CN109814284B - 一种超微型光环行器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种超微型光环行器,包括第一准直器、第一偏振分光棱镜、第一波片、第一磁光晶体、第二偏振分光棱镜。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。第一根光纤、第二根光纤、第三根光纤合为一个三纤准直器，光环行器单侧出纤。

Description

一种超微型光环行器

技术领域

本发明涉及光纤通讯技术领域，尤其涉及光纤通讯技术领域的一种光环行器。

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为光环行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行器的端口1由端口2送到外部网络，外部来的信号由端口2进入光环行器，但不会到达端口1而到达端口3进入信号接收器。

光环行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(如图3所示)，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。

在数据中心和5G应用中，需要在一个空间有限的小空间内，放置一个甚至两个环行器，构成密度增加一倍的收发一体化模块，在这样的应用中，环行器的尺寸成了最关键的要求。单侧出光纤，在模块的小空间里，可以大幅缩小对光纤盘绕空间的要求。

在现有环行器方案中，一种典型的单侧出纤环行器，采用准直器阵列的方式，但是准直器阵列的成本就远高于一个三纤准直器，同时光路也远比常规光纤的要复杂得多，基本无法实现微型化。

本发明提供一种超微型光环行器，采用对偏振分光棱镜的变化，实现超微型光环行器，具有结构简单、体积超小、插入损耗低、偏振相关损耗低、单侧出光纤等优点。

发明内容

一种本发明的目的在于提供一种用于光通讯系统中的光环行器。

本发明提供了一种超微型光环行器,包括第一准直器、第一偏振分光棱镜、第一波片、第一磁光晶体、第二偏振分光棱镜。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。第一根光纤、第二根光纤、第三根光纤合为一个三纤准直器，光环行器单侧出纤。

本发明提供的超微型光环行器中第一准直器将来自第一根光纤和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和第三根光纤。第一偏振分光棱镜、第二偏振分光棱镜用来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、第一磁光晶体用来改变光束的偏振态。

来自第一根光纤的光由第一准直器准直成平行光束后，依次经过第一偏振分光棱镜，第一波片，第一磁光晶体，第二偏振分光棱镜，第一偏振分光棱镜后由第二根光纤接收。来自第二根光纤的光由第一准直器准直成平行光束后，依次经过第一偏振分光棱镜，第二偏振分光棱镜，第一磁光晶体，第一波片，再经第一偏振分光棱镜，光束由第三根光纤接收。

由于偏振分光棱镜可以在足够小的纵向距离上，对一束任意偏振态的光，分解为两束互相垂直的偏振光，并且产生任意大小的侧向分开距离；反之，也可以把两束互相垂直的偏振光合成一束光。这样就解决了三纤准直器的长交叉距离和距离越长准直器光斑就越大的矛盾，从而实现小光斑三纤准直器在小交叉距离上的环行器功能。

在现有方案中，采用的是双折射晶体的位移片来分合光，采用热扩束光纤来解决压缩光斑，解决交叉距离越长和光斑越大的矛盾，而热扩束光纤肯定是比常规光纤有更高的成本的。

在实际实现产品中，实现产品化而采用类似这样的尺寸：偏振分光棱镜采用0.6mm厚，透镜采用光斑直径大小约为0.22mm，双纤/三纤准直器交叉距离约为4～7mm，那么最终环行器的长度可以是18mm以内，外径可以控制在3.5mm以内。当作为单侧出光方式，准直器折叠，总长可以控制在12mm，侧向尺寸可以控制在4.0mm。

本发明提供一种超微型光环行器，采用对偏振分光棱镜的变化，实现超微型光环行器，具有结构简单、体积超小、插入损耗低、偏振相关损耗低、单侧出光纤等优点。

附图说明

图1光环行器示意图。

图2光环行器用于单纤双向通信示意图。

图3光环行器用于光纤布拉格光栅(FBG)组合。

图4本发明中，实施例一光环行器光路原理示意图。

图5本发明中，光从环行器的第一根光纤到第二根光纤的光路原理示意图。

图6本发明中，光从环行器的第二根光纤到第三根光纤的光路原理示意图。

图7本发明中，光环行器中波片和磁光晶体改变光束偏振态示意图。

图8本发明中，实施例二光环行器光路原理示意图。

图9本发明中，实施例三光环行器光路原理示意图。

图10本发明中，实施例四光环行器光路原理示意图。

图11本发明中，实施例五光环行器光路原理示意图。

具体实施方式

为使为使本发明的目的、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。

本发明的超微型光环行器，包括第一准直器21、第一偏振分光棱镜31、第一波片41、第一磁光晶体51、第二偏振分光棱镜32。第一偏振分光棱镜31包含有第一全反射面311、第一偏振分光面312、第二全反射面313和第三全反射面314。第二偏振分光棱镜32包含有第四全反射面321、第二偏振分光面322和第五全反射面323。

请参考图4、5、6、7是本发明的实施例一光环行器光路原理的示意图。

其中，第一准直器21是三光纤准直器，将来自第一根光纤11和第二根光纤12的光准直成平行光束；将平行光束导入第二根光纤12和第三根光纤13；第一偏振分光棱镜31、第二偏振分光棱镜32用来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41、第一磁光晶体51用来改变光束的偏振态。

请参考图5、7，分别是本发明中光从环行器的第一根光纤11到第二根光纤12的光路原理示意图和光环行器中波片和磁光晶体改变光束偏振态示意图。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，光束211入射到第一偏振分光棱镜31的第一全反射面311后，被反射到第一偏振分光面312上，光束211经过第一偏振分光面312后被分成具有相互垂直偏振态的两束光，即正常光211o和反常光211e。光束211o的偏振方向沿y轴方向，光束211e的偏振方向沿x轴方向。光束211o经第一偏振分光面312反射后到达第一波片41；光束211o经第一波片41后，偏振方向逆时针旋转了45°，光束211o再经过第一磁光晶体51后，偏振方向又逆时针旋转了45°，光束的偏振态和光束211e的偏振态相同，光束标示为211o′，偏振方向沿x轴方向，图7下方的xy平面剖面图标示了光束211o偏振态的变化。光束211e经第一偏振分光面312透射后到达第二全反射面313，经第二全反射面313反射后到达第一波片41；光束211e经第一波片41后，偏振方向逆时针旋转了45°，光束211e再经过第一磁光晶体51后，偏振方向又逆时针旋转了45°，光束的偏振态和光束211o的偏振态相同，光束标示为211e′，偏振方向沿y轴方向，图7下方的xy平面剖面图标示了光束211e偏振态的变化。211o′到达第二偏振分光棱镜32后，经过第二偏振分光棱镜32的第四全反射面321反射后到达第二偏振分光面322，光束211e′也到达第二偏振分光棱镜32的第二偏振分光面322。第二偏振分光棱镜32的第二偏振分光面322将两束光合成一束，合成光束为212′，合成光束212′经第二偏振分光棱镜32的第五全反射面323反射后到达第一偏振分光棱镜31的第三全反射面314，经第三全反射面314反射后到达第一偏振分光棱镜31的第二全反射面313，经第二全反射面313反射后由第一准直器21的第二根光纤12接收输出。

从图中可以看出，第一全反射面311直接影响光束211的反射和折射方向，从而直接影响第一准直器21的第一根光纤11和第二根光纤12对应的的夹角设计。反过来说，就是可以通过第一全反射面311的倾角设计，匹配第一准直器21的第一根光纤11和第二根光纤12对应的夹角。

请参考图6、7，分别是本发明中光从环行器的第二根光纤12到第三根光纤13的光路原理示意图和光环行器中波片和磁光晶体改变光束偏振态示意图。第一准直器21将来自第二根光纤12的光准直成平行光束212，光束212入射到第一偏振分光棱镜31的第二全反射面313后，被反射到第一偏振分光棱镜31的第三全反射面314上，光束212被第三全反射面314反射到第二偏振分光棱镜32的第五全反射面323上。光束212被第五全反射面323反射后到达第二偏振分光棱镜32的第二偏振分光面322上，光束212经过第二偏振分光面322后被分成具有相互垂直偏振态的两束光，即正常光212o和反常光212e。光束212o的偏振方向沿y轴方向，光束212e的偏振方向沿x轴方向。光束212o经第二偏振分光面322反射后到达第一磁光晶体51；光束211o经第一磁光晶体51后，偏振方向逆时针旋转了45°，光束212o再经过第一波片41后，偏振方向又顺时针旋转了45°，光束的偏振态没有变化，光束标示为212o′，偏振方向还是沿y轴方向，图7下方的xy平面剖面图标示了光束212o偏振态的变化。光束212e经第二偏振分光面322透射后到达第二偏振分光棱镜32的第四全反射面321，经第四全反射面321反射后到达第一磁光晶体51；光束212e经第一磁光晶体51后，偏振方向逆时针旋转了45°，光束212e再经过第一波片41后，偏振方向又顺时针旋转了45°，光束的偏振态没有变化，光束标示为212e′，偏振方向沿x轴方向，图7下方的xy平面剖面图标示了光束212e偏振态的变化。光束212o′到达第一偏振分光棱镜31后，经过第一偏振分光棱镜31的第二全反射面313反射后到达第一偏振分光棱镜31的第一偏振分光面312，光束212e′也到达第一偏振分光棱镜31的第一偏振分光面312。第一偏振分光棱镜31的第一偏振分光面312将两束光合成一束，合成光束为213，合成光束213由第一准直器21的第三根光纤13接收输出。

从图中可以看出，第五全反射面323和第三全反射面314，直接影响光束212和光束212’的反射和折射方向，从而直接影响第一准直器21的第二根光纤12和第三根光纤13对应的的夹角设计。反过来说，就是可以通过第五全反射面323和第三全反射面314的倾角设计，匹配第一准直器21的第二根光纤12和第三根光纤13对应的夹角。

请参考图8是本发明的实施例二光环行器光路原理的示意图。

本发明的实施例二超微型光环行器，包括第一准直器21、第一偏振分光棱镜31、第一波片41、第一磁光晶体51、第二偏振分光棱镜32。第一偏振分光棱镜31包含有第一全反射面311、第一偏振分光面312和第二全反射面313。第二偏振分光棱镜32包含有第四全反射面321、第二偏振分光面322和第五全反射面323。

其中，第一准直器21是三光纤准直器，将来自第一根光纤11和第二根光纤12的光准直成平行光束；将平行光束导入第二根光纤12和第三根光纤13；第一偏振分光棱镜31、第二偏振分光棱镜32用来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41、第一磁光晶体51用来改变光束的偏振态。

从图中可以看出，光路与实施例一的差异是，少掉第三全反射面314，然后把第三全反射面314和第五全反射面323往两侧调整，以匹配第一准直器21的三纤准直光束的夹角。其它光路走向和原理，是完全类比实施例一的。显然，如果第一准直器21的三纤准直光束的夹角不能变大，就需要拉长相应的交叉距离。与实施例一相比，结构看起来是简单了，但是体积需要拉大和拉长。

请参考图9是本发明的实施例三光环行器光路原理的示意图。

本发明的实施例三超微型光环行器，包括第二准直器22、第三准直器23、第一偏振分光棱镜31、第一波片41、第一磁光晶体51、第二偏振分光棱镜32。第一偏振分光棱镜31包含有第一全反射面311、第一偏振分光面312和第二全反射面313。第二偏振分光棱镜32包含有第四全反射面321、第二偏振分光面322和第五全反射面323。

其中，第二准直器22是双光纤准直器，将来自第一根光纤11的光准直成平行光束；将平行光束导入第三根光纤13；第三准直器23是单光纤准直器，将来自第二根光纤12的光准直成平行光束；将平行光束导入第二根光纤12；第一偏振分光棱镜31、第二偏振分光棱镜32用来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41、第一磁光晶体51用来改变光束的偏振态。

从图中可以看出，光路与实施例一的差异是，少掉第三全反射面314，然后把三纤第一准直器21分解为第一根光纤11和第三根光纤13在一起的双纤准直器——第二准直器22、和第三根光纤13的单纤准直器——第三准直器23。其它光路走向和原理，是完全类比实施例一的。显然，因为一个三纤准直器的第一准直器21，分解为双纤准直器第二准直器22和单纤准直器第三准直器23，光束的夹角会比如容易控制，组装中的调试过程会相对简单一些。代价就是侧向距离会变大，同时不能采用同轴的圆管结构。

请参考图10是本发明的实施例四光环行器光路原理的示意图。

本发明的实施例四超微型光环行器，包括第二准直器22、第三准直器23、第一偏振分光棱镜31、第一波片41、第一磁光晶体51、第二偏振分光棱镜32、第一屋脊棱镜33。第一偏振分光棱镜31包含有第一全反射面311、第一偏振分光面312和第二全反射面313。第二偏振分光棱镜32包含有第四全反射面321、第二偏振分光面322和第五全反射面323。

其中，第二准直器22是双光纤准直器，将来自第一根光纤11的光准直成平行光束；将平行光束导入第三根光纤13；第三准直器23是单光纤准直器，将来自第二根光纤12的光准直成平行光束；将平行光束导入第二根光纤12；第一偏振分光棱镜31、第二偏振分光棱镜32用来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41、第一磁光晶体51用来改变光束的偏振态。

从图中可以看出，光路与实施例三的差异是，第一全反射面311和第一偏振分光面312是平行的，第二准直器22的双光束通过第一屋脊棱镜33，转换为平行的两束光。其它光路原理就完全和实施例三一样了。显然，这个实施例四，以增加一个外置第一屋脊棱镜33的代价，减少第一全反射面311的角度加工难度。可以通过修正第一屋脊棱镜的顶角来匹配第二准直器22的双光束夹角。

请参考图11是本发明的实施例五光环行器光路原理的示意图。

本发明的实施例五超微型光环行器，包括第三准直器23、第四准直器24、第五准直器25、第一偏振分光棱镜31、第一波片41、第一磁光晶体51、第二偏振分光棱镜32。第一偏振分光棱镜31包含有第一全反射面311、第一偏振分光面312和第二全反射面313。第二偏振分光棱镜32包含有第四全反射面321、第二偏振分光面322和第五全反射面323。

其中，第三准直器23是单光纤准直器，将来自第二根光纤12的光准直成平行光束；将平行光束导入第二根光纤12；第四准直器24是单光纤准直器，将来自第一根光纤11的光准直成平行光束；第五准直器25是单光纤准直器，将平行光束导入第三根光纤13；第一偏振分光棱镜31、第二偏振分光棱镜32用来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41、第一磁光晶体51用来改变光束的偏振态。

从图中可以看出，光路与实施例三的差异是，把双纤准直器——第二准直器22分解为第一根光纤11的第四准直器24，和第三根光纤13的第五纤准直器25。其它光路走向和原理，是完全类比实施例三的。显然，因为三个单纤准直器，彼此相对独立，不存在光束的夹角的问题，组装中的调试过程会相对简单一些。代价就是侧向距离会更大，同时不能采用同轴的圆管结构，只能采用自由空间结构。

从以上分析可以看出，在光路上增加或者调整反射镜的指向，增加或者改变折射棱镜的方向，同样可以实现单纤准直器和/或双纤准直器实现超微型光环行器。

实际产品中，需要考虑偏振分光棱镜的各个面的加工难度和精度分配，装配的难度和精度要求，准直器的角度匹配精度等多方面，选择实际光路方案。

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 (4)

1.一种超微型光环行器,包括第一准直器、第一偏振分光棱镜、第一波片、第一磁光晶体、第二偏振分光棱镜，其特征在于：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；第一根光纤、第二根光纤、第三根光纤合为一个三纤准直器，光环行器单侧出纤；

所述的第一准直器将来自第一根光纤的光准直成平行光束，和将平行光束导入第二根光纤；

所述的第一准直器将来自第二根光纤的光准直成平行光束，和将平行光束导入第三根光纤；

所述的第一偏振分光棱镜、第二偏振分光棱镜用来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；

所述的第一波片、第一磁光晶体用来改变光束的偏振态；

第一偏振分光棱镜包含有第一全反射面、第一偏振分光面、第二全反射面和第三全反射面；第二偏振分光棱镜包含有第四全反射面、第二偏振分光面和第五全反射面。

2.根据权利要求1所述的一种超微型光环行器，其特征在于：利用第一偏振分光棱镜、第二偏振分光棱镜的分合光功能，形成反射镜和折射棱镜作用，对光路进行折叠，在同一侧出光纤，使器件空间尺寸最小。

3.根据权利要求1所述的一种超微型光环行器，其特征在于：所述的第一偏振分光棱镜、第二偏振分光棱镜可以在足够小的纵向距离上，对一束任意偏振态的光，分解为两束互相垂直的偏振光，同时产生任意大小的侧向分开距离，反之，合成时把两束互相垂直的偏振光合成一束光，从而实现小光斑双纤准直器在小交叉距离上的环行器功能。

4.根据权利要求1所述的一种超微型光环行器，其特征在于：外置第一屋脊棱镜或者折射棱镜，同样实现单纤准直器和双纤准直器在单侧的功能。