两束偏振态相互垂直的线偏振光，或将两束偏振态相互垂直的线偏振光合束成一束光；第二部份为偏振态转换器件，能将分光/合光器分离出的两束偏振态相垂直的线偏振光的偏振态分别按一定的角度旋转。其通常由两片晶体半波片及一半法拉第旋转片组成。第一部分及第二部份不论从工作原理上，还是从应用上，都已定型，不同的公司及科研单位在此两部件并无太大的差异。

第三部份为光束行路器件，也是光环行器中最为核心的部件，它不仅需要将不同的线偏振态的光束按不同的光传播线路传输，同时还必需能使不同线偏振态的两束光以一定的角度与双光纤准直器的光束交叉耦合角度相互匹配。不同的公司及不同的科研单位，对此部件都做了相当大的工作及研究，利用不同的光学元件，或光学元件的组合，来完成此部分的功能。但在实际使用过程中，都不可避免地有些缺点。影响了产品的性能及成本。

目前光环形器方面的专利比较多，并且其中的光环路装置基本上都是由多个光学元件组合成则，如美国专利US6049426A、US6052228A、US6822793B2，它们都采用了两个独立的渥拉斯顿棱镜作为光束环行器件；中国专利ZL01127772.6，则采用一个渥拉斯顿棱镜及两个光学楔角片组合；中国专利ZL01263562.6，采用两个晶体楔角片组合成的偏振分光棱镜。这些光环路器件由于采用了多个光学元件作为光环路装置，其结构较复杂，装配调整也较难，并且成本也较高昂，可靠性较差。

【发明内容】

本发明的目的就在于克服现有光环行器的上述缺点，提供一种三端口光环行器，简化了光束环路器件的结构，降低装配难度，提高产品的可靠性及降低成本。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种三端口光环行器，包括依次排列在该光环行器的纵向轴线上的双光纤准直器、第一分束/合束晶体、第一组偏振态转换器、光束环路器件、第二组偏振态转换器、第二分束/合束晶体以及单光纤准直器，其中：所述光束环路部件是由单块双折射晶体加工了三个楔角面作为三个通光端面而成的晶体偏振分光棱镜，其中第一通光端面和第二通光端面位于该双折射晶体的同一端面，第三通光端面位于该双折射晶体的另一端面，且第一通光端面、第二通光端面、第三光端面的方位角分别为α1、α2、α3；该晶体偏振分光棱镜的光轴在入射面内并且与纵向轴成一夹角，记为光轴方位角θ；所述光轴方位角θ、第一通光端面的方位角α1、第二通光端面的方位角α2、第三光端面的方位角α3与所述双光纤准直器的光束交错耦合角度β相匹配。

进一步的，所述光轴方位角θ、第一通光端面的方位角α1、第二通光端面的方位角α2、第三光端面的方位角α3与所述双光纤准直器的光束交错耦合角度β的关系由如下计算决定：

$\mathrm{\β}1=\mathrm{\α}1-asin\[{\left(\frac{{\mathrm{no}}^2\·{\mathrm{ne}}^2}{{\mathrm{no}}^2\·sin{\left(\mathrm{\θ}e\right)}^2+{\mathrm{ne}}^2\·cos{\left(\mathrm{\θ}e\right)}^2}\right)}^{\frac{1}{2}}\·\sin (\mathrm{\α}1-(\mathrm{\θ}e-\mathrm{\θ}\left)\right)\]$

$\mathrm{\β}2=asin\[no\·sin(\mathrm{\α}2-(\mathrm{\α}3-asin\left(\frac{sin\left(\mathrm{\α}3\right)}{no}\right)\left)\right)\]-\mathrm{\α}2;$

其中，no为所述双折射晶体的O光折射率，ne为所述双折射晶体E光的折射率，β1和β2为光经所述晶体偏振分光棱镜后的出射角，且β1＝β2＝β/2，且β/2为双光纤准器的交叉半角。其中，θ_e为E光在所述双折射晶体中传播的波矢方向与所述双折射晶体光轴的夹角，并且θ_e能通过以下方程式求得：

${\left(\frac{{\mathrm{no}}^2\·{\mathrm{ne}}^2}{{\mathrm{no}}^2\·sin{\left(\mathrm{\θ}e\right)}^2+{\mathrm{ne}}^2\·cos{\left(\mathrm{\θ}e\right)}^2}\right)}^{\frac{1}{2}}\·sin(\mathrm{\α}3-(\mathrm{\θ}e-\mathrm{\θ}\left)\right)=sin\left(\mathrm{\α}3\right).$

进一步的，所述光束环路部件的双折射晶体为YVO4双折射晶体，且双光纤准器的交叉角β＝3.0°时，则所述晶体偏振分光棱镜的光轴方位角及三个通光端面的方位角分别为θ＝45°、α1＝4.29°、α2＝7.28°、α3＝5.706°。

本发明的三端口光环行器，由于采用单块晶体棱镜作为光环路部件，避免了常规的多光学元件组合成的光环路装置，简化了光束环路器件的结构，减小了尺寸，也便于装配，有效提高了产品性能，并提高产品的可靠性及降低成本。

【附图说明】

图1为本发明三端口光环行器的立体图。

图2为本发明三端口光环行器的结构俯视图。

图3为本发明三端口光环行器的结构侧视图。

图4a和图4b为本发明三端口光环行器的偏振态变化示意图。

图5为本发明实施例三端口光环行器的偏振分光棱镜示意图。

【具体实施方式】

下面结合附图及具体的实施方式对本发明做进一步的说明。

如图1至图3所示，本发明三端口光环行器包括依次排列在该光环行器的纵向轴线上的双光纤准直器1、第一分束/合束晶体2、第一组偏振态转换器3、光束环路器件4、第二组偏振态转换器5、第二分束/合束晶体6以及单光纤准直器7。

其中：

所述双光纤准直器1，其一尾纤为第一端口A，用于光束的输入端，另一尾纤为第三端口C，用于光束的输出端；

所述第一分束/合束晶体2，可以由YVO4双折射晶体做成，用于将一束光分为两束线偏振光或将两束线偏振光合束为一束光；

所述第一组偏振态转换器3，由两块半波片31(32)和一块法拉第旋转片33组成，将两束线偏振光的偏振方向分别进行旋转；

所述光束环路部件4是由单块双折射晶体加工了三个楔角面作为三个通光端面而成的晶体偏振分光棱镜，其中第一通光端面41和第二通光端面42位于该双折射晶体的同一端面，第三光端面43位于该双折射晶体的另一端面，且第一通光端面41、第二通光端面42、第三光端面43的方位角分别为α1、α2、α3；该晶体偏振分光棱镜的光轴在入射面内并且与纵向轴成一夹角，记为光轴方位角θ；所述光轴方位角θ、第一通光端面41的方位角α1、第二通光端面42的方位角α2、第三光端面43的方位角α3与所述双光纤准直器1的光束交错耦合角度(光束交叉角度)β相匹配；

所述第二组偏振态转换器5，由两块半波片51(52)和一块法拉第旋转片53组成，将两束线偏振光的偏振方向分别进行旋转；

所述第二分束/合束晶体6，可以由YVO4双折射晶体做成，用于将一束光分为两束线偏振光或将两束线偏振光合束为一束光；

所述单光纤准直器7，其尾纤为第二端口B，用于光束的输入/输出端。

如图4a所示，图4a为光束从第一端口A向第二端口B传输过程中的偏振态变化图，当光束从第一端口A输入的任意偏振态的光经过第一分束/合束晶体2的YVO4双折射晶体时，被分离成两束偏振态相互垂直的线偏光，分别进入半波片31及半波片32；半波片31及半波片32将此两束线偏振光的偏振面沿一顺时针一逆时针方向各旋转45°，使两束线偏光的偏振态由相互垂直变为相互平行(见图4a之②)，然后通光法拉第旋转片5，使这两束线偏振光的偏振面均沿顺时针方向旋转45°。此时两束光进入光束环路部件4之后，因其线偏振光相对于光束环路部件4的双折射晶体为E光，经过折射，将原来斜向上的光束校为水平光束输出(见图2之正向箭头)。然后再经过相同的旋光结构，两光束的偏振态重新垂直，经过第二分束/合束晶体6、第二组偏振态转换器5后合为一束，为单光纤准直器接收。

如图4b所示，图4b为光束从第二端口B向第三端口C传输过程中的偏振态变化图。当光从第二端口B输入时，光经过第二分束/合束晶体6、第二组偏振态转换器5后，由于法拉第旋转片53具有非互易特性，得到与图4a之④偏振态相互垂直的两束线偏振光(见图4b之④)。这两束线偏振光相对于光束环路部件4的双折射晶体为O光，经过折射输出后，与从第一端口A的输入光束成一夹角。

如图5所示为三端口光环行器的偏振分光棱镜示意图，计算双折射晶体的光轴方位角θ及三个通光端面的方位角α1、α2、α3，使其与双光纤准直器1的耦合角度β相匹配。其计算公式如下：

$\mathrm{\β}1=\mathrm{\α}1-asin\[{\left(\frac{{\mathrm{no}}^2\·{\mathrm{ne}}^2}{{\mathrm{no}}^2\·sin{\left(\mathrm{\θ}e\right)}^2+{\mathrm{ne}}^2\·cos{\left(\mathrm{\θ}e\right)}^2}\right)}^{\frac{1}{2}}\·\sin (\mathrm{\α}1-(\mathrm{\θ}e-\mathrm{\θ}\left)\right)\]$

$\mathrm{\β}2=asin\[no\·sin(\mathrm{\α}2-(\mathrm{\α}3-asin\left(\frac{sin\left(\mathrm{\α}3\right)}{no}\right)\left)\right)\]-\mathrm{\α}2;$

其中，no为所述光束环路部件4的双折射晶体的O光折射率，ne为所述光束环路部件4的双折射晶体E光的折射率，θ_e为E光在光束环路部件4的双折射晶体中传播的波矢方向与该双折射晶体光轴的夹角，并且θ_e由以下方程式求得：

${\left(\frac{{\mathrm{no}}^2\·{\mathrm{ne}}^2}{{\mathrm{no}}^2\·sin{\left(\mathrm{\θ}e\right)}^2+{\mathrm{ne}}^2\·cos{\left(\mathrm{\θ}e\right)}^2}\right)}^{\frac{1}{2}}\·sin\[\mathrm{\α}3-\left(\mathrm{\θ}e-\mathrm{\θ}\right)\]:=sin\left(\mathrm{\α}3\right).$

β1和β2为光经该光束环路部件4的双折射晶体后的出射角，且β1＝β2＝β/2，并且为双光纤准器的交叉半角。这样输出的光将能很好的为双光纤准直器1接收，从第三端口C输出，最终实现光环行器的环路传输功能。

例如，针对光束交叉角为3.0°的双光纤准直器，且所述光束环路部件的双折射晶体为YVO4双折射晶体时，根据以上的公式计算，YVO4晶体偏振分光棱镜的光轴及三个通光面方位角可以是：θ＝45°、α1＝4.29°、α2＝7.28°、α3＝5.706°。当然也可以是其它角度的组合，只要符合上述计算在内的所有组合角度的组合均可。

综上所述，本发明的三端口光环行器，由于采用单块晶体棱镜作为光环路部件，避免了常规的多光学元件组合成的光环路装置，简化了光束环路器件的结构，减小了尺寸，也便于装配，有效提高了产品性能，并提高产品的可靠性及降低成本。

以上仅仅是对本发明实施例的说明，而不是对保护范围的限定，任何非实质性的改动，如改变双折射晶体材料，偏振分光棱镜中的光轴及三个通光面的方向角θ、α1、α2、α3等等，都应该落在本发明专利的权利要求保护范围之内。

Claims (2)

1.一种三端口光环行器，包括依次排列在该光环行器的纵向轴线上的双光纤准直器、第一分束/合束晶体、第一组偏振态转换器、光束环路器件、第二组偏振态转换器、第二分束/合束晶体以及单光纤准直器，其特征在于：所述光束环路部件是由单块双折射晶体加工了三个楔角面作为三个通光端面而成的晶体偏振分光棱镜，其中第一通光端面和第二通光端面位于该双折射晶体的同一端面，第三通光端面位于该双折射晶体的另一端面，且第一通光端面、第二通光端面、第三通光端面的方位角分别为α1、α2、α3；该晶体偏振分光棱镜的光轴在入射面内并且与纵向轴成一夹角，记为光轴方位角θ；所述光轴方位角θ、第一通光端面的方位角α1、第二通光端面的方位角α2、第三光端面的方位角α3与所述双光纤准直器的光束交错耦合角度β相匹配；

所述光轴方位角θ、第一通光端面的方位角α1、第二通光端面的方位角α2、第三光端面的方位角α3与所述双光纤准直器的光束交错耦合角度β的关系由如下计算决定：

$\begin{array}{c}\mathrm{\β}1=\mathrm{\α}1-a\sin \[{\left(\frac{{\mathrm{no}}^2\·{\mathrm{ne}}^2}{{\mathrm{no}}^2\·\sin {\left(\mathrm{\θ}e\right)}^2+{\mathrm{en}}^2\·{\left(\mathrm{\θ}e\right)}^2}\right)}^{\frac{1}{2}}\·\sin (\mathrm{\α}1-(\mathrm{\θ}e-\mathrm{\θ}\left)\right)\]\\ \mathrm{\β}2=a\sin \[no\·\sin (\mathrm{\α}2-(\mathrm{\α}3-a\sin \left(\frac{\sin \left(\mathrm{\α}3\right)}{no}\right)\left)\right)\]-\mathrm{\α}2\end{array};$

其中，no为所述双折射晶体的O光折射率，ne为所述双折射晶体E光的折射率，β1和β2为光经所述晶体偏振分光棱镜后的出射角，且β1＝β2＝β/2，并且β/2为双光纤准器的交叉半角，并且，θ_e为E光在所述双折射晶体中传播的波矢方向与所述双折射晶体光轴的夹角，θ_e通过以下方程式求得：

${\left(\frac{{\mathrm{no}}^2\·{\mathrm{ne}}^2}{{\mathrm{no}}^2\·\sin {\left(\mathrm{\θ}e\right)}^2+ne{\left(\mathrm{\θ}e\right)}^2}\right)}^{\frac{1}{2}}\·\sin (\mathrm{\α}3-(\mathrm{\θ}e-\mathrm{\θ}\left)\right)=\sin \left(\mathrm{\α}3\right).$

2.如权利要求1所述的三端口光环行器，其特征在于：所述光束环路部件的双折射晶体为YVO4双折射晶体，且双光纤准器的交叉角β＝3.0°时，则所述晶体偏振分光棱镜的光轴方位角及三个通光端面的方位角分别为θ＝45°、α1＝4.29°、α2＝7.28°、α3＝5.706°。