CN111801617B - 光学环行器 - Google Patents

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Abstract

公开了各种形式的光学环行器。光学环行器作用于光的偏振以在其端口之间引导光。还公开了用于基于一种基于光检测和测距(LiDAR)的技术促进环境的空间轮廓的估计的系统和方法。该系统和方法可以包括或使用一种或更多种不同形式的光学环行器。在一种布置中，本公开基于在一维上引导光，例如沿着垂直方向引导光，来促进空间轮廓估计。在另一种布置中，通过在另一个维度上进一步引导一维定向光，例如沿着水平方向，本公开基于在二维中引导光来促进空间轮廓估计。

Description

光学环行器
发明领域
本发明总体上涉及光学环行器领域。特定实施例涉及用于例如基于在至少一个维度上引导光来促进环境的空间轮廓的估计的系统和方法。
发明背景
空间剖析是指从期望的原点观察到的环境的映射。视场中的每个点或像素都与距离相关联，以形成环境的表示。空间轮廓可用于识别环境中的物体和/或障碍物，从而促进任务的自动化。
一种空间剖析技术包括以特定方向将光发送到环境中，并检测从该方向反射回来的任何光，例如，通过环境中的反射表面反射回来的任何光。反射光携带用于确定到反射表面的距离的相关信息。特定方向和距离的组合形成了环境表示中的一个点或像素。对于多个不同的方向，可以重复上述步骤，以形成表示的其他点或像素，从而促进在期望的视场内估计环境的空间轮廓。
说明书中对任何现有技术的引用不是，也不应该被认为是承认或以任何形式暗示该现有技术在任何管辖范围内形成了公知常识的一部分，或者该现有技术可以合理地期望被本领域技术人员理解、认为是相关的和/或与其他现有技术相结合。
发明概述
公开了一种光学环行器。还公开了一种光学系统。还公开了一种促进环境的空间轮廓的估计的光学系统。光学系统可以包括光学环行器。
在一些实施例中，光学环行器包括(例如从光源)接收光的输入端口、向环境发送光并从环境接收光的双向端口、以及输出光(例如到接收器)的输出端口。输出端口相对于输入端口在空间上偏移(displace)。核心被配置为引起光从输入端口到双向端口核从双向端口到输出端口的导向。该核心被配置成通过将光分离成不同的偏振并引导一个或两个偏振通过该核心来引起所述光的导向。
在某些实施例中，光学环行器包括接收光的输入端口、输出光的输出端口，输出端口相对于输入端口在空间上偏移；以及核心，其被配置为使光从输入端口引导到出射光路，并使光从入射光路引导到输出端口，其中出射光路和入射光路在空间上被布置成至少部分重叠。
在某些实施例中，光学环行器包括至少一个输入端口和至少一个输出端口，以及与至少一个输入端口和至少一个输出端口进行光学通信的第一双折射晶体、跟随第一双折射晶体的非互易偏振旋转元件和跟随非互易偏振旋转元件的第二双折射晶体。第一双折射晶体包括相对于第一轴旋转第一非零量的第一表面，该第一轴横向于光通过光学环行器的行进方向，第二双折射晶体包括相对于第一轴旋转第一或第二非零量的第二表面，其中第一表面和第二表面以相反方向旋转。
在某些实施例中，光学环行器包括至少一个输入端口和至少一个输出端口以及与至少一个输入端口和至少一个输出端口进行光学通信的光学组件，该光学组件包括第一双折射晶体、跟随第一双折射晶体的非互易偏振旋转元件以及跟随非互易偏振旋转元件的第二双折射晶体。非互易偏振旋转元件包括第一部件(例如半波片元件)和第二部件(例如法拉第旋转器)。第一部件包括相对于第一轴旋转第一非零量的第一表面，第一轴横向于光通过光学环行器的行进方向，第二部件包括相对于第一轴旋转第一或第二非零量的第二表面，其中第一表面和第二表面以相反方向旋转。
在某些实施例中，用于促进环境的空间轮廓的估计的系统包括：光源，其被配置为提供在多个波长信道中的选定的一个或更多个波长信道处的出射光；光检测器，其被配置为检测入射光，该入射光对应于由环境反射的出射光的至少一部分；光学环行器；以及光束操纵器。光学环行器被配置成经由一个或更多个输入端口接收出射光，经由双向端口向出射路径发送接收到的出射光，经由双向端口在入射路径上接收入射光，使得出射路径和入射路径在空间上被布置成至少部分重叠，并且经由输出端口将接收到的入射光发送到光检测器，输出端口相对于一个或更多个输入端口在空间上偏移。光束操纵器被配置成将出射路径上朝向环境的出射光引导到一个或更多个相应的出射方向，该一个或更多个相应的出射方向基于多个波长信道中选定的一个或更多个波长信道，并且将从环境反射的入射光引导到朝向光学环行器的入射路径。与检测到的光相关联的至少一个特征包括用于估计与一个或更多个出射方向相关联的环境的空间轮廓的信息。
在某些实施例中，光学系统包括配置成提供出射光的光源、配置成接收入射光的光接收器和光学环行器。光学环行器被配置成经由一个或更多个输入端口接收出射光，经由双向端口将接收到的出射光直接发送到自由空间环境中的出射路径，经由双向端口在自由空间环境中的入射路径上接收入射光，出射路径和入射路径在空间上被布置成至少部分重叠，并且经由至少一个输出端口将接收到的入射光发送到光接收器，该至少一个输出端口相对于一个或更多个输入端口在空间上偏移。
在某些实施例中，光学环行器包括至少一个输入端口和至少一个输出端口，以及与至少一个输入端口和至少一个输出端口进行光学通信的光学组件。光学组件包括第一双折射晶体、跟随第一双折射晶体的非互易偏振旋转元件、以及跟随非互易偏振旋转元件的第二双折射晶体。该光学组件包括接收来自至少一个输入端口的光的第一表面以及接收来自至少一个输入端口的光的第二表面，该第一表面被旋转成基本上不垂直于光通过光学环行器的行进方向，该第二表面从第一表面偏移并在与第一表面相反的方向上被旋转成基本上不垂直于光通过光学环行器的行进方向。
本公开的其他方面以及前述段落中描述的方面的其他实施例将根据以下描述和所附权利要求变得明显，这些描述是通过示例并参考附图给出的。
附图简述
图1示出了所公开的系统的布置，以促进环境的空间轮廓的估计。
图2示出示例光学环行器。
图3A-3D示出光学环行器的其他例子。
图4示出所公开的系统的另一种布置，以促进环境的空间轮廓的估计。
图5A、5B示出示例光学环行器。
图6示出所公开的系统的另一种布置，以促进环境的空间轮廓的估计。
图7示出所公开的系统的另一种布置，以促进环境的空间轮廓的估计。
图8示出示例光学环行器。
实施例的详细描述
本文公开了光学环行器的形式。光学环行器包括提供高方向性的特性。光学环行器的一个示例应用是在空间轮廓估计系统中。光学环行器的另一个示例应用是在用于自由空间光通信或自由空间测量的系统中，例如基于多普勒效应。
本文还公开了用于基于一种基于光探测和测距(LiDAR)的技术来促进环境的空间轮廓的估计的系统和方法。“光”在下文中包括具有光学频率的电磁辐射，包括远红外辐射、红外辐射、可见辐射和紫外辐射。一般来说，LiDAR包括将光传输到环境中，然后检测环境返回的反射光。通过确定光往返于视场内的反射表面所需的时间以及反射表面的距离，可以形成对环境空间轮廓的估计。在一种布置中，本公开基于在一维上引导光，例如沿着垂直方向引导光，来促进空间轮廓估计。在另一种布置中，通过在另一个维度上进一步引导一维定向光，例如沿着水平方向，本公开促进基于二维定向光的空间轮廓估计。
发明人认识到，当LiDAR系统被设置成具有分离的或以其他方式未对准的发射和接收光路来减少原本会淹没返回信号的串扰时，可能会在系统的视线(在一维情况下)或视场(在二维情况下)中产生一个或更多个检测盲点。认识到这一缺陷，发明人设计了许多光学设计，这些设计允许同轴或以其他方式对准的发射和接收光路减少这种盲点和串扰。这些光学设计利用光学环行器，该光学环行器在其输入端口(耦合到光源)和输出端口(耦合到光检测器)之间提供高度的方向性，例如至少70dB、或至少75dB、或至少80dB、或至少85dB或至少90dB，同时提供双向端口用于向环境传输光和从环境接收光。在一些实施例中，光学设计包括单个输入端口和单个输出端口。
其他实施例包括两个或更多个输入端口，每个输入端口具有对应的输出端口和双向端口。两个或更多个输入端口和两个或更多个输出端口可以设置在单个光学环行器中。
某些实施例包括两个或更多个双向端口，每个双向端口具有至少一个对应的输出端口和至少一个对应的输入端口。两个或更多个双向端口可以各自形成独立的环行器，并利用相同的环行器核心。
具有多个输入端口、输出端口和双向端口的实施例能够同时检测多个目标。
系统示例1
在一般形式中，如图1所示，所描述的系统100包括至少一个光源102，该光源102被配置成提供一个或更多个波长信道(例如，以λ1到λN为中心)的出射光120。例如，光源102可以包括被配置成一次选择性地输出一个波长信道的激光器。系统100还包括被配置成检测入射光130的至少一个光检测器104、光学环行器106和光束操纵器108。入射光130对应于被环境110反射的出射光120的至少一部分。光学环行器106被配置为(a)经由一个或更多个输入端口106A接收出射光120，(b)经由一个或更多个双向端口106B向自由空间环境中的出射路径125发送接收到的出射光120，(c)经由双向端口106B在自由空间环境中的入射路径135上接收入射光，以及(d)经由一个或更多个输出端口106C向至少一个光检测器104发送接收到的入射光130。对自由空间中光传输的引用应理解为光传输不局限于任何类型的光波导，包括光纤、光导管或类似结构。
光束操纵器108被配置为(a)基于所选择的波长信道和/或环行器的所选择的输入端口，将朝向环境110的出射路径125上的出射光120引导到一个或更多个相应的出射方向，以及(b)将从环境110反射的入射光130引导到朝向光学环行器106的入射路径135上。光束操纵器108可以包括扩展光学器件108A，以扩大光束尺寸，从而获得更好的发散特性。在一个变型中，光束操纵器108包括色散元件108B，例如光栅、棱镜或棱栅，以提供波长相关的角色散。在一个或更多个申请人的共同未决申请中公开了光束操纵器108的例子，包括2017年4月6日公布为WO 2017/054036 A1的PCT申请号PCT/AU2016/050899，其全部内容通过引用并入本文。与检测到的光相关联的至少一个特征包括用于估计(例如通过处理单元105)与一个或更多个出射方向相关联的环境的空间轮廓的信息。
光学环行器106被布置成使得出射路径125和入射路径135在空间上被布置成至少部分重叠，而输出端口106C相对于一个或更多个输入端口106A在空间上偏移。至少部分重叠的出射和入射路径促成避免上述盲点的实施例，同时输入和输出端口之间的空间偏移以及光学环行器106到自由空间而不是到介于中间的(intervening)或中间的(intermediary)光波导的直接通信提供了改进的方向性，以避免淹没返回信号。
光学环行器106可以以多种方式实现。光学环行器106的例子描述如下。在本文中，“端口”旨在表示或示出空间中光束通过的区域，例如孔，并且不一定需要物理部件的存在来限定端口。在一些实施例中，光学环行器包括或连接到光阵列，例如V形槽阵列107或成束光纤，以将光纤与光学环行器的端口对准。具体地，一个或更多个输入端口106A和/或一个或更多个输出端口106C与V形槽阵列或成束光纤相关联，以将光纤与端口对准。
如图所示，在一些实施例中，来自光纤的光束被直接提供给光学环行器106。也就是说，在光纤和光学环行器之间没有模式扩展光学部件，例如一个或更多个透镜。没有这种模式扩展光学部件的一个好处是可以消除这种部件表面的光反射回到系统，这又可以改善方向性。在一些实施例中，通过部署重叠的出射和入射路径中的任何一个或更多个、光学环行器到自由空间的直接通信以及光从光波导到至少光学环行器的输入端口的直接通信，可以积极地影响方向性。
系统100的一个实施例包括单个光学环行器106。其他实施例包括两个或更多个光学环行器106。例如，在一个实施例中，两个或更多个光学环行器106并行操作，为一个或更多个光检测器104的检测提供并行光路。因此，系统100包括多个输入端口106A的阵列和多个双向端口106B的阵列。在一些实施例中，输入端口106A的数量等于双向端口106B的数量。在其他实施例中，输入端口与双向端口有不同数量。端口阵列可以光学耦合到单个光源102和单个光束导向器108，或者在其他实施例中，提供多个光源102和/或多个光束导向器108，每个都与端口的子集光学耦合。
在具有并行端口的实施例中，系统100可以被配置成使得第一端口耦合第一波长或跨越第一波长范围的光，而第二端口耦合第二波长或跨越第二波长范围的光，第二波长或第二波长范围分别不同于第一波长和第一波长范围。例如，在多个光学环行器106上提供并行端口的情况下，每个光学环行器可以被配置成在其各自的波长或波长范围内工作。在一个实施例中，端口或光学环行器中的一个或更多个被配置为对于至少一个波长或波长范围不工作，这些端口或光学环行器中的另一个被配置为对于该至少一个波长或波长范围可工作。
示例1
在一个示例中，如图2所示的光学环行器200，其可以是图1的光学环行器106，包括一个输入端口206A、一个双向端口206B、一个输出端口206C和光束偏移器204，该光束偏移器204被配置为相对于(从端口206B行进到端口206C的)入射光束208偏移(从端口206A行进到端口206B的)出射光束206。光束偏移器204包括双折射元件，例如钒酸钇(YVO4)，用于将入射光束208从出射光束206偏移与双折射元件相关的偏离角210。当经由输入端口206A进入光束偏移器204时，出射光束206被旋转到或以其他方式保持在第一偏振206’(例如寻常光束或o-光束)，而当经由双向端口206B进入光束偏移器204时，入射光束208被旋转到或以其他方式保持在与第一偏振206’正交的第二偏振208’(例如非寻常光束或e-光束)。
光束偏移器204被设置成经由其输入端口206A接收包括取向为第一偏振206’(例如，o-光束)的分量的出射光束120，经由其双向端口206B将接收到的出射光206发送出去，经由其双向端口206B接收反射光135，并且将接收到的具有取向为不同于第一偏振的第二偏振208’的分量(例如，正交于第一偏振206’(例如，e-光束))的反射光208经由其输出端口206C发送到检测器104。位移角在本文被称为“偏离角”。在一个实施例中，光束偏移器204依靠反射光135的去偏振态(de-polarisation state)来实现第二正交偏振208’。在另一个实施例中，光学环行器200在光束偏移器204的双向端口206B之后包括至少一个波片(未示出)，用于将出射偏振206’旋转到入射偏振208’。例如，波片可以是与第一偏振206’成45°取向的四分之一波片，其紧接在双向端口206B之后。在该示例中，可以以相对低的材料成本实现期望的旋转。四分之一波片可以与第一偏振206’成不同于45°的角度(例如25°)，以有助于减少来自高反射目标的镜面反射，否则高反射目标的镜面反射会淹没光检测器104。在另一个实施例中，光学环行器200可以在光束偏移器204的双向端口206B之后的任何地方包括非互易偏振旋转元件，用于将出射偏振206’旋转到入射偏振208’。例如，非互易偏振旋转元件可以是法拉第旋转器和半波片，其放置成紧随双向端口206之后，与偏振206’成22.5°定向。
在一个实施例中，光源102经由保偏(PM)光纤在光束偏移器204的输入端口206A处光学耦合到光束偏移器204。在相同或不同的实施例中，检测器104经由多模(MM)光纤在光束偏移器204的输出端口206C处光学耦合到光束偏移器204。在相同或不同的实施例中，光学环行器200包括一个或更多个聚焦元件，例如非球面透镜(未示出)，以聚焦和/或准直进入和/或离开端口206A、206B和206C的光。在一个实施例中，在一个或更多个聚焦元件的每一侧提供波片，例如四分之一波片。
光学环行器200可以包括一个或更多个基板以对准光路，例如一个或更多个玻璃基板，其被配置为以高精度将多根光纤保持在彼此相对的位置(本文称为“V形槽阵列”)。例如，可以使用V形槽阵列来将每一个PM和MM光纤与光束偏移器204的对应的输入和输出端口对准，从而形成光纤阵列。使用V形槽阵列可以促成减少输入和输出端口之间串扰的实施例，同时最小化它们的空间间隔。此外，它的使用赋予了PM和MM光纤之间的精确定位，通常在+/-1μm之内，这使得能够实现显著的空间重叠，并且避免了主动对准，因为V形槽阵列通过设计与晶体尺寸相匹配。
在一些实施例中，光学环行器200的光学元件被配置成实现所需的串扰性能和收集效率的结合。例如，光学元件可以被配置为实现70dB或以下，或80dB或以下的串扰，结合90％或以上的收集效率。
示例2
在另一个例子中，如图3所示，光学环行器300(其也可以是图1的光学环行器106)包括核心302。在图3A、3B、3C、3D的实施例中，按照从左到右的顺序，核心302包括第一双折射晶体302A、跟随第一双折射晶体302A的非互易偏振旋转元件302B、以及跟随非互易偏振旋转元件302B的第二双折射晶体302C。在一种布置中，非互易偏振旋转元件302B包括非互易偏振旋转元件302B1和半波片302B2，以促进非互易性。
两个双折射晶体302A和302C可以具有相等或相反的偏离角，以促进o-光束和e-光束的重组，如图3A、3B和图3C、3D中的实施例所示。在第一种布置中，具有相反的偏离角，非互易偏振旋转元件302B被设置成旋转出射光束，但不旋转入射光束。在第二配置中，具有相等的偏离角，非互易偏振旋转元件302B被设置为旋转入射光束，但不旋转出射光束。
光学环行器300可以以两种方式之一使用。在第一种使用中，如图3A所示，端口306C是用于接收包含任何偏振态(例如，具有垂直和水平偏振分量)的出射光120的输入端口。光学环行器300A可以包括光纤(例如，SM光纤)，其被配置为光学耦合到输入端口306C，以承载来自光源102的出射光。对于向出射路径125行进的出射光120(见实线)，第一双折射晶体302A将o-光束与e-光束分量分离一个分离角。非互易偏振旋转元件302B使每个分量不受影响，因为在这个行进方向上，法拉第旋转器补偿半波片，导致0度的净旋转。第二双折射晶体302C然后在双向端口306B处重组两个分量，以沿着出射路径125形成出射光120。
对于在入射路径135上行进的光(见短划线和虚线)，第二双折射晶体302C将o-光束与e-光束分量分离一个分离角。非互易偏振旋转元件302B旋转每个分量的偏振，因为在这个行进方向上，法拉第旋转器添加到半波片，导致90度的净旋转。第一双折射晶体302A然后进一步分离这些分量。分离的光束然后分别在端口306A和306Z被收集，以分别形成入射光130A和130Z。光学环行器300A可以包括被配置为光学耦合到输入端口306C以承载来自光源102的出射光的光纤(例如，PM光纤)。检测器104经由多模(MM)光纤在核心302的输出端口306A和306Z中的一个或两个处光学耦合到核心302。光学环行器300A可以包括V形槽阵列(未示出)，以将每一个PM光纤和MM光纤与对应的输入和输出端口对准。
在该第一使用中，其中光纤是承载单个输入偏振(例如，垂直偏振光)的PM光纤，检测反射光的偏振态(例如，通过检测入射光130A和130Z相对于输入偏振的相对接收功率)有助于检测反射光的去偏振率。基于检测到的去偏振率，反射表面可以被确定为是金属的，或者更可能是金属的。例如，如果检测到的去偏振率被确定为高于阈值去偏振率，则反射表面可以被确定为是金属的，或者更可能是金属的。相反，如果检测到的去偏振率被确定为低于阈值去偏振率，则反射表面可以被确定为是非金属的，或者更可能是非金属的。可选地或附加地，基于检测到的反射光的偏振态，可以检测镜面反射表面(例如反向反射器)。
在第二使用中，如图3B所示，端口306A和306Z中的任一个或两个分别是用于o-光束120A和e-光束120Z的输入端口。在图3B中，出射光(例如，来自光源102的光)由短划线和虚线表示，到达入射路径的光(例如，来自环境110的光)由实线表示(即，与图3A相反)。光学环行器300B可以包括被配置为光学耦合到输入端口306A和306Z并承载来自光源102的出射光的PM光纤。第二使用中的操作类似于第一使用中的操作，不同之处在于，输入端口和输出端口被交换，并且被分解的偏振态在前向方向和后向方向之间被交换。因此，对光学环行器300A的描述稍加修改可应用于光学环行器300B。
在第二使用中，可以根据例如功率和灵敏度要求使用e-光束和o-光束中的一种或两种。在相同或不同的变型中，检测器104通过多模(MM)光纤在核心302的输出端口306C处光学耦合到核心302。替代地或附加地，PM光放大器(例如掺铒光纤放大器)不是必需的。相反，偏振分束器光纤可用来将光耦合到两个PM光纤中。
图3C和图3D以类似于图3A和图3B的方式示出了替代用途。在图3C和图3D中，与参照图1描述的部件类似的部件被给予与图1中相同的附图标记。在图3C中，出射光(例如，来自光源102的光)由实线表示，到达入射路径的光(例如，来自环境110的光)由短划线和虚线表示，并且在图3D中，这些指示相反。
光学环行器300A或300B可以包括V形槽阵列(未示出)，以将SM、PM和MM光纤中的每一个对准核心302的对应输入和输出端口。光学环行器300A或300B可以包括一个或更多个聚焦元件，例如非球面透镜(未示出)，以将光聚焦到输入端口上和/或准直出自输出端口的光。
系统示例2
在一般形式中，如图4所示，所描述的系统400包括光学环行器302’，例如从本文描述的光学环行器中选择的光学环行器。在一个实施例中，光学环行器302’包括两个或更多个光学环行器，例如从本文描述的光学环行器中选择的两个或更多个光学环行器。
在一些实施例中，光学环行器302’包括两个或更多个如参考图3B所述的光学环行器302。光学环行器302’中的每个光学环行器302通过由V形槽阵列107’定位的光纤光缆接收来自一个或更多个光源的两个输入光信号。因此，来自每根光纤光缆的输出光被直接提供给光学环行器302’。
在一些实施例中，光学环行器302’具有足够大的孔径，使得相同的核心用于两个或更多个光源中的每一个。
在一些实施例中，在各个光源和V形槽阵列107’之间提供分束器109，以通过相应的光纤光缆提供两个光信号。
在图4所示的例子中，第一出射光路125A和第二出射光路125B经由光束操纵器108’向环境提供光，在两个信号的例子中，光束操纵器108’是双光束操纵器。从环境返回的光被光学环行器302’中与该光相关的光学环行器302引导到两个光检测器之一。往返自由空间的过渡在光学环行器的双向端口处，如参考系统示例1所解释的，与在双向端口处有波导的系统相比，这可以提高方向性。
在一个实施例中，双光束操纵器108’独立地控制来自出射光路125A、125B的光的方向。在另一个实施例中，例如由于具有固定的角度偏置，来自出射光路125A、125B的光的方向是相互关联的。
在另一个实施例中，提供单个光检测器来检测来自光学环行器302’中的光学环行器302的光。处理单元105(见图1)然后辨别检测到的光。
在其他示例中，可以提供连接到一个或更多个光学环行器的三个或更多个光源。在这些或其他示例中，相比于光学环行器302，可以使用另一种形式的光学环行器。在一些例子中，光学环行器是相同类型的。在其他示例中，光学环行器是不同类型的(例如，一个如参考图3A所述，一个如参考图3B所述)。
示例3
在另一个例子中，如图5所示，光学环行器500(其也可以是图1的光学环行器106)包括核心502。在图5的实施例中，按照从左到右的顺序，核心502包括第一双折射晶体502A、跟随第一双折射元件502A的非互易偏振旋转元件502B、跟随非互易偏振旋转元件502B的第二双折射晶体502C。在一种布置中，非互易偏振旋转元件502B包括半波片元件502B1和法拉第旋转器502B2，以促进非互易性。
如图5A中的侧视图和图5B中的俯视图所示，第一双折射元件502A在一个轴(在图中被指定为y轴)上倾斜α1度。在所示的实施例中，y轴的旋转是顺时针方向。半波片502B1在另一个轴(在图中被指定为x轴)上倾斜α2度，也是顺时针方向。法拉第旋转器502B2沿逆时针方向在x轴上倾斜α3度，第二双折射晶体502C也沿逆时针方向在y轴上倾斜α4度。在一些实施例中，包括图5所示的实施例，x轴和y轴基本上是横向的。
在一些实施例中，包括图5所示的实施例，对于在一个方向上沿一个轴旋转的每个元件，有一对元件在同一轴上沿相反方向旋转基本相同的旋转程度。在一些实施例中，一个或更多个非旋转元件可以与旋转元件结合提供。在一些实施例中，存在偶数个(例如，在图5的实施例中为四个)旋转元件，以便于旋转元件的这种配对。
在一些实施例中，对于不同轴上的元件，旋转程度基本相同，例如角度α1、α2、α3和α4具有相同的值(即，α1＝α2＝α3＝α4)。在其他实施例中，在不同轴上旋转的部件之间的旋转程度不同。例如，在一些实施例中，角度α1等于α4，而α2不同于α3。应当理解，成角度或旋转意味着部件的旋转范围是非零的，包括基本上不是零。
为部件选择的旋转角度可以被优化以提高方向性和收集效率。例如，可以选择角度以将进入光学环行器500的非准直光束引入的像差保持在一定水平内和/或减轻光反射回系统。部件之间形成的角度范围可以从大约12度到大约30度。示例角度包括11.8度、12.5度、15度、17.5度、20度、25度和30度。
在一些实施例中，旋转方向是相反的，例如，图5中顺时针旋转的每个部件改为逆时针旋转，逆时针旋转的每个部件改为顺时针旋转。
在其他布置中，旋转轴不是横向的。例如，核心的部件可以都在同一轴上旋转，例如都在图5的y轴或x轴上旋转。在另一个例子中，旋转轴可以偏置不同的量，例如120度。在该示例中，核心可以包括六个部件，这些部件成对地沿着彼此偏置120度的三个轴旋转，这些对以相反的方向旋转。
在一些实施例中，双折射晶体502A和/或502C的厚度(图5A中表示为t)为约1mm至约1.5mm。在一个示例中，双折射晶体502A和502C的厚度(t)可以为约1.304mm，同时使用包层厚度为约125μm的光纤，这将间距限制为约127μm。
在一些实施例中，双折射晶体502A和502C的厚度减小，这可导致在方向性和收集效率方面的益处。为了减小厚度t，例如通过使用包层厚度减小的光纤来减小光纤阵列间距。在一个例子中，通过使用包层厚度约为80μm的缩减包层光纤(这导致光纤阵列间距约为82μm)，双折射晶体502A和502C的厚度(t)减小到约0.85mm。在一些实施例中，双折射晶体502A和/或502C的厚度在约0.80mm或0.85mm和约0.90mm或约1.00mm之间。
两个双折射晶体502A和502C可以具有相等且相反的偏离角，以促进o-光束和e-光束的重组。举例来说，在一种具有相反偏离角的布置中，非互易偏振旋转元件502B被设置成旋转出射光束，但不旋转入射光束。在另一种配置中，在相等的偏离角度下，非互易偏振旋转元件502B被设置为旋转入射光束，但不旋转出射光束。
光学环行器500可以与不同端口和通过核心的不同光路一起使用。例如，光学环行器500可以以对应于上述示例2中描述的两种方式中的任一种来使用。例如，光学耦合到核心的光纤阵列可以具有连接到光源的两个端口和连接到光检测器的一个端口，或者连接到光源的一个端口和连接到光检测器或相应光检测器的两个端口。
附加地或替代地，半波片和法拉第旋转器的顺序可以被转换，即，非互易偏振旋转元件502B包括法拉第旋转器502B1和半波片元件502B2。
虽然光学环行器500的部件在图5中示出为具有基本平行的侧面，但是在其他实施例中，这些部件包括不平行的侧面。倾斜部件的至少一个(“第一”)表面相对于光通过光学环行器的行进方向旋转，因此该表面基本上不横向于光的行进方向。另一个表面(“第二”)可以横向于光的行进方向定向，或者第一和第二表面可以成不同的角度，例如两个表面形成楔形或梯形。
光学环行器500可以包括V形槽阵列(未示出)，以将每一个SM、PM和/或MM光纤与核心502的对应输入和输出端口对准。光学环行器500可以包括一个或更多个聚焦元件，例如非球面透镜和/或抛物面镜(未示出)，以将光聚焦到输入端口上和/或准直出自输出端口的光。
系统示例3
在另一种形式中，如图6所示，所描述的系统700包括光学环行器502’，例如从本文描述的光学环行器中选择的光学环行器。在一个实施例中，光学环行器502’包括两个或更多个光学环行器，例如从本文描述的光学环行器中选择的两个或更多个光学环行器。在一些实施例中，光学环行器502’包括如参考图5所述的一个或更多个光学环行器502。
在一些实施例中，集成部件701包括光纤偏振分束器(FPBS)209和3通道V形槽光纤阵列207，其中每个通道都是偏振独立的。FPBS和光纤阵列的集成可以降低制造成本并便于对准。FPBS的使用还可以促进简单且可扩展的光学环行器设计。例如，在光学环行器中使用的半波片可以被选择为均匀晶体，而不是分裂晶体或晶体阵列，由此每个部分被设计成分离偏振态并不同地对待每个偏振态。集成部件701被布置成使得来自光源102的光120通过端口701A被馈送到集成部件701，并且检测器104在集成部件701的输出端口701B处光学耦合到集成部件701。具有不同偏振的两个光束225A和225B分别通过端口701C和701E从集成部件701输出。光束225A和225B被直接提供给光学环行器502’。也就是说，在光纤阵列和光学环行器之间没有模式扩展光学部件，例如一个或更多个透镜。没有这种模式扩展光学部件的一个好处是可以消除这种部件表面的光反射回到系统，这又可以改善方向性。端口701D接收来自光学环行器502’的光。与集成部件701相关联的端口，即701A、701B、701C、701D和701E可以通过光纤连接器和/或光学拼接形成。
在一个实施例中，来自光源102的出射光通过单模光纤(SMF)传输到集成部件701。FPBS209的输出光纤可以是保偏光纤(PMF)。连接到光检测器的接收光纤可以从不同的光纤类型中选择，包括SMF、PMF、MM光纤(MMF)、双包层光纤(DCF)和光子灯笼(PL)。该选择可以基于系统采用的接收和检测方法。
在一些实施例中，提供与光学环行器502’通信的准直元件210，以准直光学环行器502’的输出端口的光。
在一个实施例中，准直元件210是一个或更多个透镜。透镜可以具有相对大的焦距和/或可以涂有抗反射涂层，以限制在透镜表面处的回到系统的反射。
在另一个实施例中，准直元件210是抛物面镜，如图7所示。在一种布置中，90度抛物面镜可以用作准直元件210。在其他布置中，抛物面镜可以具有其他反射角，例如45度。抛物面镜可以准直光，同时确保反射不会行进返回到系统。
在又一实施例中，准直元件210是聚焦光栅。
在其他实施例中，准直元件210可以包括透镜、抛物面镜和聚焦光栅中的至少两种的组合。该组合可以包括一个或更多个透镜和/或一个或更多个抛物面镜和/或一个或更多个聚焦光栅。
在图6所示的例子中，出射光路125经由光束操纵器208向环境提供光，例如单光束操纵器或双光束操纵器。从环境返回的光被光学环行器502’引导到检测器104。处理单元105然后辨别检测到的光。
在其他示例中，可以提供连接到一个或更多个光学环行器的两个或更多个光源。在这些或其他示例中，相比于光学环行器502，可以使用另一种形式的光学环行器。在一些例子中，光学环行器是相同类型的。在其他例子中，光学环行器是不同类型的。
示例4
在另一个例子中，如图8所示，光学环行器800(也可以是图1的光学环行器106)包括第一双折射元件802A、跟随第一双折射元件802A的第一非互易偏振旋转元件802B、跟随第一非互易偏振旋转元件802B的第二双折射元件802C、跟随第二双折射元件802C的第二非互易偏振旋转元件802D、跟随第二非互易偏振旋转元件802D的第三双折射元件802E。第一、第二和第三双折射元件802A、802C和802E各自具有与在输入端口806A处接收的出射光成45度对准的光轴。第一、第二和第三双折射元件802A、802C和802E中的每一个可以是双折射光楔。
在这个例子中，在非互易偏振旋转元件802B和802D处有一个晶体阵列。这与处于允许使用均匀晶体的形式的其他例子形成对比。在一种布置中，非互易偏振旋转元件802B可以包括一个或更多个法拉第旋转器和/或半波片，以促进非互易性。
光学环行器800包括用于接收出射光120的输入端口806A。第一双折射元件802A将输入端口806A处接收的光以分离角分离成o-光束和e-光束。第一非互易偏振旋转元件802B旋转e-光束，以使其偏振与o-光束的偏振对准，并将两个o-光束无偏转而是平行地传递到第二双折射元件802C，。第二非互易偏振旋转元件802D将原始o-光束的偏振旋转到e-光束的偏振，但是使旋转的o-光束处于被旋转状态。第三双折射元件802E偏转旋转的o-光束，但不偏转旋转的e-光束。旋转的o-光束和e-光束在双向端口806B处沿着出射路径125组合。沿着入射路径135的反射光被第三双折射元件802E分成o-光束和e-光束。然后，第二非互易偏振旋转元件802D进一步旋转o-光束，以使其偏振与e-光束的偏振对准，并将两个e-光束传送到第二双折射元件802C，第二双折射元件802C偏转两个e-光束。偏转的e-光束中的一个被第一非互易偏振旋转元件802B旋转，以将其偏振与o-光束的偏振对准，然后o-光束在输出端口806C处与非旋转的e-光束组合。
在一个变型中，光源102经由单模(SM)光纤在光学环行器800的输入端口806A处光学耦合到光学环行器800。在相同或不同的变型中，检测器104经由多模(MM)光纤或SM光纤或PM光纤或DC光纤在光学环行器800的输出端口806C处光学耦合到光学环行器800。微透镜阵列(未示出)准直用于光学环行器800的输入和输出端口的光，以便根据需要充分穿过晶体阵列。光学环行器800可以包括光学阵列，例如V形槽阵列(未示出)，以使SM和MM光纤中的至少一个与对应的输入和输出端口806A和806C对准。双向端口806B通过准直元件将环行器耦合到自由空间。
现在描述了本公开的布置，对于本领域技术人员来说，显然至少一个所描述的布置具有一个或更多个以下优点：
·重叠出射和入射路径125和135，这促成避免检测线或视野中的盲点的实施例。
·简化了出射和入射路径125和135的对准，这例如促成更适于大规模制造的实施例。
·输入端口和输出端口之间的高方向性，这促成避免淹没返回信号的实施例。
·高收集效率。
·相对简单和/或可扩展的光学环行器结构。
应当理解，在本说明书中公开和定义的本发明延伸到从文本或附图中提及或明显的两个或更多个单独特征的所有可选组合。所有这些不同的组合构成了本发明的各种可选方面。

Claims (11)

1.一种光学系统，包括：
至少一个光源，其包括偏振分束器或与偏振分束器光通信，所述偏振分束器被配置为提供分成不同偏振的出射光；
至少一个光检测器，其被配置为检测入射光；和
包括一个或更多个晶体的至少一个光学环行器，
其中，所述光学系统被配置成：
将所述出射光引导到所述光学环行器的两个或更多个输入端口，将所述出射光的一个偏振引导到一个输入端口，以及将另一个偏振引导到另一个输入端口，
经由所述光学环行器的双向端口输出来自所述光学环行器的出射光，
将所述入射光引导到所述双向端口，以及
经由所述光学环行器的输出端口将接收到的入射光发送到所述光检测器，所述输出端口相对于所述输入端口在空间上偏移。
2.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述光学环行器的一个或更多个晶体是均匀晶体。
3.根据权利要求1或2所述的光学系统，还包括与光纤偏振分束器集成的光学阵列。
4.根据权利要求3所述的光学系统，其中，所述光学阵列是V形槽光纤阵列。
5.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述双向端口包括准直元件或者与准直元件进行光学通信。
6.一种光学系统，包括：
光学部件，其在第一波导上提供具有第一偏振的光，并在第二波导上提供具有不同于所述第一偏振的第二偏振的光；
光学环行器，包括：
分别连接到所述第一波导和所述第二波导的第一输入端口和第二输入端口，而不插入模式扩展光学组件；
至少一个输出端口；
双向端口；和
光学组件，其将在所述第一输入端口和所述第二输入端口接收的光引导到所述双向端口，并将在所述双向端口接收的光引导到所述至少一个输出端口，所述光学组件包括第一双折射晶体、跟随所述第一双折射晶体的非互易偏振旋转元件和跟随所述非互易偏振旋转元件的第二双折射晶体，其中，所述第一双折射晶体包括相对于第一轴旋转第一非零量的第一表面，所述第一轴横向于来自所述第一输入端口和所述第二输入端口的光通过所述光学环行器的行进方向，并且所述第二双折射晶体包括相对于所述第一轴旋转第一非零量或第二非零量的第二表面，其中，所述第一表面和所述第二表面以相反方向旋转。
7.根据权利要求6所述的光学系统，其中，所述光学部件包括光源和光纤偏振分束器，所述光源被布置成将光引导到单模光纤上，所述光纤偏振分束器可操作地连接到所述第一波导和所述第二波导。
8.根据权利要求7所述的光学系统，其中，所述第一输入端口和所述第二输入端口通过光学阵列连接到所述第一波导和所述第二波导。
9.根据权利要求8所述的光学系统，其中，所述光学阵列与所述光纤偏振分束器是一体的。
10.根据权利要求8或9所述的光学系统，其中，所述光纤偏振分束器和所述光学阵列通过保偏光纤连接。
11.根据权利要求6所述的光学系统，其中，所述双向端口是对于来自所述光学部件的光到自由空间的过渡点。
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