CN104749789A - 法拉第旋转镜 - Google Patents
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Abstract
一种用于光通信的方法、系统和装置。所述装置的一种包括双折射晶体，其被配置为将在第一端口输入的入射光束分离为具有正交偏振方向的分量光束，并在各个路径上将分量光束引导到所述双折射晶体上的出口位置；以及位于所述双折射晶体和光束转折光学组件之间的法拉第旋转器，其中所述法拉第旋转器被定位使得沿第一路径从第一出口位置射出所述双折射晶体的光束在入射到所述光束转折光学组件之前穿过所述法拉第旋转器，沿第二路径从第二出口位置射出所述双折射晶体的光束直通到所述光束转折光学组件而不入射到所述法拉第旋转器。
Description
背景技术
本说明书涉及光通信。
传统法拉第旋转器是在磁场存在时旋转光信号的偏振的光学设备。法拉第旋转器通常被用在许多不同光通信应用中，包括纤维光学迈克尔逊(Michelson)干涉计、激光放大器、传感器，以及用于补偿光纤中引起的双折射。
发明内容
总体上，在此说明书描述的主题的创新性方面可被实施在装置中，所述装置包括双折射晶体(birefringent crystal)，其被配置为将在第一端口输入的入射光束分离为具有正交偏振方向的分量光束、并在各个路径上将分量光束引导到所述双折射晶体上的出口位置；以及位于所述双折射晶体和光束转折光学组件之间的法拉第旋转器，其中所述法拉第旋转器被定位使得沿第一路径从第一出口位置射出所述双折射晶体的光束在入射到所述光束转折光学组件之前穿过所述法拉第旋转器，并且沿第二路径从第二出口位置射出所述双折射晶体的光束直通到所述光束转折光学组件而不入射到所述法拉第旋转器。
前述和其他实施方式的每一个都可选择性地单独或以组合的方式包括下列特征的一个或多个。所述装置进一步包括光学耦合在所述双折射晶体和光纤之间的准直仪，其中光束通过该光纤进入和射出所述装置。所述光束转折光学组件将沿第一路径入射的光束转折到第二路径的反向，并且其中所述转折光学组件将沿第二路径入射的光束转折到第一路径的反向。所述法拉第旋转器将入射光束大致旋转90度。所述双折射晶体提供法拉第旋转角度过滤以抑制法拉第旋转器中的误差。
总体上，在此说明书描述的主题的创新性方面可被实施在装置中，所述装置包括偏振光束分离器，其被配置为将在第一端口输入的入射光束分离为具有正交偏振方向的分量光束、并将分量光束分别引导到所述偏振光束分离器的第二和第三端口；位于所述偏振光束分离器和第一转折镜之间的法拉第旋转器，从而射出所述偏振光束分离器的第二端口的光束被引导穿过所述法拉第旋转器到所述第一转折镜，并且其中所述第一转折镜将来自所述法拉第旋转器的入射光束引导到第二转折镜；以及位于所述偏振光束分离器和所述第一转折镜之间的第二转折镜，从而射出所述偏振光束分离器的第三端口的光束被所述第二转折镜转折到所述第一转折镜，并且其中第一转折镜将来自所述第二转折镜的入射光束引导到所述法拉第旋转器。
前述和其他实施方式的每一个都可选择性地单独或以组合的方式包括下列特征的一个或多个。所述装置进一步包括光学耦合在所述偏振光束分离器和光纤之间的准直仪，其中光束通过该光纤进入和射出所述装置。所述第一和第二转折镜将来自所述偏振光束分离器的第二端口沿第一路径入射的光束转折到第二路径的反向，并且其中所述第一和第二转折镜将来自所述偏振光束分离器的第三端口沿第二路径入射的光束转折到第一路径的反向。所述法拉第旋转器将入射光束大致旋转90度。所述偏振光束分离器提供法拉第旋转角度过滤以抑制法拉第旋转器中的误差。
总体上，在此说明书描述的主题的创新性方面可被实施在方法中，该方法包括下列步骤：接收光束，所述光束的各个分量具有随机偏振方向；将所述光束分离为第一光束和第二光束，所述第一光束沿第一路径且所述第二光束沿第二路径，其中所述第一光束和所述第二光束具有正交偏振方向；旋转所述第一光束的偏振方向并且随后将所述第一光束反射回到沿第二路径；将第二光束反射回到沿第一路径并且随后旋转所述第二光束的偏振方向；组合所述第一光束和第二光束从而所述第一光束和第二光束具有正交偏振方向，提供对在所述第一和第二光束的偏振方向旋转中的误差抑制；并且输出组合的光束。
前述和其他实施方式的每一个都可选择性地单独或以组合的方式包括下列特征的一个或多个。该方法进一步包括：在将光束分离为第一光束和第二光束之前，校准所接收的光束。所述光束分离通过将所述光束穿过双折射晶体进行。所述光束分离通过将所述光束穿过偏振光束分离器进行。偏振方向的旋转通过将第一光束穿过法拉第旋转器进行。
说明书描述的特定实施方式可以实施从而实现下列优点的一个或多个。提供了对温度不敏感的法拉第旋转镜结构，并且其提供平坦波长响应。
本说明书的主题的一个或多个实施方式的细节在附图和下列说明进行阐述。本主题的其他特征、方面和优点根据说明书、附图和权利要求会变得明显。
附图说明
图1是示例性法拉第旋转镜的方框图。
图2是另一个示例性法拉第旋转镜的方框图。
不同附图的类似附图标记指示类似元件。
具体实施方式
法拉第旋转器用于提供入射光束的偏振方向的特定旋转。在许多光通信应用中，需要非常精确的法拉第旋转角度。例如，在纤维光学干涉计中，法拉第旋转镜被用于消除由光纤中随机偏振方向变化引起的干扰信号波动。传统法拉第旋转器提供的准确旋转可能随温度和波长变化而改变。本说明书描述了不同的法拉第旋转镜装置，其提供对法拉第旋转器中误差的抑制，从而提供与温度和波长无关的足够稳定的偏振输出。
图1是示例性法拉第旋转镜100的方框图。法拉第旋转镜100被耦合到光纤102。例如承载用于光通信的一个或多个波长的光束通过光纤102进出法拉第旋转镜100。特别地，光纤102光学耦合到法拉第旋转镜100的准直仪104的第一端。准直仪104对齐入射光束。准直仪104的第二端光学耦合到双折射晶体106。双折射晶体106光学耦合到棱镜110。
法拉第旋转镜100还包括定位于双折射晶体106和棱镜110之间的法拉第旋转器108。法拉第旋转器108被定位在双折射晶体106和棱镜110之间，使得从双折射晶体106射出的光路中只有一条在进入棱镜110之前入射到法拉第旋转器108。
法拉第旋转器108还定位于磁场生成元件112之内。磁场生成元件112可以包括例如环绕在圆形铁芯上的线圈。电流可被施加到线圈上以产生磁场。可替代地，磁场生成元件112可以是环形永磁体。一些其他实现形式中，任意适当的磁场生成结构都可以使用。从磁场生成元件112施加的磁场使得穿过法拉第旋转器108的光束的偏振被旋转特定量。特别地，法拉第旋转器108可以将入射光束的偏振基本旋转90度。
工作中，光束10从光纤102输入到法拉第旋转镜100的准直仪104。准直仪104被配置为对齐入射光到同一方向，例如形成基本平行的光。
入射光束10可以具有随机偏振方向。光束是具有在垂直于传播方向的方向上振荡的不同电场和磁场的电磁波所形成的。光束中的特定光波的偏振方向对应于平行于该光波的电场的方向。入射光束由具有不同偏振方向的许多光波组成。随机偏振的光可以用关于沿正交轴的分量幅度来描述。特别地，可以用Jones向量形式来描述沿正交轴的电场的各个幅度分量以及描述沿正交轴的相位滞后的相位分量。
射出准直仪104的第二端的光束12进入双折射晶体106的第一侧。双折射晶体106将具有随机偏振方向的入射光束分离成两个具有相互正交偏振方向的分离光束，统称为“普通(ordinary)”光束14和“非常(extraordinary)”光束16。除了通过偏振方向分离光束，两个分离光束还因为双折射晶体106的性质而发散。
普通光束14具有第一偏振方向并且沿着穿过双折射晶体106的第一路径1A。普通光束14在双折射晶体106的第二端的第一出口位置射出双折射晶体106。普通光束14随后入射到法拉第旋转器108。普通光束14的偏振方向被旋转，从而在射出法拉第旋转器108时偏振方向被大致旋转90度以形成旋转光束18。
非常光束16具有与普通光束14的第一偏振方向正交的第二偏振方向，并且沿着穿过双折射晶体106的第二路径1B。非常光束16在双折射晶体106的第二端的第二出口位置射出双折射晶体106，形成光束20。
棱镜110被配置为将入射光束的路径沿入射方向转折，但空间上错开。也可以使用其他合适的转折光学设备，例如镜面。特别地，旋转光束18和光束20各自入射到棱镜110上的位置使得它们相互沿对方的路径被转折。因而，旋转光束18在光束20进入棱镜110的位置处射出棱镜110，光束20在旋转光束18进入棱镜110的位置处射出棱镜110。
在射出棱镜110之后，光束20沿旋转光束18穿过法拉第旋转器108的反向路径。光束20的偏振方向被旋转，从而在射出法拉第旋转器108时偏振方向被大致旋转90度以形成旋转光束22。旋转光束22随后在双折射晶体106的第二端的第一出口位置进入双折射晶体106，并且沿穿过双折射晶体106的第一路径1A。由于旋转光束22具有现在与初始普通光束14相同的旋转偏振方向，它直接在与普通光束14相反的方向上遵循第一路径1A。
旋转光束18在射出棱镜110之后沿光束20的反向路径。旋转光束18在双折射晶体106的第二端的第二出口位置进入双折射晶体106，并且沿穿过双折射晶体106的第二路径1B。特别地，由于旋转光束18具有现在与初始非常光束16相同的经旋转偏振方向，它直接在与非常光束16相反的方向上沿着第二路径1B。
由此，得以形成环路，被双折射晶体106分离的光束沿着彼此路径返回。特别地，被双折射晶体106分离的普通光束14沿环路返回到非常光束16的路径。类似地，非常光束16沿环路返回到普通光束14的路径。此外，当偏振方向保持正交时，普通光束14和非常光束16的偏振方向在它们返回双折射晶体106时被交换。
组合光束24在双折射晶体106的第一侧的第一位置射出双折射晶体106，穿过准直仪104，通过光纤102射出法拉第旋转镜100。组合光束24具有正交偏振方向。
双折射晶体106起到法拉第旋转角度滤波器的作用。法拉第旋转器可能不总是将入射光束准确地旋转90度。特别地，许多法拉第旋转器显现出温度和波长依赖性。例如，随着温度升高，旋转角度会减少。然而，操作温度通常都不是恒定的。类似地，法拉第旋转器的旋转角度取决于旋转器材料的比例常数。然而，该常数也随波长改变。然而，双折射晶体106只将被旋转90度的光束分量传输到出口路径。特别地，取决于各个光束路径，只有具有平行于或垂直于双折射晶体106的轴的偏振方向的光束分量沿从双折射晶体106到准直仪104的出口路径传输。例如，由于法拉第旋转器的误差，如果光束具有轻微偏离双折射晶体的轴的垂直方向的偏振方向(例如1度)，只有描述光束的电场方向的向量的垂直分量被沿光束路径传输到出口。
因而，不管由温度或波长变化引起的法拉第旋转器的旋转角度中的任意误差，输出光束具有正交偏振方向。取决于双折射晶体106在传输具有精确偏振方向光束的误差，由法拉第旋转器产生的任意误差都可以被大大抑制。例如，如果双折射晶体106的误差是40dB，则可以达到对法拉第旋转误差的10000x抑制。
图2是另一个示例性法拉第旋转镜200的方框图。法拉第旋转镜200耦合到光纤202。例如承载用于光通信的一个或多个波长的光束通过光纤202进出法拉第旋转镜200。特别地，光纤202光学耦合到法拉第旋转镜200的准直仪204的第一端。准直仪204的第二端光学耦合到偏振光束分离器206。偏振光束分离器206光学耦合到转折镜209和210。
法拉第旋转镜200还包括定位于偏振光束分离器206的第一输出端口和转折镜210之间的法拉第旋转器208。法拉第旋转器208还定位于磁场生成元件212之内。磁场生成元件212可以包括例如缠绕在圆形铁芯上的线圈。电流可以施加到线圈以产生磁场。可替代地，磁场生成元件212可以是环形永磁体。在一些其他实现形式中，任意适当的磁场生成结构都可以使用。从磁场生成元件212施加的磁场使得穿过法拉第旋转器208的光束的偏振被旋转特定量。特别地，法拉第旋转器208可以将入射光束的偏振基本旋转90度。
工作中，光束30从光纤202输入到法拉第旋转镜200的准直仪204。准直仪204被配置为对齐入射光到同一方向，例如形成基本平行的光。入射光束30可以具有随机偏振方向。
射出准直仪204的第二端的光束32进入偏振光束分离器(PBS)206的第一端口。PBS 206传输具有第一偏振方向的光束，同时反射具有正交偏振方向的光束。特别地，PBS 206可以由两个以特定角度相连的棱镜形成，该角度使得具有第一偏振方向的光束直接穿过PBS 206，而具有正交偏振方向的光束基于两棱镜相连的角度被导向。
特别地，在第一端口进入PBS 206的光束32被分离为具有正交偏振的分量光束。光束32中具有第一偏振方向的分量沿路径2A穿过PBS 206并且在第二端口射出PBS 206形成光束34。光束32中具有与第一偏振方向正交的第二偏振方向的分量在PBS 206中沿第二路径2B被反射并且在第三端口射出PBS 206形成光束36。
光束34穿过法拉第旋转器208并且作为旋转光束38射出。旋转光束38具有相对于光束34的偏振方向已经被基本旋转了90度的偏振方向。旋转光束38被转折镜210反射，从而光束34被导向转折镜209。转折镜209将旋转光束38反射进入PBS 206的第三端口。旋转光束38沿路径2B穿过PBS 206。由于旋转光束38具有被基本上90度旋转的偏振，它现在被PBS 206基本上沿到第一端口的路径反射。这一光路形成了在第一方向穿过法拉第旋转镜200的环路。
从PBS 206的第三端口射出的光束36入射到转折镜209，转折镜209将光束36反射到转折镜210。转折镜210将光束34导向法拉第旋转器208。法拉第旋转器208旋转光束34的偏振方向，光束34作为旋转光束40射出法拉第旋转器208。旋转光束40随后在第二端口进入PBS 206并沿着路径2A。由于旋转光束40具有已被大致旋转90度的偏振，它现在与被PBS 206反射的旋转光束38组合在一起，基本上穿过PBS 206，从第一端口射出作为组合光束42。该光路在第二相反方向沿穿过法拉第旋转镜200的同一环路。
组合光束42包含具有正交偏振方向的分量。组合光束42传回准直仪204并通过光纤202射出法拉第旋转镜200。
PBS 206还起到法拉第旋转角度滤波器的作用。PBS 206只将被旋转90度的光束分量传输到出口路径。特别地，只有相对于PBS 206和各条光路平行或垂直的偏振方向的光束分量被输出PBS 206的第一端口到准直仪204。例如，由于法拉第旋转器的误差，如果沿路径2B进入PBS 206的第三端口的光束具有轻微偏离垂直方向的偏振方向，例如1度，仅有描述光束的电场方向的向量的垂直分量被沿光束路径传输到PBS 206的第一端口。
因而，不管由温度或波长变化引起的法拉第旋转器的旋转角度中的任意误差，输出光束具有正交偏振方向。取决于PBS 206在传输具有精确偏振方向的光束时的误差，由法拉第旋转器产生的任意误差都可以被大大抑制。例如，如果PBS 206的误差是40dB，则可以达到对法拉第旋转误差的10000x抑制。
尽管本说明书包含许多具体实施细节，这些不应当被认为是对任意发明或要求的权利的范围的限制，而是对特定发明的特定实施方式的具体特征的说明。本说明书中被描述于分开的实施方式上下文中的某些特征也可以组合实施于单个实施方式中。相反，单个实施方式的上下文中描述的不同特征也可以被分开实施于多个实施方式中，或者以任何适当的子组合方式。此外，尽管多个特征可能在上述说明中被描述为以某些组合方式工作(或最初在权利要求中描述为如此)，其组合中的一个或多个特征在某些情况下可以从该组合中排除，其组合可以提示某些子组合或子组合的变例。
类似地，尽管在附图中按特定顺序描述了各个步骤，不应被理解为要求这样步骤必须以图示的特定顺序或者以顺次的顺序进行，或者要求所有示出的步骤都要进行，才能达到想要的结果。某些情况下，多任务和并行处理可能是更有利的。此外，上述实施方式中各种系统模块和组件的分离不应被理解为要求在所有的实施方式中都应如此分离，应当被理解为描述的程序组件和系统通常可以被一起集成在单个软件产品中或者封装在多个软件产品中。
主题的特定实施方式已经被说明。其他实施方式在后续权利要求的范围之内。例如，权利要求中列举的动作可以以不同顺序进行但仍然获得想要的结果。作为一个示例，附图描绘的过程并不必然要求按图示的特定顺序，或者顺次的顺序，以达到想要的结果。某些实现形式中，多任务和并行处理可能是更有利的。
Claims (15)
1.一种装置，其包括：
双折射晶体，其被配置为将在第一端口输入的入射光束分离为具有正交偏振方向的分量光束，并在各个路径上将分量光束引导到该双折射晶体上的出口位置；以及
法拉第旋转器，位于所述双折射晶体和光束转折光学组件之间，其中所述法拉第旋转器被定位使得沿第一路径从第一出口位置射出所述双折射晶体的光束在入射到所述光束转折光学组件之前穿过所述法拉第旋转器，并且沿第二路径从第二出口位置射出所述双折射晶体的光束直通到所述光束转折光学组件而不入射到所述法拉第旋转器。
2.权利要求1的装置，进一步包括光学耦合在所述双折射晶体和光纤之间的准直仪，其中光束通过该光纤进入和射出所述装置。
3.权利要求1的装置，其中所述光束转折光学组件将沿第一路径入射的光束转折到第二路径的反向，并且其中所述光束转折光学组件将沿第二路径入射的光束转折到第一路径的反向。
4.权利要求1的装置，其中所述法拉第旋转器将入射光束大致旋转90度。
5.权利要求1的装置，其中所述双折射晶体提供法拉第旋转角度过滤以抑制法拉第旋转器中的误差。
6.一种装置，其包括：
偏振光束分离器，其被配置为将在第一端口输入的入射光束分离为具有正交偏振方向的分量光束，并将分量光束分别引导到所述偏振光束分离器的第二和第三端口；
法拉第旋转器，位于所述偏振光束分离器和第一转折镜之间，使得射出所述偏振光束分离器的第二端口的光束被引导穿过所述法拉第旋转器到所述第一转折镜，并且其中所述第一转折镜将来自所述法拉第旋转器的入射光束引导到第二转折镜；以及
第二转折镜，位于所述偏振光束分离器和所述第一转折镜之间，使得射出所述偏振光束分离器的第三端口的光束被所述第二转折镜反射到所述第一转折镜，并且其中第一转折镜将来自所述第二转折镜的入射光束引导到所述法拉第旋转器。
7.权利要求6的装置，进一步包括光学耦合在所述偏振光束分离器和光纤之间的准直仪，其中光束通过该光纤进入和射出所述装置。
8.权利要求1的装置，其中所述第一和第二转折镜将来自所述偏振光束分离器的第二端口沿第一路径入射的光束转折到第二路径的反向，并且其中所述第一和第二转折镜将来自所述偏振光束分离器的第三端口沿第二路径入射的光束转折到第一路径的反向。
9.权利要求1的装置，其中所述法拉第旋转器将入射光束大致旋转90度。
10.权利要求1的装置，其中所述偏振光束分离器提供法拉第旋转角度过滤以抑制法拉第旋转器中的误差。
11.一种方法，其包括：
接收光束，所述光束的诸个分量具有随机偏振方向；
将所述光束分离为第一光束和第二光束，所述第一光束沿第一路径且所述第二光束沿第二路径，其中所述第一光束和所述第二光束具有正交偏振方向；
旋转所述第一光束的偏振方向并且随后将所述第一光束反射回到沿第二路径；
将第二光束反射回到沿第一路径并且随后旋转所述第二光束的偏振方向；
组合所述第一光束和第二光束从而所述第一光束和第二光束具有正交偏振方向，抑制在所述第一和第二光束的偏振方向旋转中的误差；以及
输出组合的光束。
12.权利要求11的方法，包括：在将光束分离为第一光束和第二光束之前，校准所接收的光束。
13.权利要求11的方法，其中所述光束分离是通过将所述光束穿过双折射晶体进行。
14.权利要求11的方法，其中所述光束分离是通过将所述光束穿过偏振光束分离器进行。
15.权利要求11的方法，其中偏振方向的旋转是通过将第一光束穿过法拉第旋转器进行。
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