CN1281999C

CN1281999C - 用于带集成光学隔离器的偏振分束器/合束器的方法和设备

Info

Publication number: CN1281999C
Application number: CNB028035887A
Authority: CN
Inventors: 黄勇林; 马淑清; 马蒙
Original assignee: Finisar Corp
Current assignee: Finisa photoelectric communication technology (Wuxi) Co., Ltd.
Priority date: 2001-01-10
Filing date: 2002-01-10
Publication date: 2006-10-25
Anticipated expiration: 2022-01-10
Also published as: WO2002056093A2; US20020089745A1; EP1350133B1; US6628461B2; DE60214511D1; HK1069638A1; CN1578921A; WO2002056093A3; EP1350133A2; ATE338962T1

Abstract

在此公开了一种集成的偏振光分束器/合束器和隔离器(IPBC)。一方面，IPBC可以包括第一双折射晶体，光学构造成接收以γ角入射的两束光；一个旋转器，构造成旋转接收到的两束光；一个第二双折射晶体，定位成接收来自旋转器的两束光。IPBC可以构造成在前进方向合并两束光，在反方向隔离两束光。

Description

用于带集成光学隔离器的偏振分束器/合束器的方法和设备

技术领域

本公开总的涉及光纤，并尤其涉及一种特征在于集成光学隔离器的15束光的偏振分束器/合束器。

背景技术

光纤网络正日益加快并变得更为复杂。例如，遵从OC48标准的用于同步光学网络的网络(能够有2.5Gb/s的速率)正被遵从OC192(10Gb/s)的更新的网络所取代。遵从OC768(40Gb/s)网络的网络已处于一个水平。与此同时，还在进行试图通过利用密集波分复用(DWDM)技术在单光纤上传输多信道的研究。目前正在推广利用的是八十信道系统；期待着在将来网络密度能够增大。

实现这种扩展的关键是诸如薄膜沉积和衍射光栅等允许以日益减小的封装制造光学元件的技术。随着光网继续以更快的速率承载更多的信道，元件的大小正成为一个关键的限制因素。

对于各种光网最重要的是光学放大器。光学放大器如拉曼和掺饵光纤放大器(EDFA)主要用于放大和长距离传输15信道光信号。

图1表示典型的拉曼泵浦模型100的现有工作框图。拉曼泵100利用几个分散的元件形成，除泵浦激光器(未示出)外还包括四个隔离器110、112、114和116；两个偏振合束器(PBC)118和120。

工作中，两个光源102和104分别为两个隔离器110和112馈送光束。隔离器110和112的输出馈送给PBC118，两个信号在那儿合并为一个信号。同样，两个光源106和108分别为隔离器114和116馈送光束。隔离器114和116的输出馈送给PBC120，两个信号在那儿合并为一个信号。然后，从PBC118和120发出的两个信号被WDM122复用并输出。

正如本领域的技术人员所知道的那样，隔离器和PBC是任何光学放大系统中不可缺少的元件。目前，光学放大器必须单独使用隔离器和PBC作用分散的元件。随着光网复杂性的不断提高，利用分散的元件就有一定的缺陷。例如，分散的元件占据空间并且昂贵。另外，分散的元件必须要光学耦合，这又会导致性能降低。

发明内容

本发明在此公开了一种光学装置，包括：具有楔角θ的第一双折射晶体光楔，光学构造成接收彼此呈γ角入射的两束光，第一双折射晶体光楔具有梯形楔形式；旋转器，构造成旋转两束从第一双折射晶体光楔接收到的光，该旋转器包括第一和第二平行面；以及具有楔角θ的第二双折射晶体光楔，定位成接收来自旋转器的两束光，第二双折射晶体光楔具有梯形楔形式，以及该旋转器的第一面平行于该第一双折射晶体光楔的相邻面，而该旋转器的第二面平行于该第二双折射晶体光楔的相邻面；而且光学装置构造成在第一方向合并两束光，在第二方向隔离两束光，并且楔角θ和角度γ的关系定义为：γ＝2·arcsin[(n₀-n_e)·tanθ]，此处，n₀和n_e分别是第一双折射晶体光楔和第二双折射晶体光楔的折射率。

在公开的光学装置的另一方面，第一和第二双折射晶体光楔包括相同的材料。

在公开的光学装置的另一方面，第一和第二双折射晶体光楔具有相隔45°角的光轴。

在公开的光学装置的另一方面，两束光有正交的偏振作用。

在公开的光学装置的另一方面，光在第二双折射晶体光楔内部合并，并作为第三束光从第二双折射晶体光楔出射。

在公开的光学装置的另一方面，还包括光束入口，用于使两束光经透镜进入第一双折射晶体光楔。

在公开的光学装置的另一方面，光束入口包括：多个PM光纤，每个PM光纤具有对应的主轴；多个PM光纤设置成一组，该组具有对应的次轴；和多个PM光纤中的每一个由此对准，使得每个PM光纤的对应主轴与该组的次轴以预定的角度相交。

在公开的光学装置的另一方面，预定角度中的至少一个近似为0°。

在公开的光学装置的另一方面，预定角度中的至少一个近似为90°。

在公开的光学装置的另一方面，预定角度中的至少一个与第一双折射晶体光楔的光轴对应。

本发明还公开了一种集成偏振光分束器/合束器和隔离器(IPBC)，包括：第一双折射晶体光楔，光学构造成接收彼此呈γ角入射的两束光；旋转器，构造成旋转两束从第一双折射晶体光楔接收到的光；第二双折射晶体光楔，定位成接收来自旋转器的两束光；以及光束入口，使两束光经透镜进入第一双折射晶体光楔，光束入口包括：多个PM光纤，PM光纤具有对应主轴；而且多个PM光纤设置成组，该组具有对应次轴，多个PM光纤中的每一个对准使得每个PM光纤的对应主轴与该组的次轴以预定角度相交。

在公开的IPBC的另一方面，第一和第二折射晶体光楔包括相同材料。

在公开的IPBC的另一方面，第一和第二双折射晶体光楔具有相隔45°角的光轴。

在公开的IPBC的另一方面，预定角度中的至少一个近似为0°。

在公开的IPBC的另一方面，预定角度中的至少一个近似为90°。

在公开的IPBC的另一方面，预定角度中的至少一个与第一双折射晶体光楔的光轴对应。

附图说明

图1是现有拉曼泵浦模式的功能框图；

图2A是集成的偏振光分束器/合束器以及隔离器芯在前进方向工作时的截面图；

图2B是集成的偏振光分束器/合束器以及隔离器芯在反方向工作时的截面图；

图3是适于与本发明一起使用的双折射晶体简图；

图4是现有的一对PM光纤的截面图；

图5是一对PM光纤的截面图；

图6是本发明公开的集成偏振光分束器/合束器及隔离器的功能框图。

具体实施方式

本领域的普通技术人员应该知道，下面的说明只出于图解示意的目的而非限定。对于技术人员来说，很容易对本发明作出具有本发明优点的其它改型和改进。在下面的描述中，整个附图中相同的标号指示相同的元件。

参见图2A，图中示出了集成的光学隔离器和偏振分束器/合束器(IPBC)芯200。IPBC芯200包括以各种已知的方式形成的双折射晶体202和206，如在薄膜涂层上形成一个直角棱镜(RAP)，或诸如渥拉斯顿棱镜、尼科耳棱镜、洛匈棱镜或其它形式的棱镜。另外，晶体202和206可以由各种已知的起偏或双折射材料形成，如方解石、YVO₄、金红石、LiNbO₃以及其它的晶体材料。晶体202和206有一个楔形切割角θ。在公开的光学隔离器方面，两个晶体包括相同的材料，使得对于两种晶体有相同的晶角θ。

在两晶体202和206之间设置一个法拉第旋转器204。法拉第旋转器204可以包括一种常规的旋转器，由闭锁或非闭锁石榴石形成。法拉第旋转器206可以构造成旋转正向入射光的偏振方向45°(图2A中的从右到左)，旋转反向入射光的偏振方向-45°。

光可以进入到晶体206中，如图2A所示，此处光线1和2表示成以光线之间测得的夹角γ进入晶体206。发散角γ和角度θ之间的关系为：

γ＝2·arcSin[(n₀-n_e)·tanθ]

此处，n₀和n_e是双折射光楔的折射率。角度θ的范围为0°～θ₀，θ₀是临界角。如本领域的技术人员所知，临界角是发生内反射的角度，由光楔采用的材料的折射率决定。

在IPBC方面，晶体202和206的光轴切割角相隔45°。例如，一个晶体可以有0°或90°的光轴角度，而另一个晶体可以有+/-45°的角度。可以根据所需的与法拉第旋转方向的依赖性来选择光轴。

操作中，两光线1和2进入具有正交偏振方向的晶体206中。从图2A中可以看出，光线1有一个平行与纸面的偏振面，光线2有一个垂直于纸面的偏振面，对于此例，我们假设晶体206有一个正交于纸面的光轴。

当光线1和2穿过晶体206时将被折射。对于偏振面平行于纸面的光线1作为o光被折射。相反，偏振面垂直于纸面的光线2将被作为e光被折射。

当光线1和2从晶体206出射时将进入法拉第旋转器204。在公开的光学隔离器方面，法拉第旋转器204将旋转光线1和2的偏振方向+45°。

穿过法拉第旋转器204之后，光线1和2将进入晶体202。晶体202的定位使得光线1和2将在先于到达晶体202的外部或外侧边缘而相交。预期光线1和2被导向为在晶体202的内部或外部合并。

偏振方向旋转+45°之后，光线1已是关于晶体202的e光，光线2是关于晶体202的o光。结果是晶体202将折射光线1和2，使得它们将合并成一束光、即光线3出射。由此实现一个光学合束器。

参见图2B，描述反方向上从左至右的工作。当光线2进入晶体202时，将被分解成两束，即光线1和光线2。光线1是关于晶体202的e光，光线2是相对于晶体202的o光，光线1和2具有正交的偏振方向。在通过法拉第旋转器204后，光线1和2的偏振方向被旋转-45°。此时，与前进方向相反，光线1保持关于晶体206为e光，光线2保持关于晶体206为o光。因此，穿过晶体206之后，光线1和2将在分开一定距离的平行路径上出射。因此，光线1和2将不以它们进入晶体206时的γ角出射。因为光线1和2在不同的进入和出射路径中穿行，所以实现一种光学隔离器。

参见图2C，图中示出了晶体202和206的简图。图2C还展示了根据公开的IPBC一方面的晶体光轴，其中选择晶体202和206的光轴，使得它们彼此分开45°或135°。例如，晶体206的光轴相对于其边缘为0°，晶体202的光轴相对于其边缘为45°。

图3是耦合到光纤的集成偏振分束器/合束器及隔离器的简图。图3包括如上所述的晶体202和206以及旋转器204。图3还包括一对光束入口301，载入光线1和2。一方面，偏振维持(PM)光纤用于合束。PM光纤301的输出之后被馈送到常规的透镜303，使得光线1和2以角度γ进入晶体206。

图3还包括一个用于从晶体202接收光线的常规透镜305。然后，从透镜303穿出的光线进入到常规的单模光纤301中。

光束入口301可以包括已知的任意对PM尾光纤。但是，发明人发现，PM光纤的光轴可以很好地对齐以用在本发明的光学装置中。

图4是现有技术中存在的一对尾光纤中一种取向的PM光纤的截面图。图4表示包括第一PM光纤402和第二PM光纤414的尾光纤对400。第一PM光纤402包括压力施加部分404和406以及芯408，它们都设置在第一PM光纤402中，如本领域中已知。第一PM光纤402有一个对应的快轴412和一个对应的慢轴410。

成对的尾光纤400还包括一个第二PM光纤414、压力施加部分416和418以及一个芯420。第二PM光纤414也有一个对应的快轴423和一个对应的慢轴422。

典型的第一和第二PM光纤402和414彼此相邻并通过一种标准的粘合剂如环氧树脂彼此固定。然后把PM光纤设置在套管428中。典型的套管428通常有一个矩形或“跑道”形开口430以容纳第一和第二PM光纤402和414。

对PM光纤的消光比(ER)因子非常相关的是PM光纤彼此固定的效果。当第一和第二PM光纤彼此固定时，加工中的压力在尾光纤对400中形成一个次快轴424和一个次慢轴426。这些次轴光学影响第一和第二PM光纤402和414。另外，检查图4可以看出，如果第一和第二PM光纤402和414以任意方式设置，则第二快轴和慢轴424和426可以与第一和第二PM光纤402和414的对应快轴及慢轴以任意角度交叉。使光轴以任意角度交叉来减少尾光纤对的ER，因为沿光纤的慢、快轴将不能维持穿过尾光纤对中每个PM光纤的光的偏振方向。

图5是根据本发明构成的一对光纤尾500的截面图。该对光纤尾500包括与图4中所述类似的元件。并且设计与图5中类似的情况。

图5表示的一对光纤尾包括一个第一PM光纤502和一个第二PM光纤514。第一PM光纤502包括压力施加部分504和506以及芯508，所有的这些都设置在PM光纤502中，如本领域已知那样。第一PM光纤502有一个对应的快轴512和慢轴510。

光纤尾对500还包括一个第二PM光纤514、压力施加部分516和518以及芯520。第二PM光纤514也有一个对应的快轴523和一个对应的慢轴522。

第一和第二PM光纤502和514可以彼此相邻并利用一种标准的粘合剂如环氧树脂彼此固定，设置在套管528中。典型的套管528可以是矩形或“跑道”形开口530，以容纳第一和第二PM光纤502和514。

成对光纤尾500中的第一和第二PM光纤502和514可以以预定的方式设置在套管528中。一方面，第二PM光纤514可以排列成其对应的压力施加部分形成一个与次慢轴526平行的轴。第二PM光纤514的压力施加部分每个落在光纤尾对500的次慢轴上。另外，第一PM光纤502可以排列成其压力施加部分落在一个与次慢轴526大约成90度角的轴上。该角度表示为α。

另外，第一和第二PM光纤502和514可以设置成它们的相应的压力施加部分彼此形成近似的直角(90度)。因此在此公开了一种方法，设置多个PM光纤，使它们各自的主轴以近似直角(90度)相交。另外，在此还公开了一种方法，即可以设置多个PM光纤，使得它们各自的主轴和次轴以近似直角相交。

通过如图5所示设置PM光纤，包括光纤尾对的PM光纤主轴可以重叠并由此可以更好地维持光纤尾对中PM光纤的ER。另外，可以将光穿过光纤尾对中每个PM光纤的偏振方向维持在比现有技术中的光纤尾对更好的程度，因为可以沿PM光纤的慢轴和快轴保持偏振方向。

虽然以上的实施例将重点放在了一对光纤尾的PM光纤上，但也可以把本发明的方法应用到数量大于两个的一组PM光纤中。

可以用如图5所示的一对光纤尾使入射光线1和2进入如图3所示的晶体206中。另外，光纤尾对500可以光学构造成晶体206的光轴(如图2C所示)与光纤尾对500的快轴和慢轴对齐。

包含两个PM光纤502和514的套管528可以以常规的研磨抛光的角度而终止。另外，常规的光学透镜可以用得与套管相邻，从而实现一种光学准直器。本领域的普通技术人员可以理解，光学准直器是一种以最小的传输损耗将光与光纤耦合的优选方法。但是，因为本发明的两光纤结构，所以本发明的双光纤准直器将有一个从套管出发的两个光纤之间的发散角。为了确保最大的传输，准直器的发散角应该构造成与γ角匹配。

关于合成光一侧(与图3中晶体202相邻)，可以使用常规的单模光纤并以研磨抛光的角度而终止。也可以用光学透镜准直器确保低耦合损耗。

参见图6，图中示出了接合本发明IPBC的拉曼泵浦模型600的功能框图。拉曼泵浦模型600可以包括为IPBC 610馈送的λ1光源602和604，以及为IPBC 612馈送的λ2光源606和和608。处于为本发明举例的目的，IPBC 610和612可以根据本发明如上所述地构成。因为对于IPBC还没有符号，所以建议采用图6中使用的符号。IPBC 610和612均对WDM复用器614馈送，而该复用器多路传输两信号并提供输出。在此公开的IPBC可以用在很宽范围的装置中，包括大功率拉曼放大器和掺铒光纤放大器(EDFA)。

检查图6可以看到，图6所示的拉曼泵浦模型比图1所示的拉曼泵浦模型有更少的分散元件。图6的结构产生较高的性能、较低的损耗、较低的成本和较小的占地面积，在设计上极为有效。通过这种显著有效的改进，本公开的装置可使设计者使用较少或较低功率的泵浦激光器，导致更高的成本-效率网络，这样的网络有更大的容量和更宽的范围。

从图6中可以看到，公开的IPBC合并来自两个泵浦激光器的功率并提供与不稳定的背反射光隔离。这种在单个宽波带装置中合并的功能性还服务于网络空间并降低系统供应商的制造成本，并且单个装置可以容纳泵浦激光器的范围，导致库存成本降低。IPBC可以设计测试为用于处理高级网络中所需的大光功率水平。

虽然以上展示并描述了本发明的实施例及应用，但本领域的技术人员应该知道，在不脱离本发明实质的前提下可以对本发明做更多的改型和改进，这些改型和改进都落在本发明权利要求所限定的范围内。

Claims

1.一种光学装置，包括：

具有楔角θ的第一双折射晶体光楔，光学构造成接收彼此呈γ角入射的两束光，所述第一双折射晶体光楔具有梯形楔形式；

旋转器，构造成旋转所述两束从所述第一双折射晶体光楔接收到的光，该旋转器包括第一和第二平行面；以及

具有楔角θ的第二双折射晶体光楔，定位成接收来自所述旋转器的所述两束光，所述第二双折射晶体光楔具有梯形楔形式，以及该旋转器的第一面平行于该第一双折射晶体光楔的相邻面，而该旋转器的第二面平行于该第二双折射晶体光楔的相邻面；而且所述的光学装置构造成在第一方向合并所述两束光，在第二方向隔离所述两束光，并且楔角θ和角度γ的关系定义为：

γ＝2·arcsin[(n₀-n_e)·tanθ]，

此处，n₀和n_e分别是第一双折射晶体光楔和第二双折射晶体光楔的折射率。

2.如权利要求1所述的光学装置，其中所述第一和第二双折射晶体光楔包括相同的材料。

3.如权利要求2所述的光学装置，其中所述第一和第二双折射晶体光楔具有相隔45°角的光轴。

4.如权利要求3所述的光学装置，其中所述两束光有正交的偏振作用。

5.如权利要求4所述的光学装置，其中所述光在第二双折射晶体光楔内部合并，并作为第三束光从第二双折射晶体光楔出射。

6.如权利要求1所述的光学装置，还包括光束入口，用于使所述两束光经透镜进入第一双折射晶体光楔。

7.如权利要求6所述的光学装置，其中光束入口包括：

多个PM光纤，每个PM光纤具有对应的主轴；

所述多个PM光纤设置成一组，该组具有对应的次轴；和

多个PM光纤中的每一个由此对准，使得每个PM光纤的对应主轴与该组的次轴以预定的角度相交。

8.如权利要求7所述的光学装置，其中所述预定角度中的至少一个近似为0°。

9.如权利要求8所述的光学装置，其中所述预定角度中的至少一个近似为90°。

10.如权利要求9所述的光学装置，其中所述预定角度中的至少一个与第一双折射晶体光楔的光轴对应。

11.一种集成偏振光分束器/合束器和隔离器(IPBC)，包括：

第一双折射晶体光楔，光学构造成接收彼此呈γ角入射的两束光；

旋转器，构造成旋转所述两束从所述第一双折射晶体光楔接收到的光；

第二双折射晶体光楔，定位成接收来自所述旋转器的所述两束光；以及

光束入口，使所述两束光经透镜进入所述第一双折射晶体光楔，所述光束入口包括：

多个PM光纤，所述PM光纤具有对应主轴；而且所述多个PM光纤设置成组，该组具有对应次轴，所述多个PM光纤中的每一个对准使得每个PM光纤的对应主轴与该组的次轴以预定角度相交。

12.如权利要求11所述的IPBC，其中所述第一和第二折射晶体光楔包括相同的材料。

13.如权利要求11所述的IPBC，其中所述第一和第二双折射晶体光楔具有相隔45°角的光轴。

14.如权利要求11所述的IPBC，其中所述预定角度中的至少一个近似为0°。

15.如权利要求11所述的光学装置，其中所述预定角度中的至少一个近似为90°。

16.如权利要求13所述的IPBC，其中所述预定角度中的至少一个与所述第一双折射晶体光楔的光轴对应。