光环形器的制作方法

本发明涉及光学部件技术领域，具体为一种光环形器。

背景技术：

光环形器是一种多端口输入输出的非互异性光导元器件，具有光信号只能沿规定书序端口正向疏通、反向截止的特性，可分离正反向的传输光，典型结构有n(n≥3)个端口，当光由端口n-1(n≤n)输入时，光只能从端口n输出。由于制作工艺和使用环境的影响和限制，最常用的光环形器是三端口或四端口，即n＝3或n＝4。根据端口n输入的光信号是否可在端口1接收到分类，光环形器可分为无阻塞型和阻塞型。

无阻塞光环形器不能从端口1接收到端口n输入的光信号，而阻塞型光环形器能够从端口1接收到端口n输入的光信号。光环形器是光纤通信领域中一种重要的光无源器件，可以广泛应用于光通信系统中的光放大器、通道均衡器、波长选择开关、光纤光栅的dwdm模块和光纤测试系统。

现有的四端口光环形器多为阻塞型，使用的双纤准直器输出的光斑直径过大，相应地造成截止方向的隔离度小，且易造成串扰；在一些环形器中使用的元件复杂、器件成本高和整体体积较大，不利于器件封装和光路调试。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：提供一种光环形器，从而解决现有光环形器成本高、整体体积大、双纤准直器输出光斑直径过大的问题。

本发明为解决其技术问题提供的一种技术方案是：光环形器，其特征在于，从左至右一次设置有第一热扩芯光纤准直器、第一双折射晶体、第一偏振转器、第一渥拉斯顿棱镜、第一磁光晶体、第一波片、第二渥拉斯顿棱镜、第二偏振旋转器、第二双折射晶体、第二热扩芯光纤准直器。

作为上述方案的改进，所述第一热扩芯光纤准直器和第二热扩芯光纤准直器包括热扩芯光纤头和c-lens透镜。

作为上述方案的进一步改进，所述第一偏振旋转器和所述第二偏振旋转器包括两块波片。

作为上述方案的改进，所述第一沃拉斯顿棱镜和所述第二沃拉斯顿棱镜包括两排角度相互匹配单轴双折射晶体光楔角片。

作为上述方案的进一步改进，所述第一双折射晶体和所述第二双折射晶体采用斜方体的双折射晶体作为分束和合束元件，所述双折射晶体中左右斜面与其下表面所形成的夹角为4°至8°。

作为上述方案的改进，所述第一渥拉斯顿棱镜和所述第二渥拉斯顿棱镜均由两个光轴相互垂直的双折射楔角片胶合而成。

作为上述方案的改进，所述第一双折射晶体与所述第一偏振旋转器紧密贴合、所述第二双折射晶体和所述第二偏振旋转器紧密贴合。

作为上述方案的进一步改进，所述第一磁光晶体与所述第一波片紧密贴合。

作为上述方案的改进，所述第一磁光晶体为45°法拉第旋光片，所述法拉第旋光片的外层设有磁环。

作为上述方案的进一步改进，所述第一波片为半波片。

本发明的有益技术效果是：通过设置第一热扩芯光纤准直器、第一双折射晶体、第一偏振旋转器、第一渥拉斯顿棱镜、第一磁光晶体或第一波片、第二渥拉斯顿棱镜、第二偏振旋转器、第二双折射晶体、第二热扩芯光纤准直器，形成一种偏振无关四端口无阻塞型、结构紧凑、体积小巧的光环形器。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图做简单说明。

图1为本发明光环形器一种实施方式的拆解图；

图2为本发明光环形器的光纤端口01到光纤端口02的光路侧视图；

图3为光环形器的光纤端口01到光纤端口02的光路俯视图；

图4为本发明光环形器的光纤端口02到光纤端口03的光路侧视图；

图5为光环形器的光纤端口02到光纤端口03的光路俯视图；

图6为本发明光环形器的光纤端口03到光线端口04的光路侧视图；

图7为光环形器的光纤端口03到光纤端口04的光路俯视图；

图8为本发明光环形器的光纤端口04到光纤端口01的光路侧视图；

图9为馆环形器的光纤端口04到光纤端口01的光路俯视图；

图10是渥拉斯顿棱镜及其光路示意图。

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分理解本发明的目的、方案和效果。需要说明的是，在不冲突的情况下本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。此外本发明中所使用的上、下、左、右等描述仅仅是相对图中本发明各组成部分相互位置关系来说的。

图1为本发明光环形器一种实施方式的拆解图，参考图1，光环形器封装在壳体内，本技术方案的光环形器从左至右在光环形器的轴线上依次排开，分别为第一热扩芯光纤准直器10、第一双折射晶体20、第一偏振旋转器30、第一渥拉斯顿棱镜40、第一磁光晶体50、第二沃拉斯顿棱镜60、第二偏振旋转器70、第二双折射晶体80、第二热扩芯光纤准直器90。第一双折射晶体20与第一偏振旋转器30紧密贴合，第二双折射晶体20和第二偏振旋转器30紧密贴合，第一磁光晶体50和第一波片51紧密贴合，使得光环形器的结构紧凑，体积小巧，明显缩小了光环形器的体积。

第一热扩芯光纤准直器10和第二热扩芯光纤准直器90包括热扩芯光纤头(11,91)和c-lens透镜(12,92)。热扩芯光纤头(11,91)的设置可以扩大光纤模场直径，使得第一热扩芯光纤准直器10和第二热扩芯光纤准直器不仅对射入光线起到准直作用，还可减少光斑的发射角。通过第一双折射晶体20和第二双折射晶体80可以对光信号起到分束和合束的作用。第一偏振旋转器30和第二偏振旋转器70均由两块波片构成，第一偏振旋转器30和第二偏振旋转器70的波片在平面内的排列组合不同，均用于改变光的偏振态。

第一渥拉斯顿棱镜40和第二渥拉斯顿棱镜60均是由两片角度相互匹配单轴双折射晶体光楔角片构成，两楔角片的光轴相互正交，且光轴都与入射光方向垂直，并对光线起到偏折作用。

第一热扩芯光纤准直器10和第二热扩芯光线准直器90用于扩大光环形器的最大工作距离，将光环器的各个零部件均防止在工作距离之内，从而减小光环形器的整体体积，实现小型化和紧凑型。设置热扩芯光纤还可缩小工作光斑的直径，减小截止光路之间的串扰程度，提高环形器的隔离度。

第一双折射晶体20和第二双折射晶体80通过采用斜方体的双折射晶体作为分束和合束元件，其斜方体双折射晶体结构中左右斜面与其下表面所形成的夹角为4°至8°。第一渥拉斯顿棱镜40和第二渥拉斯顿棱镜60均包括两个光轴相互垂直的双折射楔角片胶合而成，入射光在两个楔角片的分界面发生折射，在晶体中两束光的偏振态变化分别为o光→e光和e光→o光，折射率相应的变化为no→ne和ne→no，入射角相同而折射角不同。若楔角片的斜角为α，则输出的两束光的夹角为2β且和楔角片表面的法线夹角都为β，β≈arcsin[|no-ne|tanα]；由于使用的两个渥拉斯顿棱镜都有起偏作用，因而可以提高环形器的消光比。

第一磁光晶体50和第一波片51紧密贴合，磁光晶体的使用可以提高环形器的隔离度。第一偏振旋转器30和第二偏振旋转器70均由两个半波片组成但在空间中的排放位置不同而半波片的快轴方向相同，均与通过第一双折射晶体20或第二双折射晶体80的o光偏振方向呈45°夹角；第一磁光晶体50为45°法拉第旋光片，且在法拉第旋光片的外层设有磁环，提供磁场使得光偏振态偏转45°；第一波片51为半波片，用于改变光的偏振态。第一热扩芯光纤准直器10的两个尾纤分别为第一光纤口01和第三光纤口03，第二热扩芯光纤准直器90的两个尾纤分别为第二光纤端口02和第四光纤端口04。其中以希腊数字ⅰ、ⅱ、ⅲ、ⅳ标示端口01、端口02、端口03、端口04在环形器上各个零部件上的对应位置。

图2为本发明光环形器的光纤端口01到光纤端口02的光路侧视图，图3为光环形器的光纤端口01到光纤端口02的光路俯视图，参考图2和图3，第一光纤端口01导入时，第一热扩芯光纤准直器10将光聚焦准直呈平行光束001，由于光纤端口01相对于准直器处于离轴位置，位于中心面的上方，光束001具有向下的倾斜角。光束001进入第一双折射晶体20后，被分成偏振态相互垂直的沿y轴方向分离的两束光，即寻常光001o和非寻常光001e。图2中下方的图标标示了寻常光001o和非寻常光001e在不同位置时的偏振态。光束001o经第一偏振旋转器30后，偏振态不会发生改变，光束标志为011o，而光束001e经第一偏振旋转器30后，偏振态不发生改变，光束标志001o，而光束001e经过第一偏振旋转器30后，偏振态被旋转了90°，光束标志为001e，两光束的偏振方向平行，即偏振沿x方向平行。这两束光平行进入第一渥拉斯顿棱镜40，偏振态为发生变化，当光束经过楔角片的分界面时，光束向上偏折，恰好和中心面平行。两束光经第一磁光晶体50后，偏振方向顺时针旋转45°，再经过第一波片51后，偏振方向逆时针旋转45°，即两束光的偏振方向依然没有变化，偏振依然沿x方向平行。两束光以原有的倾斜角进入到第二渥拉斯顿棱镜60，偏振态没有发生变化，但经两个楔角片的分界面时，光束向下偏折，即有一个向下的倾斜角，该倾斜角和光束进入第一双折射晶体20的倾斜角一样，分别标志为021o和021e。经第二偏振旋转器70后，偏振态旋转90°，光束标志为031e，因而两光束的偏振态由相互平行变为相互垂直。第二双折射晶体80将两束光合成一束，合成光束002由第二热扩芯光纤准直器90的第二光纤端口02接收输出。

图4为本发明光环形器的光纤端口02到光纤端口03的光路侧视图，图5为光环形器的光纤端口02到光纤端口03的光路俯视图，参考图4和图5，光从第三光纤口03导入时，第一热扩芯光纤准直器10将光聚焦准直呈平行光束005，由于光纤端口03相对于准直器处于离轴位置，位于中心面的下方，光束003有一个向上的倾斜角。光束005进入第一双折射晶体20后，被分成偏振态相互垂直的沿y方向分离的两束光，即寻常光005o和非寻常光005e。图5中的下方图标标示了005o和005e光束在不同位置时的偏振态。光束005o经第一偏振旋转器30后，偏振态不发生改变，光束标志为015o，而光束005e经第一偏振旋转器30后，偏振态被旋转了90°，光束标志为015e，两束光的偏振方向平行，即偏振沿y方向平行。这两束光平行进入第一渥拉斯顿棱镜40，偏振态未发生变化，但经两个楔角片的分界面时，光束向下偏折，恰好和中心面平行。两束光经第一磁光晶体50后，偏振方向顺时针旋转45°，再经过第一波片51后，偏振方向逆时针旋转45°，即两束光的偏振方向依然没有发生变化，偏振依然沿y方向平行。两束光以原有的倾斜角进入到第二渥拉斯顿棱镜60，偏振态没有发生变化，但经两个楔角片的分界面时，光束向上偏折，即有一个向上的倾斜角，该倾斜角和光束进入第一双折射晶体20的倾斜角一样，分别标志为025o和025e，光束025o经第二偏振旋转器70后，偏振态旋转了90°，光束标志为035o；光束025e经第二偏振旋转器70后，偏振态旋转了90°，光束标志为035o；光束025e经第二偏振旋转器70后，偏振态没有发生变化，光束标志为035e，因而两光束的偏振态由互相平行变为互相垂直。第二双折射晶体80将两束光合成一束，合成光束006由第二热扩芯光纤准直器90的第四光纤端口04接收输出。

图6为本发明光环形器的光纤端口03到光线端口04的光路侧视图，图7为光环形器的光纤端口03到光纤端口04的光路俯视图，参考图6和图7，当光从第三光纤端口03导入时，第一热扩芯光纤准直器10将光聚焦准直呈平行光束005，由于光纤端口03相对于准直器处于离轴位置，位于中心面的下方，光束003有一个方向上的倾斜角。光束005进入第一双折射晶体20后，被分成偏振态相互垂直的沿y方向分离的两束光，即寻常光005o和非寻常光005e。图7下方的图标示出了寻常光005o和非寻常光005e在不同位置时的偏振态。光束005o经第一偏振旋转器30后，偏振态被旋转了90°，光束标志为015e，两光束的偏振方向平行，即偏振沿y方向平行。这两束光平行进入第一渥拉斯顿棱镜40后，偏振态没有发生变化，但经两个楔角片的分界面时，光束向下偏折，恰好和中心面平行。两束光经第一磁光晶体50后，偏振方向顺时针旋转45°，再经过第一波片51后，偏振方向逆时针旋转45°，即两束光的偏振方向依然没有变化，偏振依然沿y方向平行。两束光以原有的倾斜角进入到第二渥拉斯顿棱镜60,偏振态没有变化，但经两个楔角片的分界面时，光束向上偏折，具有一个向上的倾斜角，该倾斜角和光束进入第一双折射晶体20的倾斜角一样，分别标志为025o和025e。光束025o经第二偏振旋转器70后，偏振态旋转了90°，光束标志为035o，光束025e经第二偏振旋转器32后，偏振态没有发生变化，光束标志为035e，因而两光束的偏振态由互相平行变为互相垂直。第二双折射晶体80将两束光合成一束，合成光束006由第二热扩芯光纤准直器90的第四光纤端口04接收输出。

图8为本发明光环形器的光纤端口04到光纤端口01的光路侧视图，图9为馆环形器的光纤端口04到光纤端口01的光路俯视图，参考图8和图9，当光从第四光纤端口04导入时，第二热扩芯光纤准直器90将光聚焦准直成平行光束007，由于光纤端口04相对于准直器处于离轴位置，位于中心面的上方，光束007具有向下的倾斜角。光束007进入第二双折射晶体80后，被分成偏振态相互垂直的沿y方向分离的两束光，即寻常光007o和非寻常光007e。图9下方的图标示出了他们在不同位置时的偏振态。光束007o经第二偏振旋转器70后，偏振态旋转了90°，光束标志为017o，而光束007e经第二偏振旋转器70后，偏振态不发生改变，光束标志为017e，两光束的偏振方向平行，偏振方向与y方向平行。这两束光平行进入第二渥拉斯顿棱镜90，偏振态没有发生变化，但经过两个楔角片的分界面时，光束向上偏折，恰好和中心面平行。两束光经过第一波片51后，偏振方向顺时针旋转45°，再经第一旋光晶体51后，偏振方向顺时针旋转45°，即两束光的偏振方向顺时针旋转了90°，偏振沿x方向平行。两束光以原有的倾角进入到第一渥拉斯顿棱镜40，偏振态没有变化，但经两个楔角片的分界面时，光束向上偏折，即有一个向上的倾斜角，分别标志为027o和027e。光束027o经第一偏振旋转器31后，偏振态旋转了90°，光束标志为037o；光束027e经第一偏振旋转器31后，偏振态没有发生变化，光束标志为037e，因而两光束的偏振态由相互平行变为相互垂直。第一双折射晶体20将两束光合成一束，合成光束008由第一热扩芯光纤准直器10的第一光纤端口01接收输出。

图10是渥拉斯顿棱镜及其光路示意图。

由上述可知，光信号通过第一光纤端口01输入，可从第二光纤端口02接收输出；由第二光纤端口02输入，可从第三光纤端口03接收输出；由第三光纤端口03输入，可从第四光纤端口04接收输出；由第四光纤端口04输入，可从第一光纤端口01接收输出，从而实现了一种偏振无关四端口无阻塞型光环形器的功能。

尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所述权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。