CN103995319B - 一种光环形器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光环形器，其特征在于：在光路中心轴上依次设置有第一准直器、第一位移片、第一波片、第一旋转片、第二波片、双折射晶体棱镜、第二旋转片、第三波片、第四波片、第二位移片和第二准直器。本发明的光环形器具有体积小、隔离度高、插入损耗低、偏振相关损耗低等优点。

Description

一种光环形器

技术领域

本发明涉及光纤通讯技术领域，尤其是一种光环形器。

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，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。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种光环形器。

本发明采用以下方案实现：一种光环形器，其特征在于：在光路中心轴上依次设置有第一准直器、第一位移片、第一波片、第一旋转片、第二波片、双折射晶体棱镜、第二旋转片、第三波片、第四波片、第二位移片和第二准直器。

在本发明一实施例中，还包括第一根光纤、第二根光纤、第三根光纤和第四根光纤，所述第一根光纤和第三根光纤沿所述光环形器纵轴相邻并排放置于所述第一准直器上，所述第二根光纤和第四根光纤沿所述光环形器纵轴相邻并排放置于所述第二准直器上。

在本发明一实施例中，还包括第一根光纤、第二根光纤和第三根光纤，所述第一根光纤和第三根光纤沿所述光环形器纵轴相邻并排放置于所述第一准直器上，所述第二根光纤沿所述光环形器纵轴相邻并排放置于所述第二准直器上。

在本发明一实施例中，还包括第二根光纤、第三根光纤和第四根光纤，所述第三根光纤沿所述光环形器纵轴相邻并排放置于所述第一准直器上，所述第二根光纤和第四根光纤沿所述光环形器纵轴相邻并排放置于所述第二准直器上。

在本发明一实施例中，所述双折射晶体棱镜是凸角棱镜或凹角棱镜。

在本发明一实施例中，所述双折射晶体棱镜用偏振分光棱镜等效替换。

在本发明一实施例中，所述双折射晶体棱镜分成上下两个或者左右两个。

在本发明一实施例中，所述第一准直器和第二准直器是普通的光纤头或TEC光纤头。

在本发明一实施例中，所述第一位移片和第二位移片用偏振分光棱镜等效替换。

本发明的光环形器具有体积小、隔离度高、插入损耗低、偏振相关损耗低等优点。

附图说明

图1是现有技术中光环形器示意图。

图2是现有技术中光环形器用于单纤双向通信示意图。

图3是本发明光环形器的光路俯视图。

图4是本发明中光从环形器的光纤11到光纤12的光路侧视图。

图5是本发明中光从环形器的光纤12到光纤13的光路侧视图。

图6是本发明中光从环形器的光纤13到光纤14的光路侧视图。

图7是本发明中棱镜内外交点示意图。

图8是本发明中三端口环形器可用棱镜示意图。

图9是本发明中三端口环形器可用偏振分光棱镜示意图。

图10是本发明中单级三端口环形器示意图。

图11是本发明中几种棱镜或棱镜组合的示意图。

图示说明：11-第一根光纤、12-第二根光纤、13-第三根光纤、14-第四根光纤、21-第一准直器、22-第二准直器、31-第一位移片、32-第二位移片、41-第一波片、42-第二波片、43-第三波片、44-第四波片、51-第一旋转片、52-第二旋转片、61-双折射晶体棱镜。

具体实施方式

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。

如图3-6所示，本实施例提供一种光环形器，在光路中心轴上依次设置有第一准直器21、第一位移片31、第一波片41、第一旋转片51、第二波片42、双折射晶体棱镜61、第二旋转片52、第三波片43、第四波片44、第二位移片32和第二准直器22。

在本发明第一实施例中，还包括第一根光纤11、第二根光纤12、第三根光纤13和第四根光纤14，所述第一根光纤11和第三根光纤13沿所述光环形器纵轴相邻并排放置于所述第一准直器21上，所述第二根光纤12和第四根光纤14沿所述光环形器纵轴相邻并排放置于所述第二准直器22上。

将来自第一根光纤的光束耦合进第二根光纤，将来自第二根光纤的光束耦合进第三根光纤，将来自第三根光纤的光束耦合进第四根光纤。具体的，来自第一根光纤的光由第一准直器准直成平行光束后，依次经过第一位移片，第一波片，第一旋转片，第二波片后，光束的传输方向没有改变；再经双折射晶体棱镜后，由于双折射晶体的折射以及光束的偏振态和双折射晶体棱镜的光轴取向，光束改变了传输方向，然后经过第二旋转片，第三波片，第四波片，第二位移片后，由第二根光纤接收。来自第二根光纤的光由第二准直器准直成平行光束后，依次经过第二位移片，第四波片，第三波片，第二旋转片后，光束的传输方向没有改变；再经双折射晶体棱镜后，由于光束的偏振态和双折射晶体棱镜的光轴取向以及双折射晶体的折射，光束改变了传输方向，然后经过第二波片，第一旋转片，第一波片，第一位移片后，由第三根光纤接收。来自第三根光纤的光由第一准直器准直成平行光束后，依次经过第一位移片，第一波片，第一旋转片，第二波片后，光束的传输方向没有改变；再经双折射晶体棱镜后，由于双折射晶体的折射以及光束的偏振态和双折射晶体棱镜的光轴取向，光束改变了传输方向，然后经过第二旋转片，第三波片，第四波片，第二位移片后，由第四根光纤接收。

第一准直器用于将来自第一根光纤或三根光纤的光准直成平行光束，或者将平行光束导入第三根光纤；

第二准直器用于将来自第二根光纤的光准直成平行光束，将平行光束导入第二根光纤或第四根光纤；

第一位移片和第二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；

第一波片、第一旋转片、第二波片、第二旋转片、第三波片和第四波片用于改变光束的偏振态；

双折射晶体棱镜，其双折射晶体功能根据光束的偏振态分开或合成两个偏振态光束，其棱镜功能用于改变两个偏振态光束的传输角度。

在结构上，少了第一根光纤，或者第四根光纤，即为三端口环形器，举例来讲，在本发明第二实施例中，还包括第一根光纤11、第二根光纤12和第三根光纤13，所述第一根光纤11和第三根光纤13沿所述光环形器纵轴相邻并排放置于所述第一准直器21上，所述第二根光纤12沿所述光环形器纵轴相邻并排放置于所述第二准直器22上。

如图10所示，在低成本低隔离度要求的情况下，可以构成单级三端口环形器。

所述双折射晶体棱镜可以是凸角棱镜或凹角棱镜。如图7所示，双折射晶体棱镜用作凸角棱镜时，两偏振态光束的交叉点在棱镜凸角的外方；用作凹角棱镜时，两偏振态光束的交叉点在棱镜凹角的内方。光束交叉点位置可以灵活配置，方便准直器和整体光路的设计。双折射晶体棱镜的角度大小可以是根据具体要求设计的，如图8所示，双折射晶体棱镜可以是一边是平面，这种情况可以构成三端口环形器。

所述双折射晶体棱镜可以是偏振分光棱镜。如图9所示，根据棱镜反射角的差异，可以把光束交叉点设在偏振分光棱镜的任意位置。

如图11所示，所述双折射晶体棱镜可以分成上下两个或者左右两个，或者其它任意切割方式或者任意切割方式的组合。

所述第一准直器和第二准直器可以是普通的光纤头或TEC（温度扩束）光纤头。使用普通光纤头，可以简化光纤头的制作工艺，降低成本。

所述第一位移片和第二位移片可以是偏振分光棱镜，达到同样的分合光功能；在使用偏振分光棱镜的情况下，可以压缩光路长度，降低成本。

为了让本领域一般技术人员更好的理解本发明的工作原理，以下结合本发明的结构说明其工作原理：

请参考图3和图4，第一准直器21将来自第一根光纤11的光准直成平行光束211，因为光纤11相对于准直器处于离轴位置，位于中心面下方，光束211有一个沿z轴方向向上的倾斜角。光束211进入第一位移片31后，被分成具有相互垂直偏振态的沿x轴方向分离的两束光，即正常光211o和反常光211e。图4下方的xy平面剖面图标示了它们的偏振态。光束211e经第一波片41后，偏振态被旋转了90°和光束211o的偏振态相同，光束标示为211e′，偏振方向沿y轴方向， 图4下方的xy平面剖面图标示了光束211e偏振态的变化。然后这两束光以原有的倾斜角进入第一旋转片51，光束的偏振方向顺时针旋转45°，两束光经过第二波片42后，偏振方向顺时针旋转45°，两束光的偏振方向是沿x轴方向。两束光是以原来传播方向进入双折射晶体棱镜61，偏振态没有变化，由于双折射晶体棱镜61的折射，光束的传输方向发射变化如图3所示。由于光束的偏振方向和双折射晶体棱镜61的光轴垂直，是o光，光束经过双折射晶体棱镜61后，按折射定律，两束光的传输方向沿z轴带一定的角度输出。两束光进入第二旋转片52，两束光偏振方向顺时针旋转45°，再经过第三波片43，两束光的偏振方向又顺时针旋转45°，偏振方向沿y轴方向。其中光束211o经过第四波片44后，偏振方向旋转了90°，偏振方向沿x轴方向，光束标示为211o′。图4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′。第二位移片32将两束光合成一束，合成光束为321。由第二准直器22的第二根光纤12接收输出。

请参考图3和图5，第二准直器22将来自第二根光纤12的光准直成平行光束221，光束221沿z轴方向带一定的角度传输。光束221进入第二位移片32后，被分成具有相互垂直偏振态的沿x轴方向分离的两束光，即正常光221o和反常光221e。图5下方的xy平面剖面图标示了它们的偏振态。光束221e经第四波片44后，偏振态被旋转了90°和光束221o的偏振态相同，光束标示为221e′，偏振方向沿y轴方向， 图5下方的xy平面剖面图标示了光束221e偏振态的变化。然后这两束光进入第三波片43，光束的偏振方向逆时针旋转45°，两束光再经过第二旋转片52后，偏振方向顺时针旋转45°，两束光的偏振方向还是沿y轴方向。由于光束的偏振方向和双折射晶体棱镜61的光轴取向平行，光束按折射定律进入双折射晶体棱镜后，按e光传播规律向光轴方向偏折，在出射面按折射定律折射。光束经过双折射晶体棱镜61后，两束光的传输方向发生的改变如图3所示。两束光进入第二波片42，两束光偏振方向逆时针旋转45°，再经过第一旋转片51，两束光的偏振方向又顺时针旋转45°，偏振方向沿y轴方向。其中光束221o经过第一波片41后，偏振方向旋转了90°，偏振方向沿x轴方向，光束标示为221o′。图5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221o′和221e′。第一位移片31将两束光合成一束，合成光束为311。由第一准直器21的第二根光纤13接收输出。

请参考图3和图6，第一准直器21将来自第三根光纤13的光准直成平行光束212，因为光纤13相对于准直器处于离轴位置，位于中心面上方，光束212有一个沿z轴方向向下的倾斜角。光束212进入第一位移片31后，被分成具有相互垂直偏振态的沿x轴方向分离的两束光，即正常光212o和反常光212e。图6下方的xy平面剖面图标示了它们的偏振态。光束212e经第一波片41后，偏振态被旋转了90°和光束211o的偏振态相同，光束标示为212e′，偏振方向沿y轴方向， 图6下方的xy平面剖面图标示了光束212e偏振态的变化。然后这两束光以原有的倾斜角进入第一旋转片51，光束的偏振方向顺时针旋转45°，两束光经过第二波片42后，偏振方向顺时针旋转45°，两束光的偏振方向是沿x轴方向。两束光是以原来传播方向进入双折射晶体棱镜61，偏振态没有变化，由于双折射晶体棱镜61的折射，光束的传输方向发射变化如图3所示。由于光束的偏振方向和双折射晶体棱镜61的光轴垂直，是o光，光束经过双折射晶体棱镜61后，按折射定律，两束光的传输方向沿z轴带一定的角度输出。两束光进入第二旋转片52，两束光偏振方向顺时针旋转45°，再经过第三波片43，两束光的偏振方向又顺时针旋转45°，偏振方向沿y轴方向。其中光束212o经过第四波片44后，偏振方向旋转了90°，偏振方向沿x轴方向，光束标示为212o′。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212o′和212e′。第二位移片32将两束光合成一束，合成光束为322。由第二准直器22的第四根光纤14接收输出。

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 (1)

1.一种光环形器，其特征在于：在光路中心轴上依次设置有第一准直器、第一位移片、第一波片、第一旋转片、第二波片、双折射晶体棱镜、第二旋转片、第三波片、第四波片、第二位移片和第二准直器；

还包括第一根光纤、第二根光纤、第三根光纤和第四根光纤，所述第一根光纤和第三根光纤沿所述光环形器纵轴相邻并排放置于所述第一准直器上，所述第二根光纤和第四根光纤沿所述光环形器纵轴相邻并排放置于所述第二准直器上；

所述双折射晶体棱镜是凸角棱镜或凹角棱镜；

所述双折射晶体棱镜分成上下两个或者左右两个；

所述第一准直器和第二准直器是普通的光纤头或TEC光纤头；

所述光环形器还包括第一根光纤、第二根光纤和第三根光纤，所述第一根光纤和第三根光纤沿所述光环形器纵轴相邻并排放置于所述第一准直器上，所述第二根光纤沿所述光环形器纵轴相邻并排放置于所述第二准直器上；

所述光环形器还包括第二根光纤、第三根光纤和第四根光纤，所述第三根光纤沿所述光环形器纵轴相邻并排放置于所述第一准直器上，所述第二根光纤和第四根光纤沿所述光环形器纵轴相邻并排放置于所述第二准直器上；

所述双折射晶体棱镜用偏振分光棱镜等效替换；

所述第一位移片和第二位移片用偏振分光棱镜等效替换。