专利名称：带隔离的偏振光束分束器和合束器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种带隔离的偏振光束分束器或合束器，用于把来自不同输入端的光组合到一公共端，以及把一束光分成正交的偏振光。在两种操作模式下，该分束器/合束器在传输方向上提供有效的耦合，以及提供隔离防止光沿反向(隔离方向)传输。
背景技术：
例如光学环形器和隔离器的偏振独立装置通常需要把未知偏振态的输入光束分成两正交的偏振子光束。这些子光束通过例如可逆性(reciprocal)和不可逆性(non-reciprocal)旋转器之类装置的隔离元件，并在输出端被合成。然而，如果光束反向发射，不可逆性元件确保光不会反馈回输入端。众所周知，金红石晶体以及其它双折射晶体被用来把输入光束分成两正交的子光束，从而被用作偏振光束分束器，或者在相反的方向作为偏振光束合束器。在本说明书中使用术语偏振光束分束器，但应该理解，同样的装置反向操作时用作偏振光束合束器。
对于在这些晶体内传播的光，最常见的是通过梯度折射率(GRIN)透镜来准直。在这个例子中，需要一个较大晶体确保直径通常为350μm的两光束分开。然而，最近发现，约为传统晶体大小1/50的非常小的晶体，，能够在非准直光束下使用；使用如此小的晶体显著地减少了制造光学分束器/合束器、环形器以及光学隔离器的成本。
偏振光束合束器把不同输入端的光组合到一公共端。例如，通常需要把来自一个或多个激光器的带有一个光学信号的泵浦能量组合到一光学放大器上。偏振分束器把一束光分成两正交偏振成分的子光束，它们导向两隔离的输出端。可取的是提供隔离，以防止光反馈回到分束器的输入端。这通常通过提供外部隔离器、偏振维持光纤的尾光纤以及一个分开的分束器来完成。
对合束器来说隔离更关键，因为反馈回激光源的光将对激光造成损伤。因而在激光和合束器之间提供一个外部隔离器。然而，提供激光泵浦功率成本太高，而使用分开的隔离器和合束器则会增加插入损耗。
本发明的目的是提供一种合束器，其能提供隔离功能，增加泵浦耦合效率。本发明进一步的目的是使用更少的部件和更少的偏振光维持光纤来提供一个更小、经济合算的带隔离的偏振光分束器/合束器。
现有技术的物体空间偏振光束分束器/合束器的缺点还在于。通过双折射晶体的两分开的正交偏振光光程长度不同。由于散焦或需要补偿光程差，双折射晶体(在其中传输的光没有准直)的使用将导致插入损耗增加。子光束沿慢轴(非寻常轴)和快轴(寻常轴)传输，其相应于该光程差。通过金红石晶体把光束分成两正交的偏振态后，通常把光耦合到两光纤端。然而，晶体的两个焦点并不在同一焦平面内。这是因为通过晶体的o光线和e光线的光程差。通常光纤对以固定方式牢固地安装在光纤管内。如果管子被用来耦合来自与光束之一的焦点对准的晶体的光，则另一焦点不会在管端焦点上，而且来自e光线或者o-光线光路的光耦合不佳。
本发明进一步的目的是提供一种带隔离的偏振光束分束器/合束器，其能减少或消除这种光程差，并且对分束或合束的且通过其传输的光束来说有基本上相同的光程长度。
发明概述在本发明中，分束器和合束器内基于偏振差异性的隔离被用来防止向后反射或防止其它反向传输光通过分束器/合束器耦合到传输源。作为分束器，一束光通过偏振分束器被分成正交偏振分量的子光束，每一子光束再通过一用来旋转偏振光的不可逆性偏振旋转器，从而使反射光束或其它反向传输光不能沿同样的路径经过偏振光束分束器返回光源。作为合束器，具有已知的正交偏振的两分开光束发射到与偏振相关的光束转向装置，通过一不可逆性偏振旋转器，接着作为正交偏振光被合成到单输出端。
于是，本发明提供了一种带隔离的偏振光束分束器/合束器，用于在合成方向上把正交的偏振光束合成到一单端口，或者用于在分束方向上把一束光分束成正交的偏振光束到空间分开的端口，其包括一单端口，用于发射一束光到该分束器/合束器，或者用于从该分束器/合束器输出一合成光束；一对空间隔开的端口，用于发射正交的偏振光束到该分束器/合束器，或者用于从该分束器/合束器输出正交的偏振光束；
第一偏振光束分束器，其被光学耦合到该单端口，并被定向，以为两正交的偏振光束提供不同的光路；第二与偏振相关的光束转向装置，其被光学耦合到该对空间隔开的端口上，并被定向，以为两正交的偏振光束提供不同的光路；一不可逆性旋转器，其位于第一偏振光束分束器元件和第二与偏振相关的光束转向装置的至少一个元件之间，用于旋转两正交光束每一束的偏振方向并且维持它们之间的正交关系，对于在所选择的合成方向或分束方向上的传输，所述不可逆性旋转器适合于被驱动，其中，当在合成方向被驱动时，不可逆性旋转器允许光从该对端口传播到单端口，并防止光在单端口和该对端口之间发生耦合，或者其中，当在分束方向被驱动时，不可逆性旋转器允许光从单端口传播到该对端口，并防止光在该对端口和单端口之间发生耦合。
在进一步实施例中，本发明提供了一种如上所述的带隔离的偏振光束分束器/合束器，其中，第一偏振光束分束器元件包括一具有一o-光线光路和一e-光线光路的双折射元件；第二与偏振相关的光束转向装置包括一具有一o-光线光路和一e-光线光路的双折射元件，从而使第二双折射元件的e-光线光路被光学耦合到第一双折射元件的o-光线光路，以及第二双折射元件的o-光线光路被光学耦合到第一双折射元件的e-光线光路，其中通过第一和第二双折射元件的两正交偏振光束的不同光路具有基本上相同的光程长度。
在本发明进一步的实施例中，提供一种带隔离的偏振光束分束器/合束器，在合束器操作模式下，用于将正交的偏振光束合成为一单束光，以及在分束器操作模式下，用于将一束光分束成正交的偏振光束，其包括一第一双折射晶体，其对正交的偏振光有不同的光路，使其会聚在第一单端口，在合束器模式下，其用于合束正交的偏振光束；或者使光从第一单端口发散，在分束器模式下，其用于将一束光分束成正交的偏振光束，并且其有一旋转轴；一第二双折射晶体，其对正交偏振光有不同的光路，使从空间隔开的第二和第三端口来的光会聚，在合束器模式下，其用于减少两正交偏振光束之间的空间间距；或者使光发散到空间隔开的第二和第三端口，在分束器模式下，其用于空间分开由第一双折射元件分束的正交光束，并且其有一旋转轴；一不可逆性偏振光旋转器，其设置在第一和第二双折射晶体之间，用于在传输方向上把正交偏振光的偏振方向旋转到第一状态，以便把第一端口光学耦合到第二端口和第三端口；以及用于在隔离方向上把正交偏振光的偏振方向旋转到第二状态，该状态不允许第一端口与第二端口和第三端口间的耦合。
在进一步的实施例中，本发明包括一种带隔离的偏振光束分束器/合束器，其包括一双折射光束分束器，一对具有平行楔面的双折射元件，和一设置在该对双折射元件之间的不可逆性旋转器，其中，该对空间隔开的端口对称地设置在一输入透镜轴线的周围，用于以相等且相反的角度将正交偏振的准直光束发射到第一双折射元件对，且用于接收正交偏振的聚焦光束，以及进一步包括一个透镜，其光学耦合到该单端口，用于准直发射到分束器/合束器的光束，或者用于聚焦从分束器/合束器输出的合成光束。
比较有利地是，本发明提供一种有效的、经济合算的装置，用于整合一激光源到一偏振光束合束器，且损耗更少，体积更小。
附图简述参考下面附图，仅以示例性方式使本发明进一步的优点对本领域的技术人员来说更加清楚明了。
图1a表示一种带隔离的偏振光束分束器/合束器的示意图，其中一法拉第旋转器和一半波片设置于两双折射晶体之间，所示装置用作光束分束器；图1b表示图1a装置用作光束合束器的示意图；图1c是通过图1b合束器的光束的偏振态；图1d是在反方向上且与输入端口隔离的通过图1b合束器的被反射或被反向传输的光的偏振态；图2a是可选择的带隔离的偏振光束分束器/合束器的示意图，其中，双折射晶体的光轴彼此之间相对旋转；且一法拉第旋转器位于双折射晶体之间；图2b是通过用作合束器的图2a装置传输的光的偏振态；图2c是反向反射的光通过图2a作为光束合束器装置的偏振态，该光被隔离，以防耦合到两输入端内；图2d是图2a的第一双折射晶体的主视图，显示旋转矢量；以及侧视图，显示离散矢量，其包括晶体光轴。图3是可选择的带隔离的偏振光束分束器/合束器的示意图，包括用于提供一准直光束到不可逆性旋转器的准直和聚光透镜；图4a是使用单块双折射晶体的可供选择的带隔离偏振光束分束器；图4b是发射到图4a所示装置的光的偏振态和位置；图5a是对寻常光和非寻常光具有相等光程的可选择的带隔离偏振光束分束器/合束器的示意图；图5b是发射到图5a所示合束器的光的偏振态和位置；图5c是在反方向上的反射光通过图5a所示装置的偏振态和位置，该光被隔离，以防耦合到两输入端内；图6是与图5a实施例类似的装置的透视轴侧投影图；图7是本发明采用两级隔离的可选择实施例；图8是按照本发明作用于准直光束的偏振光束分束器/合束器的进一步实施例的示意图；图9A是图8所示装置的带隔离的分束器/合束器中心部分，表示装置用作合束器时光束的传输路径及偏振态；以及图9B是是图9A所示装置的带隔离的分束器/合束器中心部分，表示在作为合束器的装置内光以反向隔离方向传输的隔离。
优选实施例的详细描述图1a表示根据本发明作为偏振光束分束器100工作的本发明一实施例，其中一法拉第旋转器119和一半波片114被夹在两个双折射晶体110和116之间。双折射晶体110形式的第一光束分束器元件被表示为与双折射晶体116形式的等长的第二光束分束器元件进行光学耦合。例如，用作偏振光束分束器的材料包括金红石(TiO2)、钒酸钇(YVO4)、氟化镁(MgF2)、石英(SiO2)、铌酸锂(LiNbO3)和方解石(CaCO3)。优选的是采用高双折射晶体作为偏振光束分束器元件，因为非常小的晶体能与非准直光束一起使用。因此，所有的部件都要小很多，故可获得更小的光束分束器/合束器部件。
一不可逆性偏振旋转器，总起来说其可以是法拉第旋转器119和半波片114的组合，被设置在晶体110和116之间。半波片114在22.5°处有一光轴。法拉第旋转器112把光旋转45°。从晶体侧面看，晶体110和116的光轴取向为47.8°，从而可获得对于金红石的寻常偏振光和非常偏振光之间最大离散。一非准直光束发射到输入端口117左边的装置中，并且被分束成一o-光线和一e-光线，其沿不同的发散光路传输。法拉第旋转器112分别以45°旋转o-光线和e-光线。当o-光线和e-光线通过半波片114时，它们在反方向上再经历一次45°旋转，从而子光束被还原成其原始的偏振态。o-光线和e-光线继续再通过第二晶体116，并且由于晶体的光轴基本上相互平行，因此o-光线和e-光线继续分别沿不同的光路发散到两个输出端口118和119。输出端口118和119被空间隔开，其距离正比于两晶体110、116的叠加长度。由于子光束在输出端口118、119为正交偏振光，因而偏振维持光纤可以用来捡拾输出子光束，这取决于其应用。
如果光以反方向发射到装置100中，即，光发射到输出端口118和119，它将不会反回耦合到输入端口117，因而在反方向上提供隔离。这是因为法拉第旋转器112的不可逆性旋转。从端口118和119发射在o-光线和e-光线光路上的光将被半波片旋转，接着再被法拉第旋转器112旋转，这次是在反方向进行90°的净旋转。因而e-光线在晶体110上作为o-光线出现。并在端口117之上通过晶体110。o-光线在晶体110上作为e-光线出现，并在端口117之下沿转向的光路传输。没有光被耦合回到端口117，从而提供了隔离。
图1b表示作为带隔离的偏振光合束器工作的同样的装置100。正交偏振光发射到端口对118、119，通过双折射晶体116的寻常和非寻常偏振光被定向，以选择会聚光路。半波片114将两光束的偏振旋转45°。如图中箭头所示，在合成方向法拉第旋转器112被驱动，该合成方向与磁场方向相反。在反方向上通过法拉第旋转器112的光的偏振接着再被旋转45°，因而使该光束回复到其原始偏振态。光束沿双折射晶体110的会聚光路继续传输到单端口117。图1c表示每一光束通过每一个合束器元件时的偏振态。
如果光沿反方向被发射，即当法拉第旋转器在合成方向被驱动时，光被发射到端口117，同样因为不可逆性旋转器112的作用，光将不会耦合到端口118、119，因而提供了分隔。发射到端口117的光被分束成o-光线和e-光线。每一光束的偏振方向被法拉第旋转器112和半波片114旋转了90°，从而到达晶体116的e-光线作为o-光线出现，到达晶体116的o-光线作为e-光线出现。光沿着一光路通过第二晶体116，类似于在第一晶体110中光合成到位于端口118、119之间的单点上。因而没有光耦合到端口118、119，在图1d中以虚线表示。图1d表示当每一反射光束在反方向上通过合束器的每一元件时的偏振态。
图2a表示按照本发明的可选择的带隔离的偏振光束分束器/合束器120的示意等角投影图。第一双折射元件122和第二双折射元件126通过单个法拉第旋转器124光学地耦合。第一双折射晶体122的光轴(如正面和转移的图2d侧面上箭头所示)，以及第二晶体126的光轴(如等角投影图2a所示)，在晶体122、126的前表面中彼此相对旋转45°。例如，晶体126的旋转轴为0°，或者90°，晶体122的旋转轴为45°。在这种情况下来自两个晶体总的净旋转等于法拉第旋转器的旋转，即45°。作为合束器120，第一双折射元件122分束两偏振光，法拉第旋转器124将每一子光束旋转45°，第二双折射元件126的光轴相对于第一双折射元件122的光轴被旋转45°以合成两子光束。随着磁场被反向驱动，装置120以相同的方式作为分束器。应该注意，从侧面看晶体122、126的光轴还包括一47.8°的分量，用于利用最小晶体厚度最大离散光束间距。45°定向指在晶体的前或输入表面上的旋转，在本文也指“旋转轴”。
从双折射元件的正面测得到的光轴旋转必须在两光束之间维持正交关系。这样，光轴能够设置为180°的平行，即反向平行，或者成互补的45°角。光轴被描述为矢量，箭头表明离散方向。双折射离散晶体的旋转和偏振旋转器旋转之间的关系是这样的使得从e-光线到e-光线和从o-光线到o-光线，或者从e-光线到o-光线和从o-光线到e-光线的传输方向有效地耦合。有效耦合被定义为基本上所有光都被耦合到端口。同时，在隔离方向上耦合基本上被防止。相比之下，双折射离散晶体旋转和偏振旋转器旋转的不同关系在至少一个传输方向(即合束或分束)上将导致低效率的耦合，同时光损耗很大。
图3是本发明进一步的实施例200，其包括透镜223、225，用来接受来自第一晶体210的子光束和准直射向不可逆性旋转器212、214的子光束，以及在光通过第二晶体216之前重新聚焦子光束。因为来自晶体的光发散且不再是点光源，所以小于四分之一高跨比的梯度折射率(GRIN)透镜能够被使用。当然，其它非球形透镜也能被使用。有利的是，因为放大率为1∶1，所以耦合能被提高。
图4a表示带隔离的偏振光束分束器250的另一实施例。第一晶体252分束正交的偏振光为子光束。单晶体252被加工成一定尺寸，以提供有效光束间距。子光束通过一光轴为22.5°的半波片254和一法拉第旋转器256，其在前向光束分束方向一起旋转子光束90°。不可逆性法拉第旋转器256让子光束在反方向保持不变，因而提供隔离。然而，这种构造作为光束合束器不能提供隔离。
正如在图2a的实施例中，一个更简单实施例能通过省略半波片而获得，其仅有一个法拉第旋转器256用于将子光束旋转45°。在输出端口，接收偏振光维持光纤的快轴和慢轴被以这种方式定向使其能完全接收来自法拉第旋转器256的两正交光束。
图4b表示在向前的分束方向上发射光束的偏振态和位置，以及在反方向上发射的光束的隔离。
与图1a的实施例类似，图5a示出了一种具有等光程长度的带隔离的光束分束器/合束器105。正如在图1a中那样，一法拉第旋转器112和一半波片114被置于两双折射晶体110和116之间。在法拉第旋转器112上的磁场工作方向决定该装置是分束器还是合束器。以双折射晶体110形式出现的第一光束分束器同等长的第二晶体116光学地耦合。然而在这种情况下，通过半波片114和法拉第旋转器112的光束的旋转为90°，结果晶体110的o-光线光路被耦合到晶体116的e-光线光路上，以及晶体110的e-光线光路被耦合到晶体116的o-光线光路上。
图5b和5c分别表示在传输和隔离方向通过图5a装置的光的偏振态，该装置用作合束器。装置105在图5b左边的端口118和119接收来自分开的光纤或波导的两输入光束。双折射晶体116使e-光线和o-光线移动得更接近，如晶体1的输出端所示。接着该光束通过半波片114，半波片能使它们的偏振态旋转45°，以及再通过法拉第旋转器112，它们的偏振态又被旋转45°，从而在法拉第旋转器112的输出端，两光束的每一束都被旋转90°，因而e-光线在双折射晶体110以o-光线出现，o-光线在双折射晶体110以e-光线出现。双折射晶体110接着通过把两光束朝向彼此之间移到端口117来合成e-光线和o-光线。
图5c表示该装置105的反向光路，其中该光束被隔离以便不会反向传输。在该反向光路上，在端口117一共用的输入光束被双折射晶体110分束成e-光线和o-光线。e-光线和o-光线接着通过法拉第旋转器112和半波片114。由于法拉第旋转器112的不可逆性特点，e-光线和o-光线在半波片114的输出中回复到与它们从晶体110的输出中相同的偏振态。如虚线所示，双折射晶体116接着在远离两输入端口118、119的位置合成e-光线和o-光线。因而它们被隔离。可选择的是，该装置的磁场方向被反向，使它变成一偏振光束分束器，分束来自一公用光纤的输入光束成两正交偏振输出光束，另外，如前所述，在作为偏振光束合束器的情况下类似地阻挡光沿反向传输。
现在参见图6，根据本发明的一个实施例，以双折射晶体272的形式出现的第一光束分束器/合束器与等长度的第二晶体274光学耦合。一不可逆性偏振旋转器，优选是一法拉第旋转器276和半波片277的组合，被设置在金红石晶体272和274之间。尽管部件272、274，以及276、277在图中是分开的，但实际上它们是相互接触的，且它们之间有一薄层透光的粘合剂；和/或可替代的是，它们之间有一抗反射涂层。这类物理耦合元件在光学环形器和隔离器领域是众所周知的。图6显示晶体272和274的光轴相互之间成180°，从而第一金红石晶体272的o-光线和e-光线光路被分别耦合到第二金红石晶体274的e-光线和o-光线光路上。对晶体272、274的厚度和光轴方向加以选择，以提供所需的光束分隔。材料能够根据不同的特性被选择，两晶体272、274的材料可以不同，例如YVO4和金红石。当然，在不同的晶体材料的情况下，等光路长度必须作为等光程长度被测量，而不仅仅是等物理路径长度。
在操作中未准直的具有混合偏振的光束沿着晶体272端面上的光轴被发射到输入端口。接着该光束被分成子光束，其在图6中以主光线表示；e-光线沿着晶体272的e-光线光路传输，o-光线沿着晶体272的o-光线光路传输。当子光束在子端口273、275射出晶体272时，它们被分隔开“d1”距离。为简单明了，这通过主光线表示。这些光束接着被法拉第旋转器276和半波片277旋转90°，并以正交的线性偏振态出现在晶体2的输入端。因而e-光线被旋转后在第二金红石晶体274以o-光线出现。离开第一金红石晶体272的o-光线在第二晶体274以e-光线出现。这样，两条光线或者沿着两光线的子光束被进一步分隔到d2距离。有利的是从输入光束发散的两子光束的光程长度基本相等。
有利地是本发明提供了一种耦合光的方式，没有出现在使用非准直光时光程长度不等的缺点，该光被作到偏振，它从小晶体有效发散。在许多场合下，按照本发明的装置同偏振光维持光纤一起使用，该偏振光维持光纤被耦合到空间隔开的位于第二金红石晶体274端面上的端口，或者耦合到其全部端口，包括位于第一晶体272端面上的端口。例如，偏振光维持光纤可以被使用，以利用合成正交偏振光束的相位差来取得混合偏振光输出。
图7是按照本发明进一步实施例300的示意图。分束器/合束器300包括第一双折射元件302、第一级不可逆性旋转器，该旋转器包括位于第一双折射元件302和第二双折射元件308之间的半波片304和法拉第旋转器306。在第二双折射元件308和第三双折射元件314之间设置包括半波片310和法拉第旋转器312的第二级不可逆性旋转器。通过提供两级不可逆性旋转器，增加了隔离，这意味着反射光离输入端口更远射出。分束器一对端口318、319之间的间距d与双折射元件增加的长度有关，因此它也增加了。为避免在输出端散焦，应当使每一束光的寻常光和非寻常光的光路长度相等。这通过提供第二双折射晶体元件308长为2t，而且第一和第三双折射晶体302、314的总长也等于2t来完成。如此处所示，第一和第三双折射元件302、314被此长度不需相等，只要总长为2t就行了。
图8表示对准直光束起作用的偏振光束分束器/合束器的进一步实施例的示意图。该分束器/合束器10由3个元件组成。第一双光纤准直器20包括空间隔开的两端口18，19和一透镜22，端口18，19包括输入或输出光纤12、13的光纤端。应用最常见的光纤12、13是偏振维持光纤。光纤12、13被支持在套管14内并与衬套16对齐，目的是对称性地在透镜22的光轴OA周围定位光纤端。透镜22把来自分束器/合束器10的光聚焦到光纤12、13，以及把来自光纤12、13的光准直到分束器/合束器10内。第二个元件由带隔离的分束器/合束器的芯30组成。芯30包括第一与偏振相关的光束转向装置，其包括一对楔形双折射元件32、33；一不可逆性偏振光旋转器，其包括一法拉第旋转器34和一半波片36和第二偏振光束分束器元件38。法拉第旋转器34和半波片36位于楔形元件32、33之间。一衬套44支持和对齐这些芯的元件。第三元件，即单光纤准直器40包括单光纤42末端的单端口17。光纤42被支持在套管43内，套管43位于衬套44内，用于与透镜46对齐，从而使端口17基本上与透镜44的光轴OA对齐。
分束器/合束器10的操作能在图9A中看得更清楚。图9A表示在传输方向上通过作为分束器的装置10的准直光束的主光线的光线追迹。来自双光纤准直器20的光以相反且相等的角度被发射到合束器。输入光包括来自分开的光源[例如两不同的泵浦激光器(未图示)]的已知偏振的正交偏振光束。双折射楔形元件32、33的光轴相互垂直。如图所示，双折射楔形元件32有一从纸平面伸出的光轴31，双折射楔形元件33有一与纸平面平行的光轴35。
垂直偏振光 以及水平偏振光●，在光路上以不同折射角通过双折射楔形元件32。在空气界面上，光束 ●以不同的角度再次被折射，这是因为受到双折射楔形元件32的楔角影响。光束通过法拉第旋转器34且都被旋转45°。每一光束继续通过半波片36，并被往回旋转45°，从而使净旋转为0°。然而在每一空气界面上，每一束光经历额外的折射。光束以原始偏振态前进到第二双折射楔形元件33。对双折射材料和楔角加以选择，以提供平行的输出光。平行光束在双折射偏振分束器/合束器38内被合成，并且作为以正常发射角的混合偏振光输出。合成光束被耦合到端口17。有利的是，因为光束角度被控制，以提供正常的发射角度，所以基本上所有的光都被耦合进光纤42而没有显著的插入损耗。
图9B表示在隔离方向上通过作为合束器工作的装置10的准直光束的主光线的光线追迹。一束混合偏振光通过单光纤准直器40从端口17输入。光束被双折射偏振光束分束器/合束器38分束成正交的偏振光分量 正交光束沿基本上与在传输中相同的光路返回。然而，通过在相反的方向上通过不可逆性法拉第旋转器34，半波片36和法拉第旋转器34的旋转被组合以产生90°的旋转。光束以相反的偏振态离开不可逆性法拉第旋转器34、36。因而光束沿不同路径通过第一双折射楔形元件32，且不通过双光纤准直器20耦合到端口18、19。
在另一实施例中，第一和第二双折射楔形元件32、33的轴是平行的，而且法拉第旋转器34和半波片36一起被驱动，以在传输方向产生90°旋转。在隔离方向，没有净旋转出现，但是第二双折射楔形元件的轴防止光路耦合到端口。这样的优点是两个晶体可被一起制造，且它们的轴和平行楔角容易对齐。
可以预计许多其它的实施例，且并不背离权利要求所限定的本发明的精神和范围。
权利要求
1.一种带隔离的偏振光束分束器/合束器，用于在合成方向上把正交的偏振光束合成到一单端口，或者用于在分束方向上把一束光分束成正交的偏振光束到空间分开的端口，其包括一单端口，用于发射一束光到该分束器/合束器，或者用于从该分束器/合束器输出一合成光束；一对空间隔开的端口，用于发射正交的偏振光束到该分束器/合束器，或者用于从该分束器/合束器输出正交的偏振光束；第一偏振光束分束器，其被光学耦合到该单端口，并被定向，以为两正交的偏振光束提供不同的光路；第二与偏振相关的光束转向装置，其被光学耦合到该对空间隔开的端口上，并被定向，以为两正交的偏振光束提供不同的光路；一不可逆性旋转器，其位于第一偏振光束分束器元件和第二与偏振相关的光束转向装置的至少一元件之间，用于旋转两正交光束中每一束的偏振方向并维持它们之间的正交关系，对于在所选择的合成方向或分束方向上的传输，所述不可逆性旋转器适合于被驱动，其中，当在合成方向被驱动时，不可逆性旋转器允许光从该对端口传播到单端口，并防止光在单端口和该对端口之间发生耦合，或者其中，当在分束方向被驱动时，不可逆性旋转器允许光从单端口传播到该对端口，并防止光在该对端口和单端口之间发生耦合。
2.根据权利要求1所述的带隔离的偏振光束分束器/合束器，其中第一偏振光束分束器元件和第二与偏振相关的光束转向装置包括第一和第二双折射元件。
3.根据权利要求2所述的带隔离的偏振光束分束器/合束器，其中第一和第二双折射元件位于物空间或者像空间。
4.根据权利要求3所述的带隔离的偏振光束分束器/合束器，其中不可逆性旋转器包括法拉第旋转器。
5.根据权利要求4所述的带隔离的偏振光束分束器/合束器，其中不可逆性旋转器进一步包括一半波片。
6.根据权利要求5所述的带隔离的偏振光束分束器/合束器，其中第一双折射元件和第二双折射元件都有旋转轴，旋转轴相互之间取向基本平行或者反向平行。
7.根据权利要求4所述的带隔离的偏振光束分束器/合束器，其中第一双折射元件和第二双折射元件都有旋转轴，旋转轴相互之间取向基本成45°，并且法拉第旋转器提供45°旋转。
8.根据权利要求3所述的带隔离的偏振光束分束器/合束器，其中不可逆性旋转器包括至少一对非球面透镜，用于准直从第一双折射元件到旋转器的光束，以及用于聚焦发射到第二双折射元件的光束。
9.根据权利要求3所述的带隔离的偏振光束分束器/合束器，其中第一双折射元件有一o光线光路和一e光线光路，第二双折射元件有一e光线光路和一o光线光路，以使第二双折射元件的e-光线光路与第一双折射元件的o-光线光路光学耦合，并且第二双折射元件的o-光线光路与第一双折射元件的e-光线光路光学耦合，以及其中通过第一双折射元件和第二双折射元件的两正交偏振光束的不同光路具有基本上相同的光程长度。
10.根据权利要求9所述的带隔离的偏振光束分束器/合束器，进一步包括一第三双折射元件和一位于第二双折射元件和第三双折射元件之间的第二不可逆性旋转器。
11.根据权利要求10所述的带隔离的偏振光束分束器/合束器，其中第一、第二和第三双折射元件之一的光程长度等于第一、第二和第三双折射元件中另外两个的总光程长度。
12.根据权利要求1所述的带隔离的偏振光束分束器/合束器，其中第一偏振光束分束器元件包括一双折射分束器，以及第二与偏振相关的光束转向装置包括一对有平行楔形表面的双折射元件。
13.根据权利要求12所述的带隔离的偏振光束分束器/合束器，其中不可逆性旋转器位于该对双折射元件之间。
14.根据权利要求13所述的带隔离的偏振光束分束器/合束器，其中该对空间隔开的端口在输入透镜轴的周围对称设置，用来以相等且相反的角度发射正交偏振的准直光束到第一双折射元件对中和用来接收正交偏振的聚焦光束。
15.根据权利要求14所述的带隔离的偏振光束分束器/合束器，进一步包括一透镜，其被光学耦合到单端口，用于准直发射到该分束器/合束器的光束，或者用于聚焦从该分束器/合束器输出的合成光束。
16.根据权利要求15所述的带隔离的偏振光束分束器/合束器，其中该对双折射元件中的每一个双折射元件都有一光轴，且相互正交设置。
17.根据权利要求16所述的带隔离的偏振光束分束器/合束器，其中设置的不可逆性旋转器包括一法拉第旋转器和一半波片，以在传输方向上提供0°旋转和在隔离方向上提供90°旋转。
18.根据权利要求15所述的带隔离的偏振光束分束器/合束器，其中该对双折射元件中的每一个双折射元件都有一光轴，且相互反向平行设置。
19.根据权利要求18所述的带隔离的偏振光束分束器/合束器，其中设置的不可逆性旋转器包括一法拉第旋转器和一半波片，以在传输方向上提供90°旋转和在隔离方向上提供0°旋转。
全文摘要
一带隔离的偏振分束器/合束器,用于把不同输入的光组合到一公共端口或把一束光分成正交偏振光。在两种操作模式下其提供防止光在反方向上传输的隔离。作为分束器,一束光通过双折射材料被分成正交偏振的子光束,且每一子光束被通过不可逆性偏振旋转器以旋转偏振方向,从而使反射光束或其它反向传播的光不能沿相同的路径通过双折射材料返回光源。作为合束器,具有已知的正交偏振的两分开光束被发射到第一双折射材料中,然后通过一不可逆性偏振旋转器,接着被作为正交偏振合成到一单输出端口。
文档编号G02B6/34GK1365011SQ0112594
公开日2002年8月21日 申请日期2001年7月13日 优先权日2000年7月14日
发明者冈扎隆·威尔斯, 皮埃尔·D·威尔, 常克怀, 金方宏, 王兴隆 申请人:Jds尤尼费斯公司