CN1455275A - 光环行器 - Google Patents
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Abstract
一种光环形器，有第一个准直器，第一块双折射材料，第一组偏振旋转片，一个偏振相关光角度偏折器，即渥伦斯顿棱镜，第二组偏振旋转片，第二块双折射材料，和第二个准直器。由第一根光纤出发的平行光束在中心面上被偏振相关角度偏折器偏折一个角度而被导向第二根光纤，由第二根光纤出发的平行光束在中心面上被偏振相关角度偏折器偏折一个角度而被导向第三根光纤。本发明还包括了一个使用罗雄棱镜的四端口环形器。
Description
技术领域
本发明涉及一种光纤器件，更具体地说，是一种光环行器。
背景技术
现有的一个光环形器通常有三或四个端口。在三端口光环形器中，进入端口1的光从端口2输出，而从端口2进入的光将从端口3输出，而不是回到端口1。因此，光环行器本质上是非可逆器件。
光环形器在某些应用上是必须的。例如双向通讯，用同一根光纤既接受光信号，又输出光信号时，就需要用到光环形器。此时，端口1联接数据发送器，端口2联接外部网络，端口3联接信号接受器。数据可由发送器通过光环形器的端口1由端口2送到外部网络，外部来的信号由端口2进入光环形器，但不会到达端口1而到达端口3进入信号接受器。光环形器还可用于波分复用(WDM)，搀铒光纤放大器(EDFA)，喇曼光放大器，色散补偿，光信号上载/下载，和光学时域反射仪等。
对于在本领域有经验的人而言，显然，只要光环形器中的偏振旋转元件可由外界电场或磁场控制，光环形器就可以提供一个没有移动部件的光开关的现成架构。同样明显的是，这样的光开关中的偏振旋转元件可以是法拉第旋转片，也可以是电光晶体，液晶片，或是其它有类似功能的器件。例如，用交变的外部磁场控制环形器中法拉第旋转片的旋转方向，从端口2进入光环形器的光将交替由端口1或端口3输出。
光环形器现在已经是现代光通讯网络的关键元件。然而，它们没有被广泛应用的原因是较高的材料成本和生产费用。一个偏振无关的光环行器通常包括许多光学元件且有较大的尺寸。制作光环行器需要将这些元件精密排列，如此导致较低的成品率和较高的生产费用。因此，简化光环形器的设计和工艺依然是本行业现存的挑战之一。
美国专利US5,930,039，US6,052,228，和US6,226,115代表最近一些在改进光环行器设计方面的努力。然而，上述设计或多或少还有下述一些缺点，即元件过多，结构复杂，制作困难等问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述技术现状提供一个更加简单的光环形器设计。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：提供一个简化的光环行器。相比于前面提到的几个专利，它只有一个偏振相关的角度偏折器，即渥伦斯顿棱镜，而省去了那些专利中的位移晶体或第二个偏振相关的角度偏折器。
所述的光环行器，其功能是将光从端口1的光纤引导到端口2的光纤，而且将光从端口2的光纤引导到端口3的光纤。它的第一和第三根光纤相邻并排置于光环行器的一端，它的第二根光纤置于光环行器的另一端。第一和第三根光纤的位置相对于光环行器的中心面对称。此光环行器有第一个准直器用来将光纤1的光准直为平行光束，也用来将平行光束引导进光纤3。此光环行器还有第一块双折射晶体位于第一个准直器之后，用于将任意光分解为两个偏振相互垂直的分量，或是将两个偏振相互垂直的分量合成单一光束。此光环行器还有第一组偏振旋转器位于第一块双折射晶体之后，用于将两个相互垂直的偏振态变为相互平行，或将两个相互平行的偏振态变为相互垂直。此光环行器还有第二组偏振旋转器，其功能与第一组相同。此光环行器还有第二块双折射晶体，其功能与第一块相同。此光环行器还有第二光准直器，用于引导平行光束进入光纤2，或将光纤2的光准直成平行光束。此光环行器还有一个偏振相关角度偏折器，它位于第一和第二组偏振旋转片之间。此角度偏折器由两块双折射光学楔角片构成。第一块楔角片的光轴与第二块的垂直，两块楔角片在一个公共面上接合在一起。
所述的光环形器依下述方式工作：当光纤1的光被第一个准直器准直成平行光束时，因为光纤1位于中心对称面的上方，形成的平行光束有一个向下的倾斜角。此光束通过第一块晶体和第一组偏振旋转片后，与对称面相交在偏振相关角度偏折器的公共面上。角度偏折器给光束提供一个适当的偏折角，使光束离开角度偏折器后平行于中心面沿纵轴传播而进入光纤2。第二个准直器将光纤2的光准直成平行光束，然后沿纵轴反向进入角度偏折器，由于此时的偏振态不同，光束将折向光纤3的方向而被光纤3接收。
所述的角度偏折器由两块双折射晶体楔角片构成。其第一和第二块的光轴相互垂直，各与纵轴垂直，且与中心面成45度角。此角度偏折器可以是渥伦斯顿棱镜。第一，第二和第三根光纤可以是热扩散芯光纤(TECF)。上文中的第一组偏振旋转器包括第一和第二个非可逆偏振旋转片，即法拉第旋转片。第一和第二个偏振旋转片对光的偏振态有相反的旋转方向和45度的旋转角度。上文中的第二组偏振旋转器包括第三和第四个非可逆偏振旋转片，即法拉第旋转片，第三和第四个偏振旋转片对光的偏振态有相反的旋转方向和45度的旋转角度。上述的第一和第二组非可逆偏振旋转片都可由一单个非可逆偏振旋转片加上一对半波片来代替。
本发明发明还提供另一种光环形器，它可将光由光纤1引导到光纤2，将光由光纤2引导到光纤3，将光由光纤3引导到光纤4，从而构成一个四端口光环形器。在此种结构中，第一和第三根光纤相邻并排放置于光环形器一端，相对于中心面对称。第二和第四根光纤相邻并排放置于光环形器另一端，相对于中心面对称。上述四端口光环形器，从光纤1到光纤2之间，有第一个准直器，将光纤1或光纤3的光准直成平行光束，也用于将平行光束引导入光纤3。它还有第一块双折射晶体用于将任意偏振态的光分解成两束偏振态相互垂直的分量，或将两束偏振态相互垂直的光合成一束。它还有第一组偏振旋转片，用于将相互垂直的偏振态转变为相互平行，或将相互平行的偏振态转变为相互垂直。它还有一个偏振相关角度偏折器，此偏折器由第一和第二块双折射晶体楔角片构成，其第一和第二块的光轴相互垂直。第一和第二个楔角片有一个公共面。此光环形器还有第二组偏振旋转片，用于将相互垂直的偏振态转变为相互平行，或将相互平行的偏振态转变为相互垂直。它还有第二块双折射晶体用于将任意偏振态的光分解成两束偏振态相互垂直的分量，或将两束偏振态相互垂直的光合成一束。它还有第二个准直器，用于将平行光束引导入光纤2或光纤4，也用于将光纤2的光准直成平行光束。
来自光纤1的光由第一个准直器准直成平行光束，沿光路1在偏振相关角度偏折器的公共面上穿过中心面。由于角度偏折器的设计，具有某种偏振态的光通过角度偏折器而不改变传播方向，光束将沿光路2进入光纤2。来自光纤2的光由第二个准直器准直成平行光束，反向沿光路2在偏振相关角度偏折器的公共面上到达中心面。由于此时偏折态不同，光束被角度偏折器折向光纤3的方向，沿光路3进入光纤3。来自光纤3的光由第一个准直器准直成平行光束，反向沿光路3在偏振相关角度偏折器的公共面上穿过中心面。由于此时光的偏振态与上述光从光纤1到2的状态相同，因此光通过角度偏折器而不改变传播方向，光束将沿光路4进入光纤4。
所述的偏振相关角度偏折器与三端口光环形器中使用的不同。它由两块双折射锲角片构成，两块锲角片有一公共面。第一块锲角片的光轴与中心面成45度角，而且垂直于纵轴。第二块锲角片的光轴沿纵轴方向。这个偏振相关角度偏折器可以是罗雄(Rochon)棱镜。第一，第二，第三，和第四根光纤可以是热扩散芯光纤(TECF)。上文中的第一组偏振旋转器包括第一和第二个非可逆偏振旋转片，即法拉第旋转片。第一和第二个偏振旋转片对光的偏振态有相反的旋转方向和45度的旋转角度。上文中的第二组偏振旋转器包括第三和第四个非可逆偏振旋转片，即法拉第旋转片，第三和第四个偏振旋转片对光的偏振态有相反的旋转方向和45度的旋转角度。同三端口的情况，上述的第一和第二组非可逆偏振旋转片都可由一单个非可逆偏振旋转片加上一对半波片来代替。
与现有技术相比，本发明的优点在于此设计有较少的元件，制造简单，装配容易，因此有较低的材料成本和制作费用。
附图说明
图1(a)是现有专利中，光从环形器的光纤1到光纤2的光路侧视图；
图1(b)是现有专利中，光从环形器的光纤2到光纤3的光路侧视图；
图1(c)是现有专利中，光从环形器的光纤1到光纤2的光路俯视图；
图2(a)另是一个现有专利中，光从环形器的光纤1到光纤2的光路侧视图；
图2(b)是另一个现有专利中，光从环形器的光纤2到光纤3的光路侧视图；
图2(c)是另一个现有专利中，光从环形器的光纤1到光纤2的光路俯视图；
图3(a)是本发明第一实施例中，光从环形器的光纤1到光纤2的光路侧视图；
图3(b)是本发明第一实施例中，光从环形器的光纤2到光纤3的光路侧视图；
图3(c)是本发明专利的第一实施例中，光从环形器的光纤1到光纤2的光路俯视图；
图4(a)是由图3(a)至3(c)表示的实施例里使用的渥伦斯顿棱镜的结构图；
图4(b)是由图3(a)至3(c)表示的实施例里，光通过渥伦斯顿棱镜时的光路图；
图5(a)是本发明第二实施例中，光从环形器的光纤1到光纤2的光路侧视图；
图5(b)是本发明第二实施例中，光从环形器的光纤2到光纤3的光路侧视图；
图5(c)是本发明第二实施例中，光从环形器的光纤3到光纤4的光路侧视图；
图5(d)是本发明第二实施例中，光路的俯视图；
图6(a)是由图5(a)至5(d)表示的实施例里使用的罗雄棱镜的结构图；
图6(b)是由图5(a)至5(d)表示的实施例里，光通过罗雄棱镜时的光路图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
图1(a)到(c)是现有专利US5,930,039中的光环形器光路的侧视图和俯视图。图中，11A和11B是两个毛细管，11A里放置第一根光纤a1和第三根光纤a3，11B里里放置第二根光纤a2。12A和12B是第一和第二个准直器。13A和13B是第一和第二块双折射晶体。14A和14B是第一和第二片法拉第旋转片。元件15A/15B和18A/18B是第一和第二对半波片。元件16是一个渥伦斯顿棱镜，其作用相当于前文中的偏振相关角度偏折器。元件17是一块平移晶体，这块晶体位于两片法拉第旋转片之间。这块晶体相应增加了材料成本和制作难度，它在本发明的设计中是不需要的。
图1(a)是光环形器中光从光纤a1到a2的光路侧视图。因为光纤a1位于第一个准直器的离轴点，即准直器12A中心轴z1的上方，光纤a1的光，经准直器转换成平行光束20后，有一个向下的倾斜角。平行光束20在准直器中心部位离开其端面，然后被第一块双折射晶体13分为两个具有相互垂直偏振态的分量，即图1(c)中所示的正常光20o和反常光20e。这两个分量然后通过法拉第旋转片14A和一对半波片15A/15B，它们的偏振态由相互垂直变为相互平行。半波片15A和15B的光轴方向不同，且每一波片各自只覆盖一个光束分量。然后这两束偏振态相同的光通过渥伦斯顿棱镜16，渥伦斯顿棱镜将光束偏折向上，将原有的向下的倾斜修正为与纵轴z平行。这两个分量然后通过位移晶体17。由于晶体光轴的选择和此时两束光的偏振态，光束通过晶体17而不改变方向。这两个光束然后通过第二对半波片18A/18B和第二个法拉第旋转片14B，它们的偏振态由相互平行变为相互垂直。第二块晶体13B将两束光合成一束，第二个准直器将此光束引导进入光纤a2。
图1(b)是光从光纤a2到光纤a3的光路侧视图。源于光纤a2的准直光束被第二块双折射晶体13B分成具有相互垂直偏振态的两个分量。第二个法拉第旋转片和第二对半波片将它们的偏振态由相互垂直变为相互平行。因为法拉第旋转片是非可逆器件，此时两个分量的偏振态与光从a1到a2时的状态相互垂直。然后光通过位移晶体17。如图1(b)所示，如果没有晶体17，光到达渥伦斯顿棱镜后，因为此时光的偏振态不同，光束将被折向下方，沿光路D而最终错过光纤a3。所以晶体17必须存在。晶体17可使具有水平方向偏振态的光通过而不改变方向，但使具有垂直方向偏振态的光有一个竖直方向的位移。如图2(b)所示，晶体17将光束向上移动一段距离，然后光束被渥伦斯顿棱镜折向下方后才能被光纤a3接收。平移晶体必须足够长，不但增加了材料成本，也增加了制作难度。
图2(a)到2(c)是另一个现有的专利US6,052,228中光环形器的光路图。图中，31A和31B是两根毛细管，31A放有第一根光纤b1和第三根光纤b3，31B放有第而根光纤b2。元件32A和32B是第一和第二个准直器，元件33A和33B是第一和第二块双折射晶体，元件34A和34B是第一和第二块法拉第旋转片，元件35A/35B和38A/38B是第一和第二对半波片。元件36是第一个渥伦斯顿棱镜，元件37是第二个渥伦斯顿棱镜。这两个渥伦斯顿棱镜用来替代专利US5,930,039中的一个渥伦斯顿棱镜加上一个位移晶体的组合，而完成同样的功能。这个设计有同样的成本和制作上的困难。
本发明将介绍一种光环形器设计，它用较少的元件而提供同样的功能。不同于上述专利中，在两个偏振旋转器之间采用两个光学器件的做法，本发明中，在两个偏振旋转器之间只采用一个光学器件。因此本发明中光环形器具有较低的材料成本和制作费用。
图3(a)到3(c)是依据本发明第一实施例而设计的三端口光环形器光路的侧视图和俯视图。图中，第一根光纤c1和第二根光纤c3沿纵轴z相邻并排放置于光环形器一端，第一根和第三根光纤的位置相对于中心面对称。中心面平行于图中的YOZ平面。第二根光纤c2沿纵轴z放置于光环形器的另一端。101A和101B是两根毛细管，101A放置光纤c1和c3，101B放置光纤c2。
此光环形器100包括有下列元件：它有第一个准直器102A，用以将光纤c1的光准直成平行光束和将平行光束引导入光纤c3，它有第一块双折射材料103A，用以将任意光分为具有相互垂直偏振态的分量或将这样的分量合成一个光束。它还有第一组偏振旋转器110，包括第一个法拉第旋转片110A和第二个法拉第旋转片110B，用以改变光束的偏振态，将相互垂直的偏振态变成相互平行，或将相互平行的偏振态变成相互垂直。此光环形器还有一个偏振相关的角度偏折器，即渥伦斯顿棱镜114，它由第一和第二个双折射材料的楔角片w1和w2构成。两楔角片结合于一个公共面I。楔角片的光轴相互垂直。此光环形器还有第二组偏振旋转器111，包括第三个法拉第旋转片111A和第四个法拉第旋转片111B，用以改变光束的偏振态，将相互平行的偏振态变成相互垂直，或将相互垂直的偏振态变成相互平行。此光环形器还有第二块双折射材料103B，用以将任意光分为具有相互垂直偏振态的分量或将这样的分量合成一个光束。此光环形器还有第二个准直器102B，用以将平行光束引导入光纤c2或将光纤c2的光准直成平行光束。
在渥伦斯顿棱镜14中，第一块楔角片w1的光轴和第二块楔角片w2的光轴都与中心面P成45度角，相互垂直且与纵轴方向z垂直。第一和第二块法拉第旋转片110A和110B分别将光的偏振态向相反方向转45度。第三和第四块法拉第旋转片111A和111B也分别将光的偏振态向相反方向转45度。在本发明的这个实例中，光纤c2放在中心面P上。
图3(a)是本发明第一实施例中，光信号从第一根光纤c1到第二根光纤c2的光路侧视图。第一个准直器102A将光纤c1的光准直成平行光束120，此光束沿光路201传播。如图3(a)所示，因为光纤c1相对于准直器处于离轴位置，位于中心面上方，光束120有一个向下的倾斜角。第一个准直器按下面的要求设计，即当光束120以倾斜角通过第一块双折射材料103A和第一组偏振旋转器110后，正好在渥伦斯顿棱镜的公共面I上到达中心面P。因此，任何角度的偏折都将发生在中心面上。
准直光束120沿光路201进入第一块双折射晶体103A后，被分成具有相互垂直偏振态的两个分量，即正常光120o和反常光120e。图3(a)下方的剖面图S2-S2标识了它们的偏振态。光束120o和120e的偏振态被偏振旋转片110A和110B各自向相反方向旋转45度后变成相同。此时的光束记为120o’和120e’。图3(a)下方的剖面图S2-S2和S3-S3标识了上述过程中它们偏振态变化。这两束光然后以原有的倾斜角进入偏振相关的角度偏折器114，依上所述，光束在角度偏折器114的公共面I和中心面P的交线L上发生偏折。众所周知，根据材料的性质适当设计楔角片的角度，角度偏折器114将把光束向下的倾斜角修正过来，使光束经过114后，沿光路202平行于纵轴在中心面上传播。然后光束经过第二组偏振旋转片111A和111B，它们的偏振态被各自向相反方向旋转45度后变成相互垂直。第二块双折射晶体103B将两束光合成一束，第二个准直器将光束引导入第二根光纤c2.图3(a)下方的剖面图S4-S4标识了上述过程中它们偏振态的变化。
图3(b)是光从端口2的光纤c2到端口3的光纤c3的光路侧视图。这个过程的偏振态的变化由图3(b)下方的剖面图T2-T2到T4-T4表示。
来自光纤c2的光由第二个准直器102B准直成平行光束122，此光束沿光路202传播。如图3(b)所示，因为光纤c2处于轴上，光束122平行纵轴。准直光束122沿光路202进入第二块双折射晶体103B后，被分成具有相互垂直偏振态的两个分量，即正常光122o和反常光122e。光束122o和122e的偏振态被偏振旋转片111A和111B各自向相反方向旋转45度后变成相同。此时的光束记为122o’和122e’。然后两个分量进入角度偏折器114。因为这里的偏振旋转片，即法拉第旋转片，是非可逆光学器件。122o’和122e’的偏振态与前一个过程中120o’和120e’的偏振态相互垂直。光束122o’和122e’被角度偏折器114折向下方，即沿光路203向光纤c3，而不是沿光路201返回光纤c1。然后光束经过第一组偏振旋转片110A和110B，它们的偏振态被各自向相反方向旋转45度后变成相互垂直。第一块双折射晶体103A将两束光合成一束，第一个准直器将光束引导入第三根光纤c3。
图3(c)是本发明第一实施例中，光信号从第一根光纤c1到第二根光纤c2的光路俯视图。
图4(a)说明了上述偏振相关角度偏折器114，即渥伦斯顿棱镜的结构。图中，第一块楔角片w1的光轴和第二块楔角片w2的光轴都与中心面P成45度角，相互垂直且与纵轴方向Z垂直。图4(b)说明了当具有特定偏振态的光经过渥伦斯顿棱镜时的光路。图中，光束120o’和120e’沿光路201进入，沿光路202输出，而光束122o’和122e’沿光路202进入，沿光路203输出。显然，光路201和光路203相对于中心面P是对称的。
对于有经验的人士显而易见的是，第一和第二对法拉第旋转片都可以用一片单一法拉第旋转片配合一对半波片来替代。如果法拉第旋转片价格太高，这样作有可能降低成本。在这种情况下，渥伦斯顿棱镜的设计也要相应改变。具体而言，楔角片w1，w2的光轴依然相互垂直，但一个是在垂直方向，一个是在水平方向。
准直器102A和102B可以是自聚焦透镜也可以是传统透镜。渥伦斯顿棱镜中楔角片w1，w2和第一第二块双折射晶体的材料可以是金红石，方解石，钒酸钇，或其他的等效物，但不一定相同。在本发明的上述实例中，热扩散芯光纤(TECF)可用作第一，第二，和第三根光纤以降低设计准直器的难度。
对于有经验的人士显而易见的是，只要法拉第旋转片的旋转方向可由外部条件来控制，例如通过外部电场或磁场，上述的光环形器结构可以用作无运动部件的1×2光开关。
参考图3(b)的光路，如果光从光纤c2出发，到达渥伦斯顿棱镜14时的偏振态如剖面图t3-t3表示。依前所述，光将进入c3。如果由于外部的控制，第三和第四法拉第旋转片的旋转方向反向，光到达渥伦斯顿棱镜14时的偏振态如剖面图S3-S3表示。器件14是可逆器件，光将进入c1。因此，交替改变第三和第四法拉第旋转片的旋转方向，c2的光将交替进入c1或c3，从而构成一个无运动部件的1×2光开关。此时，第一和第二个法拉第旋转片的旋转方向也要相应控制以配合第一块双折射晶体合光的条件。从而构成一个无运动部件的光开关。显然，这里的磁场控制的法拉第旋转片可以用电场控制的电光晶体，液晶器件或其他等效物代替。
图5(a)至5(d)是本发明的第二实施例中，一个四端口光环形器光路的侧视图和俯视图。图中，第一根光纤g1(端口1)和第三根光纤g3(端口3)沿纵轴z相邻并排放置于光环形器一端，并相对于中心面P对称。第二根光纤g2(端口2)和第四根光纤g4(端口4)沿纵轴z相邻并排放置于光环形器另一端，并相对于中心面P对称。301A和301B是两根毛细管，301A放置光纤g1和g3，301B放置光纤g2和g4。
此四端口光环形器300包括有下列元件。它有第一个准直器302A，用以将光纤g1和g3的光准直成平行光束和将平行光束引导入光纤g3.它有第一块双折射材料303A，用以将任意光分为具有相互垂直偏振态的分量或将这样的分量合成一个光束。它还有第一组偏振旋转器310，包括第一个法拉第旋转片310A和第二个法拉第旋转片310B，用以改变光束的偏振态。将相互垂直的偏振态变成相互平行，或将相互平行的偏振态变成相互垂直。此光环形器还有一个偏振相关的角度偏折器，即罗雄棱镜315，它由第一和第二个双折射材料的楔角片h1和h2构成。两楔角片结合于一个公共面I。楔角片的光轴相互垂直。此光环形器还有第二组偏振旋转器311，包括第三个法拉第旋转片311A和第四个法拉第旋转片311B，用以改变光束的偏振态，将相互平行的偏振态变成相互垂直，或将相互垂直的偏振态变成相互平行。此光环形器还有第二块双折射材料303B，其功能与303A相同。此光环形器还有第二个准直器302B，用以将平行光束引导入光纤g2和g4或将光纤g2的光准直成平行光束。
在罗雄棱镜315中，第一块楔角片h1的光轴与中心面P成45度角，而第二块楔角片h2的光轴则平行于纵轴。第一和第二块法拉第旋转片310A和310B分别将光的偏振态向相反方向转45度。第三和第四块法拉第旋转片311A和311B也分别将光的偏振态向相反方向转45度。在此实例中，没有一根光纤在中心面上。
图5(a)是本发明的第二实施例四端口光环形器300中，光信号从第一根光纤g1到第二根光纤g2的光路侧视图。第一个准直器302A将光纤g1的光准直成平行光束320，此光束沿光路401传播。如图5(a)所示，因为光纤g1相对于准直器处于离轴位置，位于中心面上方，光束320有一个向下的倾斜角。第一个准直器按下面的要求设计，即当光束320以一个倾斜角通过第一块双折射材料303A和第一组偏振旋转器310后，光束320将在罗雄棱镜的公共面I1和中心面P的交线L1上穿过中心面。因此，任何角度的偏折都将发生在中心面上。
参照图5(A)和5(d)，准直光束320进入第一块双折射晶体303A后，被分成具有相互垂直偏振态的两个分量，即正常光320o和反常光320e。图3(a)下方的剖面图S2-S2标识了它们的偏振态。光束320o和320e的偏振态被偏振旋转片310A和310B各自向相反方向旋转45度后变成相同。此时的光束记为120o’和120e’。图5(a)下方的剖面图u2-u2和u3-u3标识了上述过程中它们偏振态的变化。这两束光然后以原有的倾斜角进入偏振相关的角度偏折器315，依上所述，光束在角度偏折器315的公共面I1和中心面P1的交线L1上穿过中心面。由于120o’和120e’的偏振态和罗雄棱镜中楔角片h1和h2的光轴取向，两束光穿过罗雄棱镜而不改变方向。然后法拉第旋转片311A和311B将120o’和120e’的偏振态由相互平行变成相互垂直，第二块双折射晶体303B将两束光合成一束，第二个准直器将光束引导入第二根光纤g2。图5(a)下方的剖面图u4-u4标识了上述过程中它们偏振态的变化。
图5(b)是第二实施例中光从端口2的光纤g2到端口3的光纤g3的光路侧视图。
来自光纤g2的光由第二个准直器302B准直成平行光束322，此光束沿光路402传播。第二个准直器的设计原则与第一个准直器302A的相同。如图5(b)所示，因为光纤g2处于中心面下方的离轴点，光束322有向上的倾斜角。当此光束通过第二块双折射晶体303B和法拉第旋转片311A和311B后，将正好到达中心面P1和罗雄棱镜的公共面I1的交线L1上。
准直光束322沿光路402进入第二块双折射晶体303B后，被分成具有相互垂直偏振态的两个分量，即正常光322o和反常光322e。光束322o和322e的偏振态被法拉第旋转片311A和311B各自向相反方向旋转45度后变成相同。此时的光束记为322o’和322e’。相应过程的偏振态如图5(b)中剖面图v2-v2和v3-v3所示。当光束322o’和322e’到达中心面和罗雄棱镜公共面的交线L1时，由于322o’和322e’的偏振态和罗雄棱镜中楔角片光轴的取向，两束光将折向下方，沿光路403向光纤g3而不是沿光路401回到g1。罗雄棱镜对光束的偏折角由楔角片的角度和其材料的折射率决定。然后第一组法拉第旋转片310A和310B将322o’和322e’的偏振态各自向相反方向旋转45度后，两束光的偏振态变成相互垂直。第一块双折射晶体303A将两束光合成一束，第一个准直器将光束引导入第三根光纤g3。
图5(c)是第二实施例中光从端口3的光纤g3到端口4的光纤g4的光路侧视图。第一个准直器302A将光纤g3的光准直成平行光束324，此光束沿光路403传播。如图5(a)所示，因为光纤g3相对于准直器处于离轴位置，位于中心面下方，光束324有一个向上的倾斜角。光束324进入第一块双折射晶体303A后，被分成具有相互垂直偏振态的两个分量，即正常光324o和反常光324e。它们的偏振态被偏振旋转片310A和310B各自向相反方向旋转45度后变成相同。此时的光束记为324o’和324e’。图5(c)下方的剖面图r2-r2和r3-r3标识了上述过程中它们偏振态的变化。这两束光然后以原有的倾斜角进入偏振相关的角度偏折器，即罗雄棱镜315，因为此时324o’和324e’的偏振态与图5(a)中320o’和320e’的偏振态相同，所以两束光穿过罗雄棱镜而不改变方向，而沿光路404传播。光束324o’和324e’的偏振态由第三和第四个法拉第旋转片各自向相反方向旋转45度后，两束光的偏振态变成相互垂直。此时的光束记为324o”和324e”。第二块双折射晶体303B将两束光合成光束325，第二个准直器将光束引导入第四根光纤g4。
图5(d)是本发明的第二实施例中，光信号从第一根光纤g1到第二根光纤g2的光路俯视图。
图6(a)说明第二实施例中罗雄棱镜315的结构。楔角片h1的光轴51与中心面成45度，而楔角片h2的光轴52则平行于纵轴z。h1的光轴51垂直于h2的光轴52。
图6(b)说明第二实施例中不同偏振态的光通过罗雄棱镜时有不同的光路。在上述的四端口光环形器实例中，显然光路401和403相对于中心面P是对称的，光路402和404相对于中心面P也是对称的。
如同第一实施例中三端口光环形器的情况，第一和第二对法拉第旋转片都可用一片单一法拉第旋转片配合一对半波片来替代。此时罗雄棱镜的第一个楔角片的光轴应与中心面成0或90度角。同样，准直器302A和302B可以是自聚焦透镜也可以是传统透镜。罗雄棱镜中楔角片h1，h2和第一第二块双折射晶体的材料可以是金红石，方解石，钒酸钇，或其他的等效物，但不一定相同。在本发明的上述实例中，热扩散芯光纤(TECF)可用作第一，第二，第三，和第四根光纤以降低设计准直器的难度。
类似于第一实施例中三端口光环形器的情况，只要法拉第旋转片的旋转方向可由外部条件来控制，例如通过外部电场或磁场，上述的四端口光环形器结构可以用作无运动部件的光学路由器。如果外部控制的法拉第旋转片的旋转方向在状态(+45，-45)度和(-45，+45)之间交替变换，则光纤g2的光可交替进入g1或g3，而光纤g3的光可交替进入g2和g4。显然，这里的磁场控制的法拉第旋转片可以用电场控制的电光晶体，液晶器件或其他等效物代替。
在本发明的两个实施例中，由于正常光和反常光在双折射晶体中的光路不同，因而经历的光程不同。这个光程差会导致两个分量不能同样到达角度偏折器公共面和中心面的交线L。由此会产生偏振相关损耗(PDL)和偏振模式色散(PMD)。发明者的计算表明由此产生的PDL和PMD都在可容许的范围。如果需要，图3(c)中的118和图5(d)中的318可用来补偿上述的光程差。
本发明的保护范围不应认为是只局限于前面介绍的两个光环形器实施例，而应认为是覆盖所有类似结构的光环形器和光开关。对于有经验的人士而言，前述光环形器的结构无须作实质性的改动即可用作光开关的基本结构。对于前述两个光环形器实例，可有各种变换，改进，和形异实同的其它形式，这些对于有经验的人士是显而易见的，从而不在此一一列举。
Claims (20)
1.一种光环行器，用于将来自第一根光纤的光束耦合到第二根光纤，和将来自第二根光纤的光束耦合到第三根光纤，所述的第二根光纤沿器件的纵轴放置，且位于所述的第一根和第三根光纤对面，所述的光环行器包括下列元件：
(a)第一个准直器用于将第一根光纤的光准直成第一根平行光束和将第二根平行光束引导进第三根光纤；
(b)第一块双折射晶体用于将光分成具有相互垂直偏振态的分量和将这样的分量合成；
(c)第一组偏振旋转片用于将光的偏振态由相互垂直转变为相互平行和由相互平行转变为相互垂直；
(d)一个偏振相关的光角度偏折器，它包括第一和第二个双折射楔角片，所述的第一个楔角片有第一种光轴，所述的第二个楔角片有第二种光轴，所的第一种光轴和所说的第二种光轴相互垂直，所述的第一个楔角片和第二个楔角片有一个公共面；
(e)第二组偏振旋转片用于将光的偏振态由相互垂直转变为相互平行和由相互平行转变为相互垂直；
(f)第二块双折射晶体用于将光分成具有相互垂直偏振态的分量和将这样的分量合成；
(g)第二个准直器用于将第一根光纤的光引导进第二根光纤和将第二根光纤的光准直成第二根平行光束。
2.根据权利要求1所述的光环行器，其特征在于所述的光角度偏折器由具有第一根光轴的楔角片和具有第二根光轴的楔角片在公共面上耦合而成，所述的第一根光轴和第二根光轴相对于中心面成45度角而且都与所说的器件纵轴垂直。
3.根据权利要求1所述的光环行器，其特征在于所述的光角度偏折器是一个渥伦斯顿棱镜。
4.根据权利要求1所述的光环行器，其特征在于所述的第一组偏振旋转片包括第一和第二个非可逆偏振旋转片。
5.根据权利要求4所述的光环行器，其特征在于所述的第一和第二个非可逆偏振旋转片对光的偏振态有相反的45度旋转量。
6.根据权利要求1所述的光环行器，其特征在于所述的第二组偏振旋转片包括第三和第四个非可逆偏振旋转片。
7.根据权利要求6所述的光环行器，其特征在于所述的第三和第四个非可逆偏振旋转片对光的偏振态有相反的45度旋转量。
8.根据权利要求1所述的光环行器，其特征在于所述的第一组偏振旋转片包括第五个非可逆偏振旋转片和第一对半波片。
9.根据权利要求1所述的光环行器，其特征在于所述的第二组偏振旋转片包括第六个非可逆偏振旋转片和第二对半波片。
10.根据权利要求1所述的光环行器，其特征在于还包括一个补偿器用于补偿不同分量的光程差。
11.一种光环行器，用于将来自第一根光纤的光束耦合到第二根光纤，和将来自第二根光纤的光束耦合到第三根光纤，和将来自第三根光纤的光束耦合到第四根光纤，所述的第一根光纤和第三根光纤沿器件纵轴相邻并排放置于器件一端，并相对于中心面对称，第二根光纤和第四根光纤沿器件纵轴相邻并排放置于器件另一端，位于所述的第一根和第三根光纤对面，并相对于中心面对称，所述的光环行器包括下列元件：
(a)第一个准直器用于将第一根光纤的光准直成第一根平行光束和将第二根平行光束引导进第三根光纤，和将第三根光纤的光准直成第三根平行光束；
(b)第一块双折射晶体用于将光分成具有相互垂直偏振态的分量和将这样的分量合成；
(c)第一组偏振旋转片用于将光的偏振态由相互垂直转变为相互平行和由相互平行转变为相互垂直；
(d)一个偏振相关的光角度偏折器，它包括第一和第二个双折射楔角片，所述的第一个楔角片有第一种光轴，所述的第二个楔角片有第二种光轴，所述的第一种光轴和所说的第二种光轴相互垂直，所述的第一个楔角片和第二个楔角片有一个公共面；
(e)第二组偏振旋转片用于将光的偏振态由相互垂直转变为相互平行和由相互平行转变为相互垂直；
(f)第二块双折射晶体用于将光分成具有相互垂直偏振态的分量和将这样的分量合成；
(g)第二个准直器用于将第一根光纤的光引导进第二根光纤和将第二根光纤的光准直成第二根平行光束，和将第三根光纤的光引导进第四根光纤；
12.根据权利要求11所述的光环行器，其特征在于所述的光角度偏折器由具有第一根光轴的楔角片和具有第二根光轴的楔角片在公共面上耦合而成，所述的第一根光轴相对于中心面成45度角而且与所述的器件纵轴垂直，所述的第二光轴平行于所说的器件纵轴。
13.根据权利要求11所述的光环行器，其特征在于所述的光角度偏折器是一个罗雄棱镜。
14.根据权利要求11所述的光环行器，其特征在于所述的第一组偏振旋转片包括第一和第二个非可逆偏振旋转片。
15.根据权利要求14所述的光环行器，其特征在于所述的第一和第二个非可逆偏振旋转片对光的偏振态有相反的45度旋转量。
16.根据权利要求11所述的光环行器，其特征在于所述的第二组偏振旋转片包括第三和第四个非可逆偏振旋转片。
17.根据权利要求16所述的光环行器，其特征在于所述的第三和第四个非可逆偏振旋转片对光的偏振态有相反的45度旋转量。
18.根据权利要求11所述的光环行器，其特征在于所述的第一组偏振旋转片包括第五个非可逆偏振旋转片和第一对半波片。
19.根据权利要求11所述的光环行器，其特征在于所述的第二组偏振旋转片包括第六个非可逆偏振旋转片和第二对半波片。
20.根据权利要求11所述的光环行器，其特征在于它还包括一个补偿器用于补偿不同分量的光程差。
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