CN108983359A - 一种带有光开关性能且可调双向的光环形器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带有光开关性能且可调双向的光环形器，该光环形器沿光路方向设置有单光纤准直器、第一双折射晶体、第一半波片、旋光组件、第二半波片组件、第二双折射晶体以及双光纤准直器。旋光组件包括法拉第旋光片、片外的磁场产生器件、半波片和折射器件；第二半波片组件是由两块相同的第二半波片组成，单光纤准直器内安装有一根扩芯光纤，双光纤准直器内安装有两根平行的扩芯光纤。本发明提供的带有光开关性能且可调双向的光环形器，既可实现环形器功能，也可实现磁光开关功能，并且所用光学器件较少，体积较小，降低生产成本。

Description

一种带有光开关性能且可调双向的光环形器

技术领域

本发明涉及光纤通信和光环形器技术领域，特别涉及一种带有光开关性能且可调双向的光环形器。

背景技术

光环行器和光开关都是光通信中的常用器件，功能不同，光环行器是一种多端口输入输出的光学器件，它的作用是使光信号只能沿规定的端口顺序传输，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。而光通信中大量使用各种光开关可以实现一个或多个输入光纤与多个输出光纤之间的信号的切换。

目前现有的光环形器和光开关体积较大，光信号均为单向传输，可实现双向通信的环形器需要光栅器件组合应用。如公告号为CN102929001A的发明专利公开了一种名为“磁光开关”的发明创造。这种光开关中采用了两块法拉第旋光片，该设计可实现光开关的功能，但无法实现光路的逆向传输，而且并不具有环形器的功能。还未有器件可以同时实现环形器和开关两种功能，并能通过磁控调节双向传输通光。

发明内容

本发明的目的是提供一种带有光开关性能且可调双向的光环形器，既可实现环形器功能，也可实现磁光开关功能，并且所用光学器件较少，体积较小，降低生产成本。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种带有光开关性能且可调双向的光环形器，所述光环形器包括沿光路方向依次设置单光纤准直器、第一双折射晶体、第一半波片、旋光组件、第二半波片组件、第二双折射晶体以及双光纤准直器；所述旋光组件包括法拉第旋光片、磁场产生器件、半波片和折射器件；

所述单光纤准直器内安装有一根扩芯光纤，且安装在所述单光纤准直器内的扩芯光纤为光环形器的第一端口；所述双光纤准直器内安装有两根平行的扩芯光纤，且安装在所述双光纤准直器内的两根扩芯光纤分别为所述光环形器的第二端口、第三端口；

通过电控控制所述磁场产生器件的磁场方向，使所述光环形器的环路方向为所述第二端口的光束耦合进所述第一端口，所述第一端口的光束耦合进所述第三端口或者所述光环形器的环路方向为所述第三端口的光束耦合进所述第一端口，所述第一端口的光束耦合进所述第二端口。

可选的，通过电控控制所述磁场产生器件的磁场方向以实现所述光环形器的所述第一端口的光束耦合进所述第二端口的状态与所述第一端口的光束耦合进所述第三端口的状态的切换。

可选的，所述法拉第旋光片选用磁光晶体薄膜，所述半波片选用四分之一波片，所述折射器件选用渥拉斯顿棱镜，所述磁场产生器件为一段缠绕的线圈，当向所述线圈加载不同方向的直流电流时，所述磁场产生器件内产生不同方向的磁场。

可选的，所述旋光组件为所述磁光晶体薄膜贴附在所述四分之一波片上，再与后置的所述渥拉斯顿棱镜贴合，共同放置在所述磁场产生器件内形成模块并集成为一体的封装结构。

可选的，所述渥拉斯顿棱镜由两块楔形棱镜组成，分别为第一楔形棱镜、第二楔形棱镜；所述第一楔形棱镜的光轴与所述第二楔形棱镜的光轴垂直。

可选的，所述四分之一波片的光轴与所述渥拉斯顿棱镜的棱边成22.5度。

可选的，所述第一半波片在所述第一双折射晶体与所述旋光组件之间，且设置在靠近所述第一双折射晶体的截面的下半部分，并位于经过所述第一双折射晶体的一路光路上；所述第一半波片用于将所述第一双折射晶体的一路光路的线偏振光的偏振方向旋转90度。

可选的，所述第一半波片的面积为所述第一双折射晶体的截面面积的一半。

可选的，所述第二半波片组件由两块相同的第二半波片组成，每块所述第二半波片的面积均为所述第二双折射晶体的截面面积的四分之一，且两块所述第二半波片对角线排布在所述第二双折射晶体的截面上。

可选的，所述第二半波片组件，设置在所述旋光组件与所述第二双折射晶体之间，且位于经过所述第二双折射晶体的两路光路上，用于调整所述第二双折射晶体的光路上的光束的偏振态，确保入射所述第二双折射晶体的两路光束合为一束，并进入所述双光纤准直器的其中一路光纤中。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供了一种带有光开关性能且可调双向的光环形器，该光环形器包括沿光路方向依次设置的单光纤准直器、第一双折射晶体、第一半波片、旋光组件、第二半波片组件、第二双折射晶体以及双光纤准直器；所述旋光组件包括法拉第旋光片、磁场产生器件、半波片和折射器件；单光纤准直器内安装有一根扩芯光纤，且安装在单光纤准直器内的扩芯光纤为光环形器的第一端口；双光纤准直器内安装有两根平行的扩芯光纤，且安装在双光纤准直器内的两根扩芯光纤分别为所述光环形器的第二端口、第三端口；通过电控控制磁场产生器件的磁场方向，使光环形器的环路方向为所述第二端口的光束耦合进第一端口，第一端口的光束耦合进第三端口或者光环形器的环路方向为第三端口的光束耦合进第一端口，第一端口的光束耦合进第二端口。应用本发明，既可实现环形器功能，也可实现磁光开关功能，并且所用光学器件较少，且单光纤准直器和双光纤准直器均采用扩芯光纤，体积较小，进而降低了生产成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一带有光开关性能且可调双向的光环形器的结构示意图；

图2为本发明实施例一带有光开关性能且可调双向的光环形器的俯视图；

图3为本发明实施例一带有光开关性能且可调双向的光环形器的主视图；

图4为本发明实施例一四分之一波片光轴图；

图5为本发明实施例一第二端口02耦合进第一端口01光路光束偏振态及位置示意图；

图6为本发明实施例一第一端口01耦合进第三端口03光路光束偏振态及位置示意图；

图7为本发明实施例二第三端口03耦合进第一端口01光路光束偏振态及位置示意图；

图8为本发明实施例二第一端口01耦合进第二端口02光路光束偏振态及位置示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的主要目的是提供一种环形器并兼具光开关功能的光环形器。

本发明的另一目的是提供一种通过电磁控制可实现逆向传输的光环形器。

本发明的再一目的是提供一种所用光学器件较少、体积小、生产成本低的光环形器。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例一

图1为本发明实施例带有光开关性能且可调双向的光环形器的结构示意图；图2为本发明实施例带有光开关性能且可调双向的光环形器的俯视图；图3为本发明实施例带有光开关性能且可调双向的光环形器的主视图。

参见图1-图3，本发明提供的光环形器主要包括沿光路方向依次设置单光纤准直器31、第一双折射晶体33、第一半波片34、旋光组件35、第二半波片组件43、第二双折射晶体44以及双光纤准直器45。

本实施例中，单光纤准直器31内安装有一根扩芯光纤32，双光纤准直器45内安装有两根平行的扩芯光纤32。单光纤准直器31内的一根扩芯光纤32为光环形器的第一端口01，双光纤准直器45内的两根扩芯光纤32分别为光环形器的第二端口02、第三端口03。

扩芯光纤是实现小型化的条件，若光纤没有进行扩芯处理，在结构尺寸上是达不到小尺寸的条件。这个是根据光环形器中双折射晶体的尺寸计算得出来的，同时由于现有的通用光纤达不到条件，只能扩芯处理才能达到。由于本方案中单光纤准直器31和双光纤准直器45中所用光纤均为扩芯光纤32，从单光纤准直器31或者双光纤准直器45出射的光束的光斑直径较小，可以有效减小第一双折射晶体33、第二双折射晶体44和旋光组件35尺寸，减小整个器件的体积，降低成本。

本实施例中，旋光组件35包括法拉第旋光片、片外的磁场产生器件、半波片和折射器件；旋光组件35为一体封装结构。其中，法拉第旋光片选用磁光晶体薄膜37，半波片选用四分之一波片38，折射器件选用渥拉斯顿棱镜，磁场产生器件42为一段缠绕的线圈，向线圈加载不同方向的直流电流，线圈内产生不同方向的磁场。将磁光晶体薄膜37贴附在四分之一波片38上，再与后置的渥拉斯顿棱镜贴合，共同放置在磁场产生器件42内形成模块，并集成一体封装结构。图4可知，四分之一波片38的光轴与渥拉斯顿棱镜的棱边成22.5度。

磁光晶体薄膜37在磁场撤离后能有效的保留磁场，实现光环形器在无磁场状态下仍然可以工作。

渥拉斯顿棱镜由两块楔形棱镜组成，分别为第一楔形棱镜40、第二楔形棱镜41，且第一楔形棱镜40、第二楔形棱镜41的光轴互相垂直。

本实施例中，第一半波片34被放置于第一双折射晶体33右侧，第一半波片34面积为第一双折射晶体33截面面积的一半。从图2和图3可见，第一半波片34靠近第一双折射晶体33的下端一侧，位于经过第一双折射晶体33的一路光路上。通过设定第一半波片34的光轴角度以及入射到第一半波片34的线性偏振光偏振方向的角度，可使该路的线偏振光的偏振方向旋转90度。

优选地，第一半波片34位于从第一双折射晶体33出射的一路光束的光路上，能够使该路光束的偏振态旋转90度。

本实施例中，第二半波片组件43设置在旋光组件35与第二双折射晶体44之间，第二半波片组件43由两块相同的第二半波片组成，每块第二半波片的面积为第二双折射晶体44的截面面积的四分之一，且两块第二半波片对角线排布在第二双折射晶体44的截面上，并位于经过第二双折射晶体44的两路光路上，用于调整光路上的光束的偏振态，确保入射第二双折射晶体44的两路光束可以合为一束，然后进入双光纤准直器45的其中一路光纤中。

通过设定第二半波片的光轴角度以及入射到第二半波片的线性偏振光偏振方向的角度，可使该路的线偏振光的偏振方向旋转90度。

以下结合本发明的结构，说明其工作原理：

该光环形器可将来自第二端口02的光束耦合进第一端口01，将来自第一端口01的光束耦合进第三端口03，通过电控改变磁场产生器件42的磁场方向，可将环路方向变为第三端口03的光束耦合进第一端口01，将第一端口01的光束耦合进第二端口02。

具体的，第二端口02的光束耦合进第一端口01光束偏振态及传播位置如图5所示，第二端口02进入的信号光经双光纤准直器45准直成平行光束，光束位置在B8，经过第二双折射晶体44分成两路偏振方向垂直的o光和e光，此时光束所在位置为B7，其中一路偏振光经过第二半波片组件43中的一块第二半波片，使其光束偏振态旋转90度，此时光束位置为B6。在B6处两束光的偏振态一致。两束光一致通过渥拉斯顿棱镜，在通过的过程中光的偏振态不发生改变，但光的位置由原来的靠近第二双折射晶体44一边向第二双折射晶体44中间移动，此时光束位置在B5。光束通过四分之一波片38，四分之一波片38的光轴与B5的光偏振态呈22.5度夹角，在四分之一波片38的作用下光旋转的角度是四分之一波片38的光轴与B5的光偏振态夹角的两倍，即旋转45度，此时光束所在位置为图5的B4。光延传播方向经过磁光晶体薄膜37，通过给定缠绕线圈规定方向的脉冲电流，使磁光晶体薄膜37自带磁致旋光效应，从而使光旋转45度，光束位置在图5的B3。此时光的偏振态与B5处一致，其中一路光经过第一半波片34，使光旋转90度，此时光束位置在图5的B2处，此时两路光的偏振态呈相互垂直状态，两路偏振态相互垂直的光进入第一双折射晶体33合成一路偏振无关光从第一双折射晶体33中输出，合成的光通过单光纤准直器31耦合进第一端口01。

第一端口01的光束耦合进第三端口03的光束偏振态及传播位置如图6所示，第一端口01进入的信号光经单光纤准直器31准直成平行光束，光束位置在图6的B1，此时的光为非线偏光。光延传播方向进入第一双折射晶体33，在第一双折射晶体33内分成两路偏振方向垂直的o光和e光，光达到B2位置时呈两路相互垂直的线偏光。其中一路光延光的传播方向经过第一半波片34，使此路光的偏振态旋转90度，此时两路光的偏振态一致。两路光通过磁光晶体薄膜37，此时保证磁光晶体薄膜37自带磁致旋光效应与第二端口02耦合进第一端口01时的状态一致。两路光通过磁光晶体薄膜37后旋转45度。旋转后的光经过四分之一波片38，此时光的偏振态与四分之一波片光轴呈67.5度，在四分之一波片38的作用下光旋转的角度是四分之一波片38的光轴与B5的光偏振态夹角的两倍，即旋转135度，此时光的偏振态及位置在图6的B5。旋转后的光经过渥拉斯顿棱镜，此时光的偏振态不发生改变，但光的位置由原来中心到远离中心。远离中心的两路光其中一路经过第二半波片组件43，经过第二半波片组件43的光旋转90度，此时光路位置及偏振态在图6的B7位置，偏振态相互垂直的两路光进入第二双折射晶体44，经过第二双折射晶体44的光合成一束非线偏振态的光。合成的光通过双光纤准直器45耦合进入第三端口03。

通过电控改变磁场产生器件42的磁场方向，此时的磁场方向与上述所述的第二端口02的光束耦合进第一端口01所需的磁场方向相反。通过改变磁场产生器件42的磁场方向可将环路方向变为第三端口03的光束耦合进第一端口01，将第一端口01的光束耦合进第二端口02。

第三端口03的光束耦合进第一端口01的光束偏振态及位置如图7所示。第三端口03进入的信号光经双光纤准直器45准直成平行光束，光束位置及偏振态如图7的B8，经过第二双折射晶体44分成两路偏振方向垂直的o光和e光，此时光束所在位置为B7，其中一路偏振光经过第二半波片组件43中的一块第二半波片，使其光束偏振态旋转90度，此时光束位置为B6。在B6处两束光的偏振态一致。两束光一致通过渥拉斯顿棱镜，通过的过程中光的偏振态不发生改变，但光的位置由原来的靠近第二双折射晶体44一边向第二双折射晶体44中间移动，此时光束位置在B5。光束通过四分之一波片38，四分之一波片38的光轴与B5的光偏振态呈67.5度夹角，在四分之一波片38的作用下光旋转的角度是四分之一波片38的光轴与B5的光偏振态夹角的两倍，即旋转135度，此时光束所在位置为图7的B4。光延传播方向经过磁光晶体薄膜37，此时给定缠绕线圈的脉冲电流方向与第二端口02的光束耦合进第一端口01所需的磁场方向相反，给定脉冲电流之后使磁光晶体薄膜37自带磁致旋光效应，从而使光旋转45度，光束位置在图7的B3。此时光的偏振态与B5处一致，其中一路光经过第一半波片34，使光旋转90度，此时光束位置在图7的B2处，此时两路光的偏振态呈相互垂直状态，两路偏振态相互垂直的光进入第一双折射晶体33合成一路偏振无关光从第一双折射晶体33中输出，合成的光通过单光纤准直器31耦合进输入端口01。

第一端口01的光束耦合进第二端口02的光束偏振态及位置如图8所示，第一端口01进入的信号光经单光纤准直器31准直成平行光束，光束位置在图8的B1，此时的光为非线偏光。光延传播方向进入第一双折射晶体33，在第一双折射晶体33内分成两路偏振方向垂直的o光和e光，光达到B2位置时呈两路相互垂直的线偏光。其中一路光延光的传播方向经过第一半波片34，使此路光的偏振态旋转90度，此时两路光的偏振态一致。两路光通过磁光晶体薄膜37，此时保证磁光晶体薄膜37自带磁致旋光效应与第三端口03的光束耦合进第一端口01时的状态一致。两路光通过磁光晶体薄膜37后旋转45度。旋转后的光经过四分之一波片38，此时光的偏振态与四分之一波片38的光轴呈22.5度，在四分之一波片38的作用下光旋转的角度是四分之一波片38的光轴与B5的光偏振态夹角的两倍，即旋转45度，此时光的偏振态及位置在图8的B5。旋转后的光经过渥拉斯顿棱镜，此时光的偏振态不发生改变，但光的位置由原来中心到远离中心。远离中心的两路光其中一路经过第二半波片组件43，经过第二半波片组件43的光旋转90度，此时光路位置及偏振态在图8的B7位置，偏振态相互垂直的两路光进入第二双折射晶体44，经过第二双折射晶体的光合成一束非线偏振态的光。合成的光通过双光纤准直器45耦合进入第三端口03。

以上实例通过电控磁场产生器件42的磁场方向，实现环形器光路方向切换。

实施例二

本实施例光环形器所涉结构与实施例一一致，所述波片及晶体功能与实施例一一致。

光环形器是通过控制磁场产生器件42的磁场方向，实现第一端口01的光束耦合进第二端口02的状态与第一端口01的光束耦合进第三端口03的状态的切换。也就是说在磁场方向一定的情况下，实现其中一种状态，当改变磁场产生器件42的磁场方向时则实现另一只状态。如果说当前的工作状态为第一端口01的光束耦合进第二端口02。当改变磁场产生器件42的磁场方向时，使光路实现从第一端口01的光束耦合进第三端口03。

本实施例中第一端口01的光束耦合进第二端口02的光束偏振态及位置如图8所示，光路工作状态与实施例一所述的第一端口01的光束耦合进第二端口02光路一致。当切换磁场产生器件42的磁场方向时，第一端口01的光束将耦合进第三端口03，此时的光束偏振态及位置如图6所示。光路工作状态与实施例一所述的第一端口01的光束耦合进第三端口03光路一致。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种带有光开关性能且可调双向的光环形器，其特征在于，所述光环形器包括沿光路方向依次设置的单光纤准直器、第一双折射晶体、第一半波片、旋光组件、第二半波片组件、第二双折射晶体以及双光纤准直器；所述旋光组件包括法拉第旋光片、磁场产生器件、半波片和折射器件；

所述单光纤准直器内安装有一根扩芯光纤，且安装在所述单光纤准直器内的扩芯光纤为光环形器的第一端口；所述双光纤准直器内安装有两根平行的扩芯光纤，且安装在所述双光纤准直器内的两根扩芯光纤分别为所述光环形器的第二端口、第三端口；

通过电控控制所述磁场产生器件的磁场方向，使所述光环形器的环路方向为所述第二端口的光束耦合进所述第一端口，所述第一端口的光束耦合进所述第三端口，或者所述光环形器的环路方向为所述第三端口的光束耦合进所述第一端口，所述第一端口的光束耦合进所述第二端口。

2.根据权利要求1所述的的光环形器，其特征在于，通过电控控制所述磁场产生器件的磁场方向以实现所述光环形器的所述第一端口的光束耦合进所述第二端口的状态与所述第一端口的光束耦合进所述第三端口的状态的切换。

3.根据权利要求1所述的的光环形器，其特征在于，所述法拉第旋光片选用磁光晶体薄膜，所述半波片为四分之一波片，所述折射器件选用渥拉斯顿棱镜，所述磁场产生器件为一段缠绕的线圈，当向所述线圈加载不同方向的直流电流时，所述磁场产生器件内产生不同方向的磁场。

4.根据权利要求3所述的的光环形器，其特征在于，所述旋光组件为所述磁光晶体薄膜贴附在所述四分之一波片上，再与后置的所述渥拉斯顿棱镜贴合，共同放置在所述磁场产生器件内形成模块并集成为一体的封装结构。

5.根据权利要求3所述的的光环形器，其特征在于，所述渥拉斯顿棱镜由两块楔形棱镜组成，分别为第一楔形棱镜、第二楔形棱镜；所述第一楔形棱镜的光轴与所述第二楔形棱镜的光轴垂直。

6.根据权利要求5所述的的光环形器，其特征在于，所述四分之一波片的光轴与所述渥拉斯顿棱镜的棱边成22.5度。

7.根据权利要求1所述的的光环形器，其特征在于，所述第一半波片在所述第一双折射晶体与所述旋光组件之间，且设置在靠近所述第一双折射晶体的截面的下半部分，并位于经过所述第一双折射晶体的一路光路上；所述第一半波片用于将所述第一双折射晶体的一路光路的线偏振光的偏振方向旋转90度。

8.根据权利要求7所述的的光环形器，其特征在于，所述第一半波片的面积为所述第一双折射晶体的截面面积的一半。

9.根据权利要求1所述的的光环形器，其特征在于，所述第二半波片组件由两块相同的第二半波片组成，每块所述第二半波片的面积均为所述第二双折射晶体的截面面积的四分之一，且两块所述第二半波片对角线排布在所述第二双折射晶体的截面上。

10.根据权利要求9所述的的光环形器，其特征在于，所述第二半波片组件，设置在所述旋光组件与所述第二双折射晶体之间，且位于经过所述第二双折射晶体的两路光路上，用于调整所述第二双折射晶体的光路上的光束的偏振角，确保入射所述第二双折射晶体的两路光束合为一束，并进入所述双光纤准直器的其中一路光纤中。