CN1278156C - 光学双折射装置、光学系统和环形器 - Google Patents

Abstract

一种包括双折射材块的光学双折射装置，所述双折射材块带有相互平行的输入平面和相对输出平面，这一材块具有一光轴，所述输入平面和输出平面被设置为和输入光束的传播方向所限定的传播轴成非垂直的角度，所述光轴被设置为和所述传播轴成第二预定角度，选择该入射角度和第二角度，使得进入该双折射材块的输入光束被分成具有相互正交的线性偏振的第一和第二光束，其中所述第一和第二光束相互平行，与所述传播轴等距，并且在所述传播轴的相对侧。

Description

光学双折射装置、光学系统和环行器

技术领域

本发明涉及到光学领域，尤其是一种偏振分光装置，在需要偏振分光器的光学系统中使用偏振分光装置可以大大地减小系统的整体体积。

背景技术

分光器通常用在需要将空间中两束叠加在一起的光束或单独一束光的两个偏振分量分开的光学领域中。在现有的发明中提供了许多种可以达到上述作用的方法，这些方法采用双折射材块、偏振相关涂层或其它偏振材料。

当要求对光束的偏振分量进行分离时，最有效的办法是采用双折射材块。这种双折射材料是一种光学各向异性材料，因为其光学特性取决于入射光的偏振和传播方向。许多晶体物质，如金红石，方解石或原钒酸钇盐(yttrium orthoranadate)都具有这种双折射的特性，因此，此物质也为开发偏振分光器提供了理想的介质。由于这些晶体结构由易于切割的高密度结构组成，因而可以产生具有所需预定方向的入射面和光轴，所以这些晶体结构很适用于做成小体积的双折射介质。尼科耳(Nicol)棱镜和格兰-付科(Glan-Foucault)棱镜是现有技术中用作分光器的双折射晶体的例子。

图1是现有技术中使用的典型双折射材块103的侧视图。在此图中，非偏振入射光束140入射到双折射材块103上，并在103处被分成两束正交线性偏振光束。定义对应于输出光束140的轴的传播轴L以作参考。在这一特别方向内，光束140a对应于正常光束，而光束140b对应异常光束。通常在光学系统中，所有的元件都经过设计，使得可能作为输入和输出的端面都与中心轴L垂直。因此，入射光束140与双折射材块103垂直，所产生的正常光束140a就直接通过材块103并没有发生偏离，而异常光束140b则如图所示发生折射。

这种分离正常光束和异常光束的方法的一个内在不足之处是，当这一方法与光学系统结合时，这种双折射材块103会产生一种非对称分光。所形成的正常光束140a和异常光束140b与传播轴L相互平行并且到L轴的距离相等，这通常是有利的。光学系统其它光学元件的体积则直接取决于双折射材块103。

这种双折射材块103在此与光学环行器结合在一起以作为示例。不过，减小采用这种双折射材块103作为分光器的光学系统体积的问题不仅限于减小光学环行器的体积，这对本领域技术人员来说也是显而易见的。这种光学系统还包括比如光学隔离器和偏振分光器/合光器(beamcombiner)。

环行器是一种具有至少三个接驳光纤的端口的器件。通过第一端口进入环行器的光从第二端口出来；通过第二端口进入环行器的光从第三端口出来。环行器本身是非可逆器件。如果光从第一端口入射，则从第二端口出射，但如果这束光接着被反射回第二端口，但并不是从原来的光路回到第一端口，而是通过第三端口出射。

例如，环行器有必要用同一根光纤来接收和发送数据。第一端口可以和数据发送器连接，第二端口与一根长距离光纤连接。这样，数据就可以从发送器发送到光纤。同时，从长距离光纤进入的光学数据通过第二端口进入环行器，并被直接导入可能连接接收器的第三端口。

一种现有技术中的环行器由李(li)等人在美国第5,930,039号专利中得以说明解释，见图2所示，而且该专利的内容将在此作为参考。

在该专利中阐述了一种环行器100，采用了可逆和非可逆偏振旋转片130a和130b，双折射光学元件103，108和111，和一个包括两块锥形双折射片106和107的偏振相关折射元件150。在最优实施例中，环行器100的光学元件被校准，使得双折射光学元件在垂直平面发生作用，偏振相关折射元件则在水平平面发生作用。

第一和第三根光纤100a和100b以相互平行且相邻方式插入后跟第一透镜102的玻璃毛细管101。玻璃毛细管101和透镜102一起还包括第一准直器120a。第一双折射材块103，第一复合偏振旋转片130a，光导器件150，第二双折射材块108，第二复合偏振旋转片130b和第三双折射材块111沿着环行器的纵轴L放置。包括第二透镜112的第二准直器120b和装有第二根光纤114的第二玻璃毛细管113则在环行器100的另一边。

图3是环行器100的可选正视图。图3a是在z-y平面示出从第一光纤100a到第二光纤114传播光束的环行器100的侧面图。开始时，光从第一透镜102传入第一双折射材块103。如图所示，离开z-y平面中的双折射材块103会产生两条相互垂直的线性偏振光束140a和140b。这些线性偏振光束140a和140b在继续传入环行器100之前会经过第一复合偏振旋转片130a直到这两束光被第三双折射材块111混合在一起并被第二透镜113聚焦进入第二光纤114。

为了让环行器100正确地工作，要求任何通过第二根光纤114进入器件的光都要经过第三光纤100b而不是第一光纤100a离开环行器100。器件的非可逆特性在于复合偏振旋转片130a和130b的自身特性。为了说明这些特性，图3b是环行器100的z-y平面上的侧面图，图中光从第二光纤114传播到第三光纤100b。

对通过复合偏振旋转片130a和130b后线性偏振电场分量的方向进行比较可以发现电场偏振方向如何受传播经过复合偏振旋片130a和130b的方向的影响。这种非可逆性的根源在于法拉第旋转片105和110的内在特性。不像半波片104a，104b，109a和109b倒转了线性偏振电场在其传播的相反方向上的旋转，法拉第旋转片不论传播方向如何总是用来在同一个方位旋转线性偏振电场。

图3c是关于x-y平面上从第一光纤100a到第二光纤114，然后再从第二光纤114到第三光纤100b传播的光束的侧面图。开始时，来自第一光纤的光束以与x轴成θ角的方向从第一透镜102出射。每束线性偏振光束140a和140b在从复合旋转片130a出射时，其传播方向相对于x轴的角度为θ。每一个这样的分量的传播角度则被具有异常折射率n_e和具有正常折射率n_o的光导器件所改变，其中n_o＞n_e。

锥形片106有一根与z轴平行的光轴OA1，而锥形片107有一根与x轴平行的光轴OA2。这导致出射于光导器件150的光束140a和140b的电场分量与y轴平行。

第二双折射材块108有一根也与z轴平行的光轴。因此，相对于双折射材块108来说，光束140a和140b的电场分量都被定向为正常射线，这样光通过双折射材块108时，它的传播就不会被偏离。

当考虑到光从第二光纤114传到第三光纤100b时，情况与x-y平面内的有所不同。复合偏振旋转片130a和130b的非可逆特性被光导器件150和第二双折射材块108用来将光从第二光纤114传到第三光纤100b。光的两个电场分量在进入第二双折射材块108之前是与z轴平行的线性偏振，这样光束140a和140b在第二双折射材块108内充当异常射线。这就使得光束在通过光导器件150之前沿着x轴被空间移动。光通过光导器件150时在线性偏振光束与y轴之间形成了一个φ角。光束在被第一透镜102聚焦进入第三光纤100b前，会继续传入光学元件并在第一双折射材块103被再次混合起来。

对图3的分析使得在这一环行器100中所采用的传统的双折射材块的固有劣势显得尤为明显。可以看到，准直器120a和120b沿着x和z轴空间位移。准直器120a和120b内的这种偏移有双重作用。第一，使环行器100比共享公共轴的准直器更难准直。第二，环行器限制了器件可具有的最小体积。既然光学元件的体积直接影响到费用，准直器的偏移则增加了制造这种光学系统的费用。

通过重新设计双折射材块使得环行器在公共纵轴上就有自己的准直元件，环行器的元件就能被做得更小，因而整个环行器就会更便宜，容易生产，而且准直也会更简单化。

发明内容

基于上述内容，本发明的一个目的是提供一种由双折射材块做成的偏振分光装置。偏振分光装置将入射的随机偏振输入光束分成能沿着由输入光束定义的光轴对称传播的正常和异常线性偏振光束分量。

本发明的另一个目的是提供一种采用了上述分光装置、使得系统的所有光学元件共享公共纵轴的小体积、经济型光学系统。

本发明提供了一种包括双折射材块的光学双折射装置，所述双折射材块带有相互平行的输入平面和相对输出平面，这一材块具有一光轴，所述输入平面和输出平面被设置为和输入光束的传播方向所限定的传播轴成非垂直的角度，所述光轴被设置为和所述传播轴成第二预定角度，选择该入射角度和第二角度，使得进入该双折射材块的输入光束被分成具有相互正交的线性偏振的第一和第二光束，其中所述第一和第二光束相互平行，与所述传播轴等距，并且在所述传播轴的相对侧。

本发明提供了一种光学系统，包括如上所述的光学双折射装置。

本发明提供了一种用来连接第一光发送端口，第二光发送和接收端口以及第三光接收端口的环行器，该环行器有一根纵轴，沿着这一纵轴放置多个元件，包括：a)第一光学双折射装置，用来接收来自所述第一端口的光，将光导入所述第二端口，并且分离和混合相互正交的偏振光束；b)第一复合偏振旋转片，用来使从第一端口传播到第二端口的光束的偏振从相互正交变成相互平行，以及使从第二端口传播到第三端口的光束的偏振从相互平行变成相互正交；c)将光束以取决于该光束偏振方向的角度引导的光导器件；d)第二光学双折射装置，用来根据第一和第二光束的偏振将第一和第二光束空间移动；e)第二复合偏振旋转片，用来使从第二端口传播到第三端口的光束的偏振从相互正交变成相互平行，以及使从第一端口传播到第二端口的光束的偏振从相互平行变成相互正交；以及f)第三光学双折射装置，用来将光导入所述第二端口和接收来自所述第二端口的光，并混合和分离相互正交偏振的光束；其中所述第一、第二和第三光学双折射装置都有一个由混合光的传播方向限定的相关传播轴，输入和输出平面彼此平行，并且该输入和输出平面以取决于相应双折射装置的光轴的方向、该输入面和传播轴之间的角度被设置成与传播轴非垂直，选择所述角度，使得分离的光束与所述传播轴平行、等距地在所述传播轴的相对侧传播。

附图描述

图1是现有技术的双折射材块的侧视图。

图2是由李(Li)等人发明的现有技术光环行器，这里参考了该环行器的内容，其中引入了图1所示的双折射材块。

图3是图2所示的光环行器的正面图，尤其示出了：

(a)一幅侧视图，说明光如何从第一光纤传播到第二光纤；

(b)一幅侧视图，说明光如何从第二光纤传播到第三光纤；及

(c)从图3a和3b中所示的A方向观察的正面图，说明光如何围绕着环行器进行传播。

图4是示出以下内容的侧视图：

(a)根据本发明的分光装置的第一实施例；及

(b)根据本发明的分光装置的第二实施例；

图5示出了引入图4的分光装置的光环行器的正面图，其中具体示出了：

(a)一幅侧视图，说明光如何从第一光纤传播到第二光纤；

(b)一幅侧视图，说明光如何从第二光纤传播到第三光纤；及

(c)从图3a和3b中所示的A方向观察的正面图，说明光如何围绕着环行器进行传播。

具体实施方式

为了减小光学系统的体积，要求具有根据入射光束提供能绕着由输入光束定义的光轴对称传播的正常和异常线性偏振分量的分光装置。图4(a)和4(b)是这种能获得所需效果的分光装置的两个实施例的侧视图。

在图4(a)和4(b)中，光沿着y轴传播经过晶体结构形式的双折射晶体材料。在图4(a)所示的实施例中，通过切出第一分光装置203的入射面和出射面，可以获得所需的正常和异常分量的对称性。切割产生的重要系数是A角和B角。角A位于z-y平面内，它代表晶体前表面和由输入光束240所定义的传播轴L的夹角。角B在x-y平面内，它代表光轴和传播轴L之间的夹角。

角A和角B由切出第一分光装置203的材料的固有特性决定。斯涅耳(Snell)折射定律和折射率椭球等式为A角和B角提供了以下的表达式，即：

A＝90°-θ_i         (1)

$B=\mathrm{\θ}-\frac{\mathrm{\α}}{2}...\left(2\right)$

这些可以借助下面这些方程来计算：

$\tan \mathrm{\θ}=\frac{n_e}{n_o}...\left(3\right)$

$\tan \mathrm{\α}=\frac{n_e^2-n_o^2}{2n_o{n}_e}...\left(4\right)$

sinθ_l＝n_osinθ_o    (5)

${\mathrm{\θ}}_o={\mathrm{\θ}}_l-\frac{\mathrm{\α}}{2}...\left(6\right)$

其中

θ_i-输入光束240的入射角

θ_o-正常分量240a的折射角

α-正常分量和异常分量240a和240b之间的夹角

θ-正常分量240a与光轴之间的夹角

n_e-异常分量件240b经受的折射率

n_o-正常分量240a经受的折射率

在此实施例中，晶体材料是由钒酸钇盐(YVO₄)做成的，YVO₄的n_o＝1.945，n_e＝2.149。因此，将这些值代入方程(1)-(6)就得出所需的角A和角B的值分别为84.1°和45.0°。

在第一分光装置203的这种设计中，输入光束240沿着L轴传播。那么，输入光240不垂直入射到第一分光装置203上，因此正常光束240a被折射到L轴下面的平面。由于输入光束240的入射角不是直角，异常光束240b相对于L轴并没有经历相同程度的折射，正如图1中现有技术的异常光束140b的情况那样。

值得注意的是，相对于图4a的例子，第二分光装置208的另一个块切割会导致正常光束240a和异常光束240b镜像的产生。图4b所示的是所要的临界角A’和临界角B’，所述临界角使得正常光束240a和异常光束240b在相对图4a所示情况的传播轴L另一侧从第二分光装置208出射。

为了使第一和第二分光装置203和208的优势更为明显，图5所示的是基于李等人的发明之上的一种小型且经济的环行器200。环行器200的侧面图被示出并且说明其包括：第一、第二和第三光纤200a，214和200b，两个准直器220a和220b，第一、第二和第三分光装置203，208和211，第一和第二复合偏振旋转片230a和230b以及一个光导器件250。值得注意的是第三分光装置211以与上述第一分光装置203相似的方式进行工作。

为了便于描述，在图中设置一组正交参考坐标轴，使得y-轴与第一、第二和第三光纤200a、214和200b基本平行。

除了第一、第二和第三分光装置203，208和211，其它元件在李等人的发明中都已被介绍。准直器220a和220b均包括分别用来安装第一、第二和第三光纤200a、214和200b与第一或第二透镜(例如自聚焦透镜)202和212的毛细玻璃管201和213。第一和第二复合偏振旋转片230a和230b的第一个均包括两个半波片(分别是204a，204b，209a和209b)和一个法拉第旋转片(分别为205和210)。光导器件250包括两片锥形双折射片206和207。片206和207的锥角互补，各有一个锥角α。在此实施例中，片206有一条与z-轴平行的光轴OA1而片207有一条与x-轴平行的光轴OA2。片206和207都由相同的双折射材料做成，此材料中正常光束的折射率(n_o)大于异常光束的折射率(n_e)，即n_o＞n_e。

通过比较图3和图5可以很快地的明白，环行器200有着上述所有的光学元件，这些光学元件和平行于y-轴的单轴L同轴。不过，不像李等人的发明，第二光纤214现在也在L轴上，而第一和第三光纤200a和200b与这条轴在同一个平面内。在李等人的发明中并不是这样。该系统的内在特性是，两个准直元件101和103沿着x-轴和z-轴相对放置。此发明更为小型的环行器200的设计则是第一、第二和第三分光装置203，208和211设计的直接结果。

图5a是光环行器200的一个侧面图，图中光在z-y平面从第一光纤200a传到第二光纤214。开始时，输入光束240沿着中心轴L穿过第一透镜202并进入第一分光装置203。然后，第一分光装置203将输入光束分成两束具有如上所述的正交线性偏振的光束，也就是一束正常光束240a(与x-轴平行)和一束异常光束240b(与z-轴平行)。从第一分光装置203出射的正常和异常光束240a和240b相互平行并且距L轴距离相等。

然后，线性偏振的正常和异常光束240a和240b传播通过用来旋转异常光束240b以使之与x-轴平行的第一复合偏振旋转片230a。因其相对于这些光学元件光轴的偏振方向的原因，线性偏振的正常和异常光束240a和240b接着未发生偏移地传播经过光导器件250和第二分光装置208。为了使正常光束240a与z-轴平行，第二复合偏振旋转片230b旋转正常光束240a。这时，正常和异常光束240a和240b沿着能使它们被第三分光装置211重新混合的方向放置。在传播通过第三分光装置211时，光被重新混合起来以使光束与L轴平行，之后光束被第二透镜212聚焦进入第二光纤214。第一和第三分光装置203和211的设计克服了光沿着准直器220a和220b的z轴发生空间偏移的问题。

器件的非可逆特性在图5b中得到说明，而且也在于第一和第二复合偏振旋转片230a和230b的固有特性。图5b是环行器在z-y平面的一个侧面图，图中光从第二光纤214传到第三光纤200b。正如现有技术，通过比较线性偏振的正常和异常光束240a和240b传播通过光环行器200时的偏振方向和图3a中的相应偏振方向，可以观察其非可逆特性。

如李等人的发明，为了引导从第二光纤214进入装置的光由第三光纤200b出射，运用了环行器200固有的非可逆特性。为了使光到达规定的光纤，在x-y平面内重新组合沿光传播角度适当定向的入射角，光导器件250，第一和第二分光装置203，208。

第二分光装置208的设计克服了光沿着准直器220a和220b的x-轴发生空间偏移的问题。这在图5c得到例示，该图为x-y平面上的侧面图示，图中光从第一光纤200a传播到第二光纤214，再从第二光纤214传播到第三光纤200b。

正如李等人的发明，从第一光纤200a出射的光束240以与x-轴成θ角的角度出射于第一透镜202。从第一复合偏振旋转片230a出射的正常和异常光束240a和240b以与x-轴成θ角的角度进行传播。每束光的传播角度被光导器件250所改变，此光导器件250具有一个异常折射率n_e和一个正常折射率n_o，其中n_o＞n_e。锥形片206有一根与z-轴平行的光轴OA1，而锥形片207有一根与x-轴平行的光轴OA2。结果是每束从光导器件250出射的光都与y-轴平行。

第二分光装置208有一根也与z-轴平行的光轴，因此线性偏振的正常和异常光束240a和240b相对于第二分光装置208来说是正常光束。不过，由于对第二分光装置208的切割，这两束光都发生了折射，使得光沿着L轴传播。接着，线性偏振的正常和异常光束240a和240b传播通过环行器200，如前面所述，经过第二光纤214从环行器出射出来。

当光从第二光纤214传播到第三光纤200b时，在x-y平面存在相似情形。为了使光从第二光纤214传到第三光纤200b，光导器件250和第二分光装置208采用第二复合偏振旋转片230b的非可逆特性。

在进入第二分光装置208之前，光束240的正常和异常光束240a和240b被线性偏振成与z-轴平行，因而充当第二分光装置208中的异常光。这导致它们在通过光导器件250之前被沿着x-轴进行空间移动。经过光导器件的移动在光束240的线性偏振光束240a和240b和y-轴之间形成一个φ角。光束在被第一透镜202聚焦进入第三光纤200b之前，光继续传入光学元件，并被第一分光装置203再次混合。

从广义上说，将双折射材块切成具有预定特征提供了将围绕着根据非偏振输入光束定义的轴的线性偏振正常分量和异常分量对称分开的分光装置。由于将这种分光装置与光学系统结合在一起允许所有的光学元件共享一根公共纵轴，这就为减小系统的整体体积提供了一种方法。这些特性也使得光学系统易于准直。

对于本领域普通技术人员来说，在本发明的范围之内显然还有许多可能的分光装置。而且，将分光装置与某一光学系统结合在一起的方式不仅限于环行器领域。因此，由下列的权利要求书及其法律上等同的描述来决定本发明的范围。

Claims (17)

1.一种包括双折射材块的光学双折射装置，所述双折射材块带有相互平行的输入平面和相对输出平面，这一材块具有一光轴，所述输入平面和输出平面被设置为和输入光束的传播方向所限定的传播轴成非垂直的角度，所述光轴被设置为和所述传播轴成第二预定角度，选择该入射角度和第二角度，使得进入该双折射材块的输入光束被分成具有相互正交的线性偏振的第一和第二光束，其中所述第一和第二光束相互平行，与所述传播轴等距，并且在所述传播轴的相对侧。

2.根据权利要求1所述的光学双折射装置，其中所述双折射材块包括一晶体结构，此晶体结构带有一个表面，所述光束入射到该表面，该表面以根据晶体光轴方向的一定角度被切割，使得所述光束非垂直地入射到所述的入射表面上。

3.一种光学系统，包括权利要求1所述的光学双折射装置。

4.根据权利要求3所述的光学系统，包括放置于所述传播轴上的多个光学元件。

5.一种用来连接第一光发送端口，第二光发送和接收端口以及第三光接收端口的环行器，该环行器有一根纵轴，沿着这一纵轴放置多个元件，包括：

a)第一光学双折射装置，用来接收来自所述第一端口的光，将光导入所述第二端口，并且分离和混合相互正交的偏振光束；

b)第一复合偏振旋转片，用来使从第一端口传播到第二端口的光束的偏振从相互正交变成相互平行，以及使从第二端口传播到第三端口的光束的偏振从相互平行变成相互正交；

c)将光束以取决于该光束偏振方向的角度引导的光导器件；

d)第二光学双折射装置，用来根据第一和第二光束的偏振将第一和第二光束空间移动；

e)第二复合偏振旋转片，用来使从第二端口传播到第三端口的光束的偏振从相互正交变成相互平行，以及使从第一端口传播到第二端口的光束的偏振从相互平行变成相互正交；以及

f)第三光学双折射装置，用来将光导入所述第二端口和接收来自所述第二端口的光，并混合和分离相互正交偏振的光束；

其中所述第一、第二和第三光学双折射装置都有一个由混合光的传播方向限定的相关传播轴，输入和输出平面彼此平行，并且该输入和输出平面以取决于相应双折射装置的光轴的方向、该输入面和传播轴之间的角度被设置成与传播轴非垂直，选择所述角度，使得分离的光束与所述传播轴平行、等距地在所述传播轴的相对侧传播。

6.根据权利要求5所述的环行器，其中第二光发送和接收端口位于所述传播轴上。

7.根据权利要求5所述的环行器，其中第一光发送端口和第三光接收端口位于传播轴所在的平面上。

8.根据权利要求5所述的环行器，其中所述第一和第二光学双折射装置包括带有第一和第二相互平行的表面的晶体结构，其中按照根据晶体光轴的方向的一定角度切割出所述表面，以使所述光束非垂直地入射到所述第一或第二相互平行的表面上。

9.根据权利要求5所述的环行器，其中所述第一复合偏振旋转片包括第一和第二可逆偏振旋转片和第一非可逆偏振旋转片。

10.根据权利要求5所述的环行器，其中所述光导器件包括沿所述传播轴设置的第一和第二双折射片。

11.根据权利要求10所述的环行器，其中所述第一和第二双折射片各包括第一和第二表面，每个第一和第二表面彼此形成一定的角度，其中第一双折射片的第二表面与第二双折射片的第一表面相对。

12.根据权利要求5所述的环行器，其中光以第一角度进入所述光导器件，并以与第一角度不同的第二角度出射于所述光导器件。

13.根据权利要求5所述的环行器，其中所述第二复合偏振旋转片包括第三和第四可逆偏振旋转片和第二非可逆偏振旋转片。

14.根据权利要求5所述的环行器，还包括位于传播轴上、介于所述第一端口与所述光导器件之间并且还介于所述光导器件和所述第三端口之间的第一透镜。

15.根据权利要求14所述的环行器，其中第一透镜还位于所述第一端口和所述第一光学双折射装置之间，以及所述第一光学双折射装置与所述第三端口之间。

16.根据权利要求5所述的环行器，还包括位于传播轴上并且介于所述光导器件与所述第二端口之间的第二透镜。

17.根据权利要求16所述的环行器，其中所述第二透镜还位于所述第三光学双折射装置和所述第二端口之间。

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