CN1190676C - 光环行器及其中的偏振光环行装置 - Google Patents

Abstract

公开了一种光环行器，其沿正方向光路顺序包含：偏振光环行装置，包含共轴成像透镜组，和沿光路设置在该共轴成像透镜组外围的光束平移片；第一偏振光转换装置，将沿正方向光路入射的光束转换为偏振方向垂直于所述偏振光环行装置中光束平移片的光轴的偏振光，入射到该偏振光环行装置；第二偏振光转换装置，将沿反方向光路入射的光束转换为偏振方向平行于所述偏振光环行装置中光束平移片的光轴所在平面的偏振光，入射到该偏振光环行装置。

Description

光环行器及其中的偏振光环行装置

技术领域

本发明涉及光纤通信器件，特别是涉及一种光纤无源器件。

背景技术

在现代光纤通信网络中，光环行器是一种多用途的关键器件。将光环行器安装在现有的单向通信的光纤的两端，可以立刻使原来的光纤具备双向的，比原来大一倍的传输的能力。此外，光环行器还应用在波分复用(WDM)、掺铒光纤放大器(EDFA)、色散补偿及光时域分析(OTDR’s)等系统中。

光环行器是一种多端口非互易的光纤无源器件，典型的有三端口光环行器和四端口光环行器。其功能是：从端口1输入光环行器的光束，由端口2输出，但是从端口2输入的光束，却不会由端口1输出，而是由端口3输出。三端口以上的光环形器的功能可以次类推。

目前与本发明最接近的现有技术是美国专利US6175448号，该现有技术的核心是采用“光束角度偏转器”，即渥拉斯顿棱镜或罗且尔棱镜对不同偏振态的线偏振光按不同的方向和路线折射，从而实现非互易的光束循环功能。

图1为依照该现有技术的光环行器的立体结构图，其各组成元件沿Z轴方向排列如下：光端口110和130、分束/合束晶体111、法拉第旋光片112A和112B、透镜113、渥拉斯顿棱镜114A-B、透镜123、法拉第旋光片122A和122B、分束/合束晶体121以及光端口120。图2A和图2B分别为该光环行器的俯视光路图和侧视光路图，光束从端口110到端口120的传输过程如下：光束由端口110入射到分束/合束晶体111的第一表面，在Y轴方向上分离成两束偏振态相互垂直，传播方向相互平行的线偏振光，随后分别透射法拉第旋光片112A和112B。法拉第旋光片113A和113B的旋光角度都是45度，但它们自身的磁场方向相反，即旋光的方向相反。因此，这两束偏振态相互垂直的线偏振光经过法拉第旋光片后，变换成两束偏振态相互平行的线偏振光，经透镜113折射后进入渥拉斯顿棱镜114A-B。在X轴方向上，这两束线偏振光被渥拉斯顿棱镜114A-B折射成沿Z轴方向传播，在Y轴方向上，两束线偏振光在渥拉斯顿棱镜114A-B的界面交叉后进入透镜123，传播方向被重新折射成平行状态。接着两束线偏振光分别入射第二组法拉第旋光片123A和123B，这两片法拉第旋光片同样旋光方向相反，将两束偏振态相互平行的线偏振光又变换为两束偏振态相互垂直的线偏振光，正好被第二个分束/合束晶体121合成一束光后由端口120输出。

光束从端口120到端口130的传输原理与上述相同，但是由于法拉第旋光片的旋光方向只和自身磁场方向有关，和光束传播方向无关，因此从端口120到端口130的光束在经过渥拉斯顿棱镜时，其偏振态正好与从端口110到端口120的光束的偏振态垂直，因而被渥拉斯顿棱镜折射到端口130而不是110输出，从而实现环形器的非互易功能。

上述现有技术有以下不足之处：

首先，由于上述光环行器的特殊结构，要求渥拉斯顿棱镜在光路中所处的位置必须非常精确，如果渥拉斯顿棱镜发生轻微位移或旋转，将极大影响整个光环行器的性能。因此光环行器抵抗外界环境变化，如温度高低变化、机械震动冲击等，的能力比较低。

其次，上述现有技术中透镜113的会聚角不但要与透镜123的会聚角相等，还必须等于渥拉斯顿棱镜114A-B的分光角，否则，光环行器的各项参数将受到极大影响。这将给制作过程中的组件选配及光路调整带来较大困难，增加了工艺复杂程度。

再次，上述现有技术中的“光束角度偏转器”，即渥拉斯顿棱镜或罗且尔棱镜成本较高，使用上述棱镜将难以降低器件的成本。

并且，上述现有技术结构为典型的三端口光环行器设计，增加新端口时新端口的位置受透镜焦距以及渥拉斯顿棱镜的分光角和光楔角度等多种因素限制，使得光环行器的光路以及端口对于器件光轴不对称。因此将导致生产工艺复杂，元件成本也相应较高，所以该结构不适宜构造四端口以上光环行器。

发明内容

本发明的目的之一在于提出一种光环行器，其沿正方向光路顺序包含：第一偏振光转换装置，偏振光环行装置，第二偏振光转换装置，其中：偏振光环行装置，包含共轴成像透镜组，和沿光路设置在该共轴成像透镜组外围的光束平移片；第一偏振光转换装置，将沿正方向光路入射的光束转换为偏振方向垂直于所述偏振光环行装置中光束平移片的光轴的偏振光，入射到该偏振光环行装置；第二偏振光转换装置，将沿反方向光路入射的光束转换为偏振方向平行于所述偏振光环行装置中光束平移片的光轴所在平面的偏振光，入射到该偏振光环行装置。

较佳地，所述的共轴成像透镜组包含焦平面重合的一个第一成像元件和一个第二成像元件。

较佳地，所述的共轴成像透镜组可以由渐变折射率透镜、球面透镜、或非球面透镜组成。

较佳地，所述的光束平移片的数目是一个或一个以上，且不同的光束平移片的光轴位于同一平面或相互平行的平面中。

较佳地，所述的光束平移片为双折射晶体。例如可以是钒酸钇晶体、铌酸锂晶体、金红石晶体或方解石晶体。

较佳地，本发明的光环行器进一步包含：第一光端口组，包含至少两个光端口，沿光路设置在第一偏振光转换装置的外围；第二光端口组，包含至少一个光端口，沿光路设置在第二偏振光转换装置的外围；并且该第一光端口组的端口面和该第二光端口组的端口面，分别位于该共轴成像透镜组的两个相互共扼的一个第一共扼面和一个第二共扼面上。

较佳地，所述的第一共扼面和第二共扼面分别是该共轴成像透镜组的两个焦平面。

较佳地，所述的第一偏振光转换装置沿正方向光路顺序包含：第一分束/合束晶体，将一束自然光分为两束偏振态相互垂直的偏振光，和将两束偏振态相互垂直的偏振光合成一束自然光；第一可逆旋光片组，将透射的相互垂直的两束偏振光的偏振态进行可逆旋转成偏振方向一致，该偏振方向与所述偏振光环行装置中光束平移片的光轴所在平面成45度或135度；第一不可逆旋光片，将透射的偏振光的偏振态进行45度或135度不可逆旋转，使沿正方向透射的偏振光的偏振态垂直于所述偏振光环行装置中光束平移片的光轴。所述的第二偏振光转换装置沿反方向光路顺序包含：第二分束/合束晶体，将一束自然光分为两束偏振态相互垂直的偏振光，和将两束偏振态相互垂直的偏振光合成一束自然光；第二可逆旋光片组，将透射的相互垂直的两束偏振光的偏振态进行可逆旋转成偏振方向一致，该偏振方向与所述偏振光环行装置中光束平移片的光轴所在平面成135度或45度；第二不可逆旋光片，将透射的偏振光的偏振态进行45度或135度不可逆旋转，使沿反方向透射的偏振光的偏振态垂直于所述偏振光环行装置中光束平移片的光轴。

较佳地，所述的第一可逆旋光片组和第二可逆旋光片组，均包括两片光环形器工作波长的二分之一波片。

较佳地，所述的第一不可逆旋光片和第二不可逆旋光片，是钇铁石榴石或掺铋薄膜晶体，其旋光方向仅和所处磁场的磁场方向有关。

较佳地，所述的第一分束/合束晶体和第二分束/合束晶体，是双折射晶体。例如可以是钒酸钇晶体、铌酸锂晶体、金红石晶体或方解石晶体。

本发明的另一个目的在于提出一种偏振光环行装置，用于光环行器中，包含：共轴成像透镜组，和沿光路设置在该共轴成像透镜组外围的光束平移片。

较佳地，所述的共轴成像透镜组包含焦平面重合的一个第一成像元件和一个第二成像元件。

较佳地，所述的共轴成像透镜组可以由渐变折射率透镜、球面透镜、或非球面透镜组成。

较佳地，所述的光束平移片的数目是一个或一个以上，且不同的光束平移片的光轴位于同一平面或相互平行的平面中。

较佳地，所述的光束平移片为双折射晶体。例如可以是钒酸钇晶体、铌酸锂晶体、金红石晶体或方解石晶体。

本发明提供的一种结构简单、紧凑的多端口光环行器结构，具备低插入损耗、低偏振模色散等高性能，和低廉的制作成本。并且光环行器的端口易于扩充，可以满足不同的使用需求。

本发明由于不采用“光束角度偏转器”，即渥拉斯顿棱镜或罗且尔棱镜进行线偏振光的折射，因而不存在现有技术中由于采用渥拉斯顿棱镜或罗且尔棱镜而导致的问题。本发明采用光束平移片使线偏振光产生平移，光束平移片的轴向或侧向的轻微位移对器件的性能几乎没有影响。因此，器件的可靠性和稳定性较高。

并且，由于不采用“光束角度偏转器”，即渥拉斯顿棱镜或罗且尔棱镜进行线偏振光的折射，不存在透镜的会聚角与渥拉斯顿棱镜的分光角的配合问题，因此制作工艺相对简单，易于生产。

进一步地，本发明使用的光束平移片与“光束角度偏转器”，即渥拉斯顿棱镜或罗且尔棱镜相比，没有斜面、体积小、价格低，从而使得器件的成本更低。

本发明的另一个重要优点在于其易扩充性，依照本发明可以设计出非常简单易行的多端口光环行器，而不会明显增加成本。

附图说明

图1为现有技术中光环形器的立体结构图；

图2A-B为图1所示现有技术光环形器的俯视和侧视光路图；

图3A-B为光束平移片的工作原理图；

图4为作为共轴成像透镜组的一个例子的双透镜成像的光路图；

图5为依照本发明的多端口光循环系统的工作原理图；

图6为本发明第一实施例的光环形器600的立体结构图；

图7A为本发明第二实施例光环形器700的立体结构图；图7B标明了光环形器700中二分之一波片的光轴方向；

图8A-B为光环形器700的俯视和侧视光路图；

图9A-B为光束分别由光环形器700的两个光通道传输的过程中，经过各光学界面时的位置和偏振态；

图10为本发明第三实施例光环形器1000的立体结构图；

图11A-B为光环形器1000的俯视和侧视光路图；

图12A-B-C为光束分别由光环形器1000的三个光通道传输的过程中，经过各光学界面时的位置和偏振态；

图13为本发明第四实施例光环形器1300的立体结构图；

图14A-B为光环形器1300的俯视和侧视光路图；

图15A-B-C为光束分别由光环形器1500的三个光通道传输的过程中，经过各光学界面时的位置和偏振态；

图16为本发明第五实施例光环形器1600的立体结构图；

图17A-B为光环形器1600的俯视和侧视光路图；

图18A-B-C为光束分别由光环形器1600的三个光通道传输的过程中，经过各光学界面时的位置和偏振态；

图19为本发明第六实施例光环形器1900的立体结构图；

图20A-B为光环形器1900的俯视和侧视光路图；

图21A-B-C为光束分别由光环形器1900的三个光通道传输的过程中，经过各光学界面时的位置和偏振态；

图22为本发明第七实施例光环形器2200的立体结构图；

图23A-B为光环形器2200的俯视和侧视光路图；

图24A-B-C-D-E为光束分别由光环形器2200的五个光通道传输的过程中，经过各光学界面时的位置和偏振态。

具体实施方式

图3A-B为光束平移片的工作原理图。

光束平移片由单轴双折射晶体制成，其特点是入射光的偏振态决定其在通过光束平移片后是否发生平移。图3A-B所示为光束平移片的工作原理，图中14为光束平移片，其厚度为L，晶体的光轴314在X-Z平面(图面)内，与晶体的侧面的夹角为a。图3A所示为偏振态垂直于X-Z平面的线偏振光垂直入射光束平移片14的光路，由于入射光的偏振态垂直于光轴，因此入射光在晶体中按O光(寻常光)折射规律折射。即入射的偏振光在X轴方向上没有发生偏移，出射光与入射光在同一条直线上。在这种情况下，晶体厚度L与光轴方向a对出射光路没有影响。

图3B所示为偏振态平行于X-Z平面的线偏振光垂直入射光束平移片14的光路，由于入射光的偏振态平行于光轴所在的平面，因此在晶体中以E光(非寻常光)折射规律折射。即入射的偏振光在X轴方向上发生偏移，出射光与入射光不在同一条直线上，而是在两条平行的，距离为H的直线上。也就是说，光束平移片将入射光在X-Z平面内沿X轴平移了H距离。在这种情况下，晶体厚度L和光轴方向a都会影响平移距离H的大小，根据晶体的特性选择合适的晶体厚度L和光轴方向a，就可以得到所需要的平移距离H。

图4是作为共轴成像透镜组的一个例子的双透镜成像的光路图。

图4所示为由两个透镜组成的共轴成像系统，其光轴平行于Z轴，其中15、25为两个的准直透镜，焦距分别为f1和f2。平面405为两个透镜15和25共同的焦平面，透镜15的另一个焦平面为415，透镜25的另一个焦平面为425。

如果在透镜15的焦平面415上排列一组间距相等的点光源，则这些点光源都将在透镜25的焦平面425上成一组间距相等的像，其过程如下：沿X轴排列的点光源S1，S2，S3，……S(N-1)，S(N)发出的光被透镜15变换为N条准直光束，并向其焦点方向折射。所有的准直光束都经过透镜15与透镜25的共同焦点，即平面405与光轴的交点，然后入射透镜25。对于透镜25来说，这些光束都由其焦点发出，因此都被透镜25折射成沿Z轴方向传播；同时，由于这些光束都是准直光束，所以都被透镜25会聚于其焦平面425，也就是说，上述点光源在平面425上成一组像S1′，S2′，S3′，……S(N-1)′，S(N)′，这些像点分别与平面415上的点光源互为共轭点，并且同样沿X轴排列。根据几何关系，容易推得平面225上的这组像点的间距相等，并且其间距与平面415上的点光源的间距成正比。设平面415上点光源的间距为H15，平面425上像点的间距为H25，则有

                       H15/H25＝f1/f2

当f1＝f2时，H15＝H25。

图5为依照本发明的多端口光循环系统的工作原理图。

利用上述光束平移片和双透镜成像的特点，在两个透镜与其焦平面之间分别插入两片光束平移片，即可组成一个多端口光循环系统。其结构及工作原理如图5所示，光循环系统的第一端口组端口1，3，5，……N，沿X轴等距离排列在透镜15的焦平面515上，间距为H15。第二端口组端口2，4，6，……N-1，N+1，沿X轴等距离排列在透镜25的焦平面525上，间距为H25。并且对于透镜组15和25，两组端口分别两两共轭，即H15/H25＝f1/f2。光束平移片14、24分别联接在透镜15、25与其焦平面515、525之间，其光轴都在X-Z平面内。光束平移片14对E光(非寻常光)的平移距离H14为第一端口组端口间距H15的一半，即H14＝1/2 H15；光束平移片24对E光(非寻常光)的平移距离为H24为第二端口组端口间距H25的一半，即H24＝1/2 H25。如果f1＝f2，则H15＝H25，H14＝H24。

多端口光循环系统中光束的传播如下：

端口1到端口2：以一束偏振态垂直于X-Z平面的线偏振光从端口1输出，对于光束平移片14和24，这束光经过时都是O光(寻常光)，不发生平移。根据以上双透镜成像的分析，这束光将会聚到平面525上的端口2输出。

端口2到端口3：以一束偏振态平行于X-Z平面的线偏振光由端口2输出，经过光束平移片24后光束沿X轴方向发生平移，平移距离为端口2与端口4的间距的一半，平移的方向为X轴正方向。也就是说，在X轴上，这束光在透镜25上入射点正好是端口2和端口4的中点。因此，这束光从透镜15的出射点在X轴上也正好是端口1与端口3的中点。然后这束光入射光束平移片14并再次沿X轴方向发生平移，平移距离为端口1与端口3的间距的一半，平移方向为X轴负方向。所以，这光束从光束平移片14出射时，在X轴上的位置正好与端口3相同，最终耦合到端口3输出。

同理，由端口3输入的偏振态垂直于X-Z平面的线偏振光，将耦合到端口4输出；由端口4输入的偏振态平行于X-Z平面的线偏振光，将耦合到端口5输出；……；由端口N-1输入的偏振态平行于X-Z平面的线偏振光，将耦合到端口N输出；由端口N输入的偏振态垂直于X-Z平面的线偏振光，将耦合到端口N+1输出。

由此可见，上述系统已经实现了偏振光的环行功能，其光环路为端口1-端口2-端口3……-端口N-端口N+1，因此只要在光束平移片14与平面515之间，以及光束平移片24与平面525之间配置偏振光转换装置，实现非互易的自然光/偏振光转换，即可构成完整的偏振无关的多端口光环行器。

图6为本发明第一实施例的光环形器600的立体结构图。其各组成元件沿Z轴正方向顺序联接如下：

第一端口组端口10、30、50……，将光束输入或输出光环行器，其可以是普通光纤，也可以是热膨胀纤芯(TEC)光纤，端口数量由具体使用要求确定；

第一分束/合束晶体11，将一束自然光分为两束偏振态相互垂直的线偏振光，或将两束偏振态相互垂直的线偏振光合成一束自然光，为双折射晶体，可以是钒酸钇晶体、铌酸锂晶体、金红石晶体或方解石晶体等；

第一可逆旋光片组12A-B，将透射的线偏振光的偏振态进行可逆旋转，包括两片光环形器工作波长的二分之一波片，每片二分之一波片旋光的角度和方向，与其光轴方向和线偏振光的偏振态有关；

第一不可逆旋光片13，将透射的线偏振光的偏振态进行不可逆旋转，可以是钇铁石榴石(YIG)或掺铋薄膜晶体构成的法拉第旋光片，其旋光的方向仅和所处磁场的磁场方向有关，而与线偏振光的偏振态及传播方向无关；

第一光束平移片14，使入射的偏振态平行(或垂直)于其光轴所在平面的线偏振光发生(或不发生)位移，为双折射晶体，可以是钒酸钇晶体、铌酸锂晶体、金红石晶体或方解石晶体；

第一成象元件615，将光束折射，同时对光束进行准直或将准直光束会聚，可以是渐变折射率(自聚焦)透镜，也可以是球面或非球面透镜；

第二成象元件625，将光束折射，同时对光束进行准直或将准直光束会聚，可以是渐变折射率(自聚焦)透镜，也可以是球面或非球面透镜；

第二光束平移片24，使入射的偏振态平行(或垂直)于其光轴所在平面的线偏振光发生(或不发生)位移，为双折射晶体，可以是钒酸钇晶体、铌酸锂晶体、金红石晶体或方解石晶体；

第二不可逆旋光片23，将透射的线偏振光的偏振态进行不可逆旋转，可以是钇铁石榴石(YIG)或掺铋薄膜晶体构成的法拉第旋光片，其旋光的方向仅和所处磁场的磁场方向有关，而与线偏振光的偏振态及传播方向无关；

第二可逆旋光片组22A-B，将透射的线偏振光的偏振态进行可逆旋转包括两片光环形器工作波长的二分之一波片，每片二分之一波片旋光的角度和方向，与其光轴方向和线偏振光的偏振态有关；

第二分束/合束晶体21，将一束自然光分为两束偏振态相互垂直的的线偏振光，或将两束偏振态相互垂直的的线偏振光合成一束自然光，为双折射晶体，可以是钒酸钇晶体、铌酸锂晶体、金红石晶体或方解石晶体等；

第二端口组端口20、40、60……，将光束输入或输出光环行器，其可以是普通光纤，也可以是热膨胀纤芯(TEC)光纤，端口数量由具体使用要求确定。

本发明的第二实施例光环形器700为一个具体三端口形式，下面结合第二实施例与附图对本发明进一步详细阐述：

图7A为第二实施例光环形器700的立体结构图，沿Z轴正方向具体联接的元件有：第一、第三光纤端口10和30，第一分束/合束晶体11，第一组二分之一波片12A-B，第一法拉第旋光片13，第一光束平移片14，第一非球面透镜15，第二非球面透镜25，第二光束平移片24，第二法拉第旋光片23，第二组二分之一波片22A-B，第二分束/合束晶体21，以及第二光纤端口20。

其中第一、第二及第三光纤端口10、20和30为热膨胀纤芯(TEC)光纤，以提高端口对空间光束的耦合效率，降低器件性能对光纤端口位置的敏感度。第一分束/合束晶体11和第二分束/合束晶体21的光轴方向分别如图7A中711和721所示，它们都在Y-Z平面(即晶体侧面)内，与X-Z平面(即晶体底面)成45度角。第一光束平移片14和第二光束平移片24的光轴则都在X-Z平面内(即晶体底面)，与Y-Z平面(即晶体侧面)成45度角，具体方向如714中724所示。并且光束平移片14和24的厚度相等，即对E光(非寻常光)的平移距离相等，都等于端口10和端口30的间距的一半。图7B标明了两组二分之一波片的光轴方向：712A、712B分别为二分之一波片12A、12B的光轴方向；722A、722B分别为二分之一波片22A、22B的光轴方向。第一、第二法拉第旋光片13和23为钇铁石榴石(YIG)晶片，其旋光角度均为45度，沿Z轴正方向观察，其旋光方向均为顺时针。第一、第二非球面透镜15和25的焦距相等，两个透镜的间距为其焦距之和。

图8A与图8B分别为光环形器700的俯视和侧视光路图，图中平面805为第一非球面透镜15和第二非球面透镜25共同的焦平面。第一非球面透镜15的另一个焦平面为815，其中包含了第一、第三光纤端口10和30的端面。第二非球面透镜25的另一个焦平面为825，其中包含了第二光纤端口20的端面。

光环形器700中光束由端口10到端口20的具体传播过程如下：由端口10输入的光束入射到分束/合束晶体11的第一表面，被分束/合束晶体11沿Y轴方向分离为两束偏振态相互垂直的线偏振光后，平行于Z轴出射，分别透射二分之一波片12A和12B，两束光的偏振态被旋转成相互平行并且与X正轴和Y正轴都成45度。接着两束线偏振光透射第一法拉第旋光片13，偏振态被顺时针旋转至与Y轴平行后，进入第一光束平移片14。由于第一光束平移片14的光轴在X-Z平面内，与入射的两束线偏振光的偏振态垂直，因此这两束线偏振光在第一光束平移片14中以O光(寻常光)折射规律折射，在X轴方向上不发生平移。

随后这两束线偏振光入射第一非球面透镜15，由于两束光由第一光纤端口10的端面即透镜15的焦平面发出，所以被透镜15变换为准直光束。同时，由于两束线偏振光平行于Z轴入射，因此被透镜15向其焦点方向折射。在X-Z平面内，两束线偏振光经过第一非球面透镜15与第二非球面透镜25的共同焦点后入射透镜25，传播方向被折射成Z轴正方向。在Y-Z平面内，两束线偏振光在第一非球面透镜15与第二非球面透镜25的共同焦点处交叉后入射透镜25，传播方向被折射成Z轴正方向后平行出射。由于这两束光在入射第二非球面透镜25时为准直光束，因此将被会聚到透镜25的焦平面525上，具体会聚于第二光纤端口20的端面。

两束线偏振由第二非球面透镜25光平行出射后入射第二光束平移片24，由于第二光束平移片24的光轴也在X-Z平面内，与入射的两束线偏振光的偏振态垂直，因此这两束线偏振光在第二光束平移片24中同样以O光(寻常光)折射规律折射，在X轴方向上不发生位移。接着两束线偏振光经过第二法拉第旋光片23，振态被顺时针旋转至与X负轴和Y正轴都成45度，然后分别透射分别透射二分之一波片22A和22B，两束线偏振光的偏振态再次被旋转成相互垂直，正好被第二分束/合束晶体21沿Y轴方向合成一束光，耦合到端口20输出。图9A为光束从端口10到端口20的传播过程中，经过各光学界面时的位置和偏振态。

光环形器700中光束由端口20到端口30的传播过程与光束由端口10到端口20的传播过程相似，具体过程如下：光束由端口20入射到分束/合束晶体21的表面后，被分束/合束晶体21沿Y轴方向分离为两束偏振态相互垂直的线偏振光后，平行于Z轴出射，分别透射二分之一波片22A和22B，两束线偏振光的偏振态被旋转成相互平行并且与X负轴和Y正轴都成45度。接着两束线偏振光透射第二法拉第旋光片23，偏振态被顺时针旋转至与X轴平行后，进入第二光束平移片24。由于入射的两束线偏振光的偏振态平行于第二光束平移片24的光轴所在的X-Z平面，因此这两束线偏振光在第二光束平移片24中以E光(非寻常光)折射规律折射，沿X轴方向发生平移，平移的距离为端口10和端口30的间距的一半，平移的方向为X轴正方向。接着这两束线偏振光入射第二非球面透镜25，被两个透镜的准直、折射和会聚后，从透镜15出射，并且在X轴上，出射点的位置正好是端口10与端口30的中点。

然后两束线偏振光经过第一光束平移片14，在第一光束平移片14中同样以E光(非寻常光)折射规律折射，沿X轴方向再次发生生平移，平移的距离同样为端口10和端口30的间距的一半，但平移的方向为X轴负方向，因此，这两束线偏振光从光束平移片14出射时，在X轴方向上的位置正好与端口3相同。接着两束线偏振光透射第一法拉第旋光片13，偏振态被顺时针旋转至与X正轴和Y正轴都成45度，正好被二分之一波片12A和12B旋转成相互垂直，最后被第一分束/合束晶体11沿Y轴方向合成一束光，耦合到端口30输出。图9B为光束从端口20到端口30的传播过程中，经过各光学界面时的位置和偏振态。

结合图8A-B和图9A-B可以看出，光束通过光环形器700的光通道传输的过程中，仅在两束线偏振光经过第一和第二分束/合束晶体时会产生光程差，但两个分束/合束晶体产生的光程差恰好完全互补，所以理论上光环形器700的光通道不会产生偏振模色散。

本发明的第三实施例光环形器1000是一个具体四端口形式。其立体结构见图10所示，光环形器1000在光环形器700的基础上增加了第四端口40，和端口20一样，端口40的端面也在第二非球面透镜25的焦平面上，并且端口40与端口20的间距等于端口10与端口30的间距。此外，光环形器1000的其它组成元件与光环形器700完全相同。

图11A与图11B分别为光环形器700的俯视和侧视光路图，光环形器1000中光束从端口10到端口20，以及从端口20到端口30的传播路线和原理与光环形器700完全相同。光束由端口30到端口40的传播路线与光束从端口10到端口20的传播路线以Z轴为对称轴对称，其传播原理则完全相同，在此不再重复。图12A、图12B及图12C分别为光束通过端口10-端口20通道、端口20-端口30通道、端口30-端口40通道传输过程中，经过各光学界面时的位置和偏振态。

本发明的第四实施例光环形器1300为另一个具体的四端口形式，其立体结构如图13所示。其中第一成象元件16及第二成象元件26均为格林透镜，即自聚焦透镜，除此之外，其它所有组成元件与第三实施例光环形器1000完全相同。

图14A与图14B分别为光环形器1300的俯视和侧视光路图，图中垂直于Z轴的平面1406为第一格林透镜16和第二格林透镜26共同的焦平面。第一格林透镜16的另一个焦平面为1416，其中包含了第一、第三光纤端口10和30的端面。第二格林透镜26的另一个焦平面为1426，其中包含了第二、第四光纤端口20和40的端面。光环形器1300的工作原理与光环形器1000相同，在此不再重复。图15A、图15B及图15C分别为光束通过光环形器1000的端口10-端口20通道、端口20-端口30通道、端口30-端口40通道传输过程中，经过各光学界面时的位置和偏振态。

本发明的第五实施例光环形器1600为第三个具体的四端口形式，其立体结构如图16所示。光环形器1600只使用了一片光束平移片17，联接在第一法拉第旋光片13与第一非球面透镜15之间。除了光束平移片，光环形器1600的其它所有组成元件与第三实施例光环形器1000完全相同。

与光环形器1000中的光束平移片14同样，光束平移片17的光轴也在X-Z平面内(即晶体底面)，与Y-Z平面(即晶体侧面)成45度角，具体方向如1617所示。不同的是，光束平移片17的厚度为光束平移片14的两倍，因此光束平移片17对偏振光的平移距离也是光束平移片14的两倍，即等于端口10和端口30的间距。

图17A与图17B分别为光环形器1600的俯视和侧视光路图。光环形器1600中，从端口20输入的光束经过第二分束/合束晶体21、第二组二分之一波片22A-B和第二法拉第旋光片23后变换成两束偏振态平行于X-Z平面的线偏振光，然后入射第二非球面透镜25，被两个透镜的准直、折射和会聚后，从透镜15出射，并且在X轴上，出射点的位置与端口10相同。接着两束线偏振光入射光束平移片17，在光束平移片17中以E光(非寻常光)折射规律折射，沿X轴方向发生生平移，平移的距离为端口10和端口30的间距，平移的方向为X轴负方向。因此，两束线偏振光从光束平移片17中出射时，在X轴上的位置正好与端口30相同。接着两束线偏振光经过第一法拉第旋光片13、第一组二分之一波片12A-B和第一分束/合束晶体11的变换，最终合成一束光耦合到端口30输出。

光环形器1600中，光束通过端口10-端口20通道、端口30-端口40的传播过程和原理与光环形器1000相同，在此不再重复。图18A、图18B及图18C分别为光束通过光环形器1600的端口10-端口20通道、端口20-端口30通道、端口30-端口40通道传输过程中，经过各光学界面时的位置和偏振态。

本发明的第六实施例光环形器1900为第四个具体的四端口形式，其立体结构如图19所示。光环形器1900也只使用了一片光束平移片18，联接在第二非球面透镜25与第二法拉第旋光片23之间。除了光束平移片，光环形器1900的其它所有组成元件与第三实施例光环形器1000完全相同。

和光环形器1000中的光束平移片24一样，光束平移片18的光轴也在X-Z平面内(即晶体底面)，与Y-Z平面(即晶体侧面)成45度角，具体方向如1918所示。不同的是，光束平移片18的厚度为光束平移片24的两倍，因此光束平移片18对偏振光的平移距离也是光束平移片24的两倍，即等于端口20和端口40的间距。

图20A与图20B分别为光环形器1900的俯视和侧视光路图。光环形器1900的工作原理与第五实施例光环形器1600相同，在此不再重复。图21A、图21B及图21C分别为光束通过光环形器1900的端口10-端口20通道、端口20-端口30通道、端口30-端口40通道传输过程中，经过各光学界面时的位置和偏振态。

本发明的第七实施例光环形器2200为一个具体的六端口形式，其立体结构如图22所示，光环形器2200在第三实施例光环形器1000的基础上增加了第五端口50和第六端口60。新增的端口50和端口10、30并列，其端面在第一非球面透镜15的焦平面上；新增的端口60和端口20、40并列，其端面在第二非球面透镜25的焦平面上。每一列端口的间距相等，并且等于另一列端口的间距。除了新增的端口，光环形器2200的其它组成元件与第三实施例光环形器1000完全相同。

图23A与图23B分别为光环形器2200的俯视和侧视光路图。光环形器2200的各个通道的工作原理与第三实施例光环形器1000相同，在此不在重复。图24A、图24B、图24C、图24D及图24E分别为光束通过光环形器2200的端口10-端口20通道、端口20-端口30通道、端口30-端口40通道、端口40-端口50通道、端口50-端口60通道传输过程中，经过各光学界面时的位置和偏振态。

本发明提供的一种结构简单、紧凑的多端口光环行器结构，具备低插入损耗、低偏振模色散等高性能，和低廉的制作成本。并且光环行器的端口易于扩充，可以满足不同的使用需求。在上述四端口和六端口的实施例中，光环形器两端光端口的位置以及光束的传播路线均为对称结构，因而光路易于调整，元件成本也相应较低。

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权利要求范围之内。

Claims (16)

1、一种光环行器，其特征在于沿正方向光路顺序包含：第一偏振光转换装置，偏振光环行装置，第二偏振光转换装置，其中

偏振光环行装置，包含共轴成像透镜组，和沿光路设置在该共轴成像透镜组外围的光束平移片；

第一偏振光转换装置，将沿正方向光路入射的光束转换为偏振方向垂直于所述偏振光环行装置中光束平移片的光轴的偏振光，入射到该偏振光环行装置；

第二偏振光转换装置，将沿反方向光路入射的光束转换为偏振方向平行于所述偏振光环行装置中光束平移片的光轴所在平面的偏振光，入射到该偏振光环行装置。

2、如权利要求1所述的光环行器，其特征在于，所述的共轴成像透镜组包含焦平面重合的一个第一成像元件和一个第二成像元件。

3、如权利要求1所述的光环行器，其特征在于，所述的共轴成像透镜组可以由渐变折射率透镜、球面透镜、或非球面透镜组成。

4、如权利要求1所述的光环行器，其特征在于，所述的光束平移片的数目是一个或一个以上，且不同的光束平移片的光轴位于同一平面或相互平行的平面中。

5、如权利要求1所述的光环行器，其特征在于，所述的光束平移片为双折射晶体。

6、如权利要求1所述的光环行器，其特征在于进一步包含：

第一光端口组，包含至少两个光端口，沿光路设置在第一偏振光转换装置的外围；

第二光端口组，包含至少一个光端口，沿光路设置在第二偏振光转换装置的外围；并且

该第一光端口组的端口面和该第二光端口组的端口面，分别位于该共轴成像透镜组的两个相互共扼的一个第一共扼面和一个第二共扼面上。

7、如权利要求6所述的光环行器，其特征在于，所述的第一共扼面和第二共扼面分别是该共轴成像透镜组的两个焦平面。

8、如权利要求1所述的光环行器，其特征在于，所述的第一偏振光转换装置沿正方向光路顺序包含：

第一分束/合束晶体，将一束自然光分为两束偏振态相互垂直的偏振光，和将两束偏振态相互垂直的偏振光合成一束自然光；

第一可逆旋光片组，将透射的相互垂直的两束偏振光的偏振态进行可逆旋转成偏振方向一致，该偏振方向与所述偏振光环行装置中光束平移片的光轴所在平面成45度或135度；

第一不可逆旋光片，将透射的偏振光的偏振态进行45度或135度不可逆旋转，使沿正方向透射的偏振光的偏振态垂直于所述偏振光环行装置中光束平移片的光轴；

所述的第二偏振光转换装置沿反方向光路顺序包含：

第二分束/合束晶体，将一束自然光分为两束偏振态相互垂直的偏振光，和将两束偏振态相互垂直的偏振光合成一束自然光；

第二可逆旋光片组，将透射的相互垂直的两束偏振光的偏振态进行可逆旋转成偏振方向一致，该偏振方向与所述偏振光环行装置中光束平移片的光轴所在平面成135度或45度；

第二不可逆旋光片，将透射的偏振光的偏振态进行45度或135度不可逆旋转，使沿反方向透射的偏振光的偏振态垂直于所述偏振光环行装置中光束平移片的光轴。

9、如权利要求8所述的光环行器，其特征在于，所述的第一可逆旋光片组和第二可逆旋光片组，均包括两片光环形器工作波长的二分之一波片。

10、如权利要求8所述的光环行器，其特征在于，所述的第一不可逆旋光片和第二不可逆旋光片，是钇铁石榴石或掺铋薄膜晶体，其旋光方向仅和所处磁场的磁场方向有关。

11、如权利要求8所述的光环行器，其特征在于，所述的第一分束/合束晶体和第二分束/合束晶体，是双折射晶体。

12、一种偏振光环行装置，其特征在于包含：共轴成像透镜组，和沿光路设置在该共轴成像透镜组外围的光束平移片。

13、如权利要求12所述的偏振光环行装置，其特征在于，所述的共轴成像透镜组包含焦平面重合的一个第一成像元件和一个第二成像元件。

14、如权利要求12所述的偏振光环行装置，其特征在于，所述的共轴成像透镜组可以由渐变折射率透镜、球面透镜、或非球面透镜组成。

15、如权利要求12所述的偏振光环行装置，其特征在于，所述的光束平移片的数目是一个或一个以上，且不同的光束平移片的光轴位于同一平面或相互平行的平面中。

16、如权利要求12所述的偏振光环行装置，其特征在于，所述的光束平移片为双折射晶体。

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