专利名称：小型的光纤光环行器的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及用于光纤光通信系统的光环行器。更具体说，本发明涉及低成本的小型的环行器。
光环行器的作用，是把光束按顺序地从一个端口传送至另一个端口。光环行器至少有三个光端口。进出这些端口的顺序是，当光束被引进某光端口时，该光束通过环行器后，从下一个光端口出射。例如，第一光束通过光环行器的第一端口进入环行器，从第二端口出射；从第二端口进入环行器的光束，则从第三端口出射。光环行器是一种有不可逆功能的重要的无源装置。光环行器可以分为两类，一类具有完全的环行传播结构，而另一类具有不完全的环行传播结构。后者也称为准环行器或环行器。在大多数的应用中，完全的环行传播结构不是必须的。为把准环行器用于光纤系统，已经研发了各种偏振无关的光环行器结构，包括准环行器。但是，在光纤光学工业中，制作小尺寸的小型光环行器并且保持低生产成本的任务，对该领域的普通人员仍旧是一种挑战。
因此，在光纤光环行器制造和设计领域，仍旧需要提供改善的环行器结构。具体说，需要利用较低成本部件的奇妙又改进的环行器结构，来解决光纤光学工业遇到的困难和限制，以便能以低生产成本制作小型的光纤光环行器。
发明内容
因此，本发明的一个目的，是提供一种改进的设计和结构，用于制造和组装小体积和低成本的光纤光环行器，以便克服本领域中前述的困难和限制。
具体说，本发明的一个目的，是通过采用第一组光学部件，把光束分解为两光束分量，并调整其偏振角，即一般所指的偏振状态，来提供一种结构改进的环行器。特别处理过的两光束分量具有的偏振状态，能以适当角度向出射端口投射，使出射端口中的光纤能够接收。采用如渥拉斯顿棱镜或罗雄棱镜等偏振相关的光束投射装置，把光束分量沿适合于出射端口光纤的投射角方向，投射至该出射端口。然后，第二组光学部件按与第一组光学部件相反的顺序排列。该第二组光学部件用于重新调整偏振状态，并按相反的光束处理顺序，把光束分量合并，成为与输入光束全同的光束，并从输出端口出射。
本发明的另一个目的，是利用法拉第旋转器的不可逆特性，提供一种结构改进的环行器，该法拉第旋转器与渥拉斯顿棱镜或罗雄棱镜耦合，使光束对称地从第二端口向后透射，到达第三端口。双折射晶体的尺寸减小了，从而节省生产成本。
简要地说，本发明在一个优选实施例中，包括一种光环行器。该光环行器包括有第一和第三光端口的第一偏心双光纤毛细管。该光环行器还包括与第一偏心双光纤毛细管耦合的第一双折射晶体，用于把第一端口进来的输入光束，分解为寻常光分量(o-分量)和非常光分量(e-分量)，寻常光分量具有保持光束原光路的第一偏振方向，而非常光分量具有垂直于第一偏振的第二偏振，所以沿与光环行器中心线对称的分开的光路透射。为了把o-分量的第一偏振和e-分量的第二偏振对齐成对齐了的偏振，该环行器还包括与第一双折射晶体耦合的第一对半波片(HWP)，由第一o-半波片和第一e-半波片组成，分别接收o-分量和e-分量，使角度产生旋转，即改变其偏振状态。该环行器还包括与第一对半波片耦合的第一法拉第旋转器，用于旋转对齐了的o-分量和e-分量的偏振，成为对环行器中心线已就位的投射至出射端口的偏振。与法拉第旋转器耦合的渥拉斯顿棱镜，把o-分量和e-分量投射进某一出射端口投射方向。该环行器还包括与渥拉斯顿棱镜耦合的第二法拉第旋转器，用于旋转o-分量和e-分量，使之成为对齐偏振的反对称偏振。该环行器还包括与第二法拉第旋转器耦合的反光束偏振及合并装置，其中该反光束偏振及合并装置，包括与第一双折射晶体全同的第二对半波片，耦合至与第一双折射晶体全同的第二双折射晶体，该第二双折射晶体又与有第二光端口的偏心单光纤毛细管合，其中，第二半波片、第二双折射晶体、和偏心单光纤毛细管，按第一偏心双光纤毛细管、第一双折射晶体、和第一对半波片相反的顺序排列，使o-分量和e-分量的偏振反方向旋转，还把o-分量和e-分量合并，成为与输入光束全同的输出光束，从第二光端口沿偏心光纤毛细管上的出射端口投射方向射出。
本领域通常的熟练人员，在阅读下面各图画出的实施例的详细说明后，无疑将明白本发明上述及其他目的和优点。
参考
图1A和2A，光束100作为有随机偏振状态的入射光，进入位于双光纤偏心毛细管10上的端口1(过程#1)。图2A画出通过不同光学部件的光路，并画出光束100从左至右透射，即从端口1到端口2时的偏振变化。在进入双折射晶体12后，光100被分为相互垂直的寻常光和非常光分量，即o-分量和e-分量(过程#2)。e-分量运动至与准直透镜如GRIN透镜15和16中心线对称的位置。一对半波片14和14′，其光轴以14X和14X′表示，分别改变e-分量和o-分量的偏振状态(SOP)，使之从相互垂直的取向变为相同的偏振取向(过程#3)。图3A画出光轴14X和14X′的角度。现在包括o-分量和e-分量的光100，经GRIN透镜16准直后，进入有不可逆旋转特性的法拉第旋转器18，使该两分量旋转45度(过程#4)。因为端口1的位置偏离该透镜的水平和垂直中心线，包含o-分量和e-分量的准直光束100，以向中心线倾斜的小角度透射。在通过渥拉斯顿棱镜40之后，由于这些光束特殊的偏振状态，这些倾斜的光束变成平行于中心水平线(过程#5)。渥拉斯顿棱镜40的功能的更多说明，见图3C和下面的说明。现在平行于水平中心线的这些光束，进入法拉第旋转器17，并再次使这些光束的偏振旋转45度(过程#6)，又经第二GRIN透镜15会聚(过程#7)。采用第二对半波片13和13′来改变其SOP。HWP 13和13′使这些光束的两个分量产生45度旋转，分别成为与晶体11的中心线成垂直偏振取向的寻常分量和成水平偏振取向的非常分量(过程#8)。然后，该两个分量进入第二双折射晶体11，该晶体执行双折射晶体12相反的功能，把该两个光束分量组合成为单个输出光束(过程#9)。该输出光束从第二偏心光纤毛细管9上的端口2出射。
本发明公开的环行器使用的光纤，是热膨胀芯(TEC)型光纤。采用TEC光纤的目的，是减小透过光纤的光的发散角，使光不至于在上述环行器采用的第一和第二半波片边界上弥散。
从端口2透射至端口3的光束100′，其光路和偏振状态参见图2B。图2B画出九种光束处理过程，且在某种程度上，这些处理过程与从端口1透射至端口2的光束100所述处理过程，即过程#1至过程#9类似。因为许多光学部件如双折射晶体11和12，半波片13、13′和14、14′，及GRIN透镜15和16，不过是互逆型光学部件，光路与偏振状态则按相反顺序处理。光束100′进入端口2并沿与光束100相反的方向传播。可以比较图2A和图2B，以认识该种互逆的情况。具体说，考察图2B所示光束100′及光束分量，通过部件9、11、13、13′、和15时的过程#9、#8、#7的SOP和光路，可以立刻理解该种互逆情况。下划线符号表示这些过程是与图2A所示过程对应的逆过程。
当光束分量进入法拉第旋转器17时，法拉第旋转器改变其偏振状态(SOP)，但因为法拉第旋转器是不可逆光学部件，所以过程#6′不是过程#6的逆过程。法拉第旋转器旋转光分量，使两个光束分量的偏振角与光束100差45度。光束100′的o-分量和e-分量沿相同偏振取向对齐。当光束分量进入渥拉斯顿透镜40时，因为其偏振取向，还因为光束分量在水平中心线上透射，所以光束分量被偏折，在其光路中有小的向下的角度(过程#5′)。然后，当光束分量通过法拉第旋转器18和GRIN透镜16时，被不可逆地顺时针旋转45度，并被偏折至水平中心线以下的光路(过程#4′)。然后，由光束100′产生的光束分量，首先被半波片14和14′进行相反的旋转处理，使其偏振角旋转(过程#3)。然后，光束分量通过双折射晶体12(过程#2)，其水平和垂直偏振分量合并，成为单一输出光束，并从端口3出射(过程#1)。
按照上面参照图2A的说明，双折射晶体12、半波片14和14′、与法拉第旋转器18执行的功能，是使光束分离并偏振化，成为投射方向已就位的偏振分量。这些投射方向已就位的偏振分量，适合进入投射方向光处理装置，如渥拉斯顿棱镜，产生投射至出射端口的光束分量。环行器于是采用一组相反的部件执行相反的偏振旋转，还采用光束分量合并装置，通过沿投射至出射端口方向的连续投射，把输出光束传输至出射端口。
按照图1A、1B、和2A，本发明公开一种光环行器。该环行器包括有第一和第三端口的第一偏心双光纤毛细管10。该环行器还包括与第一偏心双光纤毛细管10耦合的第一双折射晶体12，把从第一光端口进来的输入光束100分离，成为寻常光束分量(o-分量)，即保持原光束光路的的第一偏振。同时，该光束还被分离为非常光束分量(e-分量)，具有与第一偏振垂直的第二偏振，沿与中心线对称的分开的光路透射。该环行器还包括第一对半波片，由第一o-半波片14和第一e-半波片14′组成。半波片与第一双折射晶体12耦合，以便分别接收o-分量和e-分量，产生角度旋转，对齐o-分量的第一偏振和e-分量的第二偏振，使之成为一对齐了的偏振。该环行器还包括与第一半波片14和14′耦合的第一法拉第旋转器18，用于旋转o-分量和e-分量对齐了的偏振，使之成为已就位的投射至出射端口的偏振。该环行器还包括与第一法拉第旋转器18耦合的渥拉斯顿棱镜40，把o-分量和e-分量投射进出射端口的投射方向。该环行器还包括与渥拉斯顿棱镜40耦合的第二法拉第旋转器17，用于旋转o-分量和e-分量，成为与对齐了的偏振反对称的偏振。该环行器还包括与第二法拉第旋转器17耦合的反光束偏振及合并装置。该反光束偏振及合并装置，包括与第一对半波片全同的第二对半波片13和13′。第二对半波片13和13′耦合至与第一双折射晶体全同的第二双折射晶体11，该第二双折射晶体11又耦合至有第二光端口的第二偏心光纤毛细管9。第二对半波片13和13′、第二双折射晶体11、和第二偏心光纤毛细管9，按相反的顺序排列，以便反方向旋转o-分量和e-分量的偏振。而且，用反光束偏振及合并装置合并o-分量和e-分量，使之成为与偏心光纤毛细管第二光端口投射的输入光束全同的输出光束。
实质上，本发明公开一种光环行器。该光环行器包括光束分离和偏振装置，把入射光处理成两束投射方向已就位的光束分量。该光环行器还包括偏振相关的光束投射装置，把投射方向已就位的光束分量，投射到出射的端口与光纤的方向。该环行器还包括一反装置，执行与光束分离和偏振装置相反的偏振化和合并，并把该反装置产生的合并光束，通过出射端口投射到出射的端口与光纤的方向。在一个优选的实施例中，偏振相关的光束投射装置包括一渥拉斯顿棱镜。在另一个实施例中，偏振相关的光束投射装置包括一罗雄棱镜。
图3A-1、3A-2是示意图，画出改变上述光束分量的半波片的光轴取向。图3B-1和3B-2是功能图，分别画出半波片与法拉第旋转器的光束偏振的角度变化。图3C-1和3C-2是功能图，画出通过渥拉斯顿棱镜时光束投射方向的偏折。
因此，本发明公开一种改进的设计和结构，用于制作和组装小体积且成本较低的光纤光环行器，克服现有技术中的困难和限制。具体说，公开的改进结构的环行器，是利用第一组光学部件分离并调整偏振角，把光束处理成为已就位的光束分量，可以向出射端口投射。用偏振相关的光束投射装置，如渥拉斯顿棱镜，把光束分量投射至出射端口方向。然后，第二组光学部件按与第一组光学部件相反的顺序排列。利用该第二组光学部件，按照相反的光束处理顺序，重新调整偏振角和合并光束分量，使之成为与输入光束全同的光束，又从输出端口出射。利用渥拉斯顿棱镜偏振相关的投射方向及与之耦合的法拉第旋转器的不可逆特性，减小双折射晶体的尺寸，从而实现改进的结构。减小双折射晶体的尺寸可以节省生产成本。
虽然已经用优选实施例说明本发明，但应当指出，公开的内容不应视为限制。本领域熟练人员在阅读上述公开的内容后，各种变化和修改无疑是明显的。因此，应当认为，附于后面的权利要求书，可以解释为覆盖所有属于本发明真正的精神与范围的变化和修改。
权利要求
1.一种光环行器，包括第一偏心双光纤毛细管，具有第一和第三光端口；第一双折射晶体，与所述第一偏心双光纤毛细管耦合，把从所述第一光束进来的输入光束，分解为寻常光束分量(o-分量)和非常光束分量(e-分量)，寻常光束分量具有保持所述光束原来光路的第一偏振，非常光束分量具有垂直于所述第一偏振的第二偏振，沿与所述光环行器中心线对称的分开的光路传输；第一对半波片，包括第一o-半波片和第一e-半波片，与所述第一双折射晶体耦合，分别用于接收所述o-分量和e-分量，产生角度旋转以对齐所述o-分量的所述第一偏振和对齐所述e-分量的所述第二偏振，使之成为一对齐了的偏振；第一法拉第旋转器，与所述第一对半波片耦合，用于旋转所述o-分量和所述e-分量的所述对齐了的偏振，使之成为对所述渥拉斯顿棱镜所述中心线已就位的投射至出射端口的偏振；渥拉斯顿棱镜，与所述法拉第旋转器耦合，把所述o-分量和所述e-分量投射进出射的端口与光纤的投射方向；第二法拉第旋转器，与所述渥拉斯顿棱镜耦合，把所述o-分量和e-分量旋转，成为对所述对齐了的偏振是反对称的偏振；反光束偏振及合并装置，耦合至所述第二法拉第旋转器，其中所述反光束偏振及合并装置，包括与所述第一对半波片全同的第二对半波片，耦合至与所述第一双折射晶体全同的第二双折射晶体，所述第二双折射晶体又耦合至有第二光端口的第二偏心光纤毛细管，其中所述第二半波片、所述第二双折射晶体、和所述第二偏心光纤毛细管，按所述第一偏心双光纤毛细管、所述第一双折射晶体、和所述第一对半波片的相反顺序排列，以便反方向地旋转所述o-分量和所述e-分量，和合并所述o-分量和所述e-分量，使之成为与所述输入光束全同的输出光束，以便从所述第二光端口沿所述出射的端口与光纤的投射方向投射，所述第二光端口位于所述偏心光纤毛细管上。
2.一种光环行器，包括光束分离和偏振装置，把入射光束处理成两束投射方向已就位的光束分量；偏振相关光束投射装置，把所述投射方向已就位的光束分量，投射至一出射的端口与光纤的方向；和反装置，与所述光束分离和偏振装置相反地把所述光束分量偏振化和合并，还把所述反装置产生的合并光束，通过一出射端口，投射至所述出射的端口与光纤的方向。
3.按照权利要求2的光环行器，其中所述偏振相关的光束投射装置，包括一渥拉斯顿棱镜。
4.按照权利要求2的光环行器，其中所述偏振相关的光束投射装置，包括一罗雄棱镜。
全文摘要
本发明公开一种光环行器。该光环行器包括的第一组光学部件有双折射晶体、一对半波片、和法拉第旋转器，用于把光束分离并随后偏振化，成为投射方向已就位的光束分量。这些投射方向已就位的光束分量，适合进入在投射方向上光到光的处理装置，例如渥拉斯顿棱镜，产生投射至出射端口的光束分量。之后，本环行器采用与第一组光学部件互逆的一组部件，执行相反的偏振旋转和光束分量合并处理，通过沿投射至出射端口方向投射光束分量与合并光束，把输出光束传输至出射端口。
文档编号G02B6/27GK1450373SQ02121540
公开日2003年10月22日 申请日期2002年4月9日 优先权日2002年4月9日
发明者刘志民 申请人:奥普林克通信公司