CN203688845U - 紧凑型三端口光环行器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种紧凑型偏振无关三端口光环行器，包括依次排列在该光环行器的纵向轴线上的双光纤准直器、第一分束/合束晶体、第一组偏振态转换器、光束环路器件、第二组偏振态转换器、第二分束/合束晶体以及单光纤准直器，其中所述光束环路部件由同种材质的第一双折射晶体光楔、第二双折射晶体光楔以及第三双折射晶体光楔组成的晶体偏振分光棱镜；能很好地实现了环路功能及与双光纤准直器的交错耦合角度的匹配。与通常采用两个独立的渥拉斯顿棱镜作为光束环路器件相比，本实用新型采用的偏振分光棱镜的结构更为简单，装配调整更为容易，可靠性更高且成本更为低廉。

Description

紧凑型三端口光环行器

【技术领域】

本实用新型涉及光纤通信系统的光无源器件，尤其涉及一种结构紧凑的偏振无关光环行器。

【背景技术】

三端口光环行器是包括有三个端口的光无源器件，一束光从环行器的第一端口输入，将从第二端口输出，但从第二端口输入的光却不会从第一端口输出，而是从第三端口输出。将光环行器安装在光纤一端，就能使在同一光纤中互为逆向传输的两束光在该光纤端分开到不同的端口。因此能将原本只能单向传输的光通道迅速并非常容易的变成双向传输的光通道，从而成倍的增加光传输容量。因此，光环形器被广泛用于波分复用器、掺铒光纤放大器、光分插复用器、色散补偿器等领域。

光环行器的典型结构可分为分光/合光器、偏振态转换器及光束环路器件三大部份。其中，第一部分，分光/合光器，通常为单块双折射晶体做成的光束分离器，能将一束光分成两束偏振态相互垂直的线偏振光，或将两束偏振态相互垂直的线偏振光合束成一束光；第二部份为偏振态转换器件，能将分光/合光器分离出的两束偏振态相垂直的线偏振光的偏振态分别按一定的角度旋转。其通常由两片晶体半波片及一片法拉第旋转片组成。第一部分及第二部份不论从工作原理上，还是从应用上，都已定型，不同的公司及科研单位在此两部件并无太大的差异。

第三部份为光束行路器件，也是光环行器中最为核心的部件，它不仅需要将不同的线偏振态的光束按不同的光转播线路传输，同时还必需能使不同线偏振态的两束光以一定的角度与双光纤准直器的光束交叉耦合角度相互匹配。不同的公司及不同的科研单位，对此部件都做了相当大的工作及研究，利用不同的光学元件，或光学元件的组合，来完成此部分的功能。但在实际使用过程中，都不可避免地有些缺点。影响了产品的性能及成本。

目前光环形器方面的专利比较多，其中与本实用新型较近似的结构是美国专利US6049426A、US6052228A、US6822793B2以及中国专利ZL01222961.X，它们共同的及最基本的特征是都采用两个独立的渥拉斯顿棱镜（Wollaston Prism）作为光束环行器件。这些专利技术中，因采用两个独立的渥拉斯顿棱镜，不仅体积较大，且装配调整也较困难，从而导致了性能不佳，成本较高。

【发明内容】

本实用新型的目的就在于克服现有光环行器的上述缺点，简化光束环路器件的结构，降低装配难度，提高产品的可靠性及降低成本。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种紧凑型三端口光环行器，包括依次排列在该光环行器的纵向轴线上的双光纤准直器、第一分束/合束晶体、第一组偏振态转换器、光束环路器件、第二组偏振态转换器、第二分束/合束晶体以及单光纤准直器，其中：所述光束环路部件由同种材质的第一双折射晶体光楔、第二双折射晶体光楔以及第三双折射晶体光楔组成的晶体偏振分光棱镜；所述第一双折射晶体光楔的外端面与纵向轴线垂直，内端面为楔角面；所述第三双折射晶体光楔的外端面与纵向轴线垂直，内端面为楔角面；所述第二双折射晶体光楔的两端面均为楔角面，并分别与第一双折射晶体光楔、第三双折射晶体光楔的楔角面平行；所述第一双折射晶体光楔的光轴和第三双折射晶体的光轴垂直于光束入射面、所述第二双折射晶体光楔的光轴平行于光束入射面；且第一双折射晶体光楔与第二双折射晶体光楔形成的楔角面的方位角α1、所述第二双折射晶体光楔与第三双折射晶体光楔形成的楔角面的方位角α2分别与双光纤准直器的光束交叉角度相匹配。

进一步的，所述的双折射晶体光楔方位角α1、α2与双光纤准器的光束交叉角β的关系式如下：

$\mathrm{\β}1:=-a\sin [\mathrm{no}\·\sin [a\sin \left[\frac{\mathrm{ne}\·\sin [\mathrm{\α}2-(\mathrm{\α}1-a\sin \left(\frac{\mathrm{no}\·\sin \left(\mathrm{\α}1\right)}{\mathrm{ne}}\right))]}{\mathrm{no}}\right]-\mathrm{\α}2\left]\right]$

$\mathrm{\β}2:=a\sin [\mathrm{ne}\·\sin [a\sin \left[\frac{\mathrm{no}\·\sin [\mathrm{\α}2-(\mathrm{\α}1-a\sin \left(\frac{\mathrm{ne}\·\sin \left(\mathrm{\α}1\right)}{\mathrm{no}}\right))]}{\mathrm{ne}}\right]-\mathrm{\α}2\left]\right];$

其中，no为所述双折射晶体的O光折射率，ne为所述双折射晶体E光的折射率，β1和β2为光经所述晶体偏振分光棱镜后的出射角，且β1=β2=β/2。

进一步的，当双光纤准器的交叉角β=3.0°时，并且第一双折射晶体光楔、第二双折射晶体光楔以及第三双折射晶体光楔采用YVO4双折射晶体材料时，则所述方位角α1和α2的值为α1=20°，α2=26.2°。

本实用新型的紧凑型三端口光环行器，其光束环路器是由三块双折射晶体光楔构成，取代了传统的采用两个独立的渥拉斯顿棱镜作为光束环路器件，不仅在结构上得到很大的简化，也更加方便于调整装配，同时产品的可靠性能也得到提高，降低了成本。

【附图说明】

图1为本实用新型光环行器的立体图。

图2为本实用新型光环行器的俯视图。

图3为本实用新型光环行器的侧视图。

图4a和图4b为本实用新型光传输过程中偏振态变化示意图。

图5为本实用新型偏振分光棱镜结构示意图。

【具体实施方式】

下面结合附图及具体的实施方式对本实用新型做进一步的说明。

如图1至图3所示，本实用新型的紧凑型三端口光环行器，包括依次排列在该光环行器的纵向轴线上的双光纤准直器1、第一分束/合束晶体2、第一组偏振态转换器3、光束环路器件4、第二组偏振态转换器5、第二分束/合束晶体6以及单光纤准直器7。

其中：

所述双光纤准直器1，其一尾纤为第一端口A，用于光束的输入端，另一尾纤为第三端口C，用于光束的输出端；

所述第一分束/合束晶体2，由YVO4双折射晶体做成，将一束光分为两束线偏振光或将两束线偏振光合束为一束光；

所述第一组偏振态转换器3，由两块半波片31（32）和一块法拉第旋转片33组成，将两束线偏振光的偏振方向分别进行旋转；

所述光束环路部件4由同种材质的第一双折射晶体光楔41、第二双折射晶体光楔42以及第三双折射晶体光楔43组成的晶体偏振分光棱镜；所述第一双折射晶体光楔41的外端面与纵向轴线垂直，内端面为楔角面；所述第三双折射晶体光楔43的外端面与纵向轴线垂直，内端面为楔角面；所述第二双折射晶体光楔42的两端面均为楔角面，并分别与第一双折射晶体光楔41、第三双折射晶体光楔43的楔角面平行；所述第一双折射晶体光楔41的光轴和第三双折射晶体光楔43的光轴垂直于光束入射面、所述第二双折射晶体光楔42的光轴平行于光束入射面；且第一双折射晶体光楔41与第二双折射晶体光楔42形成的楔角面的方位角α1、所述第二双折射晶体光楔42与第三双折射晶体光楔43形成的楔角面的方位角α2分别与双光纤准直器1的光束交叉角度β相匹配；

所述第二组偏振态转换器5，由两块半波片51（52）和一块法拉第旋转片53组成，将两束线偏振光的偏振方向分别进行旋转；

所述第二分束/合束晶体6，由YVO4双折射晶体做成，将一束光分为两束线偏振光或将两束线偏振光合束为一束光；

所述单光纤准直器7，其尾纤为第二端口B，用于光束的输入/输出端。

如图4a所示，图4a为光束从第一端口A向第二端口B传输过程中的偏振态变化图，当光束从第一端口A输入的任意偏振态的光经过双折射晶体2时，被分离成两束偏振态相互垂直的线偏光，分别进入半波片31及半波片32；半波片31及半波片32将此两束线偏振光的偏振面沿一顺时针一逆时针方向各旋转45°，使两束线偏光的偏振态由相互垂直变为相互平行（见图4a之②），然后通光法拉第旋转片5，使这两束线偏振光的偏振面均沿顺时针方向旋转45°。此时两束光的偏振态相对于双折射晶体41为O光，相对于双射率晶体42为E光，相对于双折射晶体43为O光（见图4a之③）。当两束光通过偏振分光棱镜之后，经过三块双折射晶体光楔的折射，将原来斜向上的光束校为沿水平方向传播（见图2之正向箭头），然后再经过相同的旋光结构，将两光束的偏振态调整为相互垂直，经过双折射晶体6后合为一束，为单光纤准直器7接收。

如图4b所示，图4b为光束从第二端口B向第三端口C传输过程中的偏振态变化图。当光从第二端口B输入时，光经过第二分束/合束晶体6，第二组偏振态转换器5后，由于法拉第旋转片53具有非互易特性，得到与图4a之④偏振态相互垂直的两束线偏振光（见图4b之④）,这两束线偏振光相对于第三双折射晶体光楔43为E光，相对于第二双射率晶体光楔42为O光，相对于第一双折射晶体光楔41为E光。经过三块双射率晶体光楔的折射后，输出光与从第一端口A的输入光束成一夹角，可被耦合至第三端口C。

再如图5所示，图5为三端口环行器的偏振分光棱镜示意图，计算楔形双折射晶体的两个楔角，即第一双折射晶体光楔41与第二双折射晶体光楔42形成的楔角面的方位角α1、第二双折射晶体光楔42与第三双折射晶体光楔43形成的楔角面的方位角α2，使α1、α2与双光纤准直器的耦合角度即光束交叉角度β相匹配。其计算公式如下：

$\mathrm{\β}1:=-a\sin [\mathrm{no}\·\sin [a\sin \left[\frac{\mathrm{ne}\·\sin [\mathrm{\α}2-(\mathrm{\α}1-a\sin \left(\frac{\mathrm{no}\·\sin \left(\mathrm{\α}1\right)}{\mathrm{ne}}\right))]}{\mathrm{no}}\right]-\mathrm{\α}2\left]\right]$

$\mathrm{\β}2:=a\sin [\mathrm{ne}\·\sin [a\sin \left[\frac{\mathrm{no}\·\sin [\mathrm{\α}2-(\mathrm{\α}1-a\sin \left(\frac{\mathrm{ne}\·\sin \left(\mathrm{\α}1\right)}{\mathrm{no}}\right))]}{\mathrm{ne}}\right]-\mathrm{\α}2\left]\right];$

其中，no为所述双折射晶体的O光折射率，ne为所述双折射晶体E光的折射率，β1和β2为光经所述晶体偏振分光棱镜后的出射角，且β1=β2=β/2，这样输出的光将很好的为双光纤准直器1接收，从第三端口C输出，最终实现环行器的环路传输功能。

例如，当双光纤准器的交叉角β=3.0°时，并且第一双折射晶体光楔、第二双折射晶体光楔以及第三双折射晶体光楔采用YVO4双折射晶体材料时，则所述方位角α1和α2的值为α1=20°，α2=26.2°。

综上所述，本实用新型的紧凑型三端口光环行器，其光束环路器是由三块双折射晶体光楔构成，取代了传统的采用两个独立的渥拉斯顿棱镜作为光束环路器件，不仅在结构上得到很大的简化，也更加方便于调整装配，同时产品的可靠性能也得到提高，降低了成本。

以上仅仅是对本实用新型实施例的说明，而不是对保护范围的限定，任何非实质性的改动，如改变双折射晶体光楔方位角α1、α2组合，或使用不同的双折射晶体等，都应该落在本实用新型专利的权利要求保护范围之内。

Claims (3)

1.一种紧凑型偏振无关三端口光环行器，包括依次排列在该光环行器的纵向轴线上的双光纤准直器、第一分束/合束晶体、第一组偏振态转换器、光束环路器件、第二组偏振态转换器、第二分束/合束晶体以及单光纤准直器，其特征在于：所述光束环路部件的第一双折射晶体光楔、第二双折射晶体光楔以及第三双折射晶体光楔组成的晶体偏振分光棱镜；且第一双折射晶体光楔、第二双折射晶体光楔以及第三双折射晶体光楔由同种材质的双折射晶体制得；

所述第一双折射晶体光楔的外端面与纵向轴线垂直，内端面为楔角面；所述第三双折射晶体光楔的外端面与纵向轴线垂直，内端面为楔角面；所述第二双折射晶体光楔的两端面均为楔角面，并分别与第一双折射晶体光楔、第三双折射晶体光楔的楔角面平行；

所述第一双折射晶体光楔的光轴和第三双折射晶体的光轴垂直于光束入射面、所述第二双折射晶体光楔的光轴平行于光束入射面；

且第一双折射晶体光楔与第二双折射晶体光楔形成的楔角面的方位角α1、所述第二双折射晶体光楔与第三双折射晶体光楔形成的楔角面的方位角α2分别与双光纤准直器的光束交叉角度相匹配。

2.如权利要求1所述的紧凑型偏振无关三端口光环行器，其特征在于：所述方位角α1、α2与双光纤准器的光束交叉角β的关系式如下：

$\mathrm{\β}1:=-a\sin [\mathrm{no}\·\sin [a\sin \left[\frac{\mathrm{ne}\·\sin [\mathrm{\α}2-(\mathrm{\α}1-a\sin \left(\frac{\mathrm{no}\·\sin \left(\mathrm{\α}1\right)}{\mathrm{ne}}\right))]}{\mathrm{no}}\right]-\mathrm{\α}2\left]\right]$

$\mathrm{\β}2:=a\sin [\mathrm{ne}\·\sin [a\sin \left[\frac{\mathrm{no}\·\sin [\mathrm{\α}2-(\mathrm{\α}1-a\sin \left(\frac{\mathrm{ne}\·\sin \left(\mathrm{\α}1\right)}{\mathrm{no}}\right))]}{\mathrm{ne}}\right]-\mathrm{\α}2\left]\right];$

其中，no为所述双折射晶体的O光折射率，ne为所述双折射晶体E光的折射率，β1和β2为光经所述晶体偏振分光棱镜后的出射角，且β1=β2=β/2。

3.如权利要求2所述的紧凑型偏振无关三端口光环行器，其特征在于：当双光纤准器的交叉角β=3.0°时，并且第一双折射晶体光楔、第二双折射晶体光楔以及第三双折射晶体光楔采用YVO4双折射晶体材料时，则所述方位角α1和α2的值为α1=20°，α2=26.2°。

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