CN103955026B - 一种基于光纤和透镜阵列的光环形器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于光纤和透镜阵列的光环形器，其特征在于：在光路上依次设有一光纤阵列、一透镜阵列、一第一位移片、一第一波片、一旋转片、一第二波片、一第二位移片、一1/4波片和一反射镜。本发明的多端口光环行器优点在于：采用透镜阵列和光纤阵列，在小间距上复用光学零件，简化结构，降低成本；特别是在多路环形器应用中，由于采用的阵列结构，有小间距的集成优势，在材料耗费、体积和串联损耗上，有普通环形器无法相比的优势；可以构成三端口环形器，四端口环形器……以至任何端口数的环形器。
Description
技术领域
本发明涉及光纤通讯技术领域，尤其是一种基于光纤和透镜阵列的光环形器。
背景技术
光环行器是一种多端口输入输出的非互易性光学器件，它的作用是使光信号只能沿规定的端口顺序传输。它的典型结构有N（N大于等于3）个端口，如图1所示，当光由端口1输入时，光由端口2输出，当光由端口2输入时，光由端口3输出，以此类推。
由于光环行器的这种顺序传输特性，使其成为双向通信中的重要器件，它可用于将同一根光纤中正向传输和反向传输的光信号分开。图2为光环形器用于单纤双向通信的例子。此时，端口1连接数据发送器，端口2连接外部网络，端口3连接信号接收器。数据可由发送器通过光环形器的端口1由端口2送到外部网络，外部来的信号由端口2进入光环形器，但不会到达端口1而到达端口3进入信号接收器。
光环形器可用于光通信中单纤双向通信，光纤布拉格光栅（FBG）组合应用(如图3所示)，掺铒光纤放大器（EDFA），波分复用（WDM），色散补偿，光信号上载/下载，还可在光学时域反射仪（OTDR）和光纤陀螺（Sagnac干涉仪）中做耦合器，很好的提高了系统的性能。
目前市场上广泛使用的是对称设计的三端口环形器如图4所示，第一端口和第三端口在器件的一边，第二端口在器件的另一边，通过中间一系列的光学元件来改变光束的路线。这种环形器调节准直器比较困难些，且最多可以发展到四个端口，且需要比较昂贵的光学元件。
本发明提供的一种多端口光环形器，可以定做成客户需要的任何端口的光环形器，且具有结构简单、光学元件成本低，调节简单等优点。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于光纤和透镜阵列的光环形器。
本发明采用以下方案实现：一种基于光纤和透镜阵列的光环形器，其特征在于：在光路上依次设有一光纤阵列、一透镜阵列、一第一位移片、一第一波片、一旋转片、一第二波片、一第二位移片、一1/4波片和一反射镜；所述光纤阵列放置于所述光环形器一端，所述透镜阵列用于将来自所述光纤阵列的光束变成准直光束或者将准直光束耦合进所述光纤阵列；所述第一位移片用于将任意状态的输入光分解成两束偏振方向垂直的偏振分量或者将两束偏振方向垂直的偏振分量合成一个光束；所述第二位移片用于实现垂直光轴方向的偏振分量直通以及平行光轴方向的偏振分量侧向平移；所述第一波片、第二波片、旋转片和1/4波片用于改变光束的偏振态；所述反射镜放置于所述光环形器另一端，所述反射镜用于将光束反射回原光路中。
在本发明一实施例中，所述光纤阵列和透镜阵列是由单个透镜和单根光纤先构成单个准直器，再由多个准直器构成准直器阵列。
在本发明一实施例中，所述光环形器能够构成三端口环形器、四端口环形器……N端口环形器，N为正整数。
在本发明一实施例中，所述第一位移片为PBS阵列。
在本发明一实施例中，所述第二位移片为PBS阵列。
在本发明一实施例中，所述反射镜的反射膜镀在所述1/4波片的后表面。
在本发明一实施例中，所述1/4波片由一第二旋转片等效替代。
在本发明一实施例中，所述反射镜的反射膜镀在所述第二旋转片的后表面。
在本发明一实施例中，所述1/4波片由3/4、5/4、7/4……（2n+1）*（1/4）级次的波片等效替代，n为正整数。
在本发明一实施例中，所述第二波片和旋转片的前后位置对换。
本发明的多端口光环行器优点在于：采用透镜阵列和光纤阵列，在小间距上复用光学零件，简化结构，降低成本；特别是在多路环形器应用中，由于采用的阵列结构，有小间距的集成优势，在材料耗费、体积和串联损耗上，有普通环形器无法相比的优势；可以构成三端口环形器，四端口环形器……以至任何端口数的环形器。
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下将通过具体实施例和相关附图，对本发明作进一步详细说明。
附图说明
图1现有技术中光环形器示意图。
图2现有技术中光环形器用于单纤双向通信示意图。
图3现有技术中光环形器用于光纤布拉格光栅（FBG）组合。
图4现有技术中常用的光环行器的简单光学示意图。
图5本发明中一种光环形器的光路俯视图。
图6本发明中一种光环形器的光束从光纤11到光纤12的光路侧视图。
图7本发明中另一种光环形器的光路俯视图。
图8本发明中另一种光环形器的光束从光纤11到光纤12的光路侧视图。
具体实施方式
如图5所示，本发明提供一种基于光纤和透镜阵列的光环形器，在光路上依次设有一光纤阵列1、一透镜阵列2、一第一位移片3、一第一波片4、一旋转片5、一第二波片6、一第二位移片7、一1/4波片8和一反射镜9；所述光纤阵列1（多根光纤相邻并排）放置于所述光环形器一端，所述透镜阵列2用于将来自所述光纤阵列1的光束变成准直光束或者将准直光束耦合进所述光纤阵列1；所述第一位移片3用于将任意状态的输入光分解成两束偏振方向垂直的偏振分量或者将两束偏振方向垂直的偏振分量合成一个光束；所述第二位移片7用于实现垂直光轴方向的偏振分量直通以及平行光轴方向的偏振分量侧向平移；所述第一波片4、第二波片6、旋转片5和1/4波片8用于改变光束的偏振态；所述反射镜9放置于所述光环形器另一端，所述反射镜9用于将光束反射回原光路中。
来自光纤阵列的第一根光纤11的光束由透镜阵列的第一透镜21准直成平行光束后，依次经过第一位移片、第一波片、旋转片、第二波片、第二位移片、1/4波片、反射镜后；由反射镜反射回原光路，再依次经过1/4波片、第二位移片、第二波片、旋转片、第一波片、第一位移片后由光纤阵列11的第二根光纤12接收。以此类推，来自光纤阵列的第二根光纤12的光束由光纤阵列的第三根光纤13接收。来自光纤阵列的第三根光纤13的光束由光纤阵列第四根光纤14接收，往后可继续延续到多端口。
所述光纤阵列和透镜阵列作用上就是构成准直器阵列，因此也可以是由单个透镜和单根光纤（含光纤头）先构成单个准直器，再由多个准直器构成准直器阵列；所述光环形器能够构成三端口环形器、四端口环形器……N端口环形器，N为正整数且大于等于3。
请参考图6是本发明中一种光环形器的光束从光纤11到光纤12的光路侧视图。来自光纤阵列1第一根光纤11的光束经过透镜阵列2第一透镜21后变成平行光束211。光束211进入第一位移片3后，被分成具有相互垂直偏振态的沿x方向分离的两束光，即正常光211o和反常光211e。图6下方的xy平面剖面图标示了它们的偏振态。光束211o经第一波片4后，偏振态被旋转了90°和光束211e的偏振态相同，偏振方向沿x方向，图6下方的xy平面剖面图标示了光束211o偏振态的变化。然后这两束光进入旋转片5，偏振方向顺时针旋转45°。两束光经过第二波片6后，偏振方向又逆时针旋转45°，因此两束光的偏振方向又回到原来的x轴方向。两束光进入第二位移片7，偏振态没有变化，再经过1/4波片8后，两束光变为圆偏振光，两束圆偏振光经反射镜9反射后，以原光路返回，再经过1/4波片8后，两束光变为线偏振光，偏振方向为y轴方向。两束光经过第二位移片7后，两束光的传播方向沿Y轴方向偏移，因为第二位移片7的功能是将平行光束分成具有相互垂直偏振态的沿y轴方向分离的两束光，两束光的偏振方向和第二位移片7的光轴方向平行，因此两束光的传播方向沿y轴方向偏移，参考图5所示两束光传播方向沿y轴方向偏移。传播方向沿y轴方向偏移的两束光继续向前，经过第二波片6后，偏振方向顺时针旋转了45°。再经过旋转片5，两束光的偏振方向又顺时针旋转了45°，偏振方向变为x轴方向。其中一束光经过第一波片4后，偏振方向被旋转了90°变为y轴方向，标记为211oˊ；另一光束偏振方向为x轴方向，标记为211eˊ。图6下方的xy平面剖面图标示了两束光偏振态的变化。因此，两束光的偏振态由相互平行变为相互垂直，此时两束光标示为211oˊ和211eˊ。两束光进入第一位移片3，第一位移片3将两束光合成一束，合成光束为211ˊ。光束211ˊ由透镜阵列2第二透镜22耦合进光纤阵列1的第二光纤12。因此完成光束从第一光纤11到第二光纤12的传输。
所述第一位移片为PBS（偏振光分束器）阵列，同样可以实现光束的合成和分解；所述第二位移片为PBS（偏振光分束器）阵列，同样可以实现光束的直行和侧向平移。
当第二位移片7换为PBS（偏振光分束器）阵列10时，请参考图7是本发明中另一种光环形器的光路俯视图；图8是本发明中另一种光环形器的光束从光纤11到光纤12的光路侧视图。光纤阵列1沿器件y轴相邻并排放置于器件一端，反射镜9放置于器件另一端。
请参考图8是本发明中另一种光环形器的光束从光纤11到光纤12的光路侧视图。来自光纤阵列1第一根光纤11的光束经过透镜阵列2第一透镜21后变成平行光束211。光束211进入第一位移片3后，被分成具有相互垂直偏振态的沿x方向分离的两束光，即正常光211o和反常光211e。图8下方的xy平面剖面图标示了它们的偏振态。光束211o经第一波片4后，偏振态被旋转了90°和光束211e的偏振态相同，偏振方向沿x方向，图8下方的xy平面剖面图标示了光束211o偏振态的变化。然后这两束光进入旋转片5，偏振方向逆时针旋转45°。两束光经过第二波片6后，偏振方向又逆时针旋转45°，因此两束光的偏振方向沿y轴方向。两束光进入PBS(偏振光分束器)阵列10，偏振态没有变化，再经过1/4波片8后，两束光变为圆偏振光，两束圆偏振光经反射镜9反射后，以原光路返回，再经过1/4波片8后，两束光变为线偏振光，偏振方向为x轴方向。两束光经过PBS(偏振光分束器)阵列10后，两束光的传播方向沿Y轴方向偏移，参考图7所示两束光传播方向沿y轴方向偏移。传播方向沿y轴方向偏移的两束光继续向前，经过第二波片6后，偏振方向顺时针旋转了45°。再经过旋转片5，两束光的偏振方向又逆时针旋转了45°，偏振方向还是x轴方向。其中一束光经过第一波片4后，偏振方向被旋转了90°变为y轴方向，标记为211o″；另一光束偏振方向为x轴方向，标记为211e″。图8下方的xy平面剖面图标示了两束光偏振态的变化。因此，两束光的偏振态由相互平行变为相互垂直，此时两束光标示为211o″和211e″。两束光进入第一位移片3，第一位移片3将两束光合成一束，合成光束为211″。光束211″由透镜阵列2第二透镜22耦合进光纤阵列1的第二光纤12。因此完成光束从第一光纤11到第二光纤12的传输。
来自第二光纤12的光束传输至第三光纤13，来自第三光纤13的光束传输至第四光纤14的光路原理与来自第一光纤11的光束传输至第二光纤12一模一样。
优选的，所述反射镜和1/4波片可以分别单独使用，或者将所述反射镜的反射膜镀在所述1/4波片的后表面；所述1/4波片由一第二旋转片等效替代；所述反射镜和第二旋转片可以分别单独使用，或者将所述反射镜的反射膜镀在所述第二旋转片的后表面；所述1/4波片由3/4、5/4、7/4……（2n+1）*（1/4）级次的波片等效替代，n为正整数；所述第二波片和旋转片的前后位置对换，改变旋转片的旋转方向和第二波片的角度，能够实现同样功能。
因此，以此类推，本发明的基于光纤和透镜阵列的光环形器可以根据具体客户的需求，设计成任何端口的光环形器。
上列较佳实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步详细说明，所应理解的是，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于光纤和透镜阵列的光环形器，其特征在于：在光路上依次设有一光纤阵列、一透镜阵列、一第一位移片、一第一波片、一旋转片、一第二波片、一第二位移片、一1/4波片和一反射镜；所述光纤阵列放置于所述光环形器一端，所述透镜阵列用于将来自所述光纤阵列的光束变成准直光束或者将准直光束耦合进所述光纤阵列；所述第一位移片用于将任意状态的输入光分解成两束偏振方向垂直的偏振分量或者将两束偏振方向垂直的偏振分量合成一个光束；所述第二位移片用于实现垂直光轴方向的偏振分量直通以及平行光轴方向的偏振分量侧向平移；所述第一波片、第二波片、旋转片和1/4波片用于改变光束的偏振态；所述反射镜放置于所述光环形器另一端，所述反射镜用于将光束反射回原光路中；所述第一位移片为PBS阵列；所述第二位移片为PBS阵列；所述反射镜的反射膜镀在所述1/4波片的后表面。
2.根据权利要求1所述的一种基于光纤和透镜阵列的光环形器，其特征在于：所述光纤阵列和透镜阵列是由单个透镜和单根光纤先构成单个准直器，再由多个准直器构成准直器阵列。
3.根据权利要求1所述的一种基于光纤和透镜阵列的光环形器，其特征在于：所述光环形器能够构成三端口环形器、四端口环形器……N端口环形器，N为正整数。
4.根据权利要求1所述的一种基于光纤和透镜阵列的光环形器，其特征在于：所述1/4波片由一第二旋转片等效替代。
5.根据权利要求4所述的一种基于光纤和透镜阵列的光环形器，其特征在于：所述反射镜的反射膜镀在所述第二旋转片的后表面。
6.根据权利要求1所述的一种基于光纤和透镜阵列的光环形器，其特征在于：所述1/4波片由3/4、5/4、7/4……(2n+1)*(1/4)级次的波片等效替代，n为正整数。
7.根据权利要求1所述的一种基于光纤和透镜阵列的光环形器，其特征在于：所述第二波片和旋转片的前后位置对换。
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