CN111965759B - 全波段光环行器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种全波段光环行器，本光环行器包括依次布置的双光准直器、第一位移晶体、第一波片组、第一法拉第旋光片、角分离晶体组、第二法拉第旋光片、第二波片组、第二位移晶体和单光准直器；所述第一波片组和第二波片组分别由两个半波片构成，两个半波片上下排列并且光轴取向关于水平方向对称。本光环行器克服传统光环行器的缺陷，使得光环行器工作于整个通信波段内，在整个通信波段内，光环行器均有良好的插入损耗和隔离度指标。

Description

全波段光环行器
技术领域
本发明涉及光通讯技术领域，尤其涉及一种全波段光环行器。
背景技术
光环行器是一种多端口的具有非互易特性的光器件。光信号由任一端口输入时，都能按顺序从下一端口以很小的损耗输出，而该端口通向所有其他端口的损耗都很大，成为不相通端口。要求光环行器相通端口间的插入损耗小(例如1至2dB)，不相通端口间的隔离度大(例如30dB)
光环行器应用于单纤双向传输系统时控制光源、光纤、探测器之间的信号流向。光环行器的实现方案是使用位移晶体分解或合成线偏振光，使用波片组和法拉第旋光片对线偏振光做旋转，使用角分离晶体组对线偏振光做偏角转向。其中，位移晶体和角分离晶体组的色差很小，只要适当镀膜，它们在整个通信波段内都表现良好。而波片组的相移量，法拉第旋光片的旋光角，与波长相关。它们只能在某一小段波长范围内表现良好，而在整个通信波段内表现差异很大，造成插入损耗和隔离度指标劣化，使得光环行器不能工作于整个通信波段。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种全波段光环行器，本光环行器克服传统光环行器的缺陷，使得光环行器工作于整个通信波段内，在整个通信波段内，光环行器均有良好的插入损耗和隔离度指标。
为解决上述技术问题，本发明全波段光环行器包括依次布置的双光准直器、第一位移晶体、第一波片组、第一法拉第旋光片、角分离晶体组、第二法拉第旋光片、第二波片组、第二位移晶体和单光准直器；所述第一波片组和第二波片组分别由两个半波片构成，两个半波片上下排列并且光轴取向关于水平方向对称。
进一步，所述第一波片组和第二波片组的两个半波片与水平方向的夹角为±22.5°或±67.5°。
进一步，所述第一法拉第旋光片和第二法拉第旋光片的目标波长不同，所述第一波片组和第二波片组的目标波长相同。
进一步，所述第一法拉第旋光片和第二法拉第旋光片的目标波长分别为1310nm和1550nm，所述第一波片组和第二波片组的目标波长为1455nm。
进一步，所述第一波片组、第二波片组、第一位移晶体、角分离晶体组、第二位移晶体的通光面镀全波段增透膜，所述增透膜在全波段范围内的反射率<0.2％。
进一步，所述双光准直器和单光准直器在监控波长下光学耦合。
进一步，所述监控波长选取1270nm和1610nm两个波长点，所述监控波长位于整个通信波段两端。
由于本发明全波段光环行器采用了上述技术方案，即本光环行器包括依次布置的双光准直器、第一位移晶体、第一波片组、第一法拉第旋光片、角分离晶体组、第二法拉第旋光片、第二波片组、第二位移晶体和单光准直器；所述第一波片组和第二波片组分别由两个半波片构成，两个半波片上下排列并且光轴取向关于水平方向对称。本光环行器克服传统光环行器的缺陷，使得光环行器工作于整个通信波段内，在整个通信波段内，光环行器均有良好的插入损耗和隔离度指标。
附图说明
下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明：
图1为本发明全波段光环行器结构示意图；
图2是本全波段光环行器中波片组的半波片设置示意图；
图3是本全波段光环行器中半波片相移误差示意图；
图4是半波片的插损光谱示意图；
图5是法拉第旋光片布置示意图；
图6是法拉第旋光片插损光谱示意图；
图7是法拉第旋光片隔离度光谱示意图图；
图8是传统光环行器的插损光谱示意图；
图9是传统光环行器的隔离度光谱示意图；
图10是1440nm光环行器的插损光谱示意图；
图11是1440nm光环行器的隔离度光谱示意图；
图12是本全波段光环行器的插损光谱示意图；
图13是本全波段环行器的隔离度光谱示意图。
具体实施方式
实施例如图1和图2所示，本发明全波段光环行器包括依次布置的双光准直器1、第一位移晶体2、第一波片组3、第一法拉第旋光片4、角分离晶体组5、第二法拉第旋光片6、第二波片组7、第二位移晶体8和单光准直器9；所述第一波片组3和第二波片组7分别由两个半波片31、32构成，两个半波片31、32上下排列并且光轴取向关于水平方向对称。
优选的，所述第一波片组3和第二波片组7的两个半波片31、32与水平方向的夹角为±22.5°或±67.5°。
优选的，所述第一法拉第旋光片4和第二法拉第旋光片6的目标波长不同，所述第一波片组3和第二波片组7的目标波长相同。
优选的，所述第一法拉第旋光片4和第二法拉第旋光片6的目标波长分别为1310nm和1550nm，所述第一波片组3和第二波片组7的目标波长为1455nm。
优选的，所述第一波片组3、第二波片组7、第一位移晶体2、角分离晶体组5、第二位移晶体8的通光面镀全波段增透膜，所述增透膜在全波段范围内的反射率<0.2％。
优选的，所述双光准直器1和单光准直器9在监控波长下光学耦合。
优选的，所述监控波长选取1270nm和1610nm两个波长点，所述监控波长位于整个通信波段两端。
如图2所示，本全波段光环行器波片组的两个半波片与水平方向的夹角取±22.5°。
任意一个波片的相移量φ是波长λ的函数：
Figure BDA0002623257580000031
其中，ne、no是波片材料的双折射系数，d是波片物理厚度。当波长λ产生变化，相移量φ也会产生变化：
Figure BDA0002623257580000032
其中λ0是目标波长，φ0是目标相移量，Δφ是相移误差，它也是波长λ的函数。图3示出了以1550nm为目标波长的半波片相移误差图，对于半波片的目标相移量为φ0＝π。
严格来说，双折射系数ne、no也是波长相关的。在通信波段中，对于常用的YVO4材料或石英材料，其双折射系数相对波长的变化量不到1％，故视作常数。
对于光轴取向22.5°的半波片，其作用是对输入线偏振作翻转，比如将水平线偏振翻转为45°线偏振，或者将竖直线偏振翻转为-45°线偏振。这种翻转过程是可逆的。
如前所述，相移量φ是波长λ的函数，对于任意一个给定的半波片，只有在目标波长λ0下，相移量φ才恰好等于π，上述翻转过程严格成立，不产生插损。在其它波长下，相移量不再恰好等于π，上述翻转过程会产生插损。
半波片产生的插损ILHWP，跟自身的相移误差Δφ有关：
Figure BDA0002623257580000041
其中：
Figure BDA0002623257580000042
显然，当输入波长λ＝λ0时，相移误差Δφ＝0，相应地插损IL＝0。
当输入波长λ偏离λ0越多，相移误差Δφ就越大，相应地插损IL也越大。
图4示出了以1550nm为目标波长的半波片插损光谱示意图。
半波片的插损，是半波片传输矩阵的模，传输矩阵表示如下：
Figure BDA0002623257580000043
其中P0和P45分别是水平偏振器和45°偏振器的Jones矩阵，UHWP是半波片的Jones矩阵，符号“
Figure BDA0002623257580000046
”表示共轭转置。
本全波段环行器包括第一波片组3和第二波片组7，假设它们的目标波长分别为λ1和λ2，则它们的相移误差分别为：
Figure BDA0002623257580000044
第一波片组和第二波片组，共同产生的插损是它们各自插损的叠加：
Figure BDA0002623257580000045
如图5所示，法拉第旋光片4、6设置于磁环41内，在磁场作用下产生旋光，该旋光是不可逆的。
法拉第旋光片的旋光角θ也是波长λ的函数，旋光误差Δθ也是波长λ的函数：
Figure BDA0002623257580000051
线偏振光入射到法拉第旋光片后，大部分光被旋转θ角，由于旋光误差Δθ的存在，少部分光旋转角度偏离θ。旋光角为θ的大部分光功率，与入射光功率之比，即法拉第旋光片的插损，其数学表达式为：
ILF＝10log(cos2△θ)
旋光角偏离θ的少部分光功率，与旋光角为θ的大部分光功率之比，即法拉第旋光片的隔离度，其数学表达式为：
ISOF＝10log(sin2△θ)
法拉第旋光片的插损和隔离度，分别是法拉第旋光片正向和反向传输矩阵的模，传输矩阵表示如下：
Figure BDA0002623257580000052
其中，UF是法拉第旋光片的Jones矩阵。
假设法拉第旋光片的目标波长为1550nm，旋光角为45°，则法拉第旋光片的插损和隔离度光谱分别如图6和图7所示。
本全波段光环行器的第一法拉第旋光片4和第二法拉第旋光片6的旋光角θ＝45°。假设它们的目标波长分别为λ3和λ4，则它们的旋光误差分别为：
Figure BDA0002623257580000053
第一法拉第旋光片4和第二法拉第旋光片6，共同产生的插损和隔离度，分别是它们各自插损和隔离度的叠加：
ILF＝10log(cos2△θ1cos2△θ2),ISOF＝10log(sin2△θ1sin2△θ2)
光环行器的插损和隔离度，是波长相关的。其中，插损既取决于波片组的相移误差，又取决于法拉第旋光片的旋光误差，而隔离度仅取决于法拉第旋光片的旋光误差：
Figure BDA0002623257580000061
ISOCirculator＝10log(sin2△θ1sin2△θ2)
行业内传统设计的光环行器的工作波长是1310nm或1550nmnm，它们在各自工作波长内，指标良好。远离工作波长时，插损和隔离度显著劣化。以1550nm光环行器为例，图8和图9分别是整个通信波段(1260～1620nm)内的插损和隔离度光谱。可以明显看出，在整个C-band(1530nm～1565nm)，插损接近于0dB，隔离度>60dB。但在O波段(1260nm～1360nm)，插损和隔离度显著劣化。尤其在1260nm处，插损高达0.56dB，隔离度低至33dB。
如果希望光环行器在全波段都能工作，直接的方案是将波片组和法拉第旋光片的目标波长都设置于整个波段的中心，即1440nm左右。图10和图11分别是此方案的插损和隔离度光谱示意图。可以看出，无论在O-band(1260nm～1360nm)还是在L-band(1565nm～1620nm)，插损均降低至0.3dB，隔离度均达到40dB。这种方案的缺点在于，以1440nm为目标波长的法拉第旋光片，不是标准材料，成本较高。同时，该方案隔离度指标依然不够高。
本全波段环行器，第一法拉第旋光片和第二法拉第旋光片的目标波长不同，分别选取λ3＝1310nm，λ4＝1550nm。第一波片组和第二波片组的目标波长相同，比如选取λ1＝λ2＝1455nm。图12和图13分别是插损和隔离度光谱示意图。可以看出，在整个通信波段，插损降低至0.3dB。另一方面，隔离度呈现双波谷，在整个波段均满足>43dB。
本全波段环行器优点在于以1310nm和1550nm为目标波长的法拉第旋光片，是标准材料，容易获得。同时，该方案隔离度指标可达43dB。
光环行器的插损和隔离度指标，不仅仅取决于波片组和法拉第旋光片，还和镀膜有关，也和加工过程中的监控波长有关。
本全波段环行器的第一波片组、第二波片组、第一位移晶体、角分离晶体组、第二位移晶体的通光面镀全波段增透膜，比如在1260～1620nm波段内，反射率R<0.2％。
本全波段环行器的双光准直器和单光准直器在合适的监控波长下作光学耦合。监控波长应位于整个通信波段两端，比如选取两个波长点：1270nm和1610nm。因为光学耦合效果通常都是在整个波段的两端最差，所以监控两端的波长，有利于监控和提高光学耦合效果的下限。
本全波段环行器除了插损和隔离度，其它指标均是波长无关，比如回损、方向性等，这些指标与传统设计的光环行器一致。

Claims (6)

1.一种全波段光环行器，其特征在于：本光环行器包括依次布置的双光准直器、第一位移晶体、第一波片组、第一法拉第旋光片、角分离晶体组、第二法拉第旋光片、第二波片组、第二位移晶体和单光准直器；所述第一波片组和第二波片组分别由两个半波片构成，两个半波片上下排列并且光轴取向关于水平方向对称,所述第一波片组和第二波片组的两个半波片与水平方向的夹角为±22.5˚或±67.5˚。
2.根据权利要求1所述的全波段光环行器，其特征在于：所述第一法拉第旋光片和第二法拉第旋光片的目标波长不同，所述第一波片组和第二波片组的目标波长相同。
3.根据权利要求2所述的全波段光环行器，其特征在于：所述第一法拉第旋光片和第二法拉第旋光片的目标波长分别为1310nm和1550nm，所述第一波片组和第二波片组的目标波长为1455nm。
4.根据权利要求1、2或3所述的全波段光环行器，其特征在于：所述第一波片组、第二波片组、第一位移晶体、角分离晶体组、第二位移晶体的通光面镀全波段增透膜，所述增透膜在全波段范围内的反射率<0.2%。
5.根据权利要求4所述的全波段光环行器，其特征在于：所述双光准直器和单光准直器在监控波长下光学耦合。
6.根据权利要求5所述的全波段光环行器，其特征在于：所述监控波长选取1270nm和1610nm两个波长点，所述监控波长位于整个通信波段两端。
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