光整合器件及环形器的制作方法

本发明涉及光纤通讯技术领域，特别是一种光整合器件及其使用的环形器。

背景技术：

中国专利cn205229520u揭露了一种单纤双向bosa结构，该单纤双向bosa结构包括光发射组和光接收组、阵列环行器组、波分复用/解复用组、光纤接口。光发射组出射的若干第一光信号经过阵列环行器组传输至波分复用/解复用组，分复用成一路光信号传输至光纤接口进行传输。光纤接口出射的一路光信号传输至波分复用/解复用组，解复用成若干第二光信号后经阵列环行器组传输至光接收组。在cn205229520u的单纤双向bosa结构中，激光从光发射组到光纤接口只通过一次法拉第旋转片，只进行了一次隔离。由于法拉第旋转片的消光比及波长相关特性，单级的隔离度在30nm带宽内的隔离度通常只能做到稍大于30db。但是激光从光发射组输出时，激光能量较高，如果隔离度不够大，从光纤接口反射回来的反向激光仍将具有较大的能量，这将会对光发射组的激光信号源产生很大影响，降低发光效率甚至损坏光发射组。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种能够更好的隔离反向光，保证光发射组的激光器信号源稳定工作的光整合器件及环形器。

本发明提供一种光整合器件，包括：一环行器及一光接收组件，位于该环行器一侧的一输入输出光端口，位于该环行器另一侧的一光输入端口及一光输出端口，其中该环行器包括：一第一偏振分光棱镜、一第二偏振分光棱镜以及一第三偏振分光棱镜；该第一偏振分光棱镜与该第二偏振分光棱镜之间设有一第一法拉第旋转片；该第二偏振分光棱镜与该第三偏振分光棱镜之间设有一第二法拉第旋转片；其中，从该光输入端口输入的一第一信号光依次穿过该第一偏振分光棱镜、该第一法拉第旋转片、该第二偏振分光棱镜、该第二法拉第旋转片及该第三偏振分光棱镜后输出到该输入输出光端口；而从该输入输出光端口输入的一第二信号光依次穿过该第三偏振分光棱镜、该第二法拉第旋转片、该第二偏振分光棱镜及该第一偏振分光棱镜后输出到该光接收组件，再经由该光输出端口向外输出。

本发明还提供一种环行器，包括位于该环行器一侧的一输入输出光端口，位于该环行器另一侧的一光输入端口及一光输出端口，该环行器包括：一第一偏振分光棱镜、一第二偏振分光棱镜以及一第三偏振分光棱镜；该第一偏振分光棱镜与该第二偏振分光棱镜之间设有一第一法拉第旋转片；该第二偏振分光棱镜与该第三偏振分光棱镜之间设有一第二法拉第旋转片；其中，从光输入端口输入的第一信号光依次穿过该第一偏振分光棱镜、第一法拉第旋转片、第二偏振分光棱镜、第二法拉第旋转片及第三偏振分光棱镜后输出到该输入输出光端口；而从该输入输出光端口输入的第二信号光依次穿过该第三偏振分光棱镜、第二法拉第旋转片、第二偏振分光棱镜及第一偏振分光棱镜后输出到该光输出端口；其中该第一法拉第旋转片只设置于该第一信号光的光路上，而在第一偏振分光棱镜与该第二偏振分光棱镜之间的第二信号光的光路则没有设置任何法拉第旋转片。

相对于传统的光整合器件从光输入端口进入的第一光信号经过环行器再从输入输出光端口输出只对反向光进行了一次隔离。在本发明的光整合器件及环形器的传输过程中，第一信号光的光路分别通过第一法拉第旋转片及第二法拉第旋转片，相当于对反向光进行了两次隔离，可以在较大的带宽范围内实现很好的隔离度，避免反向光不适当地返回到激光器光源处，对光源信号造成影响。而从输入输出光端口到光输出端口的第二信号光传播过程中，第二信号光只通过第二法拉第旋转片而不通过第一法拉第旋转片，对反向光只进行了一次隔离，既可以满足隔离需求又可以减少第二信号光在传播过程中的损耗并降低成本。

附图说明

图1为本较佳实施方式的光整合器件的结构示意图；

图2为图1所示的环行器及折转棱镜的立体示意图，其中增加了一个补偿片；

图3为图2所示的半波片141对第一信号光的偏振态变化示意图；

图4为图2所示的半波片142对第一信号光的偏振态变化示意图；

图5为图2所示的半波片143对第一信号光的偏振态变化示意图；

图6为图2所示的半波片144对第一信号光的偏振态变化示意图；

图7为图1中由光输入端口到输入输出光端口的第一信号光的光路图；

图8为根据图7所示光路图的侧视图；

图9为图1中由输入输出光端口到光输出端口的第二信号光的光路图，其中增加了一个补偿片；

图10为根据图9所示的光路图的侧视图；

图11为图1中由输入输出光端口到光输入端口的反向隔离光路示意图；

图12为图1中由光输出端口到输入输出光端口的反向隔离光路示意图。

附图标记说明如下：10、环行器；11、偏振分光棱镜；111、第一偏振分光棱镜；112、第二偏振分光棱镜；113、第三偏振分光棱镜；12、法拉第旋转片；121、第一法拉第旋转片；122、第二法拉第旋转片；13、半波片；141、142、143、144、半波片；15、磁板；16、补偿片；2、光接收组件；20、解复用器；21、玻璃载体；22、窄带滤波器；23、透镜；30、光输入端口；32、准直透镜；40、输入输出光端口；42、聚焦透镜；44、光纤连接头；50、光输出端口；60、折转棱镜；l1、第一信号光；l2、第二信号光。

具体实施方式

尽管本发明可以容易地表现为不同形式的实施例，但在附图中示出并且在本说明书中将详细说明的仅仅是其中一些具体实施例，同时可以理解的是本说明书应视为是本发明原理的示范性说明，而并非旨在将本发明限制到在此所说明的那样。

由此，本说明书中所指出的一个特征将用于说明本发明的一个实施例的其中一个特征，而不是暗示本发明的每个实施例必须具有所说明的特征。此外，应当注意的是本说明书描述了许多特征。尽管某些特征可以组合在一起以示出可能的系统设计，但是这些特征也可用于其他的未明确说明的组合。由此，除非另有说明，所说明的组合并非旨在限制。

在附图所示的实施例中，方向的指示(诸如上、下、左、右、前和后)用于解释本发明的各种元件的结构和运动不是绝对的而是相对的。当这些元件处于附图所示的位置时，这些说明是合适的。如果这些元件的位置的说明发生改变时，则这些方向的指示也相应地改变。

以下结合本说明书的附图，对本发明的较佳实施例予以进一步地详尽阐述。

请参阅图1，本发明提出一种光整合器件。该光整合器件主要包括一环行器10及一光接收组件2。光整合器件设有三个端口。其中，第一端口为位于该环行器10一侧的光输入端口30。第二端口为位于该环行器10另一侧的一输入输出光端口40。第三端口为与该光输入端口30位于环行器10同一侧的一光输出端口50。其中该光输入端口30较佳是直接连接到一光发射器(图未示，例如一激光二极管)，该输入输出光端口40较佳是连接到用于双向传输光信号的一光缆(图未示)，该光输出端口50较佳是连接到多根输出光纤(图未示)。

光接收组件2设于该环行器10的一侧且与光输出端口50呈相对设置，其中光接收组件2可以是一聚焦透镜(图未示)或一解复用器20，本较佳实施例具体以光接收组件2是一解复用器20为例进行说明。

从光输入端口30进入的第一信号光l1，经过环行器10，到达输入输出光端口40。从输入输出光端口40进入的第二信号光l2，经过环行器10到达解复用器20，通过解复用器20分解成若干波长的信号光，并传输至光输出端口50。具体地，从光输入端口30进入的第一信号光l1，经过准直透镜32整形为一准直光，再经过环行器10，到达一个聚焦透镜42，聚焦透镜42将第一信号光l1准直后汇聚到一光纤连接头44的端面，从而通过光纤连接头44(即输入输出光端口40)向外输出。而从输入输出光端口40处的光纤连接头44进入的第二信号光l2也会经过准直透镜42整形为一准直光，然后经过环行器10，再进入解复用器20，最终从光输出端口50输出。

请参阅图1及图2，该环行器10包括三个偏振分光棱镜11、两个法拉第旋转片12、一个半波片13及四个半波片141、142、143、144。三个偏振分光棱镜11沿z轴相对平行地放置。法拉第旋转片12及半波片13、141、142、143、144设于两个相邻的偏振分光棱镜11之间。

偏振分光棱镜11包括一第一偏振分光棱镜111、一第二偏振分光棱镜112及一第三偏振分光棱镜113。第一偏振分光棱镜111是靠近光输入端口30设置，第二偏振分光棱镜112是设于第一偏振分光棱镜111远离光输入端口30的一侧，第三偏振分光棱镜113是靠近输入输出光端口40设置。其中该第一偏振分光棱镜111、该第二偏振分光棱镜112与该第三偏振分光棱镜113较佳为pbs斜方棱镜，其中该第二偏振分光棱镜112上的pbs膜层方向与该第一偏振分光棱镜111及该第三偏振分光棱镜113上的pbs膜层方向成90度夹角。

两个法拉第旋转片12包括一第一法拉第旋转片121及一第二法拉第旋转片122。具体在本实施方式中的两个法拉第旋转片12均可以将信号光的偏振角度旋转45度。

如图7及图8所示，第一法拉第旋转片121设于该第一偏振分光棱镜111与该第二偏振分光棱镜112之间。并且，第一法拉第旋转片121只设置于光输入端口30与输入输出光端口40之间的第一信号光l1的光路上。经过第一法拉第旋转片121的第一信号光l1，偏振方向逆时针旋转45度。该第一偏振分光棱镜111与该第二偏振分光棱镜112之间设有一第一半波片组，其包括两个并列设置的半波片141、142及一个单独设置的半波片13。其中，半波片13只设在由输入输出光端口40到光输出端口50之间的第二信号光l2的光路上。

第二法拉第旋转片122设于该第二偏振分光棱镜112与第三偏振分光棱镜113之间。第二偏振分光棱镜112与该第三偏振分光棱镜113之间设有一第二半波片组，其包括两个并列设置的半波片143、144。

如图7及图8所示，具体地，在第一信号光l1传播的光路上，两个半波片141、142较佳是设于第一偏振分光棱镜111与第一法拉第旋转片121之间。两个半波片143、144较佳是设于第二法拉第旋转片122与第三偏折分光棱镜113之间。从光输入端口30输入的第一信号光l1依次穿过该第一偏振分光棱镜111、半波片141、142、第一法拉第旋转片121、第二偏振分光棱镜112、第二法拉第旋转片122、半波片143、144及第三偏振分光棱镜113后输出到该输入输出光端口40。值得一提的是，在其他未示出的实施例中，两个半波片141、142与第一法拉第旋转片121的位置可以互换；两个半波片143、144与第二法拉第旋转片122的位置也可以互换。

如图9及图10所示，而对于从输入输出光端口40输入，从光输出端口50输出的第二信号光l2而言，设于第一偏振分光棱镜111与该第二偏振分光棱镜112之间的半波片13只设置于从输入输出光端口40到光输出端口50的第二信号光l2的光路上。从输入输出光端口40输入的第二信号光l2，依次穿过该第三偏振分光棱镜113、半波片143、144、第二法拉第旋转片122、第二偏振分光棱镜112、半波片13与补偿片16(某些场合下可省略)及第一偏振分光棱镜111后输出到该解复用器20，再输出到该光输出端口50。

具体在本实施方式中的半波片13的晶轴方向与偏振方向夹角为45度，第二信号光l2的其中一路偏振光的偏振方向经过半波片13后将会旋转90度。请参阅图3-图6，其中半波片141、144使第一信号光l1的其中一路偏振光的偏振方向顺时针旋转45度，而半波片142、143则使第一信号光l1的其中一路偏振光的偏振方向逆时针旋转45度。

结合上述偏振分光棱镜11、法拉第旋转片12及半波片13、141、142、143、144的特性对光路的传输原理进行说明：

请参阅图7及图8，第一信号光l1从光输入端口30传播到输入输出光端口40。光输入端口30到输入输出光端口40的主光路的方向大致为z轴的方向，如入射光束一侧的坐标表示。进入光输入端口30的第一信号光l1经过第一偏振分光棱镜111分解为偏振方向垂直的x方向偏振光(p偏振光)与y方向偏振光(s偏振光)，那么沿着光传输方向z轴方向观察偏振状态，在xy平面的偏振状态的变化如图中坐标所示。

如图7所示，第一信号光l1从光输入端口30进入，从输入输出光端口40输出的过程为：第一信号光l1经过第一偏振分光棱镜111分解为偏振方向相互垂直的x方向偏振光及y方向偏振光。x方向偏振光笔直透过第一偏振分光棱镜111，y方向偏振光在第一偏振分光棱镜111的pbs膜层处发生反射。

如图7及图8所示，图7下方的x方向偏振光经过半波片142后逆时针旋转45度，经过第一法拉第旋转片121后再逆时针旋转45度，偏振方向变为y方向。由于第二偏振分光棱镜112与第一偏振分光棱镜111是垂直地放置的，所以y方向的偏振光可以笔直通过第二偏振分光棱镜112。然后经过第二法拉第旋转片122将其逆时针旋转45度，再经过半波片144将其顺时针旋转45度以后，偏振方向保持为y方向。于是在第三偏振分光棱镜113中发生反射，到达输入输出光端口40。

如图7及图8所示，图7上方的y方向的偏振光经过第一偏振分光棱镜111反射以后，经过半波片141将其顺时针旋转45度，再经过该第一法拉第旋转片121将其逆时针旋转45度以后，偏振方向保持为y方向，于是笔直通过第二偏振分光棱镜112，而后经过第二法拉第旋转片122将其逆时针旋转45度，再经过半波片143进一步将其逆时针旋转45度，偏振方向改变为x方向，于是直接透过第三偏振分光棱镜113。从而x方向偏振光与y方向的偏振光通过第三偏振分光棱镜113再次结合为第一信号光l1向外输出到达输入输出光端口40。

请参阅图9和图10，从输入输出光端口40进入的第二信号光l2，经环行器10传输到光输出端口50的过程为：在输入输出光端口40进入的第二信号光l2，首先经第三偏振分光棱镜113分解成x方向偏振光(p偏振光)及y方向偏振光(s偏振光)。

如图9所示，图上方的x方向偏振光经过半波片143将其逆时针旋转45度，及第二法拉第旋转片122再将其顺时针旋转45度后，其偏振方向保持为x方向。而图下方的y方向偏振光经过半波片144将其顺时针旋转45度及第二法拉第旋转片122再将其顺时针旋转45度后，其偏振方向被改变为x方向。如图10所示，两束x方向的偏振光在经过第二偏振分光棱镜112的时候，都会发生反射沿y轴传播一段距离以后，再经过反射则继续沿z轴方向传播。

如图9及图10所示，图9上方的偏振光在穿过第二偏振分光棱镜112后，再穿过半波片13，偏振方向被旋转90度，转变成y方向偏振光，经第一偏振分光棱镜111反射后到达光输出端口50。而图9下方的偏振光在穿过第二偏振分光棱镜112后，再穿过补偿片16，其偏振态保持为x方向，直接透过第一偏振分光棱镜111到达光输出端口50。

图11是从输入输出光端口40到光输入端口30的二次反向隔离示意图。从前面的图9及图10就可以看出，在理想情况下，从输入输出光端口40输入的光在经过半波片143、144和第二法拉第旋转片122以后，就会被第二偏振分光棱镜112反射，向上传输一定距离跑到光输出端口50，从而不会进入光输入端口30，这是对从输入输出光端口40输入的光的第一次隔离。但是在实际情况下，由于法拉第旋转片122的消光比及波长特性，在较宽的波长范围内，还是有一小部分光没有转变成可以被第二偏振分光棱镜112反射的x方向偏振光，于是这一小部分的y方向偏振光(s偏振光)可以从第二偏振分光棱镜112直接透射过去。其中位于图11上方的s偏振光经过第一法拉第旋转片121以后顺时针旋转45度，然后经过半波片141后再顺时针旋转45度，于是变成p偏振光，直接从第一偏振分光棱镜111的上方透过，无法进入光输入端口30。而位于图11下方的s偏振光经过第一法拉第旋转片121以后顺时针旋转45度，然后经过半波片13逆时针旋转45度，仍然是s偏振光，于是被第一偏振分光棱镜111反射出去，也无法进入光输入端口30，从而达到第二次隔离的目的。由于法拉第旋转片12的消光比及波长相关特性，单级的隔离度在30nm带宽内的隔离度只能做到大于30db。而在本结构中，从输入输出光端口40到光输入端口30的反向光，经过了第一法拉第旋转片121和第二法拉第旋转片122的双级隔离，隔离度可以做到45db以上。从而可以在较大的带宽范围有效减少光反向地从输入输出光端口40返回到光输入端口30(即激光器光源处)，对光源信号造成影响。

图12是从光输出端口50到输入输出光端口40的反向进光的隔离示意图。图12下方的p偏振光笔直透过第一偏振分光棱镜111并经过第二偏振分光棱镜112沿垂直于纸面的方向反射后，在经过第二法拉第旋转片122时被逆时针旋转45度，再经过半波片144被顺时针旋转45度以后，仍然为p偏振光，因此直接透射过第三偏振分光棱镜113，无法进入输入输出光端口40；图12上方的s偏振光被第一偏振分光棱镜111反射，在经过半波片13以后，偏振方向变化90度，变成p偏振光，经过第二偏振分光棱镜112沿垂直于纸面的方向反射后，经过第二法拉第旋转片122时被逆时针旋转45度，然后经过半波片143时再被逆时针旋转45度以后，偏振方向变化90度，变成s偏振光，于是被第三偏振分光棱镜113反射，也无法进入到输入输出光端口40。本结构中，从光输出端口50到输入输出光端口40的反向光，只经过第二法拉第旋转片122，为单级隔离，由于经过长途传输后的第二信号光l2的能量通常较小，因此隔离度为30db以上已经可以满足对反向光的隔离性能上的需要，并且可以减少第二信号光l2在传播过程中的损耗。

具体在本实施方式中，解复用器20用于对不同波长的信号光进行分束。从该输入输出光端口40输入的第二信号光l2依次穿过该第三偏振分光棱镜113、第二法拉第旋转片122、第二偏振分光棱镜112及第一偏振分光棱镜111后输出到该解复用器20。

请参阅图1，解复用器20较佳为filter型解复用器。解复用器20包括一侧镀有反射膜的玻璃载体21、多个窄带滤波器22。解复用器20可以根据需要通过增加或者减少窄带滤波器22，来调节解复用器20对应的分束波段。具体地，该解复用器20包括四片窄带滤波器22。该解复用器20可以选择相应四个波长进行分束。每一窄带滤波器22后都需要放置一聚焦透镜23，用于将光束聚焦到输出光纤(图未示)的接收端面。聚焦透镜23可以通过产品需要进行选择，可以是球面聚焦透镜或者自聚焦透镜，也可以是已经组装好的透镜阵列等。多组窄带滤波器22可以对多个波长段进行分束，最后分束光束从光输出端口50输出。

请参阅图1及图2，本实施方式的环行器10还包括呈平板形式的一磁板15。该第一法拉第旋转片121与该第二法拉第旋转片122均贴近地设置于该磁板15的上方。磁板15用于为第一法拉第旋转片121与第二法拉第旋转片122提供磁场来保证其正常工作。

该第一法拉第旋转片121与该第二法拉第旋转片122均靠近磁板15设置。由于从输入输出光端口40到光输出端口50的传播过程中，第二信号光l2只通过第二法拉第旋转片122，而不需要通过第一法拉第旋转片121。因此，第一法拉第旋转片121只需设置在靠近磁板15的一侧的第一信号光l1通过的部位，而无需延伸至远离磁板15的第二信号光l2的光路中，这样一来可以减小第一法拉第旋转片121的体积。另外由于构成第一法拉第旋转片121的石榴石单晶体极为昂贵，体积减少有利于降低产品成本。

本发明中较小体积的第一法拉第旋转片121即可以满足光路需要，还可以通过较小体积的磁板15来满足第一法拉第旋转片121对磁场的需求，节省了产品的空间。因此，该环行器10的法拉第旋转片121、122使用了呈平板形式的磁板15来代替传统的磁环，占用更小的空间且磁力强度可以满足法拉第旋转片121、122的需要，有利于产品微型化。

请参阅图2及图9，本实施方式的补偿片16设置于该第二偏振分光棱镜112与该第三偏振分光棱镜113之间，且只设置于该输入输出光端口40与光输出端口50之间的第二信号光l2通过的光路上。补偿片16与半波片13较佳是并列设置于第一偏振分光棱镜111的朝向第二偏振分光棱镜112的一侧。其中，由第二信号光l2分解而成的一束偏振光经过半波片13进入第一偏振分光棱镜111，假使另一束偏振光是直接进入第一偏振分光棱镜111的话，两束偏振光之间将由于半波片13形成光程差，因此在对信号质量有较高要求时需要引入补偿片16用于补偿该光程差，以保证由第二信号光l2分解而成的两束偏振光能够经第一偏振分光棱镜111合束没有失真地输出到解复用器20。其中在某些对信号质量要求不高的应用场合下，补偿片16可以被省略。

请参阅图1，本实施方式的光整合器件还包括一折转棱镜60。该折转棱镜60位于该环行器10靠近该光输入端口30的一侧，且与该光输入端口30呈相对设置。折转棱镜60较佳是具有一倾斜角的平行四边形，其用于折转第一信号光l1，从而可以使该光整合器件的光输入端口30远离解复用器20，使光输入端口30与光输出端口50之间的距离加宽。光输入端口30与光输出端口50之间的距离足够宽，可以方便安装解复用器20。

本发明的光整合器件充分结合了环行器10和解复用器20的功能及特性，并且该光整合器件较佳是整体地封装在一密封壳体(图未示)内。由于环行器10和解复用器20并未独立封装，减少了由于单独封装引入的精度偏差，并充分利用了光整合器件内的三维空间进行纯光路的传播。各端口的准直器以及环行器10和解复用器20之间，可以通过灵活的调节来实现各维度公差之间的补偿，因此对元件的位置公差有较大容忍度，易于生产。

并且，光整合器件较佳是固定于密封壳体内的一底板(图未示)上，环行器10及解复用器20通过粘接材料粘接在底板上，可以加强产品的稳定性及可靠性。

虽然已参照几个典型实施方式描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施方式不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。