CN201072456Y - 四端口环行器 - Google Patents

Abstract

本实用新型是用于光纤通讯的四端口环形器，具有结构简单、体积小、成本低、性能参数优良等特点。它包括下列元件：第一聚焦透镜、第一偏振光分光晶体、第一半波片、第一法拉第旋转器、第一楔角片、第二楔角片、第二法拉第旋转器、第二半波片、第二偏振光分光晶体、第二聚焦透镜、补偿片和磁环。第一楔角片、第一法拉第旋转器、第二楔角片、第二法拉第旋转器沿纵轴方向依序排布。沿四端口环形器纵轴方向，补偿片位于第二法拉第旋转器和第二偏振光分光晶体之间的与穿越第二半波片的光路相并行而位于第二半波片之外的另一条光路上。磁环中轴平行于纵轴方向。

Description

四端口环行器

技术领域

本实用新型涉及用于光纤通讯的环行器，特别是四端口环行器，它把第一根光纤传来的光束耦合到第二根光纤，把第二根光纤传来的光束耦合到第三根光纤，把第三根光纤传来的光束耦合到第四根光纤。

背景技术

随着光学通信技术的不断发展，光环形器作为无源器件中的一个重要元器件，在系统设计、设备制造中得到越来越广泛的应用。它可以用于色散补偿系统中，对高速光纤传输系统传输过程中产生的色散进行补偿，还可广泛应用于双向通讯、光波长的上下载，也可以用作分插复用设备等。

光环行器是一种可以使光顺序沿着一个方向传输的非互易性器件。对于具有n个端口的环行器来讲，从第i(i＝1，2，……n-1)个端口射入的光信号只能从第i+1个端口输出。理想状态的环行器，其第n个端口射入的光信号只能从第1个端口输出。但是，在光环行器的实际应用中，末端光信号由始端输出的状态由于在具体使用的时候没有什么实际意义，因而一般是不需要的。考虑到光环行器的制作工艺和实际应用环境，三端口和四端口环行器是应用最广泛的两种。

目前，常用的四端口环行器，一般包括三个功能模块，即第一光学功能组合块，第二光学功能组合块和第三光学功能组合块。

第一光学功能组合块是实现激光的射入输出、偏振分合光、旋转偏振向功能的光学元件组合块。它主要有双光纤头、聚焦透镜、偏折光器件、偏振分光晶体、两块半波片组合件和法拉第旋光片组成。其中的双光纤头的两根光纤分别对应于环形器的第一端口和第二端口。

第三光学功能组合块与第一光学功能组合块的功能和原理相同，结构也类似。其中的双光纤头的两根光纤分别对应于环形器的第三端口和第四端口。

第二光学功能组合块主要包括偏振光分光器件。从第一端口射入的激光经过第一光学功能组合块偏振分光并旋转偏振向后，入射到第二光学功能组合块的偏振光分光器件，对应为寻常光，该光束直线通过，再经过第三光学功能组合块旋转偏振向并合光后，耦合到第二端口并被输出。按照与此相同的传播方式，从第三端口射入的激光由第四端口输出。从第二端口射入的激光经过第三光学功能组合块偏振分光和旋转偏振向后，入射到第二光学功能组合块的偏振光分光器件，对应为非寻常光，光束出射时产生平移，再通过第一光学功能组合块旋转偏振向并合光后，耦合到第三端口并被输出。

上述部分环行器的构成件，法拉第旋转器，通常采用永磁材料制备。如果遭遇强磁场环境，这种法拉第旋转器将会产生退磁现象；而如果磁场强度不足则由于法拉第旋转器需要在一定强度磁场作用下才能够实现一定角度的旋光效应，将会导致旋光角度达不到要求。此外，上述四端口环形器，其结构颇为复杂，体积较大，制作成本高，且制作效率低，性能参数不稳定。

实用新型内容

本实用新型目的在于提供一种四端口环行器。该环行器结构简单，体积较小，制造成本低廉，生产效率高。

按照上述目的设计的四端口环形器，其构成件第一根光纤和第三根光纤沿四端口环形器纵轴方向以相邻并排的方式置于四端口环形器一端，并对称于中心面，其构成件第二根光纤和第四根光纤沿四端口环形器纵轴方向以相邻并排的方式置于四端口环形器另一端，且位于第一根光纤和第三根光纤对面，并对称于中心面。该四端口环形器包括下列元件：第一聚焦透镜、第一偏振光分光晶体、第一半波片、第一法拉第旋转器、第一楔角片、第二楔角片、第二法拉第旋转器、第二半波片、第二偏振光分光晶体、第二聚焦透镜、补偿片和磁环。第一楔角片、第一法拉第旋转器、第二楔角片、第二法拉第旋转器沿四端口环形器纵轴方向依序排布。沿四端口环形器纵轴方向，补偿片位于第二法拉第旋转器和第二偏振光分光晶体之间的与穿越第二半波片的光路相并行而位于第二半波片之外的另一条光路上。磁环中轴平行于纵轴方向。

一般地，前述四端口环形器，其第一楔角片、第一法拉第旋转器、第二楔角片、第二法拉第旋转器同时位于磁环内环中。

较好地，前述四端口环形器，其第一楔角片的光轴与中心面的夹角选择为90度，第二楔角片的光轴与中心面的夹角选择为45度。

上述聚焦透镜是自聚焦透镜或球面透镜。偏振光分光晶体采用双折射晶体材料制备。楔角片也采用双折射晶体材料制备。

本实用新型的四端口环形器，利用置放于磁环内环中的两个楔角片夹持一个法拉第旋转器的构造方式，能够实现传统结构中需要多个器件的组合来才能够实现的角度匹配任务，从而克服取代传统结构体积庞大、光路长的缺点，成为技术性能得以递进提升的新型产品结构。同时，这种设计，简化了产品结构，而且减小了产品体积，同时降低了其生产成本，提高了生产效率。此外，采用这种结构的四端口环形器其物理参数趋向于优化匹配，使产品技术性能得以大幅提升，可以与目前的三端口环行器相媲美。

图面说明

图1是本实用新型四端口环形器平面结构示意图。

图2是本实用新型四端口环形器中，光线由第一根光纤传播至第二根光纤的光路侧视图。

图3是本实用新型四端口环形器中，光线由第二根光纤传播至第三根光纤的光路侧视图。

图4是本实用新型四端口环形器中，光线由第三根光纤传播至第四根光纤的光路侧视图。

图5是本实用新型四端口环形器中，光线由第一根光纤传播至第二根光纤的光路俯视图。

图6是本实用新型四端口环形器实施实例装配结构示意图。

图7是本实用新型四端口环形器实施实例中楔角片结构示意图。

图中各标记对应的结构特征或构件名称如下，1～第一毛细管，2～第一聚焦透镜，3～第一偏振光分光晶体，4～第一半波片，5～第一楔角片，6～第一法拉第旋转器，7～第二楔角片，8～第二法拉第旋转器，9～第二半波片，10～第二偏振光分光晶体，11～第二聚焦透镜，12～第二毛细管，13～补偿片，14～磁环，a1～第一根光纤，a2～第二根光纤，a3～第三根光纤，a4～第四根光纤，p～中心面，100～四端口环形器。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本实用新型四端口环形器。

图1～7是本实用新型四端口环形器具体实施例相关结构示意图。

参见图1、6，并结合图2、3、4，依照其各元器件或元器件组合后承担的光学任务，该四端口环形器100可以被视为包括三个功能块，即第一光学功能组合块A、第二光学功能组合块B和第三光学功能组合块C。第一光学功能组合块A、第二光学功能组合块B和第三光学功能组合块C三者依照下文描述的方式组合在一起之后被整体封装于图6所示外壳18中。

其中，第一光学功能组合块A包括第一毛细管1，第一聚焦透镜2，第一偏振光分光晶体3，第一半波片4。

第二光学功能组合块B包括第一楔角片5，第一法拉第旋转器6，第二楔角片7，第二法拉第旋转器8，磁环14。

第三光学功能组合块C包括第二半波片9，第二偏振光分光晶体10，第二聚焦透镜11，第二毛细管12，补偿片13。

第一毛细管1中包覆有第一根光纤a1和第三根光纤a3。沿四端口环形器100的纵轴，即图1所示直角坐标系oxyz的z轴方向，第一根光纤a1和第三根光纤a3以相邻并排的方式置于四端口环形器100的左端，并且两根光纤a1、a3对称于四端口环形器100的中心面p。第二毛细管12中包覆有第二根光纤a2和第四根光纤a4。沿四端口环形器100的纵轴，即图1所示直角坐标系oxyz的z轴方向，第二根光纤a2和第四根光纤a4以相邻并排的方式置于四端口环形器100的右端，也就是位于第一根光纤a1和第三根光纤a3的对面，并且两根光纤a2、a4也对称于中心面p。中心面p是光学元器件中心轴，即图1所示直角坐标系oxyz的z轴，同第一根光纤a1和第三根光纤a3所成的平面，它平行图1所示直角坐标系oxyz的yoz平面。

第一聚焦透镜2是一个准直器，它可以把对应于第一根光纤a1和第三根光纤a3中的光线分别聚焦准直成第一束平行光L1(如图2所示)和第三束平行光L3(如图4所示)，也可以把对应地来自第二根光纤a2的第二束平行光L2(如图3所示)引入第三根光纤a3。

第二聚焦透镜11也是一个准直器，其功能类似于第一聚焦透镜2，它可以把对应地来自第一根光纤a1的第一束平行光L1引入第二根光纤a2，也可以把对应于第二根光纤a2中的光线准直成第二束平行光L2。

第一偏振光分光晶体3和第二偏振光分光晶体10都是双折射晶体，其作用都是把平行光转化成具有相互垂直偏振态的分量和把具有相互垂直偏振态的分量合成为平行光。

第一半波片4和第二半波片9使通过它们的偏振光振动方向旋转90度。

补偿片13用来补偿经偏振光分光晶体分开后的两束光的光程差。沿四端口环形器100的纵轴方向，补偿片13的位置介于第二法拉第旋转器8和第二偏振光分光晶体10之间的与穿越第二半波片9的光路相并行而位于第二半波片9之外的另一条光路上。最好是与第二半波片9所在截面相同的横截面上。

磁环14是一个永磁铁，用来给第一法拉第旋转器6和第二法拉第旋转器8提供磁场。

第一楔角片5和第二楔角片7构成的组合件可把从第二根光纤a2射出的光偏转一个角度使之进入第三根光纤a3中。

第一法拉第旋转器6和第二法拉第旋转器8都是偏振旋转片，其作用都是把光线的偏振态由相互垂直转变为相互平行或由相互平行转变为相互垂直。

沿四端口环形器100的纵轴方向，第一楔角片5、第一法拉第旋转器6、第二楔角片7、第二法拉第旋转器8依照这里述及的顺序排布。

在图1、7示的直角坐标系oxyz中，第一楔角片5的光轴501与四端口环形器100的中心面p之夹角为90度、第二楔角片7的光轴701与四端口环形器100的中心面p之夹角为45度。

参见图2、5，光线由第一根光纤a1传播至第二根光纤a2的光路侧视图和俯视图。从第一根光纤a1射入的激光经第一聚焦透镜2准直后成为第一束平行光L1。第一束平行光L1沿光路15进入第一偏振光分光晶体3后，被分成两路具有相互垂直偏振态的偏振光，即寻常光L1a和非寻常光L1b(见图5所示)。寻常光L1a穿过光轴方向45度的第一半波片4，其光线偏振方向旋转90度后，与非寻常光L1b取得一致的偏振方向。随后，偏振方向相同的两束光线L1a和L1b分别穿过渥拉斯顿棱镜的第一楔角片5。偏振方向相同的两束光线L1a和L1b在穿越第一楔角片5时，振动方向保持不变。就其振动方向和第一楔角片5的光轴501之间的关系而言，相对于第一楔角片5的光轴501(见图7)，两束光线L1a和L1b都是寻常光。接着，偏振方向相同的两束光线L1a和L1b分别通过第一法拉第旋转器6，其振动方向同向旋转45度而保持一致。跟着，偏振方向相同的两束光线L1a和L1b分别通过渥拉斯顿棱镜的第二楔角片7，再穿越第二法拉第旋转器8使两束光线L1a和L1b偏振方向再次同向旋转45度而保持一致。同样地，相对于第二楔角片7和第二法拉第旋转器8，两束光线L1a和L1b也都是寻常光。然后，使其中一束偏振光L1a或者L1b通过第二半波片9，使这束光的偏振方向旋转90度。这时两束偏振光L1a和L1b的振动方向变化呈相互垂直。最后，使偏振方向互为垂直的两束光线L1a和L1b进入第二偏振光分光晶体10，把它们合成为一束光L1`后，再通过第二聚焦透镜11耦合到第二根光纤a2中。图2中，对应于激光束传播光路上各光学器件的剖面图明确地示出了两束偏振光L1a和L1b在经过各光学元件后的偏振态状况。

参见图3，光线由第二根光纤a2传播至第三根光纤a3的光路侧视图。从第二根光纤a2射入的激光经第二聚焦透镜11准直后成为第二束平行光L2。第二束平行光L2沿光路16进入第二偏振光分光晶体10后，被分成两路具有相互垂直偏振态的偏振光，即寻常光L2a和非寻常光L2b。参照上述图2描述的光线由第一根光纤a1传播至第二根光纤a2的过程，当寻常光L2a和非寻常光L2b到达第二楔角片7时，由于在该传播方向下位于前方的第二法拉第旋转器8对偏振光产生的旋转角与入射方向无关，因此相对于由第一根光纤a1入射的激光到达第二楔角片7时的状态而言，寻常光L2a和非寻常光L2b的偏振方向都旋转了90度，此时两束光相对于第二楔角片7均为非寻常光。随后，经过第一法拉第旋转器6旋转45度后，偏振方向相同的两束光线L2a、L2b的振动方向与图2描述的光线由第一根光纤a1传播至第二根光纤a2时的振动方向相同。然后，两束偏振光L2a、L2b进入第一楔角片5后转变为寻常光。由于寻常光与非寻常光的折射率不同，光线产生了偏折，再通过第一半波片4，使两束偏振光L2a、L2b的振动方向转变成相互垂直。之后，经过第一偏振光分光晶体3合光后，两束光线L2a、L2b合成为一束光L2`。最终，光束L2`通过第一聚焦透镜2被耦合到第三根光纤a3中被输往后续负载。图3中，对应于激光束传播光路上各光学器件的剖面图明确地示出了两束偏振光L2a、L2b在经过各光学元件后的偏振态。

参见图4，光线由第三根光纤a3传播至第四根光纤a4的光路侧视图。在光线来自第三根光纤a3的状态下，其沿光路17的传播方式和耦合传递状况同图2描述的光线由第一根光纤a1传播至第二根光纤a2的过程类似，被最终耦合到第四根光纤a4中以输往后续负载。图4中，对应于激光束传播光路上各光学器件的剖面图明确地示出了两束偏振光在经过各光学元件后的偏振态。

Claims (3)

1.四端口环形器，其构成件第一根光纤和第三根光纤沿所述四端口环形器纵轴方向以相邻并排的方式置于所述四端口环形器一端并对称于中心面，其构成件第二根光纤和第四根光纤沿所述四端口环形器纵轴方向以相邻并排的方式置于所述四端口环形器另一端且位于所述第一根光纤和所述第三根光纤对面并对称于所述中心面，所述四端口环形器包括下列元件：第一聚焦透镜、第一偏振光分光晶体、第一半波片、第一法拉第旋转器、第一楔角片、第二楔角片、第二法拉第旋转器、第二半波片、第二偏振光分光晶体、第二聚焦透镜，其特征在于还包括：补偿片和磁环，所述第一楔角片、所述第一法拉第旋转器、所述第二楔角片、所述第二法拉第旋转器沿所述四端口环形器纵轴方向依序排布，所述补偿片沿所述四端口环形器纵轴方向位于所述第二法拉第旋转器和所述第二偏振光分光晶体之间与穿越所述第二半波片的光路相并行而位于所述第二半波片之外的另一条光路上，所述磁环中轴平行于所述四端口环形器纵轴方向。

2.根据权利要求1所述的四端口环形器，其特征在于所述第一楔角片、所述第一法拉第旋转器、所述第二楔角片、所述第二法拉第旋转器同时位于所述磁环内环中。

3.根据权利要求1或2所述的四端口环形器，其特征在于所述第一楔角片的光轴与所述中心面的夹角为90度，所述第二楔角片的光轴与所述中心面的夹角为45度。

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