CN111751929A - 一种自由空间环行器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自由空间环行器，包括沿光路依序设置的第一偏振分光组合棱镜、第一半波片、第二半波片、第一法拉第旋转器、第二偏振分光组合棱镜、第二法拉第旋转器、第三半波片、第四半波片、第三偏振分光组合棱镜，当光信号从第一偏振分光组合棱镜的一端口输入后，由第三偏振分光组合棱镜其中一端口输出，反之，当光信号从第三偏振分光组合棱镜的输出端口进入后，由第一偏振分光组合棱镜的另一端口输出；本方案第一偏振分光组合棱镜和第三偏振分光组合棱镜在实现与传统双折射晶体效果相同的情况下，能够实现长度比传统双折射晶体短，具有明显的优势，同时，第二偏振分光组合棱镜可以代替传统的楔角对作为环路部分，更进一步减小环形器的尺寸。
Description
技术领域
本发明涉及光通讯器件领域，尤其是一种自由空间环行器。
背景技术
光环行器是光通讯领域重要的光无源器件，传统的光纤环行器主要采用双折射晶体作为分光元件，由于双折射晶体的分光角度有限，使得双折射晶体的长度普遍偏长，同时由于环行器结构复杂，元件数量众多，使得传统的环行器体积相对较大，很难满足光通讯网络中对光学元件日益小型化的需求。
近年来随着通讯领域的日益发展，需要用到的光器件和模块数量越来越多，光器件的集成化和小型化成为了必然的趋势，尤其在高速光收发模块中，为了降低链路的复杂性，需要用光环行器实现单纤双向的传输功能，传统的环行器由于尺寸体积较大，很难封装集成到光模块的壳体中。
发明内容
针对现有技术的情况，本发明的目的在于提供一种实施可靠、性能优良、结构紧凑的自由空间环行器。
为了实现上述的技术目的，本发明采用的技术方案为：
一种自由空间环行器，其包括沿光路依序设置的第一偏振分光组合棱镜、第一半波片、第二半波片、第一法拉第旋转器、第二偏振分光组合棱镜、第二法拉第旋转器、第三半波片、第四半波片、第三偏振分光组合棱镜，所述的第一偏振分光组合棱镜和第三偏振分光组合棱镜内均设有相互平行的一个偏振分光棱镜和一个高反射镜，其中，第一偏振分光组合棱镜接近第一法拉第旋转器的端面被偏振分光棱镜分为上下两部分，第三偏振分光组合棱镜接近第二法拉第旋转器的端面被偏振分光棱镜分为上下两部分，所述的第二偏振分光组合棱镜内设有相互平行的两个偏振分光棱镜或一个偏振分光棱镜与一个高反射镜，所述的第二偏振分光组合棱镜分别与第一法拉第旋转器、第二法拉第旋转器接近的端面分别被两个偏振分光棱镜或一个偏振分光棱镜与一个高反射镜分为水平两部分，当光信号从第一偏振分光组合棱镜的其中一端口进入，经过第一半波片、第二半波片、第一法拉第旋转器、第二偏振分光组合棱镜、第二法拉第旋转器、第三半波片、第四半波片后，由第三偏振分光组合棱镜其中一个端口输出，反之，当光信号从第三偏振分光组合棱镜的输出端口进入后，由第一偏振分光组合棱镜的另一端口输出。
进一步，所述的第一半波片和第二半波片为固定连接且分别与第一偏振分光组合棱镜接近第一法拉第旋转器的端面两部分相对并用于将通过的光的偏振方向旋转45°，所述的第一法拉第旋转器用于将通过的光的偏振方向旋转45°。
进一步，所述的第三半波片和第四半波片为固定连接且分别与第三偏振分光组合棱镜接近第二法拉第旋转器的端面两部分相对并用于将通过的光的偏振方向旋转45°，所述的第二法拉第旋转器用于将通过的光的偏振方向旋转45°。
进一步，所述的第一法拉第旋转器或/和第二法拉第旋转器为latching型法拉第旋转器。
进一步，所述的第一法拉第旋转器或/和第二法拉第旋转器为非latching型法拉第旋转器，所述非latching型法拉第旋转器的外侧设置有一个或多个磁块或磁环。
作为一种实施方式，进一步，将上述所述的光环行器的第一半波片、第二半波片置于第一法拉第旋转器之后，第三半波片、第四半波片置于第二法拉第旋转器之前。
作为一种实施方式，进一步，所述的第一偏振分光组合棱镜、第一半波片、第二半波片、第一法拉第旋转器、第二偏振分光组合棱镜、第二法拉第旋转器、第三半波片、第四半波片、第三偏振分光组合棱镜为深化光胶连接为一体。
作为一种实施方式，进一步，所述的第一偏振分光组合棱镜、第一半波片、第二半波片、第一法拉第旋转器、第二偏振分光组合棱镜、第二法拉第旋转器、第三半波片、第四半波片、第三偏振分光组合棱镜为胶合连接为一体且胶合所用胶的折射率与对应结合面的折射率匹配对应。
作为一种实施方式，所述的第一偏振分光组合棱镜和第三偏振分光组合棱镜均包括一45度斜方棱镜和一直角棱镜，所述45度斜方棱镜的下端面或上端面镀设有高反膜并形成高反射镜，直角棱镜的斜面与45度斜方棱镜远离高反射镜的端面连接且其结合面上镀设有偏振分光膜并形成偏振分光棱镜。
进一步，所述的第二偏振分光组合棱镜包括一45度斜方棱镜和一对直角棱镜，所述的45度斜方棱镜的两斜面分别与一对直角棱镜的斜面贴合且其结合面上均镀设有偏振分光膜并形成偏振分光棱镜或其中一结合面上镀设有偏振分光膜并形成偏振分光棱镜，另一结合面上镀设有高反膜并形成高反射镜。
采用上述的技术方案，本发明与现有技术相比，其具有的有益效果为：本发明方案的第一偏振分光组合棱镜和第三偏振分光组合棱镜虽然与传统的双折射晶体一样是起分光与合光的作用，但第一偏振分光组合棱镜和第二偏振分光组合棱镜在实现与传统双折射晶体效果相同的情况下，其长度比传统双折射晶体短，具有明显的优势，同时，第二偏振分光组合棱镜可以代替传统的楔角对作为环路部分，更进一步减小环行器的尺寸。本发明方案的光束可以从第一偏振分光组合棱镜的两个方向入射，设计自由度比较高。
附图说明
下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步的阐述：
图1为本发明光环行器实施例1的侧视图；
图2为本发明光环行器实施例1的俯视图；
图3为本发明光环行器实施例1的端口1到端口2光传输偏振态的变化示意图；
图4为本发明光环行器实施例1的端口2到端口3光传输偏振态的变化示意图；
图5为本发明光环行器实施例1的组合体三维示意图；
图6为本发明光环行器实施例2的侧视图；
图7为本发明光环行器实施例2的俯视图；
图8为本发明光环行器实施例2的端口1到端口2光传输偏振态的变化示意图；
图9为本发明光环行器实施例2的端口2到端口3光传输偏振态的变化示意图。
具体实施方式
实施例1
如图1或2所示，本发明光环行器包括沿光路依序设置的第一偏振分光组合棱镜100、第一半波片101、第二半波片102、第一法拉第旋转器103、第二偏振分光组合棱镜104、第三半波片105、第四半波片106、第二法拉第旋转器107、第三偏振分光组合棱镜108，其中，所述的第一偏振分光组合棱镜100和第三偏振分光组合棱镜108内均设有相互平行的一个偏振分光棱镜100a、108a和一个高反射镜100b、108b，第一偏振分光组合棱镜100接近第一法拉第旋转器103的端面被偏振分光棱镜100a分为上下两部分，第三偏振分光组合棱镜108接近第二法拉第旋转器105的端面被偏振分光棱镜108a分为上下两部分，所述的第二偏振分光组合棱镜104内设有相互平行的两个偏振分光棱镜104a、104b（还可以是一个偏振分光棱镜104a与一个高反射镜104b），所述的第二偏振分光组合棱镜104分别与第一法拉第旋转器103、第二法拉第旋转器105接近的端面分别被两个偏振分光棱镜104a、104b（还可以是一个偏振分光棱镜104a与一个高反射镜104b）分为水平两部分，所述的第一半波片101和第二半波片102为固定连接，其分别与第一偏振分光组合棱镜100被偏振分光棱镜100a分出的端面两部分一一对应并用于将通过的光的偏振方向旋转45°，所述的第一法拉第旋转器103用于将通过的光的偏振方向旋转45°，当光从第一偏振分光组合棱镜100的其中一端口进入，依序经过第一半波片101、第二半波片102、第一法拉第旋转器103、第二偏振分光组合棱镜104、第二法拉第旋转器105、第三半波片106、第四半波片107后，经第三偏振分光组合棱镜108的一个端口输出，反之，当光从第三偏振分光组合棱镜108的一个端口进入后，由第一偏振分光组合棱镜100的另一端口输出。
其中，作为本实施例的实施结构，所述的第一偏振分光组合棱镜100和第三偏振分光组合棱镜108均包括一45度斜方棱镜和一直角棱镜，所述45度斜方棱镜的下端面或上端面镀设有高反膜并形成高反射镜，直角棱镜的斜面与45度斜方棱镜远离高反射镜的端面连接且其结合面上镀设有偏振分光膜并形成偏振分光棱镜；所述的第二偏振分光组合棱镜104包括一45度斜方棱镜和一对直角棱镜，所述的45度斜方棱镜的两斜面分别与一对直角棱镜的斜面贴合且其结合面上均镀设有偏振分光膜并形成偏振分光棱镜或其中一结合面上镀设有偏振分光膜并形成偏振分光棱镜，另一结合面上镀设有高反膜并形成高反射镜。
虽然第一偏振分光组合棱镜100和第三偏振分光组合棱镜108与传统的双折射晶体一样是起到分光和合光的作用，但是由于偏振分光（PBS）组合棱镜的长度通常较短，例如：长度0.5mm的PBS组合棱镜即可以把P光与S光分开0.5mm，而传统的双折射晶体（如YVO4）长度则需要5mm长度才能把O光与E光分开0.5mm，因此，PBS组合棱镜的长度比传统的双折射晶体更具有明显的优势。
由图2可以看出，第二偏振分光组合棱镜104作为光环行器的环路部分，相较于传统的楔角对可以更进一步地减小整个器件的尺寸。
结合图1或图2，图3和图4是本实施例的光环行器从端口1传输到端口2和端口2传输到端口3的偏振状态变化情况，而端口1和端口3形成于第一偏振分光组合棱镜100的直角棱镜与第二半波片102相邻的直角面上。
其中，图3为本发明光环行器从端口1到端口2的光传输偏振态变化示意图；①为经端口1的入射光经过第一偏振分光组合棱镜100后的P光与S光的偏振方向，两个偏振态相互正交；②为两个偏振态的光分别经过第一半波片101和第二半波片102后的偏振态方向，两个光经相反方向旋转了45度后变为了相同偏振方向的光；③为两个偏振态的光经过第一法拉第旋转器103后的偏振态方向，两个光沿逆时针方向旋转45度均变为了竖直偏振方向的光；④为两个光分别经过第二偏振分光组合棱镜104偏振态方向保持不变，仍为了竖直偏振方向的光；⑤为两个竖直偏振态的光经过第二法拉第旋转器105后的偏振态方向，两个水平偏振态的光沿逆时针方向旋转了45度；⑥为两个偏振态的光分别经过第三半波片106和第四半波片107后的偏振态方向，两个光经相反方向旋转了45度后变为了相互正交偏振态的P光与S光，最后P光与S光将通过第二偏振分光组合棱镜108合光输出。
图4为本发明光环行器从端口2到端口3的光传输偏振态变化示意图；⑥为由端口2的入射光经过第三偏振分光组合棱镜108后P光与S光的偏振方向，两个偏振态相互正交；⑤为两个偏振态的光分别经过第三半波片106和第四半波片107后的偏振态方向，两个光经相反方向旋转了45度后变为了相同偏振方向的光；④为两个偏振态的光经过第二法拉第旋转器105后的偏振态方向，两个光经逆时针方向旋转45度均变为了水平偏振方向的光；③为两个光分别经过第二偏振分光组合棱镜104偏振态方向保持不变，仍为水平偏振方向；②为两个水平偏振态的光经过第一法拉第旋转器103后的偏振态方向，两个水平偏振态的光沿逆时针方向旋转了45度；①为两个偏振态的光分别经过第一半波片101和第二半波片102后的偏振态方向，两个光经相反方向旋转了45度后变为了相互正交偏振态的P光与S光，最后P光与S光将通过第一偏振分光组合棱镜100合光输出。
其中，所述的第一法拉第旋转器103和第二法拉第旋转器105可以为latching型法拉第旋转器或非latching型法拉第旋转器，当法拉第旋转器为非latching型法拉第旋转器时，其外侧设置有一个或多个磁块或磁环。
图5所示为本实施例组合体的三维示意图，通过深化光胶或光学折射率匹配胶可以将第一偏振分光组合棱镜100、第一半波片101、第二半波片102、第一法拉第旋转器103、第二偏振分光组合棱镜104、第二法拉第旋转器105、第三半波片106、第四半波片107、第三偏振分光组合棱镜108为连接在一起形成一个组合体，形成一个紧凑的结构。
实施例2
如图6或7所示，本实施例光环行器的实施结构与实施例1大致相同，但光路入射方向由直通变为从侧向入射。其中，第一偏振分光组合棱镜200、第一半波片201、第二半波片202、第一法拉第旋转器203、第二偏振分光组合棱镜204、第二法拉第旋转器205、第三半波片206、第四半波片207、第三偏振分光组合棱镜208均与实施例1相同，第一偏振分光组合棱镜200和第三偏振分光组合棱镜208均包括一个偏振分光棱镜200a、208a与一个高反射镜200b、208b组合而成，第二偏振分光组合棱镜204包括偏振分光棱镜204a及偏振分光棱镜204b。
本实施例的端口1和端口3形成于第一偏振分光组合棱镜200远离第一法拉第旋转器203的侧面上。
其中，图8为本发明光环行器从端口1到端口2的光传输偏振态变化示意图；①为经端口1的入射光经过第一偏振分光组合棱镜200后P光与S光的偏振方向，两个偏振态相互正交，经第一PBS后的两束光偏振方向与实施例1相反；②为两个偏振态的光分别经过第一半波片201和第二半波片202后的偏振态方向，两个光经相反方向旋转了45度后变为了相同偏振方向的光；③为两个偏振态的光经过第一法拉第旋转器203后的偏振态方向，两个光沿逆时针方向旋转45度均变为了水平偏振方向的光；④为两个光分别经过第二偏振分光组合棱镜204偏振态方向保持不变，仍为水平偏振方向的光；⑤为两个水平偏振态的光经过第二法拉第旋转器205后的偏振态方向，两个水平偏振态的光沿逆时针方向旋转了45度；⑥为两个偏振态的光分别经过第三半波片206和第四半波片207后的偏振态方向，两个光经相反方向旋转了45度后变为了相互正交偏振态的P光与S光，最后P光与S光将通过第三PBS组合棱镜208合光输出。
图9为本发明光环行器从端口2到端口3的光传输偏振态变化示意图；⑥为由端口2的入射光经过第三偏振分光组合棱镜208后P光与S光的偏振方向，两个偏振态相互正交；⑤为两个偏振态的光分别经过第三半波片206和第四半波片207后的偏振态方向，两个光经相反方向旋转了45度后变为了相同偏振方向的光；④为两个偏振态的光经过第二法拉第旋转器205后的偏振态方向，两个光经逆时针方向旋转45度均变为了竖直偏振方向的光；③为两个光分别经过第二偏振分光组合棱镜204偏振态方向保持不变，仍为竖直偏振方向；②为两个水平偏振态的光经过第一法拉第旋转器203后的偏振态方向，两个竖直偏振态的光沿逆时针方向旋转了45度；①为两个偏振态的光分别经过第一半波片201和第二半波片202后的偏振态方向，两个光经相反方向旋转了45度后变为了相互正交偏振态的P光与S光，最后P光与S光将通过第一偏振分光组合棱镜合光输出。
与实施1类似，本实施例也可通过深化光胶或光学折射率匹配胶可以将第一偏振分光组合棱镜200、第一半波片201、第二半波片202、第一法拉第旋转器203、第二偏振分光组合棱镜204、第二法拉第旋转器205、第三半波片206、第四半波片207、第三偏振分光组合棱镜208为连接在一起形成一个组合体，形成一个紧凑的结构。
上述仅披露了本发明的较佳实施例，需要说明的是，这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的，本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例来实现。
Claims (10)
1.一种自由空间环行器，其特征在于：其包括沿光路依序设置的第一偏振分光组合棱镜、第一半波片、第二半波片、第一法拉第旋转器、第二偏振分光组合棱镜、第二法拉第旋转器、第三半波片、第四半波片、第三偏振分光组合棱镜，所述的第一偏振分光组合棱镜和第三偏振分光组合棱镜内均设有相互平行的一个偏振分光棱镜和一个高反射镜，其中，第一偏振分光组合棱镜接近第一法拉第旋转器的端面被偏振分光棱镜分为上下两部分，第三偏振分光组合棱镜接近第二法拉第旋转器的端面被偏振分光棱镜分为上下两部分，所述的第二偏振分光组合棱镜内设有相互平行的两个偏振分光棱镜或一个偏振分光棱镜与一个高反射镜，所述的第二偏振分光组合棱镜分别与第一法拉第旋转器、第二法拉第旋转器接近的端面分别被两个偏振分光棱镜或一个偏振分光棱镜与一个高反射镜分为水平两部分，当光信号从第一偏振分光组合棱镜的其中一端口进入，经过第一半波片、第二半波片、第一法拉第旋转器、第二偏振分光组合棱镜、第二法拉第旋转器、第三半波片、第四半波片后，由第三偏振分光组合棱镜其中一个端口输出，反之，当光信号从第三偏振分光组合棱镜的输出端口进入后，由第一偏振分光组合棱镜的另一端口输出。
2.根据权利要求1所述的一种自由空间环行器，其特征在于：所述的第一半波片和第二半波片为固定连接且分别与第一偏振分光组合棱镜接近第一法拉第旋转器的端面两部分相对并用于将通过的光的偏振方向旋转45°，所述的第一法拉第旋转器用于将通过的光的偏振方向旋转45°。
3.根据权利要求1所述的一种自由空间环行器，其特征在于：所述的第三半波片和第四半波片为固定连接且分别与第三偏振分光组合棱镜接近第二法拉第旋转器的端面两部分相对并用于将通过的光的偏振方向旋转45°，所述的第二法拉第旋转器用于将通过的光的偏振方向旋转45°。
4.根据权利要求1所述的一种自由空间环行器，其特征在于：所述的第一法拉第旋转器或/和第二法拉第旋转器为latching型法拉第旋转器。
5.根据权利要求1所述的一种自由空间环行器，其特征在于：所述的第一法拉第旋转器或/和第二法拉第旋转器为非latching型法拉第旋转器，所述非latching型法拉第旋转器的外侧设置有一个或多个磁块或磁环。
6.根据权利要求1所述的一种自由空间环行器，其特征在于：将权利要求1至9之一所述的光环行器的第一半波片、第二半波片置于第一法拉第旋转器之后，第三半波片、第四半波片置于第二法拉第旋转器之前。
7.根据权利要求1所述的一种自由空间环行器，其特征在于：所述的第一偏振分光组合棱镜、第一半波片、第二半波片、第一法拉第旋转器、第二偏振分光组合棱镜、第二法拉第旋转器、第三半波片、第四半波片、第三偏振分光组合棱镜为深化光胶连接为一体。
8.根据权利要求1所述的一种自由空间环行器，其特征在于：所述的第一偏振分光组合棱镜、第一半波片、第二半波片、第一法拉第旋转器、第二偏振分光组合棱镜、第二法拉第旋转器、第三半波片、第四半波片、第三偏振分光组合棱镜为胶合连接为一体且胶合所用胶的折射率与对应结合面的折射率匹配对应。
9.根据权利要求1所述的一种自由空间环行器，其特征在于：所述的第一偏振分光组合棱镜和第三偏振分光组合棱镜均包括一45度斜方棱镜和一直角棱镜，所述45度斜方棱镜的下端面或上端面镀设有高反膜并形成高反射镜，直角棱镜的斜面与45度斜方棱镜远离高反射镜的端面连接且其结合面上镀设有偏振分光膜并形成偏振分光棱镜。
10.根据权利要求9所述的一种自由空间环行器，其特征在于：所述的第二偏振分光组合棱镜包括一45度斜方棱镜和一对直角棱镜，所述的45度斜方棱镜的两斜面分别与一对直角棱镜的斜面贴合且其结合面上均镀设有偏振分光膜并形成偏振分光棱镜或其中一结合面上镀设有偏振分光膜并形成偏振分光棱镜，另一结合面上镀设有高反膜并形成高反射镜。
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- 2019-03-29 CN CN201910248801.2A patent/CN111751929A/zh active Pending
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