CN104820295B - 无热法拉第旋转器反射镜 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及无热法拉第旋转器反射镜。提供了用于光通信的方法、系统和设备。所述设备之一包括具有在第一方向施加的磁场的第一法拉第旋转器；光耦合至第一法拉第旋转器的第二法拉第旋转器，第二法拉第旋转器具有在与第一方向相反的第二方向施加的磁场；以及光耦合至第二法拉第旋转器的反射镜。

Description

无热法拉第旋转器反射镜
技术领域
本说明书涉及光通信。
背景技术
常规的法拉第旋转器反射镜可以用到很多应用当中，例如，光纤迈克尔逊干涉仪、激光放大器或传感器装置。常规的法拉第旋转器反射镜可以被用作，例如，光纤中的感生双折射(induced birefringence)的补偿器。
发明内容
总的来说，本说明书中描述的主题的一个创新方面能够通过设备得以体现，所述设备包括具有在第一方向施加的磁场的第一法拉第旋转器；光耦合至所述第一法拉第旋转器的第二法拉第旋转器，所述第二法拉第旋转器具有在与第一方向相反的第二方向施加的磁场；以及光耦合至所述第二法拉第旋转器的反射镜。
上述以及其他实施例可以各自任选地包括下述特征中的一者或多者(以单独或者组合形式)。所述第一法拉第旋转器包括第一磁光材料，所述第一磁光材料被配置为向通过所述第一磁光材料的光提供第一偏振旋转，并且其中，所述第二法拉第旋转器包括第二磁光材料，所述第二磁光材料被配置为向通过所述第二磁光材料的光提供第二偏振旋转。所述第一偏振方向和第二偏振方向具有相反符号。所述第一磁光材料和所述第二磁光材料是不同的石榴石材料。将所述第一法拉第旋转器和第二法拉第旋转器配置为补偿由每个单独的法拉第旋转器所引起的热漂移。将第一法拉第旋转器和第二法拉第旋转器配置为使由所述第一和第二法拉第旋转器中的单个法拉第旋转器所引起的与波长相关的偏振旋转平直化。所述设备还包括被配置为输入具有一个或多个信号波长的光束的输入端口；以及被配置为输出具有一个或多个信号波长的光束的输出端口。所述输入光束的偏振方向在进入所述输出端口时旋转了90度。所述输入光束在受到反射镜反射之前穿过所述第一法拉第旋转器和所述第二法拉第旋转器，并且其中，从所述反射镜反射的光在穿过输出端口之前穿过所述第二法拉第旋转器和第一法拉第旋转器。
总的来说，本说明书中描述的主题的一个创新方面能够通过设备得以体现，所述设备包括具有在第一方向施加的磁场的第一法拉第旋转器；以及具有在与第一方向相反的第二方向施加的磁场的第二法拉第旋转器；其中，由所述第二法拉第旋转器所引起的偏振旋转具有与由第一法拉第旋转器所引起的偏振旋转相反的方向。
通过实施本说明书中描述的主题的具体实施例，能够实现下述优点中的一者或多者。提供了一种补偿与所施加的偏振旋转相关的热漂移的法拉第旋转器反射镜。所述法拉第旋转器还能够使所施加的偏振旋转的波长依赖性平直化。
将通过附图和下述说明阐述本说明书的主题的一个或多个实施例的细节。通过所述描述、附图和权利要求，所述主题的其他特征、方面和优点将变得明显。
附图说明
图1是常规法拉第旋转器的例子。
图2是示出了图1的法拉第旋转器反射镜的法拉第旋转器反射镜的热漂移的例子的曲线图。
图3是示例法拉第旋转器反射镜。
图4是示出了根据不同类型的磁光材料的指数(index)的波长依赖性的例子的曲线图。
在各图当中采用类似的附图标记和命名指示类似的元件。
具体实施方式
法拉第旋转器旨在提供入射光束的偏振方向的指定旋转。在很多应用中，需要具有非常精确的法拉第旋转角。例如，在光纤干涉仪中，采用法拉第旋转器反射镜消除由于光纤中的随机偏振方向变化而导致的干扰信号波动。由常规法拉第旋转器提供的精确的旋转可能随着温度和波长的变化而发生变化。
图1是常规法拉第旋转器反射镜100的例子。法拉第旋转器反射镜100包括磁光材料102、磁场生成元件104和反射镜106。磁光材料102是使得通过所述材料的光束的偏振响应于所施加的磁场而旋转的材料。例如，磁光材料102可以是石榴石材料。石榴石材料，例如，具有特定化学结构的薄膜石榴石材料具有磁光性。石榴石材料可以是天然的或者是合成的(包括掺有稀土的石榴石)。
通过磁场生成元件104引起磁场。磁场生成元件104可以是，例如，永久性圆形磁体。在一些其它实施方式中，磁场生成元件104可以是缠绕在圆形铁芯上的线圈。可以向所述线圈上施加电流以生成磁场。在磁场生成元件104生成的磁场下，将使穿过磁光材料102的光束的偏振旋转指定量。具体而言，磁光材料102可以使入射光束的偏振基本上旋转45度。
在操作中，入射光束输入穿过磁光材料102，入射光束经受基本上45度的偏振方向的旋转。在一些实施方式中，输入光束是正交偏振光。在一些其它实施方式中，输入光束在进入法拉第旋转器反射镜100时被调节为具有单个偏振方向。
光束被反射镜106反射，从而通过磁光材料102返回，光束在所述磁光材料102中经受相同旋转方向的基本上45度的附加旋转。因而，当在反射路径上离开磁光材料102之后，实现了基本上90度的总偏振。
当施加磁场时由所述磁光材料提供的旋转角通常由于温度和通过的光束的波长而存在一定的变化。
图2是示出了图1的法拉第旋转器反射镜的法拉第旋转器反射镜的热漂移的例子的曲线图200。具体而言，x轴对应于温度，而y轴则对应于以度为单位的旋转角。每个曲线示出了具体波长的光对温度的依赖性，且不同的曲线对应于不同类型的磁光材料。
图4是示出了根据不同类型的磁光材料的指数的波长依赖性的例子的曲线图400。具体而言，x轴对应于以纳米为单位的波长，而y轴则对应于指数。图1的法拉第旋转器反射镜的法拉第旋转角也将表现出波长依赖性。
如上所述，在很多应用中，需要在各种条件下对法拉第旋转角进行非常精确的控制。为了控制热漂移，法拉第旋转器反射镜可以包括具有一对法拉第旋转器的复合组件，其中所述一对法拉第旋转器中的每个都具有不同的磁光材料，如下文相对于图3所述。具体而言，不同的磁光材料可以是不同的石榴石材料。
图3是示范性法拉第旋转器反射镜300。法拉第旋转器反射镜300包括第一旋转器302、第二旋转器304和反射镜306。第一旋转器302包括第一磁光材料308和第一磁场生成元件310。第二旋转器304包括第二磁光材料312和第二磁场生成元件314。
磁场生成元件310和314可以是，例如，永久性圆形磁体或者缠绕到圆形铁芯上的线圈，如上文相对于图1所述。第一磁光材料308可以是第一石榴石材料，而第二磁光材料312可以是第二石榴石材料。所述石榴石材料可以具有不同的热漂移率。此外，石榴石材料的特性可以是不同的，从而当施加适当的磁场时，使通过的光束发生指定量的偏振旋转。
将法拉第旋转器反射镜300布置为使得输入光束在受到反射镜306反射之前穿过第一磁光材料308和第二磁光材料312。受到反射的光束在离开法拉第旋转器反射镜300之前通过第二磁光材料312和第一磁光材料308返回。
更具体而言，相应的第一和第二磁场生成元件310和314生成相反方向的磁场。因此，对应的第一和第二磁光材料308和312使入射光的偏振向相反方向旋转。
穿过第一磁光材料308的输入光束的偏振旋转了第一旋转角Φ1。所述光束在穿过第二磁光材料312后旋转第二旋转角(-Φ2)。因而，穿过第一和第二磁光材料308和312的总旋转为Φ1-Φ2。在受到反射镜306反射之后，所述光束再次通过第二磁光材料312旋转(-Φ2)，且通过第一磁光材料308旋转Φ1。因此，输出光束的总旋转角为：2Φ1–2Φ2。如果Φ1-Φ2等于45度，那么所述装置就起到了典型法拉第转换器反射镜的作用，例如，如果Φ1为110度且Φ2为65度的话。因此图3的法拉第旋转器反射镜对所存在的光束施加的总偏振旋转为90度。由于符号相反，因而能够通过相互抵消而实际上补偿法拉第旋转器反射镜300的热漂移。
在数学上，可以将法拉第旋转角Φ定义为：
Φ＝VBL, (1)
其中，V是维尔德常数(Verdet Constant)，B是磁场，且L是有效材料厚度。维尔德常数的值与材料相关。
假设使用具有不同的热漂移率的两种不同类型的磁光材料且施加磁场，可以表明：
Φ1＝V1B1L1并且Φ2＝V2B2L2 (2)
如果我们对材料加以选择，从而使得：
Φ1-Φ2＝π/4 (3)
Figure BDA0000662766290000051
其中，
Figure BDA0000662766290000052
是相对于温度的偏导数。
因而，能够抵消法拉第旋转角的总热漂移。
结合方程(1)、(2)、(3)、(4)，能够提供：
Figure BDA0000662766290000053
并且
B1V1L1-B2V2L2＝π/4。 (6)
在饱和区域：
能够将磁场强度B1和B2视为常数
因此：
可以将方程(5)写为：
Figure BDA0000662766290000061
此外，可以将方程(6)写为，
B1V1L1-B2V2L2＝B(V1L1-V2L2)＝π/4 (7)
因此，对于第一磁光材料而言，能够将法拉第旋转角的相对于温度的变化ΔΦ/ΔT，即热漂移写为：
Figure BDA0000662766290000062
并且对于第二磁光材料而言，可以写为：
Figure BDA0000662766290000063
其中，α1和α2是磁光材料的热膨胀系数。
对于磁光材料1GTD(例如)而言，假设
Figure BDA0000662766290000064
同时，对于磁光材料2GLB(例如)而言，假设
Figure BDA0000662766290000065
假设Φ1＝r1π/4；Φ2＝r2π/4； (12)
方程(3)变成
r1-r2＝1； (13)
方程(4)变成
γ1r1-γ2r2＝0； (14)
γ1和γ2可以由具体材料的已知数据(例如，由材料数据表)获得。
r2＝γ1/(γ2-γ1)； (15)
r1＝γ2/(γ2-γ1)； (16)
因此，能够指定材料及其法拉第旋转角Φ1和Φ2，以获得对温度不敏感的90度法拉第旋转器反射镜。
可以通过类似方式设计对波长不敏感的90度法拉第旋转器反射镜。
可以按照下式描述图3的法拉第旋转器反射镜提供法拉第旋转的波长依赖性：
Φ(λ)＝V(λ)x B x L。 (17)
维尔德常数具有能够被描述为下式的波长依赖性：
V(λ)＝(π/λ)x[n(λ)-1/n(λ)]x[A+B/(λ2-λ0 2)]； (18)
其中，A和B是色散常数(dispersion constant)。
获得波长不敏感的90度法拉第旋转器反射镜的条件是：
Φ1(λc)-Φ2(λc)＝π/4； (19)
Figure BDA0000662766290000071
在饱和区域；
Figure BDA0000662766290000072
可以按照与设计对温度不敏感的装置类似的方式仔细地指定所述材料及其法拉第旋转角Φ1和Φ2，以获得对波长不敏感的90度法拉第旋转器反射镜。
尽管本说明书含有很多具体的实施细节，但是不应将这些细节解释为对任何发明或者主张保护的内容的范围存在限制，而是应当将其解释为是对具体发明的具体实施例的特有特征的描述。也可以将在本说明书中在各个单独的实施例的语境下描述的某些特征合并到单个实施例中实施。相反，在单个实施例的语境下描述的各种特征也可以在多个实施例中单独实施或者以任何适当的亚组合来实施。再者，尽管上文可能将各个特征描述为以某某组合的方式发挥作用，甚至最初的权利要求就是照此提出的，但是在某些情况下能够从所主张的组合当中去除该组合中的一个或多个特征，而且所主张的组合可以指引亚组合或者亚组合的变化。
类似地，尽管在附图中以特定顺序来描绘操作，但是不应将其理解为要求按照所示的特定顺序或者按照相继顺序执行这样的操作，也不应将其理解为只有执行所有的图示操作才能实现预期的结果。在某些环境中，多任务及并行处理可以是有利的。此外，不应将上述实施例中的各种系统模块和部件的分隔理解为在所有实施例中都要求这样的分隔，应当理解为一般可以在单个软件产品中将所描述的程序部件和系统集成到一起，或者可以将它们封装到多个软件产品当中。
已经描述了所述主题的具体实施例。其他实施例处于下述权利要求的范围内。例如，可以按照不同的顺序执行权利要求中列举的操作，其仍然能够获得预期的结果。作为一个例子，附图中描绘的各项处理未必一定需要图示的特定顺序或者相继顺序才能获得预期的结果。在某些实现当中，多任务及并行处理可以是有利的。

Claims (13)

1.一种偏振旋转设备，是法拉第旋转器反射镜，包括：
具有在第一方向施加的磁场的第一法拉第旋转器，所述第一法拉第旋转器包括第一磁光材料，并且被配置为向通过所述第一磁光材料的光提供第一偏振旋转；
光耦合至所述第一法拉第旋转器的第二法拉第旋转器，所述第二法拉第旋转器具有在与所述第一方向相反的第二方向施加的磁场，所述第二法拉第旋转器包括第二磁光材料，并且被配置为向通过所述第二磁光材料的光提供第二偏振旋转；以及
光耦合至所述第二法拉第旋转器的反射镜，所述反射镜将通过所述第一法拉第旋转器和所述第二法拉第旋转器的光反射，使得所述光将再次通过所述第二法拉第旋转器和所述第一法拉第旋转器，其中，所述第一磁光材料和所述第二磁光材料是不同的材料，所述第二法拉第旋转器中的第二磁光材料被配置为反转由第一法拉第旋转器中的第一磁光材料的热漂移引起的偏振旋转。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述第一偏振旋转和第二偏振旋转具有相反符号。
3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述第一磁光材料和所述第二磁光材料是不同的石榴石材料。
4.根据权利要求1所述的设备，其中，所述第一法拉第旋转器和所述第二法拉第旋转器被配置为使由所述第一法拉第旋转器和所述第二法拉第旋转器中的单独法拉第旋转器所引起的与波长相关的偏振旋转平直化。
5.根据权利要求1所述的设备，还包括：
被配置为输入具有一个或多个信号波长的光束的输入端口；以及
被配置为输出具有一个或多个信号波长的光束的输出端口。
6.根据权利要求5所述的设备，其中，输入的光束的偏振方向在进入所述输出端口时旋转90度。
7.根据权利要求5所述的设备，其中，输入的光束在被所述反射镜反射之前通过所述第一法拉第旋转器和所述第二法拉第旋转器，并且其中，从所述反射镜反射的光在通过所述输出端口之前通过所述第二法拉第旋转器和所述第一法拉第旋转器。
8.一种偏振旋转设备，是法拉第旋转器反射镜，包括：
具有在第一方向施加的磁场的第一法拉第旋转器；以及
具有在与所述第一方向相反的第二方向施加的磁场的第二法拉第旋转器，
光耦合至所述第二法拉第旋转器的反射镜，所述反射镜将通过所述第一法拉第旋转器和所述第二法拉第旋转器的光反射，使得所述光将再次通过所述第二法拉第旋转器和所述第一法拉第旋转器，
其中，由所述第二法拉第旋转器引起的偏振旋转与由所述第一法拉第旋转器引起的偏振旋转具有相反的方向，
其中所述第一法拉第旋转器包括第一磁光材料，所述第一磁光材料被配置为向通过所述第一磁光材料的光提供第一偏振旋转，并且其中所述第二法拉第旋转器包括第二磁光材料，所述第二磁光材料被配置为向通过所述第二磁光材料的光提供第二偏振旋转，
其中所述第二法拉第旋转器中的第二磁光材料被配置为反转由第一法拉第旋转器中的第一磁光材料的热漂移引起的偏振旋转。
9.根据权利要求8所述的设备，其中，所述第一偏振旋转和所述第二偏振旋转具有相反符号。
10.根据权利要求8所述的设备，其中，所述第一磁光材料和所述第二磁光材料是不同的石榴石材料。
11.根据权利要求8所述的设备，其中，所述第一法拉第旋转器和所述第二法拉第旋转器被配置为补偿由每个单独法拉第旋转器引起的热漂移。
12.根据权利要求8所述的设备，其中，第一法拉第旋转器和第二法拉第旋转器被配置为使由所述第一法拉第旋转器和所述第二法拉第旋转器中的单独法拉第旋转器所引起的与波长相关的偏振旋转平直化。
13.根据权利要求8所述的设备，其中，由所述第二法拉第旋转器引起的偏振旋转的旋转量与由所述第一法拉第旋转器引起的旋转量相差大致45度。
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