光学循环器的制作方法

专利名称：光学循环器的制作方法
技术领域：
光学循环器是一种具有至少三个接受学纤的端口的装置。通过第一端口进入到循环器的光通过第二端口出来；通过第二端口进入的光通过第三端口出来。光学循环器是一种固有的非互逆装置，由于如果通过第一端口进入，它就从第二端口出来，而如果光接着再反射回第二端口，它并不折回其路么返回到第一端，而是从第三端口出来。
循环器必须使用例如同一根光纤进行接收和传送数据。第一端口可以连接到数据发送器上，第二端口可以连接到长距离光纤上。在这种情况下，数据可以从发送器传送到光纤上。同时，从长距离光纤来的输入光数据通过第二端口进入到循环器中，然后指向可以与接收器连接的第三端口上。
在Kuwahara的美国专利No.4,650,289中描述了一种已有技术的光学循环器；参见

图1。在该循环器中，标记A、B和C对应于上述的第一、第二和第三端口(端口D不使用)。该循环器存在下列缺点它需要两条空间上分离的光路，端口A和C是垂直的。这意味着对于希望有更紧凑的体积，循环器将是庞大的。
在Koga的美国专利No.5,204,771中描述了一种更紧凑的循环器；参见图2。该循环器显示出了对前一种的改进，其两条光路可以很靠近，第一和第三端口(图中以27和28来指示)是平行的。不幸的是，该装置仍存在缺点。在第一光纤和循环器之间必须放置一透镜，以准直从第一光纤来的光。在第三光纤和循环器之间也必须放置一透镜，以把光聚焦到第三光纤上。如果第一和第三光纤相隔得足够远，有一间房间来并排插入两片透镜(每根光纤一片)，则循环器将不得不是非常大。由于成本将随着部件体积而增加，因此这样一种循环器也将是昂贵的。
如果第一和第三端口(图2中的27和28)靠得非常近，则第一和第三光纤将不得不共用同一片透镜进行对准和聚焦。然而，用单片透镜对两根光纤适当地进行上述功能是不可能的。困难可以追溯到耦合到第一和第三端口的光束是平行的，而且单片透镜不能把两个平行的光束会聚到两个不同的点上(即会聚到两条光纤上)这一事实。因此，这种已有技术存在的缺点是当循环器较大时，不能经济地进行制造，而当循环器较小时，又不能有效地耦合到光纤上。

发明内容
鉴于上述原因，本发明的目的在于提供一种紧凑的和经济的光学循环器，它可以高效地耦合到光纤上。
本发明由至少具有三个光纤端口的光学循环器组成。耦合到第一和第三光纤上的光束是不平行的；两光束之间稍有角度。由于这一角度，单片透镜就可以用来同时把第一和第三光纤耦合到循环器上。
本发明还由包含两个锥形双折射板的折光器件组成，双折射板被设置成补偿耦合到第一和第三光纤上的光束之间的角度。
附图概述图1示出了已有技术的Kuwahara的光学循环器。
图2示出了已有技术的Koga的光学循环器。
图3示出了根据本发明的循环器中如何从第一光纤向第二光纤传输光。
图4示出了图3的循环器中如何从第二光纤向第三光纤传输光。
图5a示出了no＞ne时与偏振有关的导光装置的各种实施例。
图5b示出了no＜ne时与偏振有关的导光装置的各种实施例。
图6示出了从第一光纤向第二光纤传播光的较佳的循环器的三维视图。
图7a是图6的循环器的俯视图，示出了从第一光纤向第二光纤传播的光束。
图7b是图6的循环器的侧视图，示出了从第一光纤向第二光纤传播的光束。
图8a是图6的循环器的俯视图，示出了从第二光纤向第三光纤传播的光束。
图8b是图6的循环器的侧视图，示出了从第二光纤向第三光纤传播的光束。
本发明的实施方式图3示出了根据本发明的循环器。第一光纤1插入到第一玻璃毛细管10A。第二光纤2插入到第二玻璃毛细管10B，与第一光纤1相对。第三光纤3插入到第一玻璃毛细管10A，与光纤1相邻，所以光纤3和光纤1平行。
一组正交基准轴布置得与使y轴与光纤1、2和3平行。基准点P位于第一玻璃毛细管10A附近。
光纤1发射光束30，由第一透镜12A准直。透镜12A还使光束30与y轴的角度为θ。较佳地，透镜12A是渐变折射率(GRIN)透镜。
然后光束30通过第一双折射块14A。这样光束30被分成具有正交偏振的两束，具体的为30A和30B，对应于双折向块14A中寻常和非常光线。光束30A沿x轴(在纸外)偏振；这种偏振用图3中的点来指示。光束30B以y-z平面偏振；这种偏振用线段来指示。双折射块14A的长度被调节成使光束30A和30B之间在空间上分离，以使它们通过独立的光学元件。
因此，光束30A进入第一半波板18A，它把偏振平面以逆时针方向(从图3的P点看)旋转45°。然后光束30A进入到第一法拉第旋转器20A，以顺时针方向(从P点看)把偏振平面旋转45°。因此，半波板18A和法拉第旋转器20A(第一互逆器件和第二非互逆器件)的净效应为保持光束30A的偏振不变。
同时光束30B进入到位于第一半波板18A上面的第二半波板16A。第二半波板16A把光束30B以顺时针方向(从P点看)旋转45°，即半波板16A起到与半波板18A的方向相反的旋转作用。然后光束30B通过法拉第旋转器20A，再次把偏振平面以顺时针方向(从P点看)旋转45°。因此，在通过了半波板16A和法拉第旋转器20A之后，光束30B的偏振在x方向上，或者说与光束30A的偏振平行。
半波板16A和18A与法拉第旋转器20A一起组成第一复合偏振旋转器40A，使两个正交偏振变为彼此平行。
在这一点上，当光束30A和30B退出旋转器20A时，它们仍与y轴成角度θ传播。该传播角度被与偏振有关的导光器件42改变。器件42由第一锥形双折射板22和第二锥形双折射板24组成。板22的锥度与板24的锥度互补，各板的锥度为角α。板22和24用相同的双折射材料做成，各块具有两个折射率ne和no，对应于非常光线和寻常光线。在图3所示的实施例中，no＞ne。
通常，根据进入到材料，折射率确定有多少光线弯曲或折射。当折射率已知时，折射量可以由斯涅尔定律来确定。双折射材料具有两个折射率，表示不同偏振的光将以不同的量折射。
板22的光轴OA1定向成与x轴平行。因此，光束30A和30B在板22中被看作非常光线，因此根据非常折射率ne进行折射。板24的光轴OA2与z轴平行，所以光束30A和30B在板24内是寻常光线。因此光束30A和30B在从板22到达板24时，由于折射率ne和no之间的差异而折射。
由导光器件42调节角度α使光束30A和30B与y轴平行。在每个界面上，利用斯涅尔定律，得到角度α与θ之间的关系是sinθ＝nesin{sin-1[(no/ne)sinα]-α} (1)光束30A和30B退出板24，进入到第二双折射块26。块26的光轴被定向成使光束30A和30B在块26内为寻常光线，从而保持不偏斜。
接着，光束30A进入到半波板18B，半波板18B使光束30A的偏振平面以逆时针方向(从P点看)旋转45°。然后光束30A通过法拉第旋转器20B，其偏振被以逆时针方向(从P点看)再旋转了45°。现在光束30A被偏振在z方向上(图中线段所指示)。
同时，光束30B通过半波板16B，半波板16B把偏振顺时针方向(从P点看)旋转45°。然后光束30B进入到法拉第旋转器20B，其偏振平面被以逆时针方向(从P点看)旋转45°。因此，半波板16B和旋转器20B一起对光束30B的偏振没有发生作用。
半波板16B和18B以及法拉第旋转器20B一起组成第二复合偏振旋转器40B，它使两个平行偏振彼此垂直。
光束30A和30B然后通过第三双折射块14B，其中光束30A为非常光线，而光束30B为寻常光线。块14B把光束30A和30B组合形成单个光束31，由于组合了两个正交偏振的光束30A和30B，所以光束31是一个一般的非偏振光。
光束31被第二透镜12B(较佳的是一个GRIN透镜)会聚，并进入到安装在玻璃毛细管10B内的光纤2。
至此的描述显示了源于光纤1的光如何被导入到光纤2。对于适当工作的循环器来说，也必须把从光纤2进入到循环器的光引导到光纤3中。换句话说，循环器100具有把光从光纤1引导到光纤2以及把光从光纤2引导到光纤3而不把光纤2的光引导回光纤1的特性。图4示出了这个第二步。
因此，光束32退出光纤2，由透镜12B准直。然后光束32进入到双折射块14B，分离成两路光束，32A和32B，它们具有正交的偏振。在块14B中，光束32A是寻常光线，光束32B是非常光线。一旦离开块14B，如图4所示，光束32A以x方向偏振，光束32B以y方向偏振。
接着光束32A和32B进入到复合偏振旋转器40B。光束32A进入到法拉第旋转器20B，法拉第旋转器20B把光束32A的偏振以逆时针方向(从P点看)旋转45°。光束32A进入到半波板16B，其偏振被以逆时针方向(从P点看)再旋转45°。
同时，32B的偏振被法拉第旋转器20B以逆时针方向(从P点看)旋转45°。然后光束32B的偏振被半波板18B以顺时针方向(从P点看)旋转45°。
因此，在光束32A和32B进入到双折射块26之前，它们都是z方向偏振。这里，循环器100的非互逆属性已经清楚，由于如果光束32A和32B要精确地折回光束30A和30B的路线(图3)，它们应当是以x方向偏振。非互逆的根源在于法拉第旋转器20B，其偏振旋转方向并不与光传播的方向的改变而相反。
光束32A和32B进入到双折射块26，在那里，它们是非常光线，并且偏移距离f。然后两光束32A和32B进入到导光器件42，导光器件32使光束32A和32B都相对于y轴产生角度φ。
现在光束32A和32B进入到双折射板24。板24的光轴OA2与光束32A和32B的偏振平行。因此光束32A和32B在板24中是非常光线，但是由于它们是垂直入射到板24上，所以不偏斜。
然而在离开板24进入到板22后，由于它们的偏振与板22的光轴OA1垂直，所以光束32A和32B变成寻常光线。因此光束32A和32B在进入到板22时，由于折射率ne和no之间的差异而发生折射。当光束32A和32B退出板22时，它们再次折射，以与y轴成角度φ地退出。利用斯涅尔定律，角度φ与角度α之间的关系如下sinφ＝nosin{α-sin-1[(ne/no)sinα} (2)在离开导光器件42之后，然后光束32A通过法拉第旋转器20A和半波板16A，它们对其偏振没有发生作用。光束32B通过法拉第旋转器20A和半波板18A；其结果是光束32A的偏振被以顺时针方向(从P点看)旋转了90°。现在光束32A和32B的偏振正交，由双折射块14A组合成单个光束33。然后光束33被透镜12A会聚到光纤3上。
双折射块26在把光从光纤2引导到光纤3时起到了重要的作用。由于导光器件32使光束32A和32B弯曲角度φ，所以光束32A和32B在离开器件42后在横向(负z方向)以及纵向(负y方向)行进。这种侧面行进被块26补偿。
为了精确，光束32A和32B被双折射块26偏移距离f。光束32B进入板24的点与光纤3之间沿z轴的距离为d2(参见图4)。光纤1与光束30A离开板24的点之间沿z轴的距离为d1(参见图3)。光纤1与光纤3之间的垂直或z轴距离为t。这些量之间的关系为f＝d1+d2-t (3)在给定循环器100的其他参数，即已知d1、d2和t时，则据此式可设计块26以得到正确偏移f。
在另一个实施例中，装置被设计成d1+d2＝t。公式(3)则意味着f＝0，其含义是通过这种设计可以完全除去双折射块26。
如果角度θ精确地等于角度φ，则光纤1和3将被设置成关于透镜12A的中心对称。即，从光纤1至透镜12A的中心的横向距离(沿z轴测得的距离)将等于从光纤3至透镜12A的中心的横向距离。然而角度θ和φ仅是接近相等如果角度θ、φ和α都较小，则公式(1)和(2)产生第一近似值θ≈(no-ne)α≈φ为了更好地近似，角度θ与角度φ稍有不同。这一差异可以至少以两种方式来调节。第一种方案是调节光纤1和3的横向位置(即z坐标)，使光纤不对称于透镜12A的中心。第二，较佳的方案是把光纤1和3设置成关于透镜12A的中心对称，把导光器件42沿平行于x轴的轴稍微旋转，从而改变公式(1)和(2)，确保θ＝φ。两种方案之任一种表现出对整个装置的微小调节。实践中，角度φ和θ在1°与3°之间，导光器件42旋转几分之一度。
双折射元件14A、14B、22、24和26可以用双折射材料，例如金红石、方解石或原钒酸钇(yttrium orthovanadate)来制作。
应当明白，上述实施例可以有几种变化，但仍落在本发明的范围内。例如，光束30A和30B的偏振不必如图所示一样精确。唯一重要的是当光束退出块14A时，光束30A和30B为彼此正交或者垂直以及在离开旋转器20A后偏振是平行的。当光束30A和30B的偏振不是如上所述时，调节双折射元件14A、14B、22、24和26的光轴。这种调节改变了光束32A和32B的偏振。然而，对于本技术领域普通熟练人员来说，显然循环器100的原理仍没有改变。
因此，在另一个实施例中，在块14A中光束30A是非常光线，而光束30B是寻常光线。在本实施例中，在块14B中光束具有互补的特性光束30A是寻常光线，光束30B是非常光线。这种布置确保了如在循环器100的实施例中那样，光束30A和30B都以接近相同的光路行进，因此，它们之间的所有相位关系都得到保持。
对导光器件42进行改变也是可能的。图5a示出了当no＞ne时板22和24可能具有的不同的形状和光轴OA1和OA2形状和取向。如果板22和24用一些no＜ne的材料制作，则可以如图5b所示使用其它的几何形状。再一个变化也是可能的在图5a和图5b的例子中，板22和24都有一个面与z轴平行。然而，对板22和24之一或两者都可以使用更一般的梯形，没有面与z轴平行。而且板22不需要用与板24相同的材料制作。
在较佳实施例中，循环器200被设计成角度θ和φ位于同一平面上，而双折射块的离散发生在垂直面上。本实施例的一的结构和操作是与循环器100类似的，在图6示出了其三维视图。
第一和第三光纤202、204平行且相邻地插入到后面跟的第一透镜208A的玻璃毛细管206A。第一块双折射材料210A、第一复合偏振旋转器230A、导光器件250、第二双折射块256、第二复合偏振旋转器230B和的第三块双折射材料210B都沿循环器200的纵向轴L设置。第二透镜208B和支持第二光纤258的第二玻璃毛细管206B位于装置200的相对端。与循环器100区别之处是第一和第三光纤1，3上下插入(沿z轴)，而光纤202，204布置成彼此并排(沿x轴)。
如图所示，从第一光纤202传播来的第一光束240进入到第一块210A，两个正交的偏振240A和240B在块210A中离散。这些偏振连续地传播通过循环器200的元件，直到它们被第三块210B再组合，并由第二透镜208B会聚到第二光纤258上。
图7a的俯视图也示出了从光纤202通过循环器200的元件传播到光纤258的第一光束240。当在x-y平面内退出第一透镜208A时，第一光束240与纵轴L之间有角度θ。同时，如图所示，在图7b的侧视图中，在y-z平面内发生了双折射块210A中的两个正交偏振240A和240B的离散。
当第二光束270从第二光纤258传播到第三光纤204时，如图8a-b所示，第二块256中偏移距离f。请注意，该偏移距离f是在x-y平面内(图8a)。接着，在导光器件250中，光束270被弯曲了角度φ(相对于纵轴L)。换句话说，光束270以角度φ退出导光器件250。角度φ也位于x-y平面内。因此，角度φ和θ都位于平行的平面内，而在与它们垂直的平面内发生离散。
角度φ和θ位于x-y平面内而在y-z平面内发生离散的优点是易于与离散无关地调节角度φ和θ。具体地说，在实践中，易于调节循环器200元件的位置，以便当离散和补偿角φ、θ都位于垂直平面内时，在光纤202、258和204之间获得适当的光束240和270耦合。
而且，在这种结构中，循环器200的元件可以做得较小，整个循环器易于制造。
从较宽的意义上来说，本循环器可以用于在三个光学端口之间耦合光。这些端口可以包括上述实施例中或其它光学元件中的光纤。
本技术领域的一般熟练人员应当理解，在本发明的范围内对循环器可以有许多变化。因此，本发明的范围应当由下面的权利要求书和它们的法定等效来确定。
权利要求
1.一种光学循环器，把光从第一光纤耦合到第二光纤以及把光从第二光纤耦合到第三光纤，所述第一光纤和所述第三光纤沿纵轴彼此相邻，所述第二光纤沿所述纵轴与所述第一和第三光纤相对设置，所述光学循环器沿所述纵轴从所述第一光纤至所述第二光纤的按顺序包含a)第一透镜，从所述第一光纤引导光和向所述第三光纤引导光；b)第一双折射材料块，分离和组合相互正交的偏振；c)第一复合偏振旋转器，使互相平行的偏振正交，使互相正交的偏振平行；d)与偏振有关的导光器件，包含双折射材料的第一和第二锥形板，所述第一板具有第一光轴，所述第二板具有第二光轴，所述第一光轴和所述第二光轴互相垂直；e)与偏振有关的光束偏转器，包含第二双折射材料块；f)第二复合偏振旋转器，使互相平行的偏振垂直，使互相垂直的偏振平行；g)第三双折射材料块，用于分离和组合相互正交的偏振；以及h)第二透镜，从和向所述第二光纤引导光，其中从所述第一光纤来的光以与所述纵轴成角度θ退出所述第一透镜，从所述第二光纤来的所述光以与所述纵轴成角度φ退出所述导光器件。
2.如权利要求1所述的光学循环器，其特征在于，所述第一和第二透镜是渐变折射率透镜。
3.如权利要求1所述的光学循环器，其特征在于，所述角度θ在1°与3°之间，所述角度φ在1°与3°之间。
4.如权利要求1所述的光学循环器，其特征在于，所述与偏振有关的导光器件被旋转成使所述角度φ基本等于所述角度θ。
5.如权利要求1所述的光学循环器，其特征在于，所述第一、第二和第三双折射材料和所述第一和第二锥形板包含从下面选出的一种材料金红石、方解石和原钒酸钇。
6.如权利要求1所述的光学循环器，其特征在于，所述第一复合偏振旋转器包含第一和第二互逆偏振旋转器和第一非互逆偏振旋转器；所述第二复合偏振旋转器包含第三和第四互逆偏振旋转器和第二非互逆偏振旋转器。
7.如权利要求1所述的光学循环器，其特征在于，所述与偏振有关的光束偏转器把从所述第二端口来的光相对于所述纵轴偏移距离f。
8.如权利要求7所述的光学循环器，其特征在于，所述距离f在所述角度φ的平面内。
9.如权利要求1所述的光学循环器，其特征在于，所述角度θ位于第一平面内，所述角度φ位于与所述第一平面平行的第二平面内。
10.如权利要求9所述的光学循环器，其特征在于，所述互相正交的偏振和所述互相平行的偏振在与所述第一平面和所述第二平面垂直的第三平面内，在所述第一双折射材料块和第二双折射材料块中被分离和组合。
11.一种改进行光学循环器，耦合第一端口、第二端口和第三端口，所述循环器含有纵轴，所述纵轴按顺序包含a)第一透镜；b)第一光束分离器和组合器，包含第一双折射材料块；c)第一复合偏振旋转器，包含第一和第二互逆偏振旋转器和第一非互逆偏振旋转器；d)与偏振有关的光路偏转器，包含第二双折射材料块；e)第二复合偏振旋转器，包含第三和第四互逆偏振旋转器和第二非互逆偏振旋转器；f)第二光束分离器和组合器，包含第三双折射材料块；g)第二透镜；其改进包含与偏振有关的导光器件包含第一和第二锥形双折射材料板，所述第一板具有第一光轴，所述第二板具有第二光轴，所述第一光轴与所述第二光轴垂直，所述与偏振有关的导光器件位于所述与偏振有关的光路偏转器和所述第一复合偏振旋转器之间；在下述(I)和(II)之间存在非零角度(I)进入所述第一双折射块并从所述第一端口传播来的第一光束；以及(ii)退出所述与偏振有关的导光器件并从所述第二端口传播的第二光束。
12.如权利要求11所述的改进的光学循环器，其特征在于，所述第一和第二透镜是渐变折射率透镜。
13.如权利要求11所述的改进的光学循环器，其特征在于，所述非零角在2°与6°之间。
14.如权利要求11所述的改进的光学循环器，其特征在于，所述第一端口与所述第三端口相邻且平行。
15.如权利要求11所述的改进的光学循环器，其特征在于，从所述第一端口传播的所述第一光束通过所述第一透镜，从所述第二端口传播的第二光束通过所述第一透镜，进入到所述第三端口。
16.如权利要求11所述的改进的光学循环器，其特征在于，所述第一、第二和第三双折射材料块和所述第一和第二锥形板包含从下面选出的一种材料金红石、方解石或原钒酸钇。
17.如权利要求11所述的改进的光学循环器，其特征在于，所述与偏振有关的光路偏转器把所述第二光束偏移距离f。
18.如权利要求11所述的改进的光学循环器，其特征在于，所述非零角包含角度θ和角度φ。
19.如权利要求18所述的改进的光学循环器，其特征在于，所述角度θ位于第一平面内；所述角度φ位于与所述第一平面平行的第二平面内。
20.如权利要求19所述的改进的光学循环器，其特征在于，所述互相正交的偏振和所述互相平行的偏振在与所述第一平面和所述第二平面垂直的第三平面内，在所述第一双折射材料块和所述第二双折射材料块中被分离和组合。
21.如权利要求11所述的改进的光学循环器，其特征在于，所述与偏振有关的光束偏转器把所述第二光束相对于所述纵轴偏移距离f。
22.如权利要求21所述的改进的光学循环器，其特征在于，所述非零角度包含角度θ和角度φ。
23.如权利要求22所述的光学循环器，其特征在于，所述距离f在所述角度φ的平面内。
全文摘要
一种改进的光学循环器,把光从第一光学端口传输到第二光学端口,从第二端口传输到第三端口。该循环器具有互逆偏振旋转器(16－A,－B;18－A,－B)和非互逆偏振旋转器(20－a,－B)、双折射光束分离器和组合器(14－A,－B)和双折射离散元件(26)以及包含两个锥形双折射板(22,24)的与偏振有关的光弯曲装置。光弯曲装置补偿从第一端口发出的第一光束与传播到第三端口的第二光束之间的角度。这种角度的存在可以使第一和第三光纤利用一块透镜耦合到光束上。
文档编号G02F1/09GK1251175SQ98803256
公开日2000年4月19日 申请日期1998年11月17日 优先权日1997年12月8日
发明者李伟中, 欧阳瑞庭, 郭庆东 申请人:美国凯发技术股份有限公司