紧凑反射式光环行器的制作方法

本实用新型涉及光纤通信系统的光无源器件，具体是一种紧凑反射式光环行器。

背景技术：

目前主流的反射式环行器主要有两种方案，第一种方案如图1所示。使用准直器阵列或使用三个独立的单纤准直器，发出三路平行光束，其相邻准直器之间的间隔P不能小于单个透镜的尺寸。用双折射位移晶体来实现环行光路功能，晶体长度L必须10倍于P，整个器件的长度很长。困难在于，为了匹配准直器间隔P，晶体长度L必须控制在1um量级，加工成本很高。

另一种方案如图2所示。使用基于单透镜的三纤准直器，发出三路成θ角度的光束，通过棱镜折射效应消除角度θ。困难在于，为了匹配准直器角度θ，棱镜端面角度必须控制在角秒级，加工成本很高。

目前主流的方案中，使用法拉第旋光片进行环路单元后的旋光，法拉第旋光片的成本很高，且要外部磁场配合，体积较大。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服上述缺陷，提供一种体积紧凑的反射式光环行器为了达到上述目的，本实用新型是这样实现的，

一种紧凑反射式光环行器，包括三纤准直器，位移单元，旋光单元，环路单元，反射单元；其特征是：准直器包括一个光纤头，一个透镜；位移单元包括一个位移晶体，一个光程补偿片；旋光单元包括一对1/2波片，一个具有磁场的法拉第旋光片；环路单元包括一对锲角片；反射单元包括一个1/4波片，一对反射镜。所述三纤准直器，包括一个光纤头，一个透镜。三根光纤A,B,C按“一”字形排列在光纤头端面的中轴线上，相邻光纤芯距125um。

所述位移单元，包括一个位移晶体，一个光程补偿片，其作用是将一束自然光分解成两束互相平行且偏振方向正交的线偏光，或者将两束互相平行且偏振方向正交的线偏光合成一束光，并保持两束光的光程差为零。

所述旋光单元，包括一对1/2波片和一个具有磁场的法拉第旋光片，其作用是分别对正向光和反向光的偏振方向产生不同的旋光效应。

所述环路单元，包括一对光轴互相垂直的双折射锲角片，其作用是将一束自然光分解成偏振方向正交的线偏光，两束光成一定夹角，此夹角由锲角片交界面角度确定。

所述反射单元，包括一个1/4波片和一对反射镜，其作用是调节反射角度和旋转光偏振态方向。

本实用新型采用双折射锲角片实现环行光路功能，易于加工；采用光束二次通过1/4波片的方式进行旋光，降低成本；采用互成夹角的反射镜对实现同轴封装，集成度高。

附图说明

图1是主流方案使用准直器阵列的光路示意图。

图2是主流方案使用三纤准直器的光路示意图。

图3是本实用新型在yz平面内的整体结构示意图。

图4.1是本实用新型正向光路和偏振态变化图。

图4.2是本实用新型反向光路和偏振态变化图。

图5.1是三纤准直器光纤头在xz平面内的结构示意图。

图5.2是三纤准直器光纤头在xy平面内的结构示意图。

图6是三纤准直器在yz平面内的光路示意图。

图7是直角型位移晶体结构和光路示意图。

图8是斜角型位移晶体结构和光路示意图。

图9.1是正向光经过旋光单元的三维示意图。

图9.2是正向光经过旋光单元的偏振态变化示意图。

图10.1是反向光经过旋光单元的三维示意图。

图10.2是反向光经过旋光单元的偏振态变化示意图。

图11.1是正向光经过环路单元的光路图。

图11.2是反向光经过环路单元的光路图。

图12是环路单元在本实用新型中的整体光路图。

图13.1是光经过1/2波片的偏振态变化示意图。

图13.2是光经过1/4波片和反射镜的偏振态变化示意图。

图14是三纤准直器和反射镜光路匹配示意图。

具体实施方式

图3是本实用新型提供的紧凑反射式光环行器在yz平面内的整体结构示意图，包括：三纤准直器1，位移单元2，旋光单元3，环路单元4，反射单元5。

图4.1是正向光路和偏振态变化图，具体来说，就是光束从三纤准直器射出，先后经过位移单元2、旋光单元3、环路单元4，最终抵达反射单元5过程中，偏振方向发生的变化。光束101适用于分析三光尾纤准直器端口A或B射出的光束AM1或BM2的偏振方向。

图4.2是反向光路和偏振态变化图，具体来说，就是光束经由反射单元5反射，先后经过环路单元4、旋光单元3、位移单元2，最终汇入三纤准直器的过程中，偏振方向发生的变化。光束102适用于分析汇入三光尾纤准直器端口B或C的光束BM1或CM2的偏振方向。

三纤准直器1由一个光纤头和一个透镜构成。如图5.1所示，光纤头端面为8°角。如图5.2所示，三根光纤A,B,C按“一”字形排列在光纤头端面的中轴线上，相邻光纤芯距约为125um。透镜可以是球面透镜，也可以是非球面透镜或自聚焦透镜。光纤头端面近似位于透镜焦平面上。

三纤准直器出射的准直光束，其能量在空间上服从高斯分布。由于A,B,C在光纤头端面的位置不同，光束B的束腰略大于A和C，光束B的束腰距离略短于A和C。为了达到A-B、B-C的最佳耦合功率，优选方式是B的束腰位置位于所述反射镜之前，A和C的束腰位置位于所述反射镜之后。

如图6所示，三根光纤发出的光束经透镜聚焦后，其传播轨迹在yz平面上应交于一点。此外，端口A和端口C出光夹角θ，应与环行器其它单元设计参数匹配。

位移单元2由位移晶体和光程补偿片构成。

位移晶体的作用是将一束自然光分解成两束互相平行且偏振方向正交的线偏光，或反过来，将两束互相平行且偏振方向正交的线偏光合成一束光。

如图7所示，最简单的直角型位移晶体由一个钒酸钇晶体构成，其光轴与入射面法线成δ角度。图7中光波为正入射，e光传播轨迹相对o光存在偏离。光束偏离量d和晶体长度L存在比例关系：d/L≈1/10。

图7中的光路不对称，输入输出光束不在晶体的中轴线上，这给器件封装带来困难。

如图8所示，优选的方式是对位移晶体的端面做斜角设计，优选的角度γ是5°~6°。水平入射的光束经前端面折射后，o光和e光对称分开，经后端面折射后，恢复到水平方向。由此，光路对称，输入输出光束在晶体的中轴线上。

另外，o光和e光在晶体中传播，会产生光程差。o光和e光之间的光程差来自于双折射效应，具体来自于位移晶体的双折射系数和o光、e光经过晶体时的光路径差。如图8，e光的光程大于o光，所以在o光光路中需额外添加一个光程补偿片，其折射率和厚度应恰好抵消e光和o光的光程差。若采用SF11材料制作光程补偿片，其物理厚度约为0.7~1.0mm。

原则上，光程补偿片可以放在位移晶体后的任意位置，最优位置是反射单元5的1/4波片后。

旋光单元3由一对1/2波片和一个具有磁场的法拉第旋光片构成。

法拉第旋光片有一个特点，在磁场方向确定的情况下，无论光波沿正向还是反向经过，光的偏振方向的旋转方向是不变的，这个特点被称为非互易性。

当一束线偏光射入一个1/2波片，假设1/2波片光轴与线偏光偏振方向成ε角度，则出射的线偏光偏振方向会旋转2ε角度。举例来说，当ε=22.5°，线偏光的偏振方向会旋转45°。

如图9.1、9.2所示，对于两束偏振方向正交的正向线偏光，先后经过一对半波片和法拉第旋光片后，变成两束偏振方向均竖直的线偏光。

如图10.1、10.2所示，对于两束偏振方向均水平的反向线偏光，先后经过法拉第旋光片和一对半波片后，变成两束偏振方向正交的线偏光。

环路单元4由一对光轴互相垂直的双折射锲角片401和402构成，其中锲角片401光轴垂直于纸面，锲角片402光轴平行于纸面，且与入射端面成40°~45°斜角。这对锲角片可以将一束自然光分解成偏振方向正交的线偏光，两束光成一定夹角。

如图11.1所示，对于正向光，在两个锲角片的交界面处发生双折射，两束光的偏振态变化分别为o光→e光和e光→o光，入射角相同而折射角不同，输出光束的离散角为α1，该角度与交界面角度ψ有关。

图11.1所示的光束近似正入射，上述光路对于斜入射情形同样适用。

如图11.2所示，对于反向光，e光在锲角片402中的轨迹与o光发生偏离，但波法线方向相同。在两个锲角片的交界面处发生双折射，两束光的偏振态变化分别为e光→o光和o光→e光，波法线入射角相同而折射角不同，结合e光轨迹的偏离，输出光束的会聚角为α2，该角度与交界面角度ψ有关。

图11.2所示的光束近似正入射，上述光路对于斜入射情形同样适用。

正向光的离散角α1与反向光的会聚角α2近似相等：α1 ≈α2。

结合环路单元4分别对于正向光和反向光传播轨迹的双折射效应，可以画出本实用新型环行光路图，如图12所示。环路单元4居于三纤准直器和反射镜光路之间。

光束AM1来自于三纤准直器端口A，AM1以一定入射角从锲角片401左端面射入，从锲角片402射出，偏振方向不变，由于交界面的折射效应，传播方向有一定改变。反射单元5中的反射镜M1应满足一定角度，使得光束AM1恰好垂直入射于反射镜M1。

反射光BM1在射入锲角片402前，其光路径与AM1重合。由于反射单元5的旋光作用，反射光BM1的偏振方向正交于入射光AM1。所以在射入锲角片402后，BM1开始沿着不同于AM1的轨迹传播，并从锲角片401射出，最终汇入三纤准直器端口B。此时光束BM1出射角相对锲角片401左端面近似垂直。

光束BM2来自于三纤准直器端口B，在进入锲角片401前，其轨迹与BM1重合。由于旋光单元3的作用，BM2的偏振方向正交于BM1。由于光束BM2入射角相对锲角片401左端面近似垂直，所以BM2在锲角片401中的轨迹与BM1近似重合，但在锲角片402中，BM2的轨迹明显不同于BM1。进一步地，在锲角片402中，BM1和BM2的轨迹关于中轴线近似对称。反射单元5中的反射镜M2应满足一定角度，使得从锲角片402射出的光线BM2恰好垂直入射于反射镜M2。

反射光CM2在射入锲角片402前，其光路径与BM2重合。由于反射单元5的旋光作用，反射光CM2的偏振方向正交于入射光BM2。所以在射入锲角片402后，CM2开始沿着不同于BM2的轨迹传播，并从锲角片401射出，最终汇入三纤准直器端口C。在锲角片401左端面处，光束CM2出射角和光束AM1的入射角近似相等。

通过设计锲角片交界面角度ψ，可以匹配锲角片出光角度α1,α2与准直器出光夹角θ的相等关系：θ≈α1≈α2 。ψ的优选角度为10 °~15°，加工精度只要控制在角分级即可。

反射单元5由一个1/4波片和一对反射镜构成。

当一束线偏光射入一个1/2波片，假设1/2波片光轴与线偏光偏振方向成ε角度，则出射的线偏光偏振方向会旋转2ε角度。举例来说，当ε=45°，线偏光的偏振方向会旋转90°。如图13.1所示，经过1/2波片501后，线偏光的偏振方向从垂直于纸面变成平行于纸面。

如图13.2所示，入射光502的偏振方向垂直与纸面，1/4波片504的光轴与入射光502的偏振方向成45°，入射光502穿过1/4波片后经由反射镜M1反射，再一次穿过1/4波片504。此时1/4波片和反射镜M1组合形成一个等效1/2波片。光束二次穿过1/4波片后，反射光503的偏振方向旋转90°，从垂直于纸面变成平行于纸面。

结合环路单元4来看，入射光束AM1的偏振方向垂直于纸面，经过反射单元5的反射和旋光作用后，反射光束BM1的偏振方向旋转90°，平行于纸面。

同样的情形也适用于入射光束BM2和反射光束CM2，此时反射镜是M2。

反射镜M1和M2均可在自由空间独立调节角度，以分别最优化三纤准直器A-B，B-C耦合功率。

如图14所示，反射镜M1、M2之间的夹角β约为4°~6°，此角度与三纤准直器出光夹角θ近似相等：θ≈β。

结合前述说明，准直器出光夹角，锲角片出光角度，反射镜夹角满足：θ≈α1≈α2≈β。

三纤准直器、位移单元、旋光单元、环路单元、反射单元可以进行同轴封装，极大地提高了环行器的集成度。