專利名稱：光環(huán)形器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到應(yīng)用于光學(xué)通訊系統(tǒng)中的光環(huán)形器。
已經(jīng)有幾種類型的光環(huán)行器被開(kāi)發(fā)研制出來(lái)。總的來(lái)說(shuō)，包括了偏振分束器，非可逆旋轉(zhuǎn)器如法拉第旋轉(zhuǎn)器，和如半波片的可逆旋轉(zhuǎn)器的設(shè)計(jì)則是一些更為成功的設(shè)計(jì)。
由程(Cheng)提出的并在美國(guó)第5,991,076號(hào)專利申請(qǐng)的設(shè)計(jì)實(shí)例就是一個(gè)典型的成功實(shí)例，在此引介參考。由程(Cheng)所發(fā)明的器件是一種帶有兩組完全相同的光學(xué)元件的偏振無(wú)關(guān)的三端口光環(huán)形器，這兩組完全相同的元件被固定在一對(duì)準(zhǔn)直透鏡/聚焦透鏡的任意一邊。每一組的元件包括一個(gè)以第一塊雙折射晶體形式存在的偏振分束器，并且此分束器被用來(lái)將一束發(fā)射到第一端口的入射光分割成兩束相互垂直的偏振子光束，此組元件還包括至少一個(gè)使兩束偏振子光束平行的半波片，一個(gè)法拉第旋轉(zhuǎn)器，和以第二塊雙折射晶體形式存在的光束偏移器件，這些器件用來(lái)將發(fā)射于第一端口的光傳播到第二端口，并將來(lái)自第二端口的光導(dǎo)入第三端口，其中第一和第三端口在器件的一邊，而第二端口在器件的另一邊。
這種設(shè)計(jì)將昂貴的光學(xué)器件如雙折射晶體的體積減到最小，而且在端口間提供了最佳耦合，這些都是該設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)所在。不過(guò)，這種對(duì)稱設(shè)計(jì)也有其不足之處，那就是需要花費(fèi)很多時(shí)間來(lái)準(zhǔn)直，況且制造三個(gè)端口以上的器件難度很大，還需要許多昂貴的光學(xué)元件。例如，一個(gè)典型的設(shè)計(jì)就需要兩個(gè)偏振分束器，兩套可逆旋轉(zhuǎn)器，兩個(gè)非可逆旋轉(zhuǎn)器以及兩個(gè)光束偏移器件。
在此結(jié)合美國(guó)第5,930,422號(hào)專利為參考，程(Cheng)公開(kāi)的反射光環(huán)形器就采用了美國(guó)第5,991,076號(hào)專利中所發(fā)明的近一半的光學(xué)元件。特別是，光環(huán)形器運(yùn)用了一個(gè)偏振分束器，一個(gè)法拉第旋轉(zhuǎn)器，一個(gè)光束偏移器件，一個(gè)透鏡和一個(gè)反射器。單個(gè)透鏡被用作光束轉(zhuǎn)向器而不是一個(gè)準(zhǔn)直/聚焦部件。因此，反射光以非零入射角入射到光環(huán)形器件上，這是很不利的。而且，要獲得最佳的光學(xué)耦合，這里公開(kāi)的光環(huán)形器需要相當(dāng)精確并且耗時(shí)的準(zhǔn)直。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種能被折疊的小體積光環(huán)形器。
此發(fā)明涉及一種包括了一片非可逆旋轉(zhuǎn)器，光束偏移器件，第一個(gè)和第二個(gè)透鏡，一個(gè)偏振旋轉(zhuǎn)器和一個(gè)反射器的具有反射性能的光環(huán)形器。光環(huán)形器的輸入/輸出端口會(huì)先后被準(zhǔn)直到器件的一端，而反射器則被放入另一端。和反射器一起，第一和第二個(gè)透鏡在輸入和輸出端之間將提供有效的耦合。更為特別的是，第一和第二透鏡提供一個(gè)成像系統(tǒng)，其中反射鏡是在輸入/輸出端口的成像平面內(nèi)，這樣，發(fā)射到反射器的光就沿著幾乎完全相同的光路被直接反射回來(lái)。光束偏移器件在將所需要的其它光學(xué)元件的體積減小到最小的同時(shí)，提供使光束在連續(xù)端口進(jìn)行轉(zhuǎn)換必要的偏移，更值行注意的是，光束偏移出現(xiàn)在向前和向后的一個(gè)傳播方向上。
根據(jù)本發(fā)明，提供一種具有用來(lái)將來(lái)自第一端口的光發(fā)射到第二端口，將來(lái)自第二端口的光循環(huán)地發(fā)射到第三端口的第一、第二、第三端口的光環(huán)形器，該光環(huán)形器包括第一個(gè)偏振裝置，該裝置用來(lái)將發(fā)射于第一和第二端口其中一個(gè)端口的光轉(zhuǎn)換進(jìn)入具有一個(gè)預(yù)定偏振的光束內(nèi)。
光束偏移裝置，用來(lái)接收帶有預(yù)定偏振的光束以及提供一個(gè)光束位移，但是相對(duì)于一個(gè)光束的偏振態(tài)，實(shí)際上沒(méi)有光束位移。
第二個(gè)偏振裝置，用來(lái)旋轉(zhuǎn)發(fā)射于光束偏移裝置光束的偏振。
反射裝置，用來(lái)將發(fā)射于第二個(gè)偏振裝置的光束沿著幾乎完全相同的光路反射回去。
成像裝置，用來(lái)對(duì)第一、第二、第三端口以及反射裝置進(jìn)行光耦合，該成像裝置大致在第一、第二和第三端口有一個(gè)焦平面，在反射裝置處有第二個(gè)焦平面。
例如，在一個(gè)實(shí)施例中，第一個(gè)偏振裝置包括一個(gè)至少帶有一個(gè)用來(lái)將發(fā)射于其中一個(gè)輸入端口的光轉(zhuǎn)化為偏振光的雙折射晶體的偏振分束單元。在另一個(gè)實(shí)施例中，偏振光具有許多偏振保持波導(dǎo)或一個(gè)線型偏光器。這些包括一個(gè)偏振分束單元的實(shí)施例對(duì)偏振并不敏感，這也是這些實(shí)施例的優(yōu)勢(shì)之處。
根據(jù)本發(fā)明，所發(fā)明的光環(huán)形器包括多個(gè)端口，包括用來(lái)發(fā)射在向前方向傳播的第一光束的第一個(gè)端口，用來(lái)接收向后方向傳播的第一光束以及發(fā)射向前傳播方向內(nèi)的第二束光的第二端口，用來(lái)接收向后傳播方向內(nèi)的第二束光的第三端口，第一端口與第二端口，第二端口與第三端口間的距離都為d；被光耦合到這些端口中的一個(gè)反射器，用來(lái)改變向前方向和向后方向傳播中的第一和第二束光。
光學(xué)地固定在多個(gè)端口和反射器間的非可逆旋轉(zhuǎn)器，用來(lái)以預(yù)定角度對(duì)向前和向后方向傳播中的第一和第二光束的偏振進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。
光學(xué)地固定在多個(gè)端口和反射器間的光束偏移器件，用來(lái)根據(jù)其偏振狀態(tài)為在其中一個(gè)向前和向后傳播方向上的第一和第二光束提供基本上等于d的光束位移。
光學(xué)地固定在光束偏移器和反射器間的偏振旋轉(zhuǎn)器，用來(lái)對(duì)向前和向后傳播方向間的第一和第二光束的偏振進(jìn)行旋轉(zhuǎn)；以及成像裝置，用來(lái)對(duì)第一和第二光束進(jìn)行準(zhǔn)直和聚焦。
根據(jù)本發(fā)明，所發(fā)明的光環(huán)形器包括置于第一端的許多端口；置于被光學(xué)耦合到許多端口的第二端的反射器；被光耦合到許多端口和反射器的偏振分集裝置，用來(lái)將發(fā)射于多個(gè)端口中的一個(gè)端口的光分成兩束向前傳播且垂直的偏振子光束，將向后方向傳播的兩束垂直偏振子光束結(jié)合成一束光；一個(gè)被光耦合到偏振分集裝置的非可逆旋轉(zhuǎn)器，用來(lái)旋轉(zhuǎn)以預(yù)定角度發(fā)射的每條向前和向后方向傳播的子光束的偏振。
被光耦合到非可逆旋轉(zhuǎn)器的光束偏移裝置，用來(lái)給和偏振有關(guān)的每條向前和向后傳播的子光束提供一個(gè)光束位移；一個(gè)被光耦合到光束偏移元件的偏振旋轉(zhuǎn)器，用來(lái)旋轉(zhuǎn)每條向前和向后傳播的子光束的偏振，這樣，這些向前和向后傳播的子光束中只有一條發(fā)生光束位移；和被光耦合到多個(gè)端口和反射器的成像裝置，該裝置大致在多個(gè)端口處具有第一個(gè)焦平面，在反射處有第一個(gè)焦平面。


圖1c，器件的工作原理在此得到詳細(xì)的描述。從第一根光纖111出射的光通過(guò)第一塊雙折射晶體120，通過(guò)晶體120的第一束子光束就是相應(yīng)的O光(尋常光)，并給第二束子光束提供了一個(gè)空間位移，該子光束就是相應(yīng)的E光(非尋常光)，如B.2中所示。與非尋常光相應(yīng)的子光束通過(guò)半波片132時(shí)，非尋常光的偏振被旋轉(zhuǎn)了+45°，而與尋常光相應(yīng)的子光束通過(guò)半波片134時(shí)，尋常光的偏振被旋轉(zhuǎn)了-45°，如C.3所示。如D.4所示，每束子光束通過(guò)法拉第旋轉(zhuǎn)器140，并且其偏振態(tài)在此被旋轉(zhuǎn)約45°。由于第二塊雙折射晶體150以可以通過(guò)帶有如D.4所示的偏振光束來(lái)取向，那么，每一束通過(guò)第二塊雙折射晶體150，透鏡160和170的子光束就不會(huì)產(chǎn)生實(shí)質(zhì)變化或位移。每一束通過(guò)四分之一波片180的子光束在波片180處被圓偏振，并被鏡子190反射，這樣，這些子光束就再次通過(guò)四分之一波片。這兩次通過(guò)的純效果就是兩束子光束的偏振態(tài)被旋轉(zhuǎn)90°，如F.7所示。每束子光束通過(guò)第二個(gè)透鏡170和第一個(gè)透鏡160并入射到第二塊雙折射晶體150上由于每一束子光束的偏振態(tài)被四分之一波片180旋轉(zhuǎn)90°，這些子光束就沿著偏振分束器150的非尋常光路傳播，這樣就獲得了取決于晶體150長(zhǎng)度的光束位移。為了方便起見(jiàn)，第二塊雙折射晶體150的長(zhǎng)度經(jīng)過(guò)選擇使得每束子光束的偏移距離大致等于第一根光纖111和第二根光纖112間的距離，如D.9所示。例如，約125μm的光束位移通常是方便的。每一束子光束通過(guò)法拉第旋轉(zhuǎn)器140，可逆偏振單元130，最后通過(guò)第一塊雙折射晶體時(shí)，被結(jié)合起來(lái)而且輸出第二根光纖112。同樣地，從第二根光纖112出射的輸入光學(xué)信號(hào)被耦合進(jìn)入第三根光纖113，從第三根光纖113出射的輸入光學(xué)信號(hào)被耦合進(jìn)入第四根光纖114。
圖2a和2b中所示的是根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)可替換實(shí)施例。在這一實(shí)施例中，部件210，211，212，213，214，230，240，250，260，270，280，和290實(shí)施例與上述的部件110，111，112，113，114，130，140，150，160，170，180，和190相似。但是，在這一實(shí)施例中，第一塊雙折射片222，可逆旋轉(zhuǎn)器224和第二塊雙折射片226的取向與第一塊雙折射片222相反，第一塊雙折射片222，可逆旋轉(zhuǎn)器224和第二塊雙折射片226提供的是兩束垂直偏振子光束，而不是如圖1a和1b所示雙折射晶體120。更為特別的是，第一片雙折射片222和第二片雙折射片226取向相反，這樣它們相應(yīng)的離散方向就為180°。為了方便起見(jiàn)，第一片雙折射片222和第二片雙折射片226的離散方向相對(duì)于第二塊雙折射晶體250的離散方向?yàn)?0°，而第二塊雙折射晶體250的離散方向與一條直線平行，該直線與光纖211，212，213和214的端頭重合。更為可取的是，可逆旋轉(zhuǎn)器224是一個(gè)半波片，用來(lái)將每一束子光束的偏振態(tài)各旋轉(zhuǎn)約90°?？蛇x擇地，套管210，第一個(gè)自聚焦透鏡260和第二個(gè)自聚焦透鏡270形成有傾斜面以減少回射。再者所提供的可選擇的帶預(yù)定折射率的間隔物295用來(lái)維持光束的準(zhǔn)直。在此實(shí)施例中，由于O光和E光間的光路長(zhǎng)幾乎完全相等，偏振模式散射(PWD)就被大大地減少。
圖2c，器件的工作原理在此得到更為詳細(xì)的描述。從第一根光纖211出射的光通過(guò)第一塊雙折射晶體片222，通過(guò)晶體片222的第一束子光束相應(yīng)于0光(尋常光)，而第二束子光束則經(jīng)歷一個(gè)空間離散，該子光束相應(yīng)于E光(非尋常光)，如B.2中所示。分別如C.3和D.4所示，每束子光束先后都通過(guò)了半波片224和第二雙折射片226，并且每束子光束的偏振態(tài)在半波片處被旋轉(zhuǎn)了90°，而第一束子光束在第二雙折射片226經(jīng)歷了一個(gè)相反方向的空間離散，第二束子光束則直接通過(guò)第二片雙折射片226。如E.5所示，第一束子光束通過(guò)了半波片234時(shí)其偏振態(tài)在半波片處被旋轉(zhuǎn)了+45°，而第二束子光束通過(guò)了半波片232時(shí)其偏振態(tài)在半波片處被旋轉(zhuǎn)了-45°。每束子光束通過(guò)法拉第旋片240時(shí)，其偏振態(tài)被旋轉(zhuǎn)了約45°，如F.6所示。由于雙折射晶體250取向?yàn)橥ㄟ^(guò)帶有如F.6所示的偏振態(tài)的光束，那么，通過(guò)第二塊雙折射晶體250，透鏡260和透鏡270的每束子光束就不會(huì)有實(shí)質(zhì)的改變。每一束通過(guò)四分之一波片280的子光束在波片280處被圓偏振，并被鏡子290反射，這樣，這些子光束就再次通過(guò)四分之一波片280。如G.8所示，所產(chǎn)生凈效果就是第一和第二束子光束中每個(gè)的偏振態(tài)都被旋轉(zhuǎn)90°。每束子光束通過(guò)第二個(gè)透鏡270和第一個(gè)透鏡260并入射到第二塊雙折射晶體250上。由于每一束子光束的偏振態(tài)被四分之一波片280旋轉(zhuǎn)90°，每個(gè)子光束就沿著雙折射晶體250的非尋常光路傳播，這樣就得到了取決于晶體250長(zhǎng)度的光束位移。
為了方便起見(jiàn)，第二塊雙折射晶體250的長(zhǎng)度經(jīng)過(guò)選擇，使得每束子光束的的偏移距離大致等于第一根光纖211和第二根光纖212間的距離，如F.9所示。例如，約125μm的光束位移通常是典型的。每一束子光束通過(guò)法拉第旋轉(zhuǎn)器240，可逆偏振單元230，最后通過(guò)第二塊雙折射片226，可逆旋轉(zhuǎn)器224和第一塊雙折射片222，并在第一塊雙折射片處被結(jié)合起來(lái)而且輸出第二根光纖212。同樣地，從第二根光纖212出射的輸入光學(xué)信號(hào)被耦合進(jìn)入第三根光纖213，從第三根光纖213出射的輸入光學(xué)信號(hào)被耦合進(jìn)入第四根光纖214。
圖3a和3b中所示的是根據(jù)本發(fā)明光環(huán)形器的另一個(gè)實(shí)施例。在這一實(shí)施例中，部件310，311，312，313，314，330，340，350，360，370，380，和390與上述相對(duì)于圖1a和1b的部件110，111，112，113，114，130，140，150，160，170，180和190相似。但是，在這一實(shí)施例中，第一塊雙折射片321，第二塊雙折射片323的取向與第一塊雙折射片321相互垂直，這樣產(chǎn)生了兩束垂直偏振子光束，而不是如圖1a和1b所示雙折射晶體120。更為特別的是，第一塊雙折射片321的離散方向與第二塊雙折射片的離散方向垂直。第一塊雙折射片321和第二塊雙折射片323的離散方向相對(duì)于第二塊雙折射晶體350的離散方向?yàn)橐粋€(gè)45°角，而第二塊雙折射晶體350的離散方向與一條直線平行，該直線與光纖311，312，313和314的每個(gè)端頭重合。在該實(shí)施例中，可逆偏振單元330包括半波片332和玻璃間隔物334。更為可取的是，玻璃間隔物334的折射率與半波片332的折射率相同?？蛇x擇地，套管310，第一個(gè)自聚焦透鏡360和第二個(gè)自聚焦透鏡370形成有傾斜面以減少回射。再者，設(shè)有選擇好的間隔物395。在此實(shí)施例中，由于O光和E光間的光路長(zhǎng)幾乎完全相等，偏振模式散射(PWD)就被大大地減少。
參考圖3c，器件的工作原理在此得到進(jìn)一步地詳細(xì)描述。從第一根光纖311出射的光通過(guò)雙折射片321，第一束子光束在雙折射片321處沿第一個(gè)方向產(chǎn)生離散，而第二束子光束則直接通過(guò)雙折射片，如B.2所示。如C.3所示，當(dāng)?shù)谝缓偷诙庸馐ㄟ^(guò)第二塊雙折射片323時(shí)，第一子光束會(huì)直接通過(guò)而第二束子光束則會(huì)在第二個(gè)方向即與第一方向垂直的方向產(chǎn)生離散。如D.4所示，第一束子光束通過(guò)半波片132時(shí)其偏振被旋轉(zhuǎn)了90°，而第二束子光束通過(guò)間隔物134時(shí)，它的偏振沒(méi)有被旋轉(zhuǎn)。如E.5所示，每束子光束通過(guò)法拉第旋轉(zhuǎn)器340，并且其偏振態(tài)在此被旋轉(zhuǎn)約45°。由于第二塊雙折射晶體350以通過(guò)帶有如E.5所示的偏振光束來(lái)取向，那么，每一束通過(guò)第二塊雙折射晶體350，透鏡360和370的子光束就幾乎不會(huì)發(fā)生實(shí)質(zhì)變化。每一束通過(guò)四分之一波片380的子光束在波片380處被圓偏振，并被鏡子390反射，這樣，這些子光束就再次通過(guò)四分之一波片380。如F.7所示，所產(chǎn)生凈效果就是第一和第二束子光束的中的每個(gè)偏振態(tài)被旋轉(zhuǎn)90°。每束子光束通過(guò)第二個(gè)透鏡370和第一個(gè)透鏡360并入射到第二塊雙折射晶體350上。由于每一束子光束的偏振態(tài)被四分之一波片380旋轉(zhuǎn)90°，這些子光束就沿著雙折射晶體350的非尋常光路傳播，這樣就得到了取決于晶體350長(zhǎng)度的光束位移。為了方便起見(jiàn)，第二塊雙折射晶體350的長(zhǎng)度經(jīng)過(guò)選擇，使得每束子光束的的偏移距離大致等于第一根光纖311和第二根光纖312間的距離。更得注意的是，由第一片雙折射片321和第二片雙折射片323產(chǎn)生的空間位移并沒(méi)有必要與由第二塊雙折射晶體350產(chǎn)生的光束位移相對(duì)應(yīng)，而且第一塊雙折射片321和第二塊雙折射片323最好是相同的。例如，約125μm的光束位移典型地通常由第二塊雙折射晶體產(chǎn)生的，而由第一塊雙折射片321和第二塊雙折射片323產(chǎn)生的空間位移范圍從100 to 400μm之間。每一束子光束通過(guò)法拉第旋轉(zhuǎn)器340，可逆偏振單元330，最后通過(guò)第一塊雙折射片32 1和第二塊雙折射片323，在第一塊雙折射片321和第二塊雙折射片323處將子光束結(jié)合起來(lái)并且輸出第二根光纖112。同樣地，從第二根光纖312出射的輸入光學(xué)信號(hào)被耦合進(jìn)入第三根光纖313，從第三根光纖313出射的輸入光學(xué)信號(hào)被耦合進(jìn)入第四根光纖314。
圖4a和4b中所示的是根據(jù)本發(fā)明光環(huán)形器的另一個(gè)實(shí)施例。在這一實(shí)施例中，部件410，411，412，413，414，440，460，470，480，和490與上述相對(duì)于圖1a和1b描述的部件110，111，112，113，114，130，140，150，160，170，180，和190相似。但是，在這一實(shí)施例中，第一塊雙折射片421，第二塊雙折射片423取向?yàn)榕c第一塊雙折射片421相互垂直，這樣產(chǎn)生了兩束垂直偏振子光束，而不是如圖1a和1b所示雙折射晶體120。類似地，第一塊雙折射晶體452和第二塊雙折射晶體454代替了如圖1a和1b所示的雙折射晶體150。更為可取的是，第一塊雙折射晶體片421和第二塊雙折射晶體片423的離散方向相互垂直，第一塊雙折射晶體452和第二塊雙折射晶體454的離散方向相向，第一塊雙折射晶體片421和第二塊雙折射晶體片423的離散方向與第一塊雙折射晶體452和第二塊雙折射晶體454的離散方向成45°或135°角?？蛇x擇地，套管410，第一個(gè)自聚焦透鏡460和第二個(gè)自聚焦透470形成有傾斜面以減少回射。再者，設(shè)有可選擇的間隔物495。在此實(shí)施例中，由于O光和E光間的光路長(zhǎng)幾乎完全相等，偏振模式散射(PWD)就被大大地減少。這一實(shí)施例還排除了使用可逆偏振單元(如圖3a和3b中所示的330)的需要，這也是該裝置的一大優(yōu)勢(shì)。
圖4c，器件的工作原理在此得到進(jìn)一步地詳細(xì)描述。從第一根光纖411出射的光通過(guò)一個(gè)雙折射片421，第一束子光束在雙折射片421處沿第一個(gè)方向產(chǎn)生離散，而第二束子光束則直接通過(guò)雙折射片，如B.2所示。如C.3所示，當(dāng)?shù)谝缓偷诙庸馐ㄟ^(guò)正交取向的第二塊雙折射片323時(shí)，第一子光束會(huì)直接通過(guò)而第二束子光束則會(huì)在與第一方向垂直的第二個(gè)方向產(chǎn)生離散。如D.4所示，每束子光束通過(guò)了法拉第旋片440，它的偏振態(tài)在法拉第旋片處被旋轉(zhuǎn)了約45°。如圖E.5所示，第一束子光束通過(guò)第一塊雙折射晶體452，它的離散在第三個(gè)方向，而第二束子光束通過(guò)第二塊雙折射晶體454，其是直接通過(guò)該雙折射晶體，實(shí)質(zhì)上并沒(méi)有發(fā)生離散現(xiàn)象。每一束子光束通過(guò)四分之一波片480，在波片480處被圓偏振，并被鏡子490反射，這樣，這些子光束就再次通過(guò)四分之一波片480。如E.6所示，所產(chǎn)生凈效果就是第一和第二束子光束中的每個(gè)在通過(guò)第二透鏡470和第一透鏡460前，其偏振態(tài)都被旋轉(zhuǎn)90°。由于每一束子光束的偏振態(tài)被四分之一波片480旋轉(zhuǎn)90°，第一束子光束直接通過(guò)第一塊雙折射晶體452，而第二塊雙折射晶體454對(duì)第二束子光束在第三個(gè)方向產(chǎn)生了離散，如D.7。每一束子光束通過(guò)法拉第旋轉(zhuǎn)器440，第一塊雙折射片42 1，和第二塊雙折射片423，在第二塊雙折射片423將這些子光束結(jié)合起來(lái)而且輸出第二根光纖412。同樣地，從第二根光纖412出射的輸入光學(xué)信號(hào)被耦合進(jìn)入第三根光纖413，從第三根光纖413出射的輸入光學(xué)信號(hào)被耦合進(jìn)入第四根光纖414。
在此所述的四種實(shí)施例的每個(gè)中，第一塊雙折射晶體(120)或晶體對(duì)(222/226，321/323，或412/423)提供必要的偏振光束。但其它提供偏振光束的方法也包括在本發(fā)明范圍內(nèi)。如，一個(gè)線性偏振器(沒(méi)有示出)或偏振保持光纖都會(huì)提供帶有預(yù)定偏振的光束。
圖5a和5b所示的是根據(jù)本發(fā)明的第五個(gè)實(shí)施例，其中光環(huán)形器500包括一個(gè)用來(lái)裝第一、第二、第三和第四根偏振保持(PM)光纖511，512，513，514的套管510?？蛇x擇地，每一根光纖有一個(gè)熱擴(kuò)芯。每一根光纖511，512，513，514被光耦合到非可逆偏振旋轉(zhuǎn)器540，如法拉第旋轉(zhuǎn)器，用來(lái)將發(fā)射于第一根光纖511的偏振光束的偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)的45°。非可逆偏振旋轉(zhuǎn)器540被光耦合到一個(gè)雙折射晶體550，這樣，依賴于光束的偏振態(tài)，就給所通過(guò)的每一束光提提供了一個(gè)光束位移，至少設(shè)有部分反射表面590，如鏡子，用來(lái)將從光纖511，512，513和514出來(lái)的光在向前方向的傳播轉(zhuǎn)變?yōu)橄蚝蠓较虻膫鞑ゲ飨蚬饫w511，512，513和514，并設(shè)有偏振旋轉(zhuǎn)器580，如四分之一波片，或第一個(gè)法拉第旋轉(zhuǎn)器，是用來(lái)旋轉(zhuǎn)向前和向后傳播光的垂直偏振態(tài)之間的偏振。大致在光纖511，512，513，和514處有一個(gè)焦平面的第一個(gè)透鏡560和大致在鏡子590處有一個(gè)焦平面的第二個(gè)透鏡570，用來(lái)聚焦和準(zhǔn)直所通過(guò)的每一束光束。例如，自聚焦透鏡，球形透鏡，非球透鏡都適用于提供必要的準(zhǔn)直和聚焦效果。更為特別的是，第一個(gè)透鏡560和第二個(gè)透鏡570產(chǎn)生一個(gè)成像系統(tǒng)，其中光纖511，512，513和114的端頭被成像到成像平面上，該成像平面與鏡子590重合。可選地，第一個(gè)透鏡560和第二個(gè)透鏡570的放大倍率會(huì)不同，不過(guò)，最好是第一個(gè)透鏡560和第二個(gè)透鏡570會(huì)產(chǎn)生一對(duì)一的光學(xué)排列或成像系統(tǒng)。
參考圖5c，器件的工作原理在此得到進(jìn)一步地詳細(xì)描述。發(fā)射于第一根PM光纖511的一束偏振光束通過(guò)法拉第旋片540時(shí)，其偏振態(tài)被旋轉(zhuǎn)了約45°，如B.2所示。由于雙折射晶體550的取向是以通過(guò)帶有如B.2所示的偏振態(tài)的光束，那么，通過(guò)雙折射晶體550的光束就不會(huì)有實(shí)質(zhì)的改變或位移。光束通過(guò)透鏡560和透鏡570和四分之一波片580時(shí)被圓偏振，并被鏡子590反射，這樣，這一光束就再次通過(guò)四分之一波片580。如D.5所示，兩次通過(guò)所產(chǎn)生凈效果就是光束的偏振態(tài)被旋轉(zhuǎn)90°。光束再次通過(guò)第二個(gè)透鏡570和第一個(gè)透鏡560并入射到雙折射晶體550上。由于每一光束的偏振態(tài)被四分之一波片580旋轉(zhuǎn)90°，這些光束就沿著偏振分束器550的非尋常光路在返回光路中傳播，這樣就得到了取決于晶體550長(zhǎng)度的光束位移。為了方便起見(jiàn)，雙折射晶體550的長(zhǎng)度和取向經(jīng)過(guò)選擇，這樣，向后傳播的光束就與第二根光纖512準(zhǔn)直，如B.7所示。例如，約125μm的位移通常是方便的。光束隨后通過(guò)法拉第旋轉(zhuǎn)器540，并被第二PM光纖512輸出。同樣地，從第二根PM光纖512出射的輸入光學(xué)信號(hào)被耦合進(jìn)入第三根PM光纖513，從第三根PM光纖513出射的輸入光學(xué)信號(hào)被耦合進(jìn)入第四根PM光纖514。
上述實(shí)施例所示的反射設(shè)計(jì)需要只有一個(gè)法拉第旋片和一個(gè)光束偏移雙折射晶體材料，這是該設(shè)計(jì)的一大優(yōu)勢(shì)。這與現(xiàn)有的美國(guó)第5,991,076號(hào)專利中所述的不同，該專利中的設(shè)計(jì)需要兩個(gè)法拉第旋片和兩個(gè)光束偏移雙折射晶體材料。在用料上的減少說(shuō)明了器件體積的減小，同是也大減少了整個(gè)器件的材料開(kāi)支。
此外，由于無(wú)論輸入光束在透鏡上的位置如何，每一束輸入光束都回到同一個(gè)平面，這樣雙透鏡排列提供了改進(jìn)的準(zhǔn)直范圍。更為特別的是，雙透鏡排列提供了一個(gè)反射(retro-reflective)系統(tǒng)，即，反射回路基本與鏡子上的入射光路相同。因此，準(zhǔn)直期間元件的微小移動(dòng)并不會(huì)引起大的未準(zhǔn)直錯(cuò)誤。這與現(xiàn)有美國(guó)第5,991,076號(hào)和5,930,422號(hào)專利中所述的情況不同，在這兩個(gè)專利中，如果光學(xué)元件被環(huán)氧膠固定在位置上，即使是一個(gè)微小的未準(zhǔn)直失誤也會(huì)引起邊緣位移誤差。根據(jù)本發(fā)明的光環(huán)形器，在最后裝配中通過(guò)調(diào)節(jié)反射器就可以很容易的調(diào)節(jié)光環(huán)形器，這是本發(fā)明的一大優(yōu)勢(shì)。
再者，通過(guò)兩個(gè)透鏡的反射排列減小了光環(huán)形器所要求的體積。而且，本發(fā)明中的三端口，四端口或更多端口的非可逆光環(huán)形器很容易制造。
在未脫離本發(fā)明的精神范圍下，還有有許多其它實(shí)施例。如，雖然第一和第二透鏡被光學(xué)地放入多個(gè)光纖和反射鏡間，但也沒(méi)有必要像圖1a，1b，1c到圖5a，5b，和5c中那樣排列。圖6中所示是根據(jù)本發(fā)明的光環(huán)形器的另一個(gè)實(shí)施例，其中光束偏移雙折射晶體650被固定在第二個(gè)透鏡670和四分之一波片680之間。更值得注意的是，此實(shí)施例中，第一個(gè)透鏡660與光纖611，612，613，614之間的距離基本等于第二透鏡670與反射鏡690間的距離。而且，此實(shí)施例大大地縮短了光纖611，612，613，614與第一個(gè)透鏡660間的距離。更為可取的是，偏振分束器620，可逆偏振單元630，非可逆偏振旋轉(zhuǎn)器640，第二塊雙折射晶體650和偏振旋轉(zhuǎn)器680中的任一個(gè)被放置于物體和成像空間中的一個(gè)中，而不是在準(zhǔn)直空間中。當(dāng)然，只更在本發(fā)明的范圍內(nèi)，其它排列也是可能的。
權(quán)利要求
1.一種帶有第一、第二、第三端口，用來(lái)將光循環(huán)地從第一端口傳輸?shù)降诙丝?，從第二端口傳輸?shù)降谌丝诘墓猸h(huán)形器，包括第一個(gè)偏振裝置，用來(lái)將來(lái)自第一和第二端口之一的光轉(zhuǎn)換成具有一個(gè)預(yù)定偏振的光束；光束偏移裝置，用來(lái)接收該帶有預(yù)定偏振的光束，并根據(jù)該光束的偏振態(tài)提供一個(gè)光束位移，或基本上不提供光束位移；第二個(gè)偏振裝置，用來(lái)旋轉(zhuǎn)來(lái)自光束偏移裝置的光束的偏振。反射裝置，用來(lái)將來(lái)自第二個(gè)偏振裝置的光束沿著幾乎完全相同的光路反射回去；成像裝置，用來(lái)光耦合第一、第二、第三端口及反射裝置，該成像裝置大致在第一、第二和第三端口附近帶有第一個(gè)焦平面，在反射裝置附近帶有第二個(gè)焦平面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光環(huán)形器，其中第一個(gè)偏振裝置包括一個(gè)非可逆的旋轉(zhuǎn)器。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光環(huán)形器，其中非可逆旋轉(zhuǎn)器包括一個(gè)法拉第旋轉(zhuǎn)器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光環(huán)形器，其中光束偏移裝置包括至少一個(gè)雙折射晶體。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光環(huán)形器，其中第二個(gè)偏振裝置包括一個(gè)四分之一波片和一個(gè)法拉第旋轉(zhuǎn)器之一。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的光環(huán)形器，其中至少一個(gè)的雙折射晶體包括金紅石，釩酸釔，氟化鎂，石英，鈮酸鋰和方解石晶體之一。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光環(huán)形器，其中成像裝置包括一對(duì)一成像結(jié)構(gòu)的第一個(gè)和第二個(gè)透鏡，每個(gè)透鏡包括自聚焦透鏡球形透鏡，和非球形透鏡之一。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光環(huán)形器，其中第一、第二、第三端口包括熱擴(kuò)芯光纖的端部。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光環(huán)形器，其中第一、第二、第三端口包括偏振保持光纖的端部。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光環(huán)形器，還包括至少一個(gè)間隔物，該間隔物具有預(yù)定的折射率并被光耦合到第一、第二、第三端口及反射裝置，用來(lái)維持光束的準(zhǔn)直。
11.根據(jù)權(quán)利要求3所述的光環(huán)形器，其中第一個(gè)偏振裝置還包括一個(gè)用來(lái)將來(lái)自于第一和第二端口之一的光束分割成兩束垂直偏振子光束以及將兩束垂直偏振子光束結(jié)合成一束光的偏振分集單元。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的光環(huán)形器，其中該偏振分集單元包括第一塊雙折射晶體，它的離散方向和至少一個(gè)雙折射晶體的離散方向成預(yù)定角。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的光環(huán)形器，其中偏振分集單元包括一個(gè)可逆偏振單元，用來(lái)對(duì)兩束垂直偏振子光束中的至少一束進(jìn)行偏振旋轉(zhuǎn)，以使它們有相同的偏振態(tài)。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的光環(huán)形器，其中可逆偏振單元包括一個(gè)間隔物和一個(gè)半波片。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的光環(huán)形器，其中可逆偏振單元包括兩個(gè)方向相反取向的半波片。
16.根據(jù)權(quán)利要求12所述的光環(huán)形器，其中偏振分集單元還包括用來(lái)使兩束垂直偏振子光束的光路長(zhǎng)度相等的第二塊雙折射晶體。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的光環(huán)形器，其中偏振分集單元還包括一個(gè)放置于第一和第二塊雙折射晶體間的一個(gè)可逆旋轉(zhuǎn)器。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的光環(huán)形器，其中偏振分集單元還包括一個(gè)可逆偏振單元，用來(lái)對(duì)兩束垂直偏振子光束中的至少一束進(jìn)行偏振旋轉(zhuǎn)，以使它們有相同的偏振態(tài)。
19.根據(jù)權(quán)利要求16所述的光環(huán)形器，其中偏振分集單元包括一個(gè)可逆偏振單元，用來(lái)對(duì)兩束垂直偏振子光束中的至少一束進(jìn)行偏振旋轉(zhuǎn)，以使它們有相同的偏振態(tài)。
20.根據(jù)權(quán)利要求16所述的光環(huán)形器，其中光束偏移元件包括兩個(gè)取向相反的雙折射晶體，每一塊用來(lái)接收不同的子光束。
21.一種光環(huán)形器，包括多個(gè)端口，包括用來(lái)發(fā)射向前方傳播的第一光束的第一個(gè)端口，用來(lái)接收向后方傳播的第一光束以及發(fā)射向前方傳播的第二光束的第二端口，用來(lái)接收向后方間傳播的第二束光的第三端口，第一端口與第二端口，及第二端口與第三端口間的距離都為d；光耦合到這些端口中的一個(gè)反射器，用來(lái)改變向前方和向后方傳播的第一和第二光束的方向；光學(xué)設(shè)在多個(gè)端口和反射器間的非可逆旋轉(zhuǎn)器，用來(lái)將向前和向后方傳播中的第一和第二光束的偏振旋轉(zhuǎn)一個(gè)預(yù)定的角度；光學(xué)設(shè)在多個(gè)端口和反射器間的光束偏移器件，用來(lái)根據(jù)第一及第二光束的偏振態(tài)，給向前或向后方傳播的第一和第二光束提供一個(gè)大致等于d的光束位移；光學(xué)設(shè)在光束偏移器件和反射器間的偏振旋轉(zhuǎn)器，用來(lái)對(duì)向前和向后間傳播的第一和第二光束的偏振進(jìn)行旋轉(zhuǎn)；成像裝置，用來(lái)對(duì)第一和第二光束進(jìn)行準(zhǔn)直和聚焦。
22.一種光環(huán)形器包括置于第一端的多個(gè)端口；置于第二端并被光耦合到多個(gè)端口的一個(gè)反射器；光耦合到多個(gè)端口及反射器的偏振分集裝置，用來(lái)將來(lái)自多個(gè)端口之一的光分成兩束向前傳播且有垂直偏振的子光束，并將向后方向傳播的兩束垂直偏振子光束結(jié)合成一束光；一個(gè)被光耦合到偏振分集裝置的非可逆旋轉(zhuǎn)器，用來(lái)將每條向前和向后方向傳播的子光束的偏振旋轉(zhuǎn)一個(gè)預(yù)定的角度；一個(gè)被光耦合到非可逆旋轉(zhuǎn)器的光束偏移裝置，用來(lái)根據(jù)光束的偏振態(tài)對(duì)每個(gè)向前和向后方向傳播的子光束提供一個(gè)光束位移；一個(gè)被光耦合到光束偏移元件的偏振旋轉(zhuǎn)器，用來(lái)旋轉(zhuǎn)每條向前和向后傳播的子光束的偏振，以使向前和向后傳播的子光束中只有一條發(fā)生光束位移；被光耦合到多個(gè)端口和反射器的成像裝置，該裝置大致在多個(gè)端口處有第一個(gè)焦平面，大致在反射器處有第二個(gè)焦平面。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的光環(huán)形器，包括置于偏振分集裝置和非可逆旋轉(zhuǎn)器間的可逆偏振裝置，用來(lái)對(duì)兩束向前垂直偏振子光束中的至少一束進(jìn)行偏振旋轉(zhuǎn)，以使它們有相同的偏振態(tài)。
24.根據(jù)權(quán)利要求22所述的光環(huán)形器，其中成像裝置包括第一個(gè)透鏡和第二個(gè)透鏡，并且設(shè)置每個(gè)透鏡使得焦平面基本上分別在多個(gè)端口和反射器上。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種光環(huán)形器，包括許多端口，一個(gè)非可逆旋轉(zhuǎn)器，一個(gè)以至少一塊雙折射晶體形式存在的光束偏移器，一個(gè)偏振旋片，一個(gè)反射器。這些端口被準(zhǔn)直到器件的一端，而反射器則被固定在另一端。第一和第二個(gè)透鏡與反射鏡一起在端口間提供有效的耦合。光束偏移器件在將所需要的其它光學(xué)元件的體積減小到最小的同時(shí)，其所提供的必要光束位移使光束連續(xù)端口進(jìn)行轉(zhuǎn)換。
文檔編號(hào)G02B5/30GK1399151SQ02127200
公開(kāi)日2003年2月26日 申請(qǐng)日期2002年6月13日 優(yōu)先權(quán)日2001年6月13日
發(fā)明者克－威·常, 杰弗里·F·威爾頓 申請(qǐng)人:Jds尤尼費(fèi)斯公司