專(zhuān)利名稱(chēng)：帶隔離的偏振光束分束器和合束器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種帶隔離的偏振光束分束器或合束器，用于把來(lái)自不同輸入端的光組合到一公共端，以及把一束光分成正交的偏振光。在兩種操作模式下，該分束器/合束器在傳輸方向上提供有效的耦合，以及提供隔離防止光沿反向(隔離方向)傳輸。
背景技術(shù)：
例如光學(xué)環(huán)形器和隔離器的偏振獨(dú)立裝置通常需要把未知偏振態(tài)的輸入光束分成兩正交的偏振子光束。這些子光束通過(guò)例如可逆性(reciprocal)和不可逆性(non-reciprocal)旋轉(zhuǎn)器之類(lèi)裝置的隔離元件，并在輸出端被合成。然而，如果光束反向發(fā)射，不可逆性元件確保光不會(huì)反饋回輸入端。眾所周知，金紅石晶體以及其它雙折射晶體被用來(lái)把輸入光束分成兩正交的子光束，從而被用作偏振光束分束器，或者在相反的方向作為偏振光束合束器。在本說(shuō)明書(shū)中使用術(shù)語(yǔ)偏振光束分束器，但應(yīng)該理解，同樣的裝置反向操作時(shí)用作偏振光束合束器。
對(duì)于在這些晶體內(nèi)傳播的光，最常見(jiàn)的是通過(guò)梯度折射率(GRIN)透鏡來(lái)準(zhǔn)直。在這個(gè)例子中，需要一個(gè)較大晶體確保直徑通常為350μm的兩光束分開(kāi)。然而，最近發(fā)現(xiàn)，約為傳統(tǒng)晶體大小1/50的非常小的晶體，，能夠在非準(zhǔn)直光束下使用；使用如此小的晶體顯著地減少了制造光學(xué)分束器/合束器、環(huán)形器以及光學(xué)隔離器的成本。
偏振光束合束器把不同輸入端的光組合到一公共端。例如，通常需要把來(lái)自一個(gè)或多個(gè)激光器的帶有一個(gè)光學(xué)信號(hào)的泵浦能量組合到一光學(xué)放大器上。偏振分束器把一束光分成兩正交偏振成分的子光束，它們導(dǎo)向兩隔離的輸出端?？扇〉氖翘峁└綦x，以防止光反饋回到分束器的輸入端。這通常通過(guò)提供外部隔離器、偏振維持光纖的尾光纖以及一個(gè)分開(kāi)的分束器來(lái)完成。
對(duì)合束器來(lái)說(shuō)隔離更關(guān)鍵，因?yàn)榉答伝丶す庠吹墓鈱?duì)激光造成損傷。因而在激光和合束器之間提供一個(gè)外部隔離器。然而，提供激光泵浦功率成本太高，而使用分開(kāi)的隔離器和合束器則會(huì)增加插入損耗。
本發(fā)明的目的是提供一種合束器，其能提供隔離功能，增加泵浦耦合效率。本發(fā)明進(jìn)一步的目的是使用更少的部件和更少的偏振光維持光纖來(lái)提供一個(gè)更小、經(jīng)濟(jì)合算的帶隔離的偏振光分束器/合束器。
現(xiàn)有技術(shù)的物體空間偏振光束分束器/合束器的缺點(diǎn)還在于。通過(guò)雙折射晶體的兩分開(kāi)的正交偏振光光程長(zhǎng)度不同。由于散焦或需要補(bǔ)償光程差，雙折射晶體(在其中傳輸?shù)墓鉀](méi)有準(zhǔn)直)的使用將導(dǎo)致插入損耗增加。子光束沿慢軸(非尋常軸)和快軸(尋常軸)傳輸，其相應(yīng)于該光程差。通過(guò)金紅石晶體把光束分成兩正交的偏振態(tài)后，通常把光耦合到兩光纖端。然而，晶體的兩個(gè)焦點(diǎn)并不在同一焦平面內(nèi)。這是因?yàn)橥ㄟ^(guò)晶體的o光線(xiàn)和e光線(xiàn)的光程差。通常光纖對(duì)以固定方式牢固地安裝在光纖管內(nèi)。如果管子被用來(lái)耦合來(lái)自與光束之一的焦點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)的晶體的光，則另一焦點(diǎn)不會(huì)在管端焦點(diǎn)上，而且來(lái)自e光線(xiàn)或者o-光線(xiàn)光路的光耦合不佳。
本發(fā)明進(jìn)一步的目的是提供一種帶隔離的偏振光束分束器/合束器，其能減少或消除這種光程差，并且對(duì)分束或合束的且通過(guò)其傳輸?shù)墓馐鴣?lái)說(shuō)有基本上相同的光程長(zhǎng)度。
發(fā)明概述在本發(fā)明中，分束器和合束器內(nèi)基于偏振差異性的隔離被用來(lái)防止向后反射或防止其它反向傳輸光通過(guò)分束器/合束器耦合到傳輸源。作為分束器，一束光通過(guò)偏振分束器被分成正交偏振分量的子光束，每一子光束再通過(guò)一用來(lái)旋轉(zhuǎn)偏振光的不可逆性偏振旋轉(zhuǎn)器，從而使反射光束或其它反向傳輸光不能沿同樣的路徑經(jīng)過(guò)偏振光束分束器返回光源。作為合束器，具有已知的正交偏振的兩分開(kāi)光束發(fā)射到與偏振相關(guān)的光束轉(zhuǎn)向裝置，通過(guò)一不可逆性偏振旋轉(zhuǎn)器，接著作為正交偏振光被合成到單輸出端。
于是，本發(fā)明提供了一種帶隔離的偏振光束分束器/合束器，用于在合成方向上把正交的偏振光束合成到一單端口，或者用于在分束方向上把一束光分束成正交的偏振光束到空間分開(kāi)的端口，其包括一單端口，用于發(fā)射一束光到該分束器/合束器，或者用于從該分束器/合束器輸出一合成光束；一對(duì)空間隔開(kāi)的端口，用于發(fā)射正交的偏振光束到該分束器/合束器，或者用于從該分束器/合束器輸出正交的偏振光束；
第一偏振光束分束器，其被光學(xué)耦合到該單端口，并被定向，以為兩正交的偏振光束提供不同的光路；第二與偏振相關(guān)的光束轉(zhuǎn)向裝置，其被光學(xué)耦合到該對(duì)空間隔開(kāi)的端口上，并被定向，以為兩正交的偏振光束提供不同的光路；一不可逆性旋轉(zhuǎn)器，其位于第一偏振光束分束器元件和第二與偏振相關(guān)的光束轉(zhuǎn)向裝置的至少一個(gè)元件之間，用于旋轉(zhuǎn)兩正交光束每一束的偏振方向并且維持它們之間的正交關(guān)系，對(duì)于在所選擇的合成方向或分束方向上的傳輸，所述不可逆性旋轉(zhuǎn)器適合于被驅(qū)動(dòng)，其中，當(dāng)在合成方向被驅(qū)動(dòng)時(shí)，不可逆性旋轉(zhuǎn)器允許光從該對(duì)端口傳播到單端口，并防止光在單端口和該對(duì)端口之間發(fā)生耦合，或者其中，當(dāng)在分束方向被驅(qū)動(dòng)時(shí)，不可逆性旋轉(zhuǎn)器允許光從單端口傳播到該對(duì)端口，并防止光在該對(duì)端口和單端口之間發(fā)生耦合。
在進(jìn)一步實(shí)施例中，本發(fā)明提供了一種如上所述的帶隔離的偏振光束分束器/合束器，其中，第一偏振光束分束器元件包括一具有一o-光線(xiàn)光路和一e-光線(xiàn)光路的雙折射元件；第二與偏振相關(guān)的光束轉(zhuǎn)向裝置包括一具有一o-光線(xiàn)光路和一e-光線(xiàn)光路的雙折射元件，從而使第二雙折射元件的e-光線(xiàn)光路被光學(xué)耦合到第一雙折射元件的o-光線(xiàn)光路，以及第二雙折射元件的o-光線(xiàn)光路被光學(xué)耦合到第一雙折射元件的e-光線(xiàn)光路，其中通過(guò)第一和第二雙折射元件的兩正交偏振光束的不同光路具有基本上相同的光程長(zhǎng)度。
在本發(fā)明進(jìn)一步的實(shí)施例中，提供一種帶隔離的偏振光束分束器/合束器，在合束器操作模式下，用于將正交的偏振光束合成為一單束光，以及在分束器操作模式下，用于將一束光分束成正交的偏振光束，其包括一第一雙折射晶體，其對(duì)正交的偏振光有不同的光路，使其會(huì)聚在第一單端口，在合束器模式下，其用于合束正交的偏振光束；或者使光從第一單端口發(fā)散，在分束器模式下，其用于將一束光分束成正交的偏振光束，并且其有一旋轉(zhuǎn)軸；一第二雙折射晶體，其對(duì)正交偏振光有不同的光路，使從空間隔開(kāi)的第二和第三端口來(lái)的光會(huì)聚，在合束器模式下，其用于減少兩正交偏振光束之間的空間間距；或者使光發(fā)散到空間隔開(kāi)的第二和第三端口，在分束器模式下，其用于空間分開(kāi)由第一雙折射元件分束的正交光束，并且其有一旋轉(zhuǎn)軸；一不可逆性偏振光旋轉(zhuǎn)器，其設(shè)置在第一和第二雙折射晶體之間，用于在傳輸方向上把正交偏振光的偏振方向旋轉(zhuǎn)到第一狀態(tài)，以便把第一端口光學(xué)耦合到第二端口和第三端口；以及用于在隔離方向上把正交偏振光的偏振方向旋轉(zhuǎn)到第二狀態(tài)，該狀態(tài)不允許第一端口與第二端口和第三端口間的耦合。
在進(jìn)一步的實(shí)施例中，本發(fā)明包括一種帶隔離的偏振光束分束器/合束器，其包括一雙折射光束分束器，一對(duì)具有平行楔面的雙折射元件，和一設(shè)置在該對(duì)雙折射元件之間的不可逆性旋轉(zhuǎn)器，其中，該對(duì)空間隔開(kāi)的端口對(duì)稱(chēng)地設(shè)置在一輸入透鏡軸線(xiàn)的周?chē)?，用于以相等且相反的角度將正交偏振的?zhǔn)直光束發(fā)射到第一雙折射元件對(duì)，且用于接收正交偏振的聚焦光束，以及進(jìn)一步包括一個(gè)透鏡，其光學(xué)耦合到該單端口，用于準(zhǔn)直發(fā)射到分束器/合束器的光束，或者用于聚焦從分束器/合束器輸出的合成光束。
比較有利地是，本發(fā)明提供一種有效的、經(jīng)濟(jì)合算的裝置，用于整合一激光源到一偏振光束合束器，且損耗更少，體積更小。
附圖簡(jiǎn)述參考下面附圖，僅以示例性方式使本發(fā)明進(jìn)一步的優(yōu)點(diǎn)對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)更加清楚明了。

圖1a表示一種帶隔離的偏振光束分束器/合束器的示意圖，其中一法拉第旋轉(zhuǎn)器和一半波片設(shè)置于兩雙折射晶體之間，所示裝置用作光束分束器；圖1b表示圖1a裝置用作光束合束器的示意圖；圖1c是通過(guò)圖1b合束器的光束的偏振態(tài)；圖1d是在反方向上且與輸入端口隔離的通過(guò)圖1b合束器的被反射或被反向傳輸?shù)墓獾钠駪B(tài)；圖2a是可選擇的帶隔離的偏振光束分束器/合束器的示意圖，其中，雙折射晶體的光軸彼此之間相對(duì)旋轉(zhuǎn)；且一法拉第旋轉(zhuǎn)器位于雙折射晶體之間；圖2b是通過(guò)用作合束器的圖2a裝置傳輸?shù)墓獾钠駪B(tài)；圖2c是反向反射的光通過(guò)圖2a作為光束合束器裝置的偏振態(tài)，該光被隔離，以防耦合到兩輸入端內(nèi)；圖2d是圖2a的第一雙折射晶體的主視圖，顯示旋轉(zhuǎn)矢量；以及側(cè)視圖，顯示離散矢量，其包括晶體光軸。圖3是可選擇的帶隔離的偏振光束分束器/合束器的示意圖，包括用于提供一準(zhǔn)直光束到不可逆性旋轉(zhuǎn)器的準(zhǔn)直和聚光透鏡；圖4a是使用單塊雙折射晶體的可供選擇的帶隔離偏振光束分束器；圖4b是發(fā)射到圖4a所示裝置的光的偏振態(tài)和位置；圖5a是對(duì)尋常光和非尋常光具有相等光程的可選擇的帶隔離偏振光束分束器/合束器的示意圖；圖5b是發(fā)射到圖5a所示合束器的光的偏振態(tài)和位置；圖5c是在反方向上的反射光通過(guò)圖5a所示裝置的偏振態(tài)和位置，該光被隔離，以防耦合到兩輸入端內(nèi)；圖6是與圖5a實(shí)施例類(lèi)似的裝置的透視軸側(cè)投影圖；圖7是本發(fā)明采用兩級(jí)隔離的可選擇實(shí)施例；圖8是按照本發(fā)明作用于準(zhǔn)直光束的偏振光束分束器/合束器的進(jìn)一步實(shí)施例的示意圖；圖9A是圖8所示裝置的帶隔離的分束器/合束器中心部分，表示裝置用作合束器時(shí)光束的傳輸路徑及偏振態(tài)；以及圖9B是是圖9A所示裝置的帶隔離的分束器/合束器中心部分，表示在作為合束器的裝置內(nèi)光以反向隔離方向傳輸?shù)母綦x。
優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)描述圖1a表示根據(jù)本發(fā)明作為偏振光束分束器100工作的本發(fā)明一實(shí)施例，其中一法拉第旋轉(zhuǎn)器119和一半波片114被夾在兩個(gè)雙折射晶體110和116之間。雙折射晶體110形式的第一光束分束器元件被表示為與雙折射晶體116形式的等長(zhǎng)的第二光束分束器元件進(jìn)行光學(xué)耦合。例如，用作偏振光束分束器的材料包括金紅石(TiO2)、釩酸釔(YVO4)、氟化鎂(MgF2)、石英(SiO2)、鈮酸鋰(LiNbO3)和方解石(CaCO3)。優(yōu)選的是采用高雙折射晶體作為偏振光束分束器元件，因?yàn)榉浅Ｐ〉木w能與非準(zhǔn)直光束一起使用。因此，所有的部件都要小很多，故可獲得更小的光束分束器/合束器部件。
一不可逆性偏振旋轉(zhuǎn)器，總起來(lái)說(shuō)其可以是法拉第旋轉(zhuǎn)器119和半波片114的組合，被設(shè)置在晶體110和116之間。半波片114在22.5°處有一光軸。法拉第旋轉(zhuǎn)器112把光旋轉(zhuǎn)45°。從晶體側(cè)面看，晶體110和116的光軸取向?yàn)?7.8°，從而可獲得對(duì)于金紅石的尋常偏振光和非常偏振光之間最大離散。一非準(zhǔn)直光束發(fā)射到輸入端口117左邊的裝置中，并且被分束成一o-光線(xiàn)和一e-光線(xiàn)，其沿不同的發(fā)散光路傳輸。法拉第旋轉(zhuǎn)器112分別以45°旋轉(zhuǎn)o-光線(xiàn)和e-光線(xiàn)。當(dāng)o-光線(xiàn)和e-光線(xiàn)通過(guò)半波片114時(shí)，它們?cè)诜捶较蛏显俳?jīng)歷一次45°旋轉(zhuǎn)，從而子光束被還原成其原始的偏振態(tài)。o-光線(xiàn)和e-光線(xiàn)繼續(xù)再通過(guò)第二晶體116，并且由于晶體的光軸基本上相互平行，因此o-光線(xiàn)和e-光線(xiàn)繼續(xù)分別沿不同的光路發(fā)散到兩個(gè)輸出端口118和119。輸出端口118和119被空間隔開(kāi)，其距離正比于兩晶體110、116的疊加長(zhǎng)度。由于子光束在輸出端口118、119為正交偏振光，因而偏振維持光纖可以用來(lái)?yè)焓拜敵鲎庸馐?，這取決于其應(yīng)用。
如果光以反方向發(fā)射到裝置100中，即，光發(fā)射到輸出端口118和119，它將不會(huì)反回耦合到輸入端口117，因而在反方向上提供隔離。這是因?yàn)榉ɡ谛D(zhuǎn)器112的不可逆性旋轉(zhuǎn)。從端口118和119發(fā)射在o-光線(xiàn)和e-光線(xiàn)光路上的光將被半波片旋轉(zhuǎn)，接著再被法拉第旋轉(zhuǎn)器112旋轉(zhuǎn)，這次是在反方向進(jìn)行90°的凈旋轉(zhuǎn)。因而e-光線(xiàn)在晶體110上作為o-光線(xiàn)出現(xiàn)。并在端口117之上通過(guò)晶體110。o-光線(xiàn)在晶體110上作為e-光線(xiàn)出現(xiàn)，并在端口117之下沿轉(zhuǎn)向的光路傳輸。沒(méi)有光被耦合回到端口117，從而提供了隔離。
圖1b表示作為帶隔離的偏振光合束器工作的同樣的裝置100。正交偏振光發(fā)射到端口對(duì)118、119，通過(guò)雙折射晶體116的尋常和非尋常偏振光被定向，以選擇會(huì)聚光路。半波片114將兩光束的偏振旋轉(zhuǎn)45°。如圖中箭頭所示，在合成方向法拉第旋轉(zhuǎn)器112被驅(qū)動(dòng)，該合成方向與磁場(chǎng)方向相反。在反方向上通過(guò)法拉第旋轉(zhuǎn)器112的光的偏振接著再被旋轉(zhuǎn)45°，因而使該光束回復(fù)到其原始偏振態(tài)。光束沿雙折射晶體110的會(huì)聚光路繼續(xù)傳輸?shù)絾味丝?17。圖1c表示每一光束通過(guò)每一個(gè)合束器元件時(shí)的偏振態(tài)。
如果光沿反方向被發(fā)射，即當(dāng)法拉第旋轉(zhuǎn)器在合成方向被驅(qū)動(dòng)時(shí)，光被發(fā)射到端口117，同樣因?yàn)椴豢赡嫘孕D(zhuǎn)器112的作用，光將不會(huì)耦合到端口118、119，因而提供了分隔。發(fā)射到端口117的光被分束成o-光線(xiàn)和e-光線(xiàn)。每一光束的偏振方向被法拉第旋轉(zhuǎn)器112和半波片114旋轉(zhuǎn)了90°，從而到達(dá)晶體116的e-光線(xiàn)作為o-光線(xiàn)出現(xiàn)，到達(dá)晶體116的o-光線(xiàn)作為e-光線(xiàn)出現(xiàn)。光沿著一光路通過(guò)第二晶體116，類(lèi)似于在第一晶體110中光合成到位于端口118、119之間的單點(diǎn)上。因而沒(méi)有光耦合到端口118、119，在圖1d中以虛線(xiàn)表示。圖1d表示當(dāng)每一反射光束在反方向上通過(guò)合束器的每一元件時(shí)的偏振態(tài)。
圖2a表示按照本發(fā)明的可選擇的帶隔離的偏振光束分束器/合束器120的示意等角投影圖。第一雙折射元件122和第二雙折射元件126通過(guò)單個(gè)法拉第旋轉(zhuǎn)器124光學(xué)地耦合。第一雙折射晶體122的光軸(如正面和轉(zhuǎn)移的圖2d側(cè)面上箭頭所示)，以及第二晶體126的光軸(如等角投影圖2a所示)，在晶體122、126的前表面中彼此相對(duì)旋轉(zhuǎn)45°。例如，晶體126的旋轉(zhuǎn)軸為0°，或者90°，晶體122的旋轉(zhuǎn)軸為45°。在這種情況下來(lái)自?xún)蓚€(gè)晶體總的凈旋轉(zhuǎn)等于法拉第旋轉(zhuǎn)器的旋轉(zhuǎn)，即45°。作為合束器120，第一雙折射元件122分束兩偏振光，法拉第旋轉(zhuǎn)器124將每一子光束旋轉(zhuǎn)45°，第二雙折射元件126的光軸相對(duì)于第一雙折射元件122的光軸被旋轉(zhuǎn)45°以合成兩子光束。隨著磁場(chǎng)被反向驅(qū)動(dòng)，裝置120以相同的方式作為分束器。應(yīng)該注意，從側(cè)面看晶體122、126的光軸還包括一47.8°的分量，用于利用最小晶體厚度最大離散光束間距。45°定向指在晶體的前或輸入表面上的旋轉(zhuǎn)，在本文也指“旋轉(zhuǎn)軸”。
從雙折射元件的正面測(cè)得到的光軸旋轉(zhuǎn)必須在兩光束之間維持正交關(guān)系。這樣，光軸能夠設(shè)置為180°的平行，即反向平行，或者成互補(bǔ)的45°角。光軸被描述為矢量，箭頭表明離散方向。雙折射離散晶體的旋轉(zhuǎn)和偏振旋轉(zhuǎn)器旋轉(zhuǎn)之間的關(guān)系是這樣的使得從e-光線(xiàn)到e-光線(xiàn)和從o-光線(xiàn)到o-光線(xiàn)，或者從e-光線(xiàn)到o-光線(xiàn)和從o-光線(xiàn)到e-光線(xiàn)的傳輸方向有效地耦合。有效耦合被定義為基本上所有光都被耦合到端口。同時(shí)，在隔離方向上耦合基本上被防止。相比之下，雙折射離散晶體旋轉(zhuǎn)和偏振旋轉(zhuǎn)器旋轉(zhuǎn)的不同關(guān)系在至少一個(gè)傳輸方向(即合束或分束)上將導(dǎo)致低效率的耦合，同時(shí)光損耗很大。
圖3是本發(fā)明進(jìn)一步的實(shí)施例200，其包括透鏡223、225，用來(lái)接受來(lái)自第一晶體210的子光束和準(zhǔn)直射向不可逆性旋轉(zhuǎn)器212、214的子光束，以及在光通過(guò)第二晶體216之前重新聚焦子光束。因?yàn)閬?lái)自晶體的光發(fā)散且不再是點(diǎn)光源，所以小于四分之一高跨比的梯度折射率(GRIN)透鏡能夠被使用。當(dāng)然，其它非球形透鏡也能被使用。有利的是，因?yàn)榉糯舐蕿?∶1，所以耦合能被提高。
圖4a表示帶隔離的偏振光束分束器250的另一實(shí)施例。第一晶體252分束正交的偏振光為子光束。單晶體252被加工成一定尺寸，以提供有效光束間距。子光束通過(guò)一光軸為22.5°的半波片254和一法拉第旋轉(zhuǎn)器256，其在前向光束分束方向一起旋轉(zhuǎn)子光束90°。不可逆性法拉第旋轉(zhuǎn)器256讓子光束在反方向保持不變，因而提供隔離。然而，這種構(gòu)造作為光束合束器不能提供隔離。
正如在圖2a的實(shí)施例中，一個(gè)更簡(jiǎn)單實(shí)施例能通過(guò)省略半波片而獲得，其僅有一個(gè)法拉第旋轉(zhuǎn)器256用于將子光束旋轉(zhuǎn)45°。在輸出端口，接收偏振光維持光纖的快軸和慢軸被以這種方式定向使其能完全接收來(lái)自法拉第旋轉(zhuǎn)器256的兩正交光束。
圖4b表示在向前的分束方向上發(fā)射光束的偏振態(tài)和位置，以及在反方向上發(fā)射的光束的隔離。
與圖1a的實(shí)施例類(lèi)似，圖5a示出了一種具有等光程長(zhǎng)度的帶隔離的光束分束器/合束器105。正如在圖1a中那樣，一法拉第旋轉(zhuǎn)器112和一半波片114被置于兩雙折射晶體110和116之間。在法拉第旋轉(zhuǎn)器112上的磁場(chǎng)工作方向決定該裝置是分束器還是合束器。以雙折射晶體110形式出現(xiàn)的第一光束分束器同等長(zhǎng)的第二晶體116光學(xué)地耦合。然而在這種情況下，通過(guò)半波片114和法拉第旋轉(zhuǎn)器112的光束的旋轉(zhuǎn)為90°，結(jié)果晶體110的o-光線(xiàn)光路被耦合到晶體116的e-光線(xiàn)光路上，以及晶體110的e-光線(xiàn)光路被耦合到晶體116的o-光線(xiàn)光路上。
圖5b和5c分別表示在傳輸和隔離方向通過(guò)圖5a裝置的光的偏振態(tài)，該裝置用作合束器。裝置105在圖5b左邊的端口118和119接收來(lái)自分開(kāi)的光纖或波導(dǎo)的兩輸入光束。雙折射晶體116使e-光線(xiàn)和o-光線(xiàn)移動(dòng)得更接近，如晶體1的輸出端所示。接著該光束通過(guò)半波片114，半波片能使它們的偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)45°，以及再通過(guò)法拉第旋轉(zhuǎn)器112，它們的偏振態(tài)又被旋轉(zhuǎn)45°，從而在法拉第旋轉(zhuǎn)器112的輸出端，兩光束的每一束都被旋轉(zhuǎn)90°，因而e-光線(xiàn)在雙折射晶體110以o-光線(xiàn)出現(xiàn)，o-光線(xiàn)在雙折射晶體110以e-光線(xiàn)出現(xiàn)。雙折射晶體110接著通過(guò)把兩光束朝向彼此之間移到端口117來(lái)合成e-光線(xiàn)和o-光線(xiàn)。
圖5c表示該裝置105的反向光路，其中該光束被隔離以便不會(huì)反向傳輸。在該反向光路上，在端口117一共用的輸入光束被雙折射晶體110分束成e-光線(xiàn)和o-光線(xiàn)。e-光線(xiàn)和o-光線(xiàn)接著通過(guò)法拉第旋轉(zhuǎn)器112和半波片114。由于法拉第旋轉(zhuǎn)器112的不可逆性特點(diǎn)，e-光線(xiàn)和o-光線(xiàn)在半波片114的輸出中回復(fù)到與它們從晶體110的輸出中相同的偏振態(tài)。如虛線(xiàn)所示，雙折射晶體116接著在遠(yuǎn)離兩輸入端口118、119的位置合成e-光線(xiàn)和o-光線(xiàn)。因而它們被隔離。可選擇的是，該裝置的磁場(chǎng)方向被反向，使它變成一偏振光束分束器，分束來(lái)自一公用光纖的輸入光束成兩正交偏振輸出光束，另外，如前所述，在作為偏振光束合束器的情況下類(lèi)似地阻擋光沿反向傳輸。
現(xiàn)在參見(jiàn)圖6，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，以雙折射晶體272的形式出現(xiàn)的第一光束分束器/合束器與等長(zhǎng)度的第二晶體274光學(xué)耦合。一不可逆性偏振旋轉(zhuǎn)器，優(yōu)選是一法拉第旋轉(zhuǎn)器276和半波片277的組合，被設(shè)置在金紅石晶體272和274之間。盡管部件272、274，以及276、277在圖中是分開(kāi)的，但實(shí)際上它們是相互接觸的，且它們之間有一薄層透光的粘合劑；和/或可替代的是，它們之間有一抗反射涂層。這類(lèi)物理耦合元件在光學(xué)環(huán)形器和隔離器領(lǐng)域是眾所周知的。圖6顯示晶體272和274的光軸相互之間成180°，從而第一金紅石晶體272的o-光線(xiàn)和e-光線(xiàn)光路被分別耦合到第二金紅石晶體274的e-光線(xiàn)和o-光線(xiàn)光路上。對(duì)晶體272、274的厚度和光軸方向加以選擇，以提供所需的光束分隔。材料能夠根據(jù)不同的特性被選擇，兩晶體272、274的材料可以不同，例如YVO4和金紅石。當(dāng)然，在不同的晶體材料的情況下，等光路長(zhǎng)度必須作為等光程長(zhǎng)度被測(cè)量，而不僅僅是等物理路徑長(zhǎng)度。
在操作中未準(zhǔn)直的具有混合偏振的光束沿著晶體272端面上的光軸被發(fā)射到輸入端口。接著該光束被分成子光束，其在圖6中以主光線(xiàn)表示；e-光線(xiàn)沿著晶體272的e-光線(xiàn)光路傳輸，o-光線(xiàn)沿著晶體272的o-光線(xiàn)光路傳輸。當(dāng)子光束在子端口273、275射出晶體272時(shí)，它們被分隔開(kāi)“d1”距離。為簡(jiǎn)單明了，這通過(guò)主光線(xiàn)表示。這些光束接著被法拉第旋轉(zhuǎn)器276和半波片277旋轉(zhuǎn)90°，并以正交的線(xiàn)性偏振態(tài)出現(xiàn)在晶體2的輸入端。因而e-光線(xiàn)被旋轉(zhuǎn)后在第二金紅石晶體274以o-光線(xiàn)出現(xiàn)。離開(kāi)第一金紅石晶體272的o-光線(xiàn)在第二晶體274以e-光線(xiàn)出現(xiàn)。這樣，兩條光線(xiàn)或者沿著兩光線(xiàn)的子光束被進(jìn)一步分隔到d2距離。有利的是從輸入光束發(fā)散的兩子光束的光程長(zhǎng)度基本相等。
有利地是本發(fā)明提供了一種耦合光的方式，沒(méi)有出現(xiàn)在使用非準(zhǔn)直光時(shí)光程長(zhǎng)度不等的缺點(diǎn)，該光被作到偏振，它從小晶體有效發(fā)散。在許多場(chǎng)合下，按照本發(fā)明的裝置同偏振光維持光纖一起使用，該偏振光維持光纖被耦合到空間隔開(kāi)的位于第二金紅石晶體274端面上的端口，或者耦合到其全部端口，包括位于第一晶體272端面上的端口。例如，偏振光維持光纖可以被使用，以利用合成正交偏振光束的相位差來(lái)取得混合偏振光輸出。
圖7是按照本發(fā)明進(jìn)一步實(shí)施例300的示意圖。分束器/合束器300包括第一雙折射元件302、第一級(jí)不可逆性旋轉(zhuǎn)器，該旋轉(zhuǎn)器包括位于第一雙折射元件302和第二雙折射元件308之間的半波片304和法拉第旋轉(zhuǎn)器306。在第二雙折射元件308和第三雙折射元件314之間設(shè)置包括半波片310和法拉第旋轉(zhuǎn)器312的第二級(jí)不可逆性旋轉(zhuǎn)器。通過(guò)提供兩級(jí)不可逆性旋轉(zhuǎn)器，增加了隔離，這意味著反射光離輸入端口更遠(yuǎn)射出。分束器一對(duì)端口318、319之間的間距d與雙折射元件增加的長(zhǎng)度有關(guān)，因此它也增加了。為避免在輸出端散焦，應(yīng)當(dāng)使每一束光的尋常光和非尋常光的光路長(zhǎng)度相等。這通過(guò)提供第二雙折射晶體元件308長(zhǎng)為2t，而且第一和第三雙折射晶體302、314的總長(zhǎng)也等于2t來(lái)完成。如此處所示，第一和第三雙折射元件302、314被此長(zhǎng)度不需相等，只要總長(zhǎng)為2t就行了。
圖8表示對(duì)準(zhǔn)直光束起作用的偏振光束分束器/合束器的進(jìn)一步實(shí)施例的示意圖。該分束器/合束器10由3個(gè)元件組成。第一雙光纖準(zhǔn)直器20包括空間隔開(kāi)的兩端口18，19和一透鏡22，端口18，19包括輸入或輸出光纖12、13的光纖端。應(yīng)用最常見(jiàn)的光纖12、13是偏振維持光纖。光纖12、13被支持在套管14內(nèi)并與襯套16對(duì)齊，目的是對(duì)稱(chēng)性地在透鏡22的光軸OA周?chē)ㄎ还饫w端。透鏡22把來(lái)自分束器/合束器10的光聚焦到光纖12、13，以及把來(lái)自光纖12、13的光準(zhǔn)直到分束器/合束器10內(nèi)。第二個(gè)元件由帶隔離的分束器/合束器的芯30組成。芯30包括第一與偏振相關(guān)的光束轉(zhuǎn)向裝置，其包括一對(duì)楔形雙折射元件32、33；一不可逆性偏振光旋轉(zhuǎn)器，其包括一法拉第旋轉(zhuǎn)器34和一半波片36和第二偏振光束分束器元件38。法拉第旋轉(zhuǎn)器34和半波片36位于楔形元件32、33之間。一襯套44支持和對(duì)齊這些芯的元件。第三元件，即單光纖準(zhǔn)直器40包括單光纖42末端的單端口17。光纖42被支持在套管43內(nèi)，套管43位于襯套44內(nèi)，用于與透鏡46對(duì)齊，從而使端口17基本上與透鏡44的光軸OA對(duì)齊。
分束器/合束器10的操作能在圖9A中看得更清楚。圖9A表示在傳輸方向上通過(guò)作為分束器的裝置10的準(zhǔn)直光束的主光線(xiàn)的光線(xiàn)追跡。來(lái)自雙光纖準(zhǔn)直器20的光以相反且相等的角度被發(fā)射到合束器。輸入光包括來(lái)自分開(kāi)的光源[例如兩不同的泵浦激光器(未圖示)]的已知偏振的正交偏振光束。雙折射楔形元件32、33的光軸相互垂直。如圖所示，雙折射楔形元件32有一從紙平面伸出的光軸31，雙折射楔形元件33有一與紙平面平行的光軸35。
垂直偏振光 以及水平偏振光●，在光路上以不同折射角通過(guò)雙折射楔形元件32。在空氣界面上，光束 ●以不同的角度再次被折射，這是因?yàn)槭艿诫p折射楔形元件32的楔角影響。光束通過(guò)法拉第旋轉(zhuǎn)器34且都被旋轉(zhuǎn)45°。每一光束繼續(xù)通過(guò)半波片36，并被往回旋轉(zhuǎn)45°，從而使凈旋轉(zhuǎn)為0°。然而在每一空氣界面上，每一束光經(jīng)歷額外的折射。光束以原始偏振態(tài)前進(jìn)到第二雙折射楔形元件33。對(duì)雙折射材料和楔角加以選擇，以提供平行的輸出光。平行光束在雙折射偏振分束器/合束器38內(nèi)被合成，并且作為以正常發(fā)射角的混合偏振光輸出。合成光束被耦合到端口17。有利的是，因?yàn)楣馐嵌缺豢刂?，以提供正常的發(fā)射角度，所以基本上所有的光都被耦合進(jìn)光纖42而沒(méi)有顯著的插入損耗。
圖9B表示在隔離方向上通過(guò)作為合束器工作的裝置10的準(zhǔn)直光束的主光線(xiàn)的光線(xiàn)追跡。一束混合偏振光通過(guò)單光纖準(zhǔn)直器40從端口17輸入。光束被雙折射偏振光束分束器/合束器38分束成正交的偏振光分量 正交光束沿基本上與在傳輸中相同的光路返回。然而，通過(guò)在相反的方向上通過(guò)不可逆性法拉第旋轉(zhuǎn)器34，半波片36和法拉第旋轉(zhuǎn)器34的旋轉(zhuǎn)被組合以產(chǎn)生90°的旋轉(zhuǎn)。光束以相反的偏振態(tài)離開(kāi)不可逆性法拉第旋轉(zhuǎn)器34、36。因而光束沿不同路徑通過(guò)第一雙折射楔形元件32，且不通過(guò)雙光纖準(zhǔn)直器20耦合到端口18、19。
在另一實(shí)施例中，第一和第二雙折射楔形元件32、33的軸是平行的，而且法拉第旋轉(zhuǎn)器34和半波片36一起被驅(qū)動(dòng)，以在傳輸方向產(chǎn)生90°旋轉(zhuǎn)。在隔離方向，沒(méi)有凈旋轉(zhuǎn)出現(xiàn)，但是第二雙折射楔形元件的軸防止光路耦合到端口。這樣的優(yōu)點(diǎn)是兩個(gè)晶體可被一起制造，且它們的軸和平行楔角容易對(duì)齊。
可以預(yù)計(jì)許多其它的實(shí)施例，且并不背離權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種帶隔離的偏振光束分束器/合束器，用于在合成方向上把正交的偏振光束合成到一單端口，或者用于在分束方向上把一束光分束成正交的偏振光束到空間分開(kāi)的端口，其包括一單端口，用于發(fā)射一束光到該分束器/合束器，或者用于從該分束器/合束器輸出一合成光束；一對(duì)空間隔開(kāi)的端口，用于發(fā)射正交的偏振光束到該分束器/合束器，或者用于從該分束器/合束器輸出正交的偏振光束；第一偏振光束分束器，其被光學(xué)耦合到該單端口，并被定向，以為兩正交的偏振光束提供不同的光路；第二與偏振相關(guān)的光束轉(zhuǎn)向裝置，其被光學(xué)耦合到該對(duì)空間隔開(kāi)的端口上，并被定向，以為兩正交的偏振光束提供不同的光路；一不可逆性旋轉(zhuǎn)器，其位于第一偏振光束分束器元件和第二與偏振相關(guān)的光束轉(zhuǎn)向裝置的至少一元件之間，用于旋轉(zhuǎn)兩正交光束中每一束的偏振方向并維持它們之間的正交關(guān)系，對(duì)于在所選擇的合成方向或分束方向上的傳輸，所述不可逆性旋轉(zhuǎn)器適合于被驅(qū)動(dòng)，其中，當(dāng)在合成方向被驅(qū)動(dòng)時(shí)，不可逆性旋轉(zhuǎn)器允許光從該對(duì)端口傳播到單端口，并防止光在單端口和該對(duì)端口之間發(fā)生耦合，或者其中，當(dāng)在分束方向被驅(qū)動(dòng)時(shí)，不可逆性旋轉(zhuǎn)器允許光從單端口傳播到該對(duì)端口，并防止光在該對(duì)端口和單端口之間發(fā)生耦合。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶隔離的偏振光束分束器/合束器，其中第一偏振光束分束器元件和第二與偏振相關(guān)的光束轉(zhuǎn)向裝置包括第一和第二雙折射元件。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的帶隔離的偏振光束分束器/合束器，其中第一和第二雙折射元件位于物空間或者像空間。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的帶隔離的偏振光束分束器/合束器，其中不可逆性旋轉(zhuǎn)器包括法拉第旋轉(zhuǎn)器。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的帶隔離的偏振光束分束器/合束器，其中不可逆性旋轉(zhuǎn)器進(jìn)一步包括一半波片。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的帶隔離的偏振光束分束器/合束器，其中第一雙折射元件和第二雙折射元件都有旋轉(zhuǎn)軸，旋轉(zhuǎn)軸相互之間取向基本平行或者反向平行。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的帶隔離的偏振光束分束器/合束器，其中第一雙折射元件和第二雙折射元件都有旋轉(zhuǎn)軸，旋轉(zhuǎn)軸相互之間取向基本成45°，并且法拉第旋轉(zhuǎn)器提供45°旋轉(zhuǎn)。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的帶隔離的偏振光束分束器/合束器，其中不可逆性旋轉(zhuǎn)器包括至少一對(duì)非球面透鏡，用于準(zhǔn)直從第一雙折射元件到旋轉(zhuǎn)器的光束，以及用于聚焦發(fā)射到第二雙折射元件的光束。
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的帶隔離的偏振光束分束器/合束器，其中第一雙折射元件有一o光線(xiàn)光路和一e光線(xiàn)光路，第二雙折射元件有一e光線(xiàn)光路和一o光線(xiàn)光路，以使第二雙折射元件的e-光線(xiàn)光路與第一雙折射元件的o-光線(xiàn)光路光學(xué)耦合，并且第二雙折射元件的o-光線(xiàn)光路與第一雙折射元件的e-光線(xiàn)光路光學(xué)耦合，以及其中通過(guò)第一雙折射元件和第二雙折射元件的兩正交偏振光束的不同光路具有基本上相同的光程長(zhǎng)度。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的帶隔離的偏振光束分束器/合束器，進(jìn)一步包括一第三雙折射元件和一位于第二雙折射元件和第三雙折射元件之間的第二不可逆性旋轉(zhuǎn)器。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的帶隔離的偏振光束分束器/合束器，其中第一、第二和第三雙折射元件之一的光程長(zhǎng)度等于第一、第二和第三雙折射元件中另外兩個(gè)的總光程長(zhǎng)度。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶隔離的偏振光束分束器/合束器，其中第一偏振光束分束器元件包括一雙折射分束器，以及第二與偏振相關(guān)的光束轉(zhuǎn)向裝置包括一對(duì)有平行楔形表面的雙折射元件。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的帶隔離的偏振光束分束器/合束器，其中不可逆性旋轉(zhuǎn)器位于該對(duì)雙折射元件之間。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的帶隔離的偏振光束分束器/合束器，其中該對(duì)空間隔開(kāi)的端口在輸入透鏡軸的周?chē)鷮?duì)稱(chēng)設(shè)置，用來(lái)以相等且相反的角度發(fā)射正交偏振的準(zhǔn)直光束到第一雙折射元件對(duì)中和用來(lái)接收正交偏振的聚焦光束。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的帶隔離的偏振光束分束器/合束器，進(jìn)一步包括一透鏡，其被光學(xué)耦合到單端口，用于準(zhǔn)直發(fā)射到該分束器/合束器的光束，或者用于聚焦從該分束器/合束器輸出的合成光束。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的帶隔離的偏振光束分束器/合束器，其中該對(duì)雙折射元件中的每一個(gè)雙折射元件都有一光軸，且相互正交設(shè)置。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的帶隔離的偏振光束分束器/合束器，其中設(shè)置的不可逆性旋轉(zhuǎn)器包括一法拉第旋轉(zhuǎn)器和一半波片，以在傳輸方向上提供0°旋轉(zhuǎn)和在隔離方向上提供90°旋轉(zhuǎn)。
18.根據(jù)權(quán)利要求15所述的帶隔離的偏振光束分束器/合束器，其中該對(duì)雙折射元件中的每一個(gè)雙折射元件都有一光軸，且相互反向平行設(shè)置。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的帶隔離的偏振光束分束器/合束器，其中設(shè)置的不可逆性旋轉(zhuǎn)器包括一法拉第旋轉(zhuǎn)器和一半波片，以在傳輸方向上提供90°旋轉(zhuǎn)和在隔離方向上提供0°旋轉(zhuǎn)。
全文摘要
一帶隔離的偏振分束器/合束器,用于把不同輸入的光組合到一公共端口或把一束光分成正交偏振光。在兩種操作模式下其提供防止光在反方向上傳輸?shù)母綦x。作為分束器,一束光通過(guò)雙折射材料被分成正交偏振的子光束,且每一子光束被通過(guò)不可逆性偏振旋轉(zhuǎn)器以旋轉(zhuǎn)偏振方向,從而使反射光束或其它反向傳播的光不能沿相同的路徑通過(guò)雙折射材料返回光源。作為合束器,具有已知的正交偏振的兩分開(kāi)光束被發(fā)射到第一雙折射材料中,然后通過(guò)一不可逆性偏振旋轉(zhuǎn)器,接著被作為正交偏振合成到一單輸出端口。
文檔編號(hào)G02B6/34GK1365011SQ0112594
公開(kāi)日2002年8月21日 申請(qǐng)日期2001年7月13日 優(yōu)先權(quán)日2000年7月14日
發(fā)明者岡扎隆·威爾斯, 皮埃爾·D·威爾, ?？藨? 金方宏, 王興隆 申請(qǐng)人:Jds尤尼費(fèi)斯公司