CN1356786A - 紧凑型偏振无关光环行器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种紧凑型偏振无关光环行器,包括沿纵向轴排列的下列元件:位于纵向轴一端的双光纤准直器,其一尾纤为第一端口,另一尾纤为第三端口;位于所述纵向轴另一端的单光纤准直器,其尾纤为第二端口;第一双折射晶体光束分光/合光器;第一组偏振旋转装置;由各向同性介质材料构成的第一角度偏转器;第二角度偏转器,该角度偏振器的其中一块光楔为双折射晶体,另一块也是各向同性介质材料;第二组偏振旋转装置;第二双折射晶体光束分光/合光器。由于该光环行器的第一角度偏转器是各向同性介质材料,具有成本低;各向同性介质材料光楔的折射率温度系数dn/dT和温度膨胀系数dL/dT一般都比双折射晶体光楔小,因此由其构成的光环行器的环境性能比较稳定。

Description

紧凑型偏振无关光环行器

技术领域

本发明涉及光通信无源器件，尤其涉及偏振无关光环行器。

背景技术

典型的光环行器是光路不可逆的3端口或4端口装置，即从第一个端口入射的光从第二端口出来，而从第二端口入射的光，却不能沿原路返回到第一端口，而是从另一端口，也就是从第三端口出来。通过在光纤端口安装环行器，就能迅速而经济地将单向光通讯传输系统传换为双向传输系统，从而成倍地提高系统的传输性能。光环行器也可以使用在波分复用器、掺铒光纤放大器、上下分插复用器、色散补偿器和光时域反射仪中。

光环行器在今天的光通信网络中是一个很重要的器件。由于其成本居高不下，导致该器件没有被广泛使用。典型的光环行器其组件多且体积大，组装时要求各光元器件必须精确对准，导致其产量低，制作成本高。

偏振无关环行器在光通信方面的运用的早期概念是在美国专利4,272,159中公开的，该专利产品及后来参照它的专利产品，现已在波分复用光通信网络中得到广泛运用。

在其它的美国专利，如专利号为4,464,022和4,650,289中所描述的光环行器，这些早期的光环行器经常会产生高的插损和串音，不能运用于许多通讯领域。插损大是由于光纤与光纤的耦合损耗、光的吸收和偏振分离的减弱。在这些前期的光环行器结构中所采用的偏振元件由于它的低偏振消光比会经常引起大的插损和串音。

美国专利5,204,771和5,319,483的两个光环行器的专利结构中，不管是其插损或串音，都有所改进。在这两个专利中，光在不同的端口的轴向位置不同，除了在空间有了一段位移外，输入和输出的光线的偏振方向是平行的。这两个专利的环行器结构都要求双折射晶体和与之匹配的半波片制作精确，这种类型的环行器制作困难并且成本高，尺寸特别大。

最近，在美国公开的同一发明人的有关光环行器的两个美国专利5,471,340和5,574,596，这两个专利的光环行器结构具有低的插损和串音，并且与先前的环行器结构相比也较简单。发明人在这两个光环行器专利结构中均采用几个长的双折射晶体来确定光路，代替了传统的起偏器结构，决定光路的是由双折射引起的位置改变代替了光的偏振方向的改变。这两个光环行器的结构中所采用的长方形双折射晶体加工困难，其成本相当昂贵，再就是光环行器的总体结构尺寸也比其它结构的更大。另一方面，这种采用长方形双折射晶体的环行器结构，存在一个最大的问题，就是环行器的偏振模色散(PMD)需要附加一个补偿片才能消除，该附加的补偿片加重了环行器的成本及复杂性。偏振模色散(PMD)引起严重的能量降低，包括脉冲加宽，另外，这种环行器的对准依赖于单模光纤的精密定位需要达到微米级，因此，偏振模色散(PMD)的补偿在这种结构的环行器的制造中是很有必要的。

在美国专利5,689,593中公开了一种光环行器，采用在所有的光端口放置偏振分束棱镜来消除偏振模色散(PMD)，这种结构的环行器的便利之处在于，所有的光端口都位于同一侧，并且偏振模色散(PMD)也由于光路对称而消失。不足之处，是这种结构的环行器体积大，成本高。

美国专利6,052,228中公开的一种三端口式光环行器结构，克服了以上缺点，结构简单紧凑，偏振模色散(PMD)低，不需要附加色散补偿片，具有第一端口和第三端口的双光纤准直器位于光轴一端，而具有第二端口的单光纤准直器位于光轴的另一端，但由于该环行器结构采用的导光器件是由与偏振有关的两块互补的双折射晶体光楔组成的，它们的正向和反向光线都有四个折射率界面损耗，导致了环行器的总插入损耗较大，对双折射晶体光楔除了加工误差之外，还有晶轴的定向误差，因而其折射角的误差也较大。另外，晶体折射率温度系数dn/dT也较大，环境稳定性差，双折射晶体的成本也高。

发明内容

本发明目的：提供一种结构紧凑、低偏振模色散(PMD)、低成本、环境性能稳定的紧凑型偏振无关光环行器。

为了达到以上发明目的，一种紧凑型偏振无关光环行器，包括沿纵向轴O-O排列的下列元件：一双光纤准直器，其一尾纤为第一端口，另一尾纤为第三端口，该准直器位于所述纵向轴O-O的一端；一单光纤准直器，其尾纤为第二端口，该准直器位于所述纵向轴O-O的另一端；由长方体形的双折射晶体构成的第一光束分光/合光器，与所述双光纤准直器的透镜端面相对；由不可逆的元件组成的长方体形第一组偏振旋转装置，与所述第一光束分光/合光器的第二端面相对；由各向同性介质材料构成的第一角度偏转器，与第一组偏振旋转装置前后两端面之一相对；由两块光楔组成的第二角度偏转器，与第一组偏振旋转装置第二端面的相对；由不可逆的元件组成的长方体形第二组偏振旋转装置，与所述第二角度偏转器的第二端面相对；由长方体形的双折射晶体构成的第二光束分光/合光器，与所述第二组偏振旋转装置的第二端面相对。

所述各向同性介质材料可以为玻璃或各向同性晶体。

由于本发明紧凑型偏振无关光环行器结构中采用的光学元件数量少，光路对称，所以该结构的光环行器的结构紧凑，偏振模色散(PMD)低；又由于组成本光环行器的第一角度偏转器的整个光楔和组成第二角度偏转器的其中一块光楔可采用各向同性介质材料，其所需的光线折射角设计值的准确性仅取决于零件的加工误差，且该类材料的光楔只有两个折射率界面损耗，从而有利于减小光环行器的总体插入损耗；又因由各向同性材料制作的光楔，其折射率温度系数dn/dT和温度膨胀系数dL/dT一般都比双折射晶体小，因此由其构成的光环行器的环境稳定性能较好；另外，各向同性介质材料的光楔，如玻璃光楔的价格远比双折射晶体的成本低很多，因而本发明光环行器的总体成本可以很低。

附图说明

图1表示本发明光环行器在XYZ坐标系下的结构示意图；

图2A表示图1所示光环行器的光路俯视图；

图2B表示图1所示光环行器的光路正视图；

图3A表示图1所示光环行器从端口1到端口2的偏振光路示意图；

图3B表示图1所示光环行器从端口2到端口3的偏振光路示意图。

具体实施方式由图1所示本发明紧凑型偏振无关光环行器200，在XYZ坐标系下沿O-O轴从左向右排列包括如下器件：一双光纤准直器270，其一尾纤202与光环行器的第一端口1相接，另一尾纤204与光环行器的第三端口3相接；第一双折射晶体光束分光/合光器222′，其端面与所述双光纤准直器270的透镜的第二端面相对；第一组偏振旋转装置210′，该装置由两块法拉第旋转器226a和226b于X轴向叠加而成，其端面与第一双折射晶体光束分光/合光器222′的第二端面相对；第一角度偏转器212，由两块光楔230a、230b沿Y轴向并列成钝角棱柱形光楔，该钝角棱柱形光楔也可以由一块或多块光楔组成，该角度偏转器的第一端面可与第一双折射晶体光束分光/合光器222′的第二端面相对，也可以与第一组偏振旋转装置210′的第二端面相对，棱柱形光楔的形状还可以是类圆柱形或圆柱形，其材料为玻璃或各向同性晶体；第二角度偏转器215，由两块光楔240和250沿Z轴互相叠加成一方形体，这两块光楔中的任意一块为各向同性介质的玻璃或晶体，另一块采用双折射晶体，当第一角度偏转器212位于第一组偏振旋转装置210′的第一端面时，则该第二角度偏转器215的第一端面与第一组偏振旋转装置210′的第二端面相对，而当第一角度偏转器212位于第一组偏振旋转装置210′的第二端面时，则该第二角度偏转器215的第一端面与第一角度偏转器212的第二端面相对；第二组偏振旋转装置210″，该装置由两块法拉第旋转器226c和226d于X轴向叠加而成，其端面与第二角度偏转器215的第二端面相对；第二双折射晶体光束分光/合光器222″，其端面与第二组偏振旋转装置210″的第二端面相对；单光纤准直器272，其尾纤206与第二端口2相接的。所述双光纤准直器270与所述单光纤准直器272的轴必须平行。

由图2A和图2B所示，首先可以看到自然光由第一端口1至第二端口2的传播路径。从第一端口1经双光纤准直器270的尾纤202进入的自然光，沿着与纵向轴O-O成较小的角的方向传播。自然光进入偏振灵敏的第一个光束分光/合光器222′后，分成两束正交偏振光，这两束光一束是寻常光(O光)，另一束是非寻常光(E光)，如图2B所示，该两束光通过第一双折射晶体光束分光/合光器222′后E光与O光被分开，在图2B中E光在上部，O光在下部。离开第一个光束分光/合光器222′后，这两束光的偏振方向相互垂直，且传播方向平行，然后这两束正交偏振光在空间上以一个横向的距离进入第一个不可逆的偏振旋转装置210′。具体而言，第一组偏振旋转装置210′的一块法拉第旋转器226a将经过它的偏振光沿逆时针方向转了45度，另一块法拉第旋转器226b将经过它的偏振光沿着顺时针的方向转了45度。当上下两束偏振光离开第一组偏振旋转装置210′后，这两束旋转方向相同的偏振光进入第一角度偏转器212，从图2A看去，第一角度偏转器212的其中一块光楔230a将这两束偏振光向相同的方向折射，进入第二角度旋转器215，由于该角度偏转器的导光光楔240和250对这两束偏振光的折射率不同，所以这两束光被折射，并被折射成沿轴向传播的光。此时两束光进入第二个不可逆的偏振旋转装置210″。具体来说，第二偏振旋转装置210″中的其中一块法拉第旋转器226c将经过它的那束偏振光逆时针旋转45度，而另一块法拉第旋转器226d则将经过它的那束偏振光顺时针旋转45度，于是，这两束偏振光的偏振方向互相垂直，然后这两束偏振方向正交的偏振光穿过第二双折射晶体光束分光/合光器222″，这时，两束光被重新合到一起。经过合束的光被单光纤准直器272耦合，由尾纤206进入第二端口2。同时，从第二端口2经单光纤准直器272的尾纤206入射进来的光经过其准直后，由第二双折射晶体光束分光/合光器222″将其分离成两束正交偏振光，这两束光一束是寻常光(O光)，另一束是非寻常光(E光)，然后这两束光的偏振方向被第二偏振旋转装置210″偏转后，变成偏振方向相同的偏振光，此时它的偏振方向与相同位置的从第1端口到第2端口的偏振光的偏振方向垂直。然后，这两束偏振方向相同的偏振光进入第二角度偏转器215，被折射一定的角度，折射后的偏振光进入第一角度偏转器212，被其光楔230b再折射后进入第一偏振旋转装置210′，变成偏振方向互相垂直的两束偏振光。这两束偏振光被第一光束分光/合光器222′合成一束光，然后由双光纤准直器270耦合后经其尾纤204由第三端口3输出。

由第3端口出射的光沿着不同的路径传播至其它光器件，这就形成了光学循环。

由图3A所示，从双光纤准直器270经其尾纤204的第三端口3出来的自然光，进入第一光束分光/合光器222′前，在横断面A-A显示它的偏振方向和位置；在横断面B-B，显示从第一光束分光/合光器222′出射后的光的偏振方向和位置；在横断面C-C，显示从第一偏振旋转装置210′出射后的光的偏振方向和位置；在横断面D-D，显示从第一角度偏转器212出射后的光的偏振方向和位置，并且，第一个角度偏转器212对光的传播方向也产生了偏折；在横断面E-E，通过第一角度偏转器212与第二个角度偏转器215之间的空隙，两束光(O光与E光)的位置均被改变；在横断面F-F，显示从第一个角度偏转器212出射后的光的偏振方向和位置，并且，第二角度偏转器215对光的传播方向也产生了偏折；在横断面G-G，顶端的那束光被第二偏振旋转装置210″的法拉第旋转器226c顺时针的旋转45度，而底端的那束光被第二偏振旋转装置210″的法拉第旋转器226d逆时针的旋转45度；在横断面H-H，进入单光纤准直器272准直后，由其尾纤206第二端口2输出。

由图3B所示，图3B显示了自然光如何从单光纤准直器272的尾纤206上的第二端口2传播到双光纤准直器270的尾纤204相接的第三端口3。在横断面H-H，显示了在进入第二双折射晶体光束分光/合光器222″前的光是被单光纤准直器272准直的自然光；在横断面G-G，自然光被分成上下两束的偏振光(O光与E光)；在横断面F-F，顶端的光被顺时针旋转45度，而底端的光被逆时针旋转45度，它们变成了相同偏振方向的光，并且这两束光的偏振方向与从端口1到端口2在相同位置的光具有互相垂直的偏振方向，这种情况引起的原因是由于旋转器的不可逆性造成的；在横断面E-E，两束偏振光在偏振定向和空间的位置中不变，但是，光的传播方向发生了改变，从端口1到端口2的光与从端口2到端口3的光由于偏振方向互相垂直，所以它们传播时偏转方向也不同；在横断面D-D，两束光被折射了一段距离，其位置在图3B上显示；在横断面C-C，两束偏振光在偏振定向和空间的位置中不变，但是，光的传播方向发生了改变；在横断面B-B，顶端的光被顺时针旋转45度，而底端的光被逆时针旋转45度，它们变成了偏振方向正交的光；在横断面A-A，光进入到第3端口中。

从端口1到端口2和从端口2到端口3的光分别通过第一双折射晶体光束分光/合光器222′和第二双折射晶体光束分光/合光器222″时，横向分开的距离应大致相等。由于光具有不同的传播方向，所以它们会到达不同的端口。通过调节光路即可实现。

Claims (7)

1、一种紧凑型偏振无关光环行器，包括沿纵向轴O-O排列的下列元件：

一双光纤准直器(270)，其一尾纤(202)为第一端口(1)，另一尾纤(204)为第三端口(3)，该准直器位于所述纵向轴O-O的一端；

一单光纤准直器(272)，其尾纤(206)为第二端口(2)，该准直器位于所述纵向轴O-O的另一端；

由长方体形的双折射晶体构成的第一光束分光/合光器(222′)，与所述双光纤准直器(270)的透镜端面相对；

由不可逆的元件组成的长方体形第一组偏振旋转装置(210′)，与所述第一光束分光/合光器(222′)的第二端面相对；

第一角度偏转器(212)，与第一组偏振旋转装置(210′)前后两端面之一相对；

由两块光楔组成的第二角度偏转器(215)，与第一组偏振旋转装置(210′)第二端面的相对；

由不可逆的元件组成的长方体形第二组偏振旋转装置(210″)，与所述第二角度偏转器(215)的第二端面相对；

由长方体形的双折射晶体构成的第二光束分光/合光器(222″)，与所述第二组偏振旋转装置(210″)的第二端面相对；

其特征在于，所述第一角度偏转器(212)是由各向同性介质材料构成。

2、根据权利要求1所述的光环行器，其特征在于，所述组成第二角度偏转器(215)的两块光楔(240)和(250)，其中一块为各向同性介质材料，另一块为双折射晶体。

3、根据权利要求1或2所述的光环行器，其特征在于，所述各向同性介质材料可以为玻璃或各向同性晶体。

4、根据权利要求1所述的光环行器，其特征在于，所述第一个角度偏转器(212)由至少一块光楔组成钝角棱柱形光楔，其钝角方向可指向双光纤准直器(270)的透镜，也可以指向单光纤准直器(272)的透镜。

5、根据权利要求4所述的光环行器，其特征在于，所述第一个角度偏转器(212)由两块光楔(230a)和(230b)并排成钝角棱柱形光楔。

6、根据权利要求1所述的光环行器，其特征在于，所述第一个角度偏转器(212)可由至少一块光楔组成半圆柱形或类圆柱形光楔。

7、据权利要求1所述的光环行器，其特征在于，所述双光纤准直器(270)和单光纤准直器(272)的透镜可以是格林透镜、C透镜或非球面透镜。

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