CN105319648B - 组合的分光器、光隔离器和模斑转换器 - Google Patents

组合的分光器、光隔离器和模斑转换器 Download PDF

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Abstract

一种适于在TOSA中使用的集成且紧凑型的多功能光隔离器(即，组合式分光器、隔离器和模斑转换器)，包括输入光学器件，所述输入光学器件包括第一偏光器、法拉第旋转器和第二偏光器。该输入光学器件包括一个光楔，在其第一表面上涂覆有一个部分反射涂层。输入光束以非法向入射角入射到第一表面上，使穿过光楔的光被折射到光楔的第二表面上，第二表面相对于第一表面以一预定的楔角倾斜。非法向入射角与预定楔角中至少有一个是根据光楔材料的折射率和输入光束的目标畸变放大率确定的。

Description

组合的分光器、光隔离器和模斑转换器
技术领域
本发明概括而言涉及光隔离器，具体而言，涉及适合在TOSA中使用的多功能光隔离器。
背景技术
光收发器通常用在光纤网络中，用于在光信号与电信号之间的转换。一般而言，一个光收发器包括一个光发射次模块(TOSA)和一个光接收次模块(ROSA)，TOSA通常包括一个发光器件，例如激光器芯片，ROSA通常包括一个光接收器件，例如光电二极管。
参见图1，一个典型的TOSA包括一个模斑转换器120、一个隔离器140和一个分束器160。模斑转换器120对由激光器芯片101发出、并经准直透镜115校准的光束进行形状和/或尺寸的调整，以提高进入光纤的耦合效率，由此提供更高的功率。隔离器 140可防止背向反射光到达激光器芯片101，同时使光能够送达分束器160。分束器160 可将一部分光分接，并转向功率/波长监测器170，而让其余的光通过会聚透镜175传送至与光纤尾纤190耦合的光纤。
依据常规，TOSA中的模斑转换器120、隔离器140和分束器160是单独的光学部件，其各自的功能相互独立。
模斑转换器120调整激光器芯片(例如激光二极管)所发出的光束的形状和/或尺寸。具体而言，由于大多数激光二极管的输出光束的横截面为椭圆形(例如，在纵向拉长)，模斑转换器将经常减小光束纵横比(例如沿水平和垂直轴的束腰比)，使光束的横截面更接近于圆形。依据常规，模斑转换器为基于波导的，由此可以被集成在激光器芯片上。例如，基于波导的模斑转换器的一个示例在7,664,352号美国专利中加以说明。一般而言，基于波导的模斑转换器包括具有渐缩式宽度或厚度的波导段。由于采用基于波导的模斑转换器将激光器芯片101的输出波导的模式与耦合至光纤尾纤190的较大光纤的模式相匹配，它们经常被称为模式转换器。然而不利的是，由于基于波导的模斑转换器与激光器芯片集成在一起，波导结构更为复杂，由此使加工工艺也更为复杂。此外，这些集成式波导结构会因为传输模式失配而造成额外的光损耗。其他用于对激光器所发射的光束进行形状和/或尺寸调整的方式包括使用准直透镜/会聚透镜或一对变形棱镜。不利的是，这些方式会使模斑转换器相对笨重。
隔离器140是一个光隔离器，它使从激光器芯片101发出的向前传播的光能够通过，而阻止向后传播的光传播到激光器芯片101(例如，背反射光)。一般而言，光隔离器 140可以是偏振相关型隔离器或偏振无关型隔离器。
一个偏振相关型隔离器通常包括一个输入偏光器、一个法拉第旋转器和一个输出偏光器(即，经常也被称为分析器)。输入偏光器与分析器均为吸收型偏光器(例如，吸收型偏光膜)，会吸收不需要的偏振状态。参见图2a，其中示出了一个偏振相关型隔离器的一个实施例，其输入偏光器242a被垂直偏振，而分析器246a被以45°偏振。在向前的传播方向，光穿过输入偏光器242a，变为垂直偏振，穿过法拉第旋转器244a(例如，闭锁石榴石(latchedgarnet))，在其中偏振被转动45°，并穿过分析器246a。在向后的传播方向，光穿过分析器246a，变为45°偏振，穿过法拉第旋转器244a，再次将偏振转动45°，并被输入偏光器242a阻挡(即，因光为水平偏振，而输入偏光器仅允许垂直偏振的光穿过)。
一个偏振无关型隔离器通常包括一个输入双折射光楔、一个法拉第旋转器以及一个输出双折射光楔。输入和输出双折射光楔均为分束偏光器，一个非偏振光束在其中被分为具有相反偏振状态的两个光束。参见图2b，其中示出了一个偏振无关型隔离器的一个实施例，输入双折射光楔242b的常规偏振方向为垂直方向，其非常规偏振方向为水平方向，而输出双折射光楔246b的常规偏振方向(ordinary polarization direction)为45°，非常规偏振方向(extraordinary polarization direction)为-45°。在向前的传播方向，光穿过输入双折射光楔242b，并被分为其垂直(正常光线(o-ray))和水平(非正常光线(e-ray))分量，穿过法拉第旋转器244b，其将正常光线和非正常光线均旋转45°，使得正常光线处于45°，非正常光线处于-45°，并由输出双折射光楔246b将其重新组合。在向后的传播方向(未示出)，光被第二双折射光楔246b分为正常光线(处于45°)分量和非正常光线(处于-45°)分量，穿过法拉第旋转器244b，其将两光线均转动45°，并穿过第一双折射光楔242b，后者将两光线分开，使两光线相对向前传播的输入光线垂直偏移，由此被阻止向输入端口传播。一般而言，光束实质上以光楔角入射到第一双折射光楔的倾斜表面上。值得注意的是，尽管采用分束偏光器的优势在于可提供一个偏振无关型隔离器，但分束偏光器比吸收型偏光器更为笨重、昂贵和复杂。
分束器160可使正被传送到与光纤尾纤190相连的光纤的光的一部分发生转向，由此可实现功率/波长监测。参见图3，TOSA中通常使用的分束器160的一个实例为板式分束器。板式分束器经常包括一个设置于玻璃板表面上的薄膜反射涂层(例如，部分反射涂层)，其被设置成处于45°入射角，使射到板式分束器的光的一部分被反射，而另一部分被透射。反射部分被导向功率/波长监测器。
如上文所述，模斑转换器120、隔离器140和分束器160常规情况下以单独的零件/部件的形式提供，这些单独的零件/部件被一起封装在一个TOSA封装内。值得注意的是，采用三种不同的零件会导致材料成本相对较高，使封装笨重(例如，由于零件的间隔所致)，并使零件的组装相对复杂。
在6,330,117号美国专利中，Seo将隔离器与分束器功能组合在一个部件中。参见图 4，该集成部件包括一个第一偏光器442(即，一个楔形分束偏光器)、一个法拉第旋转器444和一个第二偏光器446(即，一个楔形分束偏光器)。第一偏光器442有一个设置在其前表面上的部分反射涂层，由此可起分束器的作用。在工作中，一个准直光束入射到第一偏光器442上，其中一部分光被反射，并被引向一个功率监测器，而其余部分被透射至法拉第旋转器444和第二偏光器446。有利的是，在楔形输入偏光器442的一个表面上提供部分反射涂层可使结构更加简单，并可不再需要单独的板式分束器。不利的是，由于隔离器采用两个楔形双折射晶体，所形成的部件相对笨重。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种适合在TOSA中使用的集成式、紧凑型的多功能光隔离器(即，组合的分光器、隔离器和模斑转换器)。
根据本发明的一个方面，提供了一种多功能光隔离器，其包括：输入端口，用于透射输入光束；输入光学器件，其被光学地设置在输入端口与输出端口之间，该输入光学器件包括用于透射具有第一偏振的光的第一偏光器；第二偏光器，其被光学地设置在输入光学器件与输出端口之间，用于透射具有第二偏振的光，第一偏振不同于第二偏振；以及非互易式旋转器，其被光学地设置在输入光学器件与第二偏光器之间，用于转动经过其透射(transmitted therethrough)的光的偏振，使得具有第一偏振的沿向前的传播方向传播的光穿过第二偏光器到达输出端口，并且具有第二偏振的沿向后的传播方向传播的光不穿过第一偏光器到输入端口，其中输入光学器件包括一个光楔，在光楔的第一表面上设置有一个部分反射涂层，该部分反射涂层用于将输入光束的第一部分从光楔上反射开，并使输入光束的第二部分穿入光楔，该第一表面用于接收以非法向入射角入射的输入光束，而将输入光束的第二部分折射到光楔的第二表面上，第一表面相对于第二表面以一个预定的楔角倾斜，非法向入射角与预定楔角中至少有一个是根据光楔材料的折射率和输入光束的目标放大率确定的。
根据本发明的一个方面，提供了一种多功能光隔离器，其包括：输入端口，用于透射输入光束；第一偏光器，其被光学地设置在输入端口与输出端口之间，用于透射具有第一偏振的光，该第一偏光器包括一个光轴实质上平行于第一偏振的双折射晶体，该双折射晶体有一个在其上布置有部分反射涂层的第一表面，该部分反射涂层用于将输入光束的第一部分从双折射晶体上反射开，并使输入光束的第二部分穿入双折射晶体，第一表面用于接收以非法向入射角入射的输入光束，而将输入光束的第二部分折射至光楔的第二表面，第一表面相对于第二表面以一个预定的楔角倾斜，非法向入射角与预定楔角中至少有一个是根据双折射晶体的折射率和输入光束的目标放大率确定的；第二偏光器，其被设置在第一偏光器与输出端口之间，用于透射具有第二偏振的光，第一偏振不同于第二偏振；以及非互易式旋转器，其被光学地设置在第一偏光器与第二偏光器之间，用于转动经过其透射的光的偏振，使得具有第一偏振的沿向前的传播方向传播的光穿过第二偏光器到达输出端口，而具有第二偏振的沿向后的传播方向传播的光不穿过第一偏光器到输入端口。
根据本发明的一个方面，提供了一种多功能光隔离器，其包括：输入端口，用于透射输入光束；第一偏光器，其被光学地设置在输入端口与输出端口之间，用于透射具有第一偏振的光，该第一偏光器包括一个沉积在光楔的第一表面上的偏振相关涂层，该偏振相关涂层用于将输入光束的具有第一偏振的第一部分从光楔上反射开，并使输入光束的具有第一偏振的第二部分穿入光楔，该第一表面用于接收以非法向入射角入射的输入光束，而将输入光束的第二部分折射到光楔的第二表面上，第一表面相对于第二表面以一个预定的楔角倾斜，非法向入射角与预定楔角中至少有一个是根据光楔材料的折射率和输入光束的目标放大率确定的；第二偏光器，其被光学地设置在第一偏光器与输出端口之间，用于透射具有第二偏振的光，第一偏振不同于第二偏振；以及非互易式旋转器，其被光学地设置在第一偏光器与第二偏光器之间，用于转动经过其透射的光的偏振，使得具有第一偏振的沿向前的传播方向传播的光穿过第二偏光器到达输出端口，而具有第二偏振的沿向后的传播方向传播的光不穿过第一偏光器到输入端口。
附图说明
以下将结合附图对本发明的示例性实施例进行说明，其中：
图1为一种采用现有技术的TOSA的示意图；
图2a为一种采用现有技术的偏振相关型光隔离器的示意图；
图2b为一种采用现有技术的偏振无关型光隔离器的示意图；
图3为一种采用现有技术的板式分束器的示意图；
图4为一种采用现有技术的隔离器芯的示意图，其中隔离器和分束器的功能由单个部件提供；
图5为一对变形楔形棱镜(现有技术)的示意图；
图6为一个示意图，示出单个楔形棱镜的顶视图；
图7a 为根据本发明的一个实施例的一种组合的分光器、隔离器和模斑转换器的顶视图；
图7b 为放大率与图7a 所示的楔形棱镜的入射角的函数关系图；
图7c 为一个示意图，示出穿经图7a 所示的楔形棱镜之前和之后的光束的形状；
图7d 为一个示意图，示出沿图7a 中所示的集成式部件的向前的传播方向传播的光束的偏振状态；
图7e 为一个示意图，示出沿图7a 中所示的集成式部件的向后的传播方向传播的光束的偏振状态；
图8a 为根据本发明的另一个实施例的一种组合的分光器、隔离器和模斑转换器的顶视图；
图8b 为一个示意图，示出沿图8a 中所示的集成式部件的向前的传播方向传播的光束的偏振状态；
图8c 为一个示意图，示出沿图8a 中所示的集成式部件的向后的传播方向传播的光束的偏振状态；
图9a 为根据本发明的另一个实施例的一种组合的分光器、隔离器和模斑转换器的顶视图；
图9b 为一个示意图，示出沿图9a 中所示的集成式部件的向前的传播方向传播的光束的偏振状态；
图9c 为一个示意图，示出沿图9a 中所示的集成式部件的向后的传播方向传播的光束的偏振状态。
需要指出的是，在所有附图中，类似的特征由类似的编号标示。
具体实施方式
如上文所述，已经被用于对激光器所发出的光的形状和/或尺寸进行调整的一种方式是使用一对变形楔形棱镜。这种方式基于折射效应，其利用的是光束半径在平的棱镜界面上折射时所发生的变化。参见图5，在光束进入第一棱镜时，空气与棱镜材料(例如玻璃)之间的界面会将光束以斯涅尔定律所确定的角度进行折射。由于光束是从折射率较低的介质(例如n空气≈1)向折射率较高的介质(例如n玻璃≈1.5)转移，在入射角不是90度的条件下，它会被向两介质之间的界面的法线的方向折射。一般而言，存在与此类折射相关的畸变放大。更具体而言，入射平面内的光束直径可能会按某一系数进行拉伸或放大。放大的程度由入射角和两种界面材料的折射率决定。当被折射的光束以法向入射方向被透射到第一棱镜的出射表面时，光束会大部分从中穿过。然而，当光束以非法向入射方向被透射到出射表面时，光束会被再次折射。由于此时光束是从折射率较高的介质(例如n玻璃≈1.5)向折射率较低的介质(例如n空气≈1)转移，光束会被向远离出射表面的法向的方向折射。折射类型与一种畸变压缩相联系。第一棱镜的总畸变放大率为输入表面的放大系数与出射表面的压缩系数的乘积。相应地，变形棱镜通常被设计为使光以法向或接近法向入射到其中的一个表面上。再参见图5，在射出第一棱镜(例如，实质上垂直于射出表面)后，光束可能会穿过第二棱镜，其中的折射会使光束沿与输入光路径实质上平行的输出光路径射出(即，有位置偏移)。
为使光损耗降至最低，变形棱镜通常被定向成使输入光束以布儒斯特角入射，并使输出光束从一个涂覆有合适的防反射(AR)涂层的表面上射出。具体而言，如果第一变形棱镜被定向成使光以等于或接近布儒斯特角的角度入射，对于p偏振光(即，其中偏振平行于入射平面)，界面处的反射(例如，损耗)可被最小化。根据布儒斯特定律，布儒斯特角θB由下式给出：
θB＝arctan(n2/n1) (1)
其中n2为棱镜材料的折射率，n1为空气的折射率。如果棱镜为玻璃棱镜(例如，n2≈1.5，n1≈1)，则可见光的布儒斯特角约为56°。因此，从一个激光二极管发出的线性偏振光束(即，通常为p偏振光)可被一个准直透镜(例如，消球差透镜，未示出)进行校准，并通过低损耗棱镜进行透射。
变形棱镜对的总畸变放大率可能主要取决于两个变形棱镜之间的倾角。一般而言，通过调整两个棱镜之间的倾角，大多数变形棱镜对能够提供从2:1到6:1的放大率。相比而言，根据光电二极管的类型，激光二极管所发出的椭圆形光束的纵横比可能低至 2:1，或高至5:1。
尽管常见的方式是采用一对变形棱镜来实现畸变放大,并/或使输入与输出光束实质上平行，甚至是使用两对变形棱镜以使位置偏移也被消除或减小，但还是可以使用单个的楔形棱镜来调整激光器芯片所发出的光束的形状和/或尺寸。与变形棱镜对的方式类似，单个楔形棱镜方式使光束尺寸仅沿一个轴伸长(即，如果反向使用，则会减小光束尺寸)，同时使垂直方向的光束尺寸保持不变。
参见图6，此方式也基于折射效应，并利用光束半径在平的棱镜界面上折射时所发生的变化。其涉及单个楔形棱镜在激光器所发出的光的光路径上的定位。在光束从左侧进入棱镜时，空气与棱镜材料(例如玻璃)之间的界面会将光束以斯涅尔定律所确定的角度进行折射。由于光束是从折射率较低的介质(例如n空气≈1)向折射率较高的介质 (例如n玻璃≈1.5)转移，在入射角不是90度的条件下，它会被朝向两介质之间的界面的法线的方向折射。如上文所述，存在与此类折射相关的畸变放大。更具体而言，入射平面内的光束直径会被按某一系数拉伸或放大(即，被示为沿水平轴伸长)。放大的程度由入射角、两种界面材料的折射率以及楔角确定。值得注意的是，由于仅使用一个楔形棱镜，无法通过调整两个楔形棱镜之间的夹角的方式来调整放大率。此外，由于仅使用一个楔形棱镜，所提供的相对放大率较低。相应地，入射角等于布儒斯特角并不一定是理想的。
有利的是，变形棱镜对的方式和单个楔形棱镜方式所利用的都是折射效应而非校准 /聚焦效应(即，波前曲率的变化)。相应地，采用变形棱镜而非柱面透镜和/或集成式波导结构的模斑转换器的像差较小。尽管单棱镜方式比前文所述的棱镜对方式的体积要小，但它也可能导致光束以与输入方向成一角度的方式射出光楔(即，单个变形棱镜是使光束以一设定角度偏转的折射元件)。
根据本发明的一个实施例，采用可进行模斑转换的单个楔形棱镜方式来提供组合的分光器、隔离器和模斑转换器，其具有减少的零件数。
参见图7a，其中示出了组合的分光器、隔离器和模斑转换器的一个实施例。集成式光学部件700包括一个楔形棱镜720、一个输入偏光器742、一个法拉第旋转器744和一个输出偏光器746。集成式光学部件700还包括一个设置在楔形棱镜表面上的部分反射涂层760，用于将光引向一个功率和/或波长监测器770。
楔形棱镜720可以是一个用于实现模斑转换的简单变形棱镜。一般而言，楔形棱镜720可以由一种折射率高于空气的透明材料(例如，玻璃或合成树脂)制成。楔形棱镜 720具有第一表面和第二表面，第一表面用于接收光束(例如，从激光器(未示出)发出的经准直的输入光束)，而光束则从第二表面射出棱镜。第一表面和第二表面存在夹角，该夹角被称为楔角724。楔角724根据棱镜材料的折射率、入射角和目标光束放大比率(即，所需的放大率)进行具体的设计。例如，在一个实施例中，楔角在10°至50°之间。在另一个实施例中，楔角在30°至45°之间。而还在另一个实施例中，已经发现，采用BK7玻璃制造楔形棱镜、且楔角为40°左右，可以显著改善激光二极管所发出的准直光束的纵横比(即，使之接近于1)。
一般而言，棱镜材料折射率、入射角与所需放大率之间的关系由公式2给出，该公式由斯涅尔定律导出。更具体而言，公式2示出了光束在穿过楔形棱镜之前(wx,in)和之后(wx,out)沿x轴的光束尺寸(光束尺寸分别为wx,in和wx,out)之间的关系：
wx,out＝wx,in·cos(asin(sin(θin)nwedge))cos(θin)· cos(asin(nwedge·sinθwedge-asin(sin(θin)nwedge)))cos(θwedge-asin(sin(θin)nwedge)) (2)
其中θin指输入光束的入射角，nwedge指棱镜材料的折射率，θwedge指楔角724。参见图7b，其中示出了理论放大率(即，x轴方向的输出光束半径与输入光束半径之比)与入射角的函数关系，从中可明显看出，当入射角为67°左右时，由BK7制成且楔角为40°的棱镜将沿x方向提供2倍的光束伸长(即，沿y方向实质上无放大)。相应地，楔形棱镜用作模斑转换器。
输入偏光器742和输出偏光器746(也称为分析器)均为吸收型偏光器(例如，吸收型薄膜偏光器)，它们会吸收不需要的偏振状态。输入偏光器742在x轴方向被偏振，而分析器746则在与x轴成45°角方向上被偏振。
法拉第旋转器744为一种磁光器件(例如，闭锁石榴石)，其依据法拉第效应对经其穿过(passing therethrough)的光的偏振角进行旋转。更具体而言，法拉第旋转器744 是一种非互易式旋转器，它将以第一传播方向经其穿过的光束的偏振转动一个预定角度β，而将以第二相反传播方向经其穿过的光束的偏振转动-β。在本实施例中，法拉第旋转器744被设计为使从输入偏光器发出的偏振光被逆时针转动45°。输入偏光器742、法拉第旋转器744和输出偏光器746一起充当光隔离器，使从激光器(未示出)发出的向前传播的光通过，而防止向后传播的光到达激光器(例如，包括背反射光)。
由楔形棱镜720的第一表面所支承(例如，设置于其上)的部分反射涂层760用于将射向楔形棱镜720的光的一部分分接，将其引向功率和/或波长监测器770。在一个实施例中，部分反射涂层为金属和/或介电薄膜，其被设计成用以产生所需的透射反射比。例如，在一个实施例中，部分反射涂层为介电涂层，其被设计为将入射光的5-30％向功率和/或波长监测器反射(例如，当其以一预定入射角入射时)。在一个实施例中，入射角在30°至80°之间。在另一个实施例中，入射角在40°至70°之间。一般而言，入射角的设计取决于所需要的由楔形棱镜720提供的畸变放大率。设置功率和/或波长监测器 770，以接收从部分反射涂层760反射的光。相应地，部分反射涂层760与楔形棱镜720 的第一表面一起充当分束器。
在一个实施例中，楔形棱镜720、输入偏光器742、法拉第旋转器744和输出偏光器746被一起安装在一个固定位置，以形成一个单个零件。例如，在一个实施例中，楔形棱镜720、输入偏光器742、法拉第旋转器744和输出偏光器746被作为一个单个零件一起安装在一个TOSA封装内。一般而言，楔形棱镜720可以被安装成使楔形棱镜的第二表面的法线实质上平行于输入偏光器742、法拉第旋转器744和输出偏光器746的光轴。例如，在一个实施例中，将楔形棱镜720、输入偏光器742、法拉第旋转器744 和输出偏光器746采用一种合适的黏合剂(例如，透明环氧树脂)进行黏合。
在工作中，在向前的传播方向，从一激光器(未示出)发出并经一透镜(例如，消球差透镜，未示出)准直的线性偏振光从一输入端口向涂覆有部分反射涂层760的楔形棱镜720的第一表面透射。由于线性偏振光以非法向入射角入射，线性偏振光的一部分会被部分反射涂层760向功率和/或波长监测器770反射，而其余的线性偏振光则透射至楔形棱镜720。
由于激光器芯片的性质，向部分反射涂层760透射的线性偏振光束的横截面将为椭圆形。参见图7c，线性偏振输入光束的椭圆形横截面的主轴平行于y轴。由于在棱镜 720的第一表面上的折射效应，线性偏振光(例如，通常为p偏振光)被折射，使得输入光束沿x轴的光束尺寸被扩大，而沿y轴的光束尺寸则保持不变，由此，在光束穿过棱镜720的第二表面时，使其横截面实质上为圆形。
射出楔形棱镜720的线性偏振光被引向如上文所述一起充当光隔离器的输入偏光器 742、法拉第旋转器744和输出偏光器746。由于输入偏光器742在x轴方向被偏振(即，偏振轴平行于x轴)，它仅允许在x轴方向偏振的光(即，p偏振光)通过。更具体而言，同样参见图7d，输入偏光器742有一个示为109的透明偏振方向，其可使具有由108 所指示的偏振的线性偏振光通过，而没有明显损耗，同时将具有垂直于108的偏振的光吸收。在传播经过法拉第旋转器744(其被设计为将线性偏振光逆时针转动45°)之后，光束的偏振被转动45°，到达110。由于光束的偏振已被逆时针转动45°，光束也将以很小的损耗穿经分析器746(即，因为分析器111的偏振轴处于相同的角度)，并被透射至输出端口。
在向后的传播方向上，透射至第二偏光器746(例如，来自输出端口)的光仅在其具有实质上平行于第二偏光器的偏振轴111的偏振112的条件下，才可能经其穿过。在传播经过法拉第旋转器744(其被设计为将线性偏振光逆时针转动45°)之后，光束的偏振将被逆时针转动45°，到达113。由于偏振113实质上垂直于第一偏光器742的透明偏振方向109，此光可被第一偏光器742完全吸收。
有利的是，上文所述的集成式光学部件700采用光楔720的倾斜表面(即，相对于偏光器的光轴倾斜)作为对部分反射涂层760的支承，由此可以减少实现该部件所需的元件的数量。此外，由于模斑转换器和分束器的功能由单个带涂层的光楔提供，组合的分光器、隔离器和模斑转换器的加工得以简化。
参见图8a，其中示出了组合的分光器、隔离器和模斑转换器的另一个实施例。集成式光学部件800包括一个双折射光楔820、一个法拉第旋转器844和一个输出偏光器846。集成式光学部件800还包括一个设置于双折射光楔820的表面上的部分反射涂层860，用于将光引向功率和/或波长监测器870。
双折射光楔820充当模斑转换器和偏光器。一般而言，双折射光楔820可以由一种折射率(例如，ne或no)高于空气的透明单轴双折射材料(例如，金红石(TiO2)等双折射晶体)制成。双折射光楔820具有第一表面和第二表面，第一表面用于接收光束(例如，从一激光器(未示出)发出的经准直的输入光束)，而光束则从其第二表面射出光楔。第一和第二表面之间存在夹角，该夹角被称为楔角824。在一个实施例中，楔角824 根据光楔材料的折射率、入射角和目标光束放大比率(即，所需的放大率)进行具体的设计(例如，采用公式2)。相应地，双折射光楔820充当模斑转换器。在一个实施例中，楔角在10°至50°之间。在另一个实施例中，楔角在25°至45°之间。
在本实施例中，双折射光楔820的光轴平行于x轴。相应地，如果非偏振光以非法向入射角射至光楔上，具有垂直于光轴(例如，沿y轴偏振)的偏振的光分量将按折射率为no的材料的标准折射定律被折射，而具有平行于光轴的偏振的光分量(例如，p偏振光，沿x轴偏振)将以一个不同的角度被折射，此角度由入射角和双折射率决定。由于激光器(未示出)提供的实质上为p偏振光(即，偏振平行于x-z平面)，双折射光楔 820会将入射光按非常规分量进行折射(即，折射率为ne)。
输出偏光器846(即，也称为分析器)可以是一个吸收型偏光器(例如，吸收型薄膜偏光器)，它将吸收不需要的偏振状态。分析器846以相对x轴成45°的方向偏振。
法拉第旋转器844为一种磁光器件(例如，闭锁石榴石)，其依据法拉第效应对经其穿过的光的偏振角进行旋转。更具体而言，法拉第旋转器844是一种非互易式旋转器，它将以第一传播方向经其穿过的光束的偏振转动一个预定角度β，而将以第二相反传播方向经其穿过的光束的偏振转动-β。在本实施方式中，法拉第旋转器844被设计为使从双折射光楔820发出的偏振光逆时针转动45°。双折射光楔820、法拉第旋转器844和输出偏光器846一起充当光隔离器，使由激光器(未示出)发出的向前传播的光通过，而防止向后传播的光到达激光器(例如，包括背反射光)。
由双折射光楔820的第一表面所支承(例如，涂覆于其上)的部分反射涂层860用于将射向双折射光楔820的光的一部分分接，将其引向功率和/或波长监测器870。在一个实施例中，部分反射涂层为金属和/或介电薄膜，其被设计用以产生所需的透射反射比。例如，在一个实施例中，部分反射涂层为介电涂层，其被设计为将入射光的5-30％向功率和/或波长监测器反射(例如，当其以一预定入射角入射时)。入射角经常是在30°至80°之间，更常见是在40°至70°之间，一般而言，入射角的设计取决于所需要的由双折射光楔820和楔角提供的畸变放大率。设置功率和/或波长监测器870，以接收从部分反射涂层860反射的光。相应地，部分反射涂层860与双折射光楔820的第一表面一起充当分束器。
在一个实施例中，双折射光楔820、法拉第旋转器844和输出偏光器846被一起安装在一个固定位置，形成一个单个零件。例如，在一个实施例中，双折射光楔820、法拉第旋转器844和输出偏光器846被作为单个零件一起安装在一个TOSA封装内。一般而言，双折射光楔820可以被安装成使光楔的第二表面的法线实质上平行于法拉第旋转器844和输出偏光器846的光轴。例如，在一个实施例中，双折射光楔820、法拉第旋转器844和输出偏光器846采用一种合适的黏合剂(例如，透明环氧树脂)进行黏合。
在工作中，在向前的传播方向，从激光器(未示出)发出并经透镜(例如，消球差透镜，未示出)准直的线性偏振光从输入端口向涂覆有部分反射涂层860的双折射光楔820的第一表面透射。由于线性偏振光以非法向入射角入射，线性偏振光的一部分会被部分反射涂层860向功率和/或波长监测器870反射，而其余的线性偏振光则透射至双折射光楔820。
由于双折射光楔820的光轴平行于x轴，平行于光轴202偏振(例如，沿x轴偏振) 的入射光被作为非常规光分量进行折射，而垂直于光轴202偏振(例如，沿y轴偏振) 的入射光则作为常规光分量直接穿过。由于激光器(未示出)提供的实质上为p偏振光 (即，偏振平行于x-z平面)，双折射光楔820会将入射光作为非常规分量(即，折射率为ne)沿一个实质上垂直于双折射光楔820的第二表面的方向进行折射。
由于激光器的性质，向部分反射涂层860透射的线性偏振光束的横截面可能通常为椭圆形(即，长轴平行于y轴)。由于在双折射光楔820的第一表面上的折射效应，线性偏振光被折射为使输入光束沿x轴的光束尺寸被扩大，而沿y轴的光束尺寸则保持不变，由此，在光束穿经光楔820的第二表面时，使其横截面实质上为圆形(也可以为其他截面形状)。
射出双折射光楔820的线性偏振光被引向法拉第旋转器844和输出偏光器846。同样参见图8b，射出双折射光楔820的准直光束沿x轴被偏振(即，偏振方向为207)。在传播经过法拉第旋转器844(其被被设计为将线性偏振光逆时针转动45°)之后，光束的偏振被转动45°，到达208。由于光束的偏振已被逆时针转动45°，光束也将以很少的损耗穿过分析器846(即，因为分析器209的偏振轴也为45°)，并被透射至输出端口。
在向后的传播方向上，被透射至第二偏光器846(例如，来自输出端口)的光仅在其具有平行于209的偏振的条件下才可能经其穿过。在传播经过法拉第旋转器844(其被设计为将线性偏振光逆时针转动45°)之后，光束的偏振(偏振方向210)将被逆时针转动45°，到达211。由于此偏振211实质上垂直于双折射光楔820的光轴202，它将按折射率no进行折射，且可能以与输入光束212的路径不同的沿光路径213的角度被折射到表面201a上。由于这种光路径的偏差，向后传播的光束213无法被耦合回激光器芯片内。因此，双折射光楔820、法拉第旋转器844和输出偏光器846一起充当光隔离器。
有利的是，上文所述的集成式光学部件800采用双折射光楔820的倾斜表面(即，相对于分析器的光轴倾斜)作为对部分反射涂层860的支承，由此可以减少实现该部件所需的元件的数量。此外，由于该集成式光学部件采用吸收型偏光器846而非第二双折射光楔作为分析器，可以对入射角和楔角进行设计，以实现所需的畸变放大率，而不需要考虑第二双折射光楔的对准情况或影响。例如，在6,330,117号美国专利中，将在光楔(即，其楔角并未针对模斑转换器进行设计)上的入射角限制在较小的值(例如，3-12°)，以减少与偏振相关的损耗。此外，由于集成式光学部件800采用双折射光楔来实现分束器、模斑转换器和第一偏光器的功能，结构和加工工艺得以进一步简化。
参见图9a，其中示出了组合的分光器、隔离器和模斑转换器的另一个实施例。集成式光学部件900包括一个楔形棱镜920、一个法拉第旋转器944和一个输出偏光器946。集成式光学部件900还包括一个设置在光楔920的表面上的偏振相关涂层960，用于将光引向功率和/或波长监测器970。
充当模斑转换器、分束器和偏光器的楔形棱镜920可以是一个简单的变形棱镜。一般而言，楔形棱镜920可以由一种折射率高于空气的透明材料(例如，玻璃或合成树脂) 制成。楔形棱镜920具有第一表面和第二表面，第一表面用于接收光束(例如，从一激光器(未示出)发出的经准直的输入光束)，而光束则从其第二表面射出棱镜。第一和第二表面之间存在夹角，该夹角被称为楔角924。楔角924根据棱镜材料的折射率、入射角和目标光束放大比率(即，所需的放大率)进行具体的设计(例如，采用公式2)。在一个实施例中，楔角在10°至50°之间。在另一个实施例中，楔角在30°至45°之间。
楔形棱镜920在其第一表面上支承一个偏振相关涂层960。在一个实施例中，偏振相关涂层960被设计为对p偏振光(即，偏振平行于x-z平面)进行部分反射，而对s 偏振光(即，偏振垂直于x-z平面)进行高度反射。例如，在一个实施例中，偏振相关涂层为一种电介质涂层，其被设计为反射5％-30％的p偏振入射光，而对s偏振光的反射超过99.5％。相应地，具有偏振相关涂层的楔形棱镜920既充当偏光器又充当分束器(例如，作为偏振分束器)。设置功率和/或波长监测器970，以接收被反射的p偏振光，而穿过楔形棱镜920的p偏振光则被透射至法拉第旋转器944。
法拉第旋转器944为一种磁光器件(例如，闭锁石榴石)，其依据法拉第效应对穿过其的光的偏振角进行旋转。更具体而言，法拉第旋转器944是一种非互易式旋转器，它将以第一传播方向经其穿过的光束的偏振转动一个预定角度β，而将以第二相反传播方向经其穿过的光束的偏振转动-β。在本实施例中，法拉第旋转器944被设计为使从楔形棱镜920发出的偏振光被逆时针转动45°。
输出偏光器946(即，也称为分析器)是一个吸收型偏光器(例如，吸收型薄膜偏光器)，它将吸收不需要的偏振状态。分析器946以相对x轴成45°的方向偏振。
带涂层的楔形棱镜920、法拉第旋转器944和输出偏光器946一起充当光隔离器，使激光器(未示出)发出的向前传播的光通过，而防止向后传播的光到达激光器(例如，包括背反射光)。更具体而言，带涂层的楔形棱镜920充当板式分束器、模斑转换器和输入偏光器。
在一个实施例中，楔形棱镜920、法拉第旋转器944和输出偏光器946被一起安装在固定位置，形成一个单个零件。例如，在一个实施例中，带涂层的楔形棱镜920、法拉第旋转器944和输出偏光器946被作为一个单个零件一起安装在一个TOSA封装内。一般而言，楔形棱镜920可以被安装成使光楔的第二表面的法线实质上平行于法拉第旋转器944和输出偏光器946的光轴。例如，在一个实施例中，楔形棱镜920、法拉第旋转器944和输出偏光器946采用一种合适的黏合剂(例如，透明环氧树脂)进行黏合。
在工作中，在向前的传播方向，从激光器(未示出)发出并经透镜(例如，消球差透镜，未示出)准直的线性偏振光从输入端口向涂覆有偏振相关涂层960的楔形棱镜920 的第一表面透射。由于偏振相关涂层960被设计为对p偏振光(即，偏振平行于x-z平面)作部分反射，而对s偏振光(即，偏振垂直于x-z平面)作高度反射，由激光器发出的、实质上为p偏振、并以非法向入射角入射的线性偏振准直光束将被分割，使得一部分p偏振光被偏振相关涂层960向功率和/或波长监测器970反射，而其余p偏振光则被透射至楔形棱镜920。
由于激光器的性质，向偏振相关型部分反射涂层960透射的线性偏振光束的横截面通常将为椭圆形(即，主轴平行于y轴)。由于在楔形棱镜920的第一表面上的折射效应，线性偏振光被折射，使得输入光束沿x轴的光束尺寸被扩大，而沿y轴的光束尺寸则保持不变，由此，在光束穿过光楔920的第二表面时，使其横截面实质上为圆形(也可以为其他截面形状)。
射出光楔920的线性偏振光被引向法拉第旋转器944和输出偏光器946。同样参见图9b，射出光楔920的准直光束沿x轴被偏振(即，偏振方向为303)。在传播经过法拉第旋转器944(其被被设计为将线性偏振光逆时针转动45°)之后，光束的偏振被逆时针转动45°，到达304。由于光束的偏振已被逆时针转动45°，光束也将以很少的损耗穿过分析器946(即，因为分析器306的偏振轴也为45°)，并被透射至输出端口。
在向后的传播方向上，被透射至第二偏光器946(例如，来自输出端口)的光仅在其具有平行于306的偏振的条件下才可能经其穿过。在传播经过法拉第旋转器944(其被设计为将线性偏振光逆时针转动45°)之后，光束的偏振(偏振方向307)将被逆时针转动45°，到达308。由于偏振相关涂层960将仅让p偏振光(即，偏振平行于x-z 平面，类似303)通过，向后传播的光束将会几乎完全被表面301a沿光路径309反射。因此，带涂层的楔形棱镜920、法拉第旋转器944和输出偏光器946一起充当光隔离器。
有利的是，上文所述集成式光学部件900采用偏振相关涂层960来实现分束器和偏光器的功能，由此可减少实现该部件所需的元件的数量。此外，由于上文所述的集成式光学部件900采用了具有偏振相关涂层的简单玻璃光楔(例如，各向同性的)，加工工艺被进一步简化，成本得以降低(例如，与双折射光楔相比)。
在上文所述的三个实施例中，有利的是，集成式光学部件700、800和900均采用光楔的倾斜表面(即，相对于法拉第旋转器的光轴倾斜的表面)来支承将部分入射光束向功率和/或波长监测器反射的涂层。由于采用光楔来调整入射光束的尺寸和/或形状，采用光楔的倾斜表面来支承涂层，减少了需要在组合的分束器、隔离器、模斑转换器内组装的元件的数量。所形成的结构(其有可能被用作TOSA内的关键构件)具备相对紧凑的尺寸、较低的成本和简化的组装工艺。
还有有利的是，由于经常是选择楔角，以提供所需的畸变放大率/压缩率，且由于入射角经常大于30°，用于接收反射自光楔的光的功率和/或波长监测器被设置/定位，使得使所形成的组件相对简单且紧凑。
在不背离本发明的和范围的条件下，可以构想出其他许多种实施例。当然，上述实施例仅作为示例给出。本领域普通人员应可理解，在不背离本发明的精神和范围的条件下，可以采用多种改动、替代配置和/或等效方案。例如，尽管本文所述的集成式光学部件包括法拉第旋转器，但也可以采用其他非互易式旋转器。此外，尽管多功能光隔离器 700、800、899中的分析器均被示为吸收型偏光器，且这样会使结构更为紧凑，但使用其他不同的偏光器仍然属于本发明的范畴。此外，在一些实施例中，集成式光学部件将根据需要包括一个或多个防反射(AR)涂层。相应地，本发明的范围仅受所附权利要求的限制。

Claims (21)

1.一种多功能光隔离器，包括：
输入端口，其用于透射输入光束；
输入光学器件，其被光学地设置在所述输入端口与输出端口之间，所述输入光学器件包括用于透射具有第一偏振的光的第一偏光器；
第二偏光器，其被光学地设置在所述输入光学器件与所述输出端口之间，被定向为用于透射具有第二偏振的光，所述第一偏振不同于所述第二偏振；以及
非互易式旋转器，其被光学地设置在所述输入光学器件与所述第二偏光器之间，被定向为用于转动经过其透射的光的偏振，使得具有所述第一偏振的、沿向前的传播方向传播的光穿过所述第二偏光器到达所述输出端口，并且具有所述第二偏振的、沿向后的传播方向传播的光不穿过所述第一偏光器到所述输入端口；
其中所述输入光学器件包括光楔，在所述光楔的第一表面上设置有部分反射涂层，所述部分反射涂层用于将所述输入光束的第一部分从所述光楔上反射开，并使所述输入光束的第二部分穿入所述光楔，所述第一表面被定向为用于接收以非法向入射角入射的所述输入光束，并将所述输入光束的所述第二部分折射到所述光楔的第二表面上，所述第一表面相对于所述第二表面以预定的楔角倾斜，所述非法向入射角与所述预定的楔角中至少有一个是根据所述光楔的材料的折射率和所述输入光束的目标畸变放大率确定的。
2.如权利要求1所述的多功能光隔离器，其中所述第一偏振平行于第一轴，所述第二偏振与所述第一轴成45°。
3.如权利要求2所述的多功能光隔离器，其中所述第二偏光器为吸收型偏光器，其具有与所述第一轴实质上成45°的偏振轴，所述非互易式旋转器为法拉第旋转器，用于将从所述输入光学器件透射的光的偏振转动45°。
4.如权利要求3所述的多功能光隔离器，其中所述第一偏光器为吸收型偏光器，其具有实质上平行于所述第一轴的偏振轴，且其中所述光楔为与所述第一偏光器耦合的玻璃光楔。
5.如权利要求3所述的多功能光隔离器，其中所述第一偏光器与所述光楔被集成在单个的双折射光楔内，所述双折射光楔的光轴实质上平行于所述第一轴。
6.如权利要求3所述的多功能光隔离器，其中所述光楔由各向同性材料制成，且其中所述第一偏光器与所述部分反射涂层被集成在设置于所述第一表面上的单个偏振相关涂层内。
7.如权利要求3所述的多功能光隔离器，其中所述光楔由各向同性材料制成，且其中所述部分反射涂层包括所述第一偏光器。
8.如权利要求3所述的多功能光隔离器，其中所述光楔由各向同性材料制成，且其中所述部分反射涂层对p偏振光进行部分反射，对s偏振光进行高度反射。
9.如权利要求3所述的多功能光隔离器，其中所述预定的楔角在10°至50°之间。
10.如权利要求1所述的多功能光隔离器，其中所述输入光束是横截面为椭圆形的实质上准直的光束。
11.如权利要求1所述的多功能光隔离器，其中所述输入光学器件、所述非互易式旋转器和所述第二偏光器采用透明环氧树脂耦合在一起。
12.如权利要求1所述的多功能光隔离器，其中所述输入端口用于与提供所述输入光束的激光二极管进行光学耦合，所述输出端口用于与光纤进行光学耦合。
13.如权利要求12所述的多功能光隔离器，所述多功能光隔离器还包括设置在所述激光二极管与所述输入光学器件之间的第一透镜和设置在所述第二偏光器与所述光纤之间的第二透镜。
14.如权利要求12所述的多功能光隔离器，其中所述第一表面被定向为使所述输入光束的所述第一部分被引向监测器，所述监测器被配置为对所述输入光束的波长和功率中的至少一个进行监测。
15.如权利要求12所述的多功能光隔离器，其中所述输入光学器件、所述非互易式旋转器和所述第二偏光器形成集成式部件，用于在光发射次模块中使用。
16.一种多功能光隔离器，包括：
输入端口，其用于透射输入光束；
第一偏光器，其被光学地设置在所述输入端口与输出端口之间，被定向为用于透射具有第一偏振的光，所述第一偏光器包括其光轴实质上平行于所述第一偏振的双折射晶体，所述双折射晶体具有在其上设置有部分反射涂层的第一表面，所述部分反射涂层用于将所述输入光束的第一部分从所述双折射晶体上反射开，并使所述输入光束的第二部分穿入所述双折射晶体，所述第一表面被定向为用于接收以非法向入射角入射的所述输入光束，并将所述输入光束的第二部分折射至所述双折射晶体的第二表面，所述第一表面相对于所述第二表面以预定的楔角倾斜，所述非法向入射角与所述预定的楔角中至少有一个是根据所述双折射晶体的折射率和所述输入光束的目标畸变放大率确定的；
第二偏光器，其被光学地设置在所述第一偏光器与所述输出端口之间，被定向为用于透射具有第二偏振的光，所述第一偏振不同于所述第二偏振；以及
非互易式旋转器，其被光学地设置在所述第一偏光器与所述第二偏光器之间，被定向为用于转动经过其透射的光的偏振，使得具有所述第一偏振的沿向前的传播方向传播的光穿过所述第二偏光器到达所述输出端口，并且使具有所述第二偏振的沿向后的传播方向传播的光不穿过所述第一偏光器到所述输入端口。
17.如权利要求16所述的多功能光隔离器，其中所述预定的楔角在10°至50°之间。
18.如权利要求16所述的多功能光隔离器，其中所述第一偏光器、所述非互易式旋转器和所述第二偏光器形成集成式部件，用于在光发射次模块中使用。
19.一种多功能光隔离器，包括：
输入端口，用于透射输入光束；
第一偏光器，其被光学地设置在所述输入端口与输出端口之间，被定向为用于透射具有第一偏振的光，所述第一偏光器包括沉积在光楔的第一表面上的偏振相关涂层，所述偏振相关涂层用于将所述输入光束的具有所述第一偏振的第一部分从所述光楔上反射开，并且使所述输入光束的具有所述第一偏振的第二部分穿入所述光楔，所述第一表面被定向为用于接收以非法向入射角入射的所述输入光束，并将所述输入光束的所述第二部分折射到所述光楔的第二表面上，所述第一表面相对于所述第二表面以预定的楔角倾斜，所述非法向入射角与所述预定的楔角中至少有一个是根据所述光楔的材料的折射率和所述输入光束的目标畸变放大率确定的；
第二偏光器，其被光学地设置在所述第一偏光器与所述输出端口之间，被定向为用于透射具有第二偏振的光，所述第一偏振不同于所述第二偏振；以及
非互易式旋转器，其被光学地设置在所述第一偏光器与所述第二偏光器之间，用于转动经过其透射的光的偏振，使得具有所述第一偏振的沿向前的传播方向传播的光穿过所述第二偏光器到达所述输出端口，并使具有所述第二偏振的沿向后的传播方向传播的光不穿过所述第一偏光器到所述输入端口。
20.如权利要求19所述的多功能光隔离器，其中所述预定的楔角在10°至50°之间。
21.如权利要求19所述的多功能光隔离器，其中所述第一偏光器、所述非互易式旋转器和所述第二偏光器形成集成式部件，用于在光发射次模块中使用。
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