CN1399151A - 光环形器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种光环形器，包括许多端口，一个非可逆旋转器，一个以至少一块双折射晶体形式存在的光束偏移器，一个偏振旋片，一个反射器。这些端口被准直到器件的一端，而反射器则被固定在另一端。第一和第二个透镜与反射镜一起在端口间提供有效的耦合。光束偏移器件在将所需要的其它光学元件的体积减小到最小的同时，其所提供的必要光束位移使光束连续端口进行转换。

Description

光环形器

技术领域

本发明涉及到应用于光学通讯***中的光环形器。

背景技术

光环形器是种无源，非可逆器件，该器件将光朝着在多个输入/输出光端口中的一个方向传播。例如，发射到第一光端口的光会被传播到第二光端口，而发射到第二光端口的光则被传播到第三光端口。总之，光是不会被从第二光端口传到第一光端口，像这样的反向传播是不充许的。

已经有几种类型的光环行器被开发研制出来。总的来说，包括了偏振分束器，非可逆旋转器如法拉第旋转器，和如半波片的可逆旋转器的设计则是一些更为成功的设计。

由程(Cheng)提出的并在美国第5,991,076号专利申请的设计实例就是一个典型的成功实例，在此引介参考。由程(Cheng)所发明的器件是一种带有两组完全相同的光学元件的偏振无关的三端口光环形器，这两组完全相同的元件被固定在一对准直透镜/聚焦透镜的任意一边。每一组的元件包括一个以第一块双折射晶体形式存在的偏振分束器，并且此分束器被用来将一束发射到第一端口的入射光分割成两束相互垂直的偏振子光束，此组元件还包括至少一个使两束偏振子光束平行的半波片，一个法拉第旋转器，和以第二块双折射晶体形式存在的光束偏移器件，这些器件用来将发射于第一端口的光传播到第二端口，并将来自第二端口的光导入第三端口，其中第一和第三端口在器件的一边，而第二端口在器件的另一边。

这种设计将昂贵的光学器件如双折射晶体的体积减到最小，而且在端口间提供了最佳耦合，这些都是该设计的优势所在。不过，这种对称设计也有其不足之处，那就是需要花费很多时间来准直，况且制造三个端口以上的器件难度很大，还需要许多昂贵的光学元件。例如，一个典型的设计就需要两个偏振分束器，两套可逆旋转器，两个非可逆旋转器以及两个光束偏移器件。

在此结合美国第5,930,422号专利为参考，程(Cheng)公开的反射光环形器就采用了美国第5,991,076号专利中所发明的近一半的光学元件。特别是，光环形器运用了一个偏振分束器，一个法拉第旋转器，一个光束偏移器件，一个透镜和一个反射器。单个透镜被用作光束转向器而不是一个准直/聚焦部件。因此，反射光以非零入射角入射到光环形器件上，这是很不利的。而且，要获得最佳的光学耦合，这里公开的光环形器需要相当精确并且耗时的准直。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种克服上述局限的光环形器。

本发明的另一个目的是提供一种能被折叠的小体积光环形器。

此发明涉及一种包括了一片非可逆旋转器，光束偏移器件，第一个和第二个透镜，一个偏振旋转器和一个反射器的具有反射性能的光环形器。光环形器的输入/输出端口会先后被准直到器件的一端，而反射器则被放入另一端。和反射器一起，第一和第二个透镜在输入和输出端之间将提供有效的耦合。更为特别的是，第一和第二透镜提供一个成像***，其中反射镜是在输入/输出端口的成像平面内，这样，发射到反射器的光就沿着几乎完全相同的光路被直接反射回来。光束偏移器件在将所需要的其它光学元件的体积减小到最小的同时，提供使光束在连续端口进行转换必要的偏移，更值行注意的是，光束偏移出现在向前和向后的一个传播方向上。

根据本发明，提供一种具有用来将来自第一端口的光发射到第二端口，将来自第二端口的光循环地发射到第三端口的第一、第二、第三端口的光环形器，该光环形器包括：

第一个偏振装置，该装置用来将发射于第一和第二端口其中一个端口的光转换进入具有一个预定偏振的光束内。

光束偏移装置，用来接收带有预定偏振的光束以及提供一个光束位移，但是相对于一个光束的偏振态，实际上没有光束位移。

第二个偏振装置，用来旋转发射于光束偏移装置光束的偏振。

反射装置，用来将发射于第二个偏振装置的光束沿着几乎完全相同的光路反射回去。

成像装置，用来对第一、第二、第三端口以及反射装置进行光耦合，该成像装置大致在第一、第二和第三端口有一个焦平面，在反射装置处有第二个焦平面。

例如，在一个实施例中，第一个偏振装置包括一个至少带有一个用来将发射于其中一个输入端口的光转化为偏振光的双折射晶体的偏振分束单元。在另一个实施例中，偏振光具有许多偏振保持波导或一个线型偏光器。这些包括一个偏振分束单元的实施例对偏振并不敏感，这也是这些实施例的优势之处。

根据本发明，所发明的光环形器包括：

多个端口，包括用来发射在向前方向传播的第一光束的第一个端口，用来接收向后方向传播的第一光束以及发射向前传播方向内的第二束光的第二端口，用来接收向后传播方向内的第二束光的第三端口，第一端口与第二端口，第二端口与第三端口间的距离都为d；

被光耦合到这些端口中的一个反射器，用来改变向前方向和向后方向传播中的第一和第二束光。

光学地固定在多个端口和反射器间的非可逆旋转器，用来以预定角度对向前和向后方向传播中的第一和第二光束的偏振进行旋转。

光学地固定在多个端口和反射器间的光束偏移器件，用来根据其偏振状态为在其中一个向前和向后传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。

光学地固定在光束偏移器和反射器间的偏振旋转器，用来对向前和向后传播方向间的第一和第二光束的偏振进行旋转；以及

成像装置，用来对第一和第二光束进行准直和聚焦。

根据本发明，所发明的光环形器包括：

置于第一端的许多端口；

置于被光学耦合到许多端口的第二端的反射器；

被光耦合到许多端口和反射器的偏振分集装置，用来将发射于多个端口中的一个端口的光分成两束向前传播且垂直的偏振子光束，将向后方向传播的两束垂直偏振子光束结合成一束光；

一个被光耦合到偏振分集装置的非可逆旋转器，用来旋转以预定角度发射的每条向前和向后方向传播的子光束的偏振。

被光耦合到非可逆旋转器的光束偏移装置，用来给和偏振有关的每条向前和向后传播的子光束提供一个光束位移；

一个被光耦合到光束偏移元件的偏振旋转器，用来旋转每条向前和向后传播的子光束的偏振，这样，这些向前和向后传播的子光束中只有一条发生光束位移；和

被光耦合到多个端口和反射器的成像装置，该装置大致在多个端口处具有第一个焦平面，在反射处有第一个焦平面。

附图说明

现在，结合图示对所举实施例进行描述，在这些图示中：

图1a是根据本发明的一个实施例的侧视示意图；

图1b是图1a中所示光环形器的俯视图；

图1c是图1a中所示光环形器的工作原理图；

图2a是根据本发明的另一实施例的侧视示意图；

图2b是图2a中所示光环形器的俯视图；

图2c是图2a中所示光环形器的工作原理图；

图3a是根据本发明的另一实施例的侧视示意图；

图3b是图3a中所示光环形器的俯视图；

图3c是图3a中所示光环形器的工作原理图；

图4a是根据本发明光环形器的另一实施例的侧视示意图；

图4b是图4a中所示光环形器的俯视图；

图4c是图4a中所示光环形器的工作原理图；

图5a是根据本发明光环形器的另一实施例的侧视示意图；

图5b是图5a中所示光环形器的俯视图；

图5c是图5a中所示光环形器的工作原理图；

图6还是根据本发明光环形器的另一实施例的侧视示意图；

具体实施方式

回到图1a和1b，图中所示的是根据本发明的一个实施例的光环形器。光环形器100包括一个套管110，用来装入许多的光学波导，为了方便起见，用图111示第一根光纤，112示第二根光纤，113示第三根光纤，114示第四根光纤。每一根都有是热扩芯光纤。每一根光纤111，112，113，114都被光耦合到以双折射晶体形式的第一个偏振分束器上，此分束器将发射于111，112，113，114的其中一根光纤的光束分成第一和第二束带有垂直偏振态的子光束。所设置的一个可逆偏振单元130用来确保两束子光束有着相同的偏振态。例如，在这一实施例中，可逆偏振单元130包括第一半波片132和第二半波片134，这两个半波片方向相互垂直，并且用来将每束子光束的偏振分别旋转-45°和+45°。或者，可逆偏振单元130包括一个间隔物(没有图示)和一个半波片(没有图示)，用来分别给每束子光束的偏振旋转0°和90°。第一块双折射晶体120被光耦合到非可逆偏振旋转器140，如法拉第旋转器，该旋转器用来给两束子光束都旋转约45°的偏振态。非可逆偏振旋转器140被光耦合到第二块双折射晶体150。第二块双折射晶体150的离散(walk-off)方向(也就是偏离方向)与一条直线平行，该直线与光纤111，112，113，114的光纤纤端头重合。第一块双折射晶体120的离散方向相对于第二块双折射晶体150的离散方向大约为90°或-90°。第二块双折射晶体150给通过该晶体并依赖于光的偏振态的每束子光束提供一个光束位移。更为可取的是第一块双折射晶体120和第二块双折射晶体150是金红石，钒酸钇，氟化镁，石英，铌酸锂或者方解石晶体。至少部分的反射表面190，如镜子，是用来将从光纤111，112，113和114出来的光在向前方向传播转变为向后方向传播并传向光纤111，112，113和114，而所提供的偏振旋转器180，如四分之一波片，或第二个法拉第旋转器，是用来转换向前和向后传播光之间的垂直偏振态。为了方便，可选择地将反射表面190镀在偏振旋转器180上。所设的大致在光纤111，112，113和114处带有一个焦平面的第一个透镜160和大致在镜子190处带有一个焦平面的第二透镜170用来聚焦和准直所通过的每一束子光束。如自聚焦(GRIN)透镜，球形透镜和非球形透镜都适合用来提供必要的准直和聚焦效果。更为特别的是，第一个透镜160和第二个透镜170产生一个成像***，其中光纤111，112，113和114的端头被成像到成像平面上，该成像平面与镜子190重合。可选择地，第一个透镜160和第二个透镜170的放大倍率会不同，不过，最好是第一个透镜160和第二个透镜170会产生一对一的光学排列或成像***。

图1c，器件的工作原理在此得到详细的描述。从第一根光纤111出射的光通过第一块双折射晶体120，通过晶体120的第一束子光束就是相应的O光(寻常光)，并给第二束子光束提供了一个空间位移，该子光束就是相应的E光(非寻常光)，如B.2中所示。与非寻常光相应的子光束通过半波片132时，非寻常光的偏振被旋转了+45°，而与寻常光相应的子光束通过半波片134时，寻常光的偏振被旋转了-45°，如C.3所示。如D.4所示，每束子光束通过法拉第旋转器140，并且其偏振态在此被旋转约45°。由于第二块双折射晶体150以可以通过带有如D.4所示的偏振光束来取向，那么，每一束通过第二块双折射晶体150，透镜160和170的子光束就不会产生实质变化或位移。每一束通过四分之一波片180的子光束在波片180处被圆偏振，并被镜子190反射，这样，这些子光束就再次通过四分之一波片。这两次通过的纯效果就是两束子光束的偏振态被旋转90°，如F.7所示。每束子光束通过第二个透镜170和第一个透镜160并入射到第二块双折射晶体150上由于每一束子光束的偏振态被四分之一波片180旋转90°，这些子光束就沿着偏振分束器150的非寻常光路传播，这样就获得了取决于晶体150长度的光束位移。为了方便起见，第二块双折射晶体150的长度经过选择使得每束子光束的偏移距离大致等于第一根光纤111和第二根光纤112间的距离，如D.9所示。例如，约125μm的光束位移通常是方便的。每一束子光束通过法拉第旋转器140，可逆偏振单元130，最后通过第一块双折射晶体时，被结合起来而且输出第二根光纤112。同样地，从第二根光纤112出射的输入光学信号被耦合进入第三根光纤113，从第三根光纤113出射的输入光学信号被耦合进入第四根光纤114。

图2a和2b中所示的是根据本发明的另一个可替换实施例。在这一实施例中，部件210，211，212，213，214，230，240，250，260，270，280，和290实施例与上述的部件110，111，112，113，114，130，140，150，160，170，180，和190相似。但是，在这一实施例中，第一块双折射片222，可逆旋转器224和第二块双折射片226的取向与第一块双折射片222相反，第一块双折射片222，可逆旋转器224和第二块双折射片226提供的是两束垂直偏振子光束，而不是如图1a和1b所示双折射晶体120。更为特别的是，第一片双折射片222和第二片双折射片226取向相反，这样它们相应的离散方向就为180°。为了方便起见，第一片双折射片222和第二片双折射片226的离散方向相对于第二块双折射晶体250的离散方向为90°，而第二块双折射晶体250的离散方向与一条直线平行，该直线与光纤211，212，213和214的端头重合。更为可取的是，可逆旋转器224是一个半波片，用来将每一束子光束的偏振态各旋转约90°。可选择地，套管210，第一个自聚焦透镜260和第二个自聚焦透镜270形成有倾斜面以减少回射。再者所提供的可选择的带预定折射率的间隔物295用来维持光束的准直。在此实施例中，由于O光和E光间的光路长几乎完全相等，偏振模式散射(PWD)就被大大地减少。

图2c，器件的工作原理在此得到更为详细的描述。从第一根光纤211出射的光通过第一块双折射晶体片222，通过晶体片222的第一束子光束相应于0光(寻常光)，而第二束子光束则经历一个空间离散，该子光束相应于E光(非寻常光)，如B.2中所示。分别如C.3和D.4所示，每束子光束先后都通过了半波片224和第二双折射片226，并且每束子光束的偏振态在半波片处被旋转了90°，而第一束子光束在第二双折射片226经历了一个相反方向的空间离散，第二束子光束则直接通过第二片双折射片226。如E.5所示，第一束子光束通过了半波片234时其偏振态在半波片处被旋转了+45°，而第二束子光束通过了半波片232时其偏振态在半波片处被旋转了-45°。每束子光束通过法拉第旋片240时，其偏振态被旋转了约45°，如F.6所示。由于双折射晶体250取向为通过带有如F.6所示的偏振态的光束，那么，通过第二块双折射晶体250，透镜260和透镜270的每束子光束就不会有实质的改变。每一束通过四分之一波片280的子光束在波片280处被圆偏振，并被镜子290反射，这样，这些子光束就再次通过四分之一波片280。如G.8所示，所产生净效果就是第一和第二束子光束中每个的偏振态都被旋转90°。每束子光束通过第二个透镜270和第一个透镜260并入射到第二块双折射晶体250上。由于每一束子光束的偏振态被四分之一波片280旋转90°，每个子光束就沿着双折射晶体250的非寻常光路传播，这样就得到了取决于晶体250长度的光束位移。

为了方便起见，第二块双折射晶体250的长度经过选择，使得每束子光束的的偏移距离大致等于第一根光纤211和第二根光纤212间的距离，如F.9所示。例如，约125μm的光束位移通常是典型的。每一束子光束通过法拉第旋转器240，可逆偏振单元230，最后通过第二块双折射片226，可逆旋转器224和第一块双折射片222，并在第一块双折射片处被结合起来而且输出第二根光纤212。同样地，从第二根光纤212出射的输入光学信号被耦合进入第三根光纤213，从第三根光纤213出射的输入光学信号被耦合进入第四根光纤214。

图3a和3b中所示的是根据本发明光环形器的另一个实施例。在这一实施例中，部件310，311，312，313，314，330，340，350，360，370，380，和390与上述相对于图1a和1b的部件110，111，112，113，114，130，140，150，160，170，180和190相似。但是，在这一实施例中，第一块双折射片321，第二块双折射片323的取向与第一块双折射片321相互垂直，这样产生了两束垂直偏振子光束，而不是如图1a和1b所示双折射晶体120。更为特别的是，第一块双折射片321的离散方向与第二块双折射片的离散方向垂直。第一块双折射片321和第二块双折射片323的离散方向相对于第二块双折射晶体350的离散方向为一个45°角，而第二块双折射晶体350的离散方向与一条直线平行，该直线与光纤311，312，313和314的每个端头重合。在该实施例中，可逆偏振单元330包括半波片332和玻璃间隔物334。更为可取的是，玻璃间隔物334的折射率与半波片332的折射率相同。可选择地，套管310，第一个自聚焦透镜360和第二个自聚焦透镜370形成有倾斜面以减少回射。再者，设有选择好的间隔物395。在此实施例中，由于O光和E光间的光路长几乎完全相等，偏振模式散射(PWD)就被大大地减少。

参考图3c，器件的工作原理在此得到进一步地详细描述。从第一根光纤311出射的光通过双折射片321，第一束子光束在双折射片321处沿第一个方向产生离散，而第二束子光束则直接通过双折射片，如B.2所示。如C.3所示，当第一和第二束子光束通过第二块双折射片323时，第一子光束会直接通过而第二束子光束则会在第二个方向即与第一方向垂直的方向产生离散。如D.4所示，第一束子光束通过半波片132时其偏振被旋转了90°，而第二束子光束通过间隔物134时，它的偏振没有被旋转。如E.5所示，每束子光束通过法拉第旋转器340，并且其偏振态在此被旋转约45°。由于第二块双折射晶体350以通过带有如E.5所示的偏振光束来取向，那么，每一束通过第二块双折射晶体350，透镜360和370的子光束就几乎不会发生实质变化。每一束通过四分之一波片380的子光束在波片380处被圆偏振，并被镜子390反射，这样，这些子光束就再次通过四分之一波片380。如F.7所示，所产生净效果就是第一和第二束子光束的中的每个偏振态被旋转90°。每束子光束通过第二个透镜370和第一个透镜360并入射到第二块双折射晶体350上。由于每一束子光束的偏振态被四分之一波片380旋转90°，这些子光束就沿着双折射晶体350的非寻常光路传播，这样就得到了取决于晶体350长度的光束位移。为了方便起见，第二块双折射晶体350的长度经过选择，使得每束子光束的的偏移距离大致等于第一根光纤311和第二根光纤312间的距离。更得注意的是，由第一片双折射片321和第二片双折射片323产生的空间位移并没有必要与由第二块双折射晶体350产生的光束位移相对应，而且第一块双折射片321和第二块双折射片323最好是相同的。例如，约125μm的光束位移典型地通常由第二块双折射晶体产生的，而由第一块双折射片321和第二块双折射片323产生的空间位移范围从100 to 400μm之间。每一束子光束通过法拉第旋转器340，可逆偏振单元330，最后通过第一块双折射片32 1和第二块双折射片323，在第一块双折射片321和第二块双折射片323处将子光束结合起来并且输出第二根光纤112。同样地，从第二根光纤312出射的输入光学信号被耦合进入第三根光纤313，从第三根光纤313出射的输入光学信号被耦合进入第四根光纤314。

图4a和4b中所示的是根据本发明光环形器的另一个实施例。在这一实施例中，部件410，411，412，413，414，440，460，470，480，和490与上述相对于图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，在这一实施例中，第一块双折射片421，第二块双折射片423取向为与第一块双折射片421相互垂直，这样产生了两束垂直偏振子光束，而不是如图1a和1b所示双折射晶体120。类似地，第一块双折射晶体452和第二块双折射晶体454代替了如图1a和1b所示的双折射晶体150。更为可取的是，第一块双折射晶体片421和第二块双折射晶体片423的离散方向相互垂直，第一块双折射晶体452和第二块双折射晶体454的离散方向相向，第一块双折射晶体片421和第二块双折射晶体片423的离散方向与第一块双折射晶体452和第二块双折射晶体454的离散方向成45°或135°角。可选择地，套管410，第一个自聚焦透镜460和第二个自聚焦透470形成有倾斜面以减少回射。再者，设有可选择的间隔物495。在此实施例中，由于O光和E光间的光路长几乎完全相等，偏振模式散射(PWD)就被大大地减少。这一实施例还排除了使用可逆偏振单元(如图3a和3b中所示的330)的需要，这也是该装置的一大优势。

图4c，器件的工作原理在此得到进一步地详细描述。从第一根光纤411出射的光通过一个双折射片421，第一束子光束在双折射片421处沿第一个方向产生离散，而第二束子光束则直接通过双折射片，如B.2所示。如C.3所示，当第一和第二束子光束通过正交取向的第二块双折射片323时，第一子光束会直接通过而第二束子光束则会在与第一方向垂直的第二个方向产生离散。如D.4所示，每束子光束通过了法拉第旋片440，它的偏振态在法拉第旋片处被旋转了约45°。如图E.5所示，第一束子光束通过第一块双折射晶体452，它的离散在第三个方向，而第二束子光束通过第二块双折射晶体454，其是直接通过该双折射晶体，实质上并没有发生离散现象。每一束子光束通过四分之一波片480，在波片480处被圆偏振，并被镜子490反射，这样，这些子光束就再次通过四分之一波片480。如E.6所示，所产生净效果就是第一和第二束子光束中的每个在通过第二透镜470和第一透镜460前，其偏振态都被旋转90°。由于每一束子光束的偏振态被四分之一波片480旋转90°，第一束子光束直接通过第一块双折射晶体452，而第二块双折射晶体454对第二束子光束在第三个方向产生了离散，如D.7。每一束子光束通过法拉第旋转器440，第一块双折射片42 1，和第二块双折射片423，在第二块双折射片423将这些子光束结合起来而且输出第二根光纤412。同样地，从第二根光纤412出射的输入光学信号被耦合进入第三根光纤413，从第三根光纤413出射的输入光学信号被耦合进入第四根光纤414。

在此所述的四种实施例的每个中，第一块双折射晶体(120)或晶体对(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发明范围内。如，一个线性偏振器(没有示出)或偏振保持光纤都会提供带有预定偏振的光束。

图5a和5b所示的是根据本发明的第五个实施例，其中光环形器500包括一个用来装第一、第二、第三和第四根偏振保持(PM)光纤511，512，513，514的套管510。可选择地，每一根光纤有一个热扩芯。每一根光纤511，512，513，514被光耦合到非可逆偏振旋转器540，如法拉第旋转器，用来将发射于第一根光纤511的偏振光束的偏振态旋转的45°。非可逆偏振旋转器540被光耦合到一个双折射晶体550，这样，依赖于光束的偏振态，就给所通过的每一束光提提供了一个光束位移，至少设有部分反射表面590，如镜子，用来将从光纤511，512，513和514出来的光在向前方向的传播转变为向后方向的传播并传向光纤511，512，513和514，并设有偏振旋转器580，如四分之一波片，或第一个法拉第旋转器，是用来旋转向前和向后传播光的垂直偏振态之间的偏振。大致在光纤511，512，513，和514处有一个焦平面的第一个透镜560和大致在镜子590处有一个焦平面的第二个透镜570，用来聚焦和准直所通过的每一束光束。例如，自聚焦透镜，球形透镜，非球透镜都适用于提供必要的准直和聚焦效果。更为特别的是，第一个透镜560和第二个透镜570产生一个成像***，其中光纤511，512，513和114的端头被成像到成像平面上，该成像平面与镜子590重合。可选地，第一个透镜560和第二个透镜570的放大倍率会不同，不过，最好是第一个透镜560和第二个透镜570会产生一对一的光学排列或成像***。

参考图5c，器件的工作原理在此得到进一步地详细描述。发射于第一根PM光纤511的一束偏振光束通过法拉第旋片540时，其偏振态被旋转了约45°，如B.2所示。由于双折射晶体550的取向是以通过带有如B.2所示的偏振态的光束，那么，通过双折射晶体550的光束就不会有实质的改变或位移。光束通过透镜560和透镜570和四分之一波片580时被圆偏振，并被镜子590反射，这样，这一光束就再次通过四分之一波片580。如D.5所示，两次通过所产生净效果就是光束的偏振态被旋转90°。光束再次通过第二个透镜570和第一个透镜560并入射到双折射晶体550上。由于每一光束的偏振态被四分之一波片580旋转90°，这些光束就沿着偏振分束器550的非寻常光路在返回光路中传播，这样就得到了取决于晶体550长度的光束位移。为了方便起见，双折射晶体550的长度和取向经过选择，这样，向后传播的光束就与第二根光纤512准直，如B.7所示。例如，约125μm的位移通常是方便的。光束随后通过法拉第旋转器540，并被第二PM光纤512输出。同样地，从第二根PM光纤512出射的输入光学信号被耦合进入第三根PM光纤513，从第三根PM光纤513出射的输入光学信号被耦合进入第四根PM光纤514。

上述实施例所示的反射设计需要只有一个法拉第旋片和一个光束偏移双折射晶体材料，这是该设计的一大优势。这与现有的美国第5,991,076号专利中所述的不同，该专利中的设计需要两个法拉第旋片和两个光束偏移双折射晶体材料。在用料上的减少说明了器件体积的减小，同是也大减少了整个器件的材料开支。

此外，由于无论输入光束在透镜上的位置如何，每一束输入光束都回到同一个平面，这样双透镜排列提供了改进的准直范围。更为特别的是，双透镜排列提供了一个反射(retro-reflective)***，即，反射回路基本与镜子上的入射光路相同。因此，准直期间元件的微小移动并不会引起大的未准直错误。这与现有美国第5,991,076号和5,930,422号专利中所述的情况不同，在这两个专利中，如果光学元件被环氧胶固定在位置上，即使是一个微小的未准直失误也会引起边缘位移误差。根据本发明的光环形器，在最后装配中通过调节反射器就可以很容易的调节光环形器，这是本发明的一大优势。

再者，通过两个透镜的反射排列减小了光环形器所要求的体积。而且，本发明中的三端口，四端口或更多端口的非可逆光环形器很容易制造。

在未脱离本发明的精神范围下，还有有许多其它实施例。如，虽然第一和第二透镜被光学地放入多个光纤和反射镜间，但也没有必要像图1a，1b，1c到图5a，5b，和5c中那样排列。图6中所示是根据本发明的光环形器的另一个实施例，其中光束偏移双折射晶体650被固定在第二个透镜670和四分之一波片680之间。更值得注意的是，此实施例中，第一个透镜660与光纤611，612，613，614之间的距离基本等于第二透镜670与反射镜690间的距离。而且，此实施例大大地缩短了光纤611，612，613，614与第一个透镜660间的距离。更为可取的是，偏振分束器620，可逆偏振单元630，非可逆偏振旋转器640，第二块双折射晶体650和偏振旋转器680中的任一个被放置于物体和成像空间中的一个中，而不是在准直空间中。当然，只更在本发明的范围内，其它排列也是可能的。

Claims (24)

1.一种带有第一、第二、第三端口，用来将光循环地从第一端口传输到第二端口，从第二端口传输到第三端口的光环形器，包括：

第一个偏振装置，用来将来自第一和第二端口之一的光转换成具有一个预定偏振的光束；

光束偏移装置，用来接收该带有预定偏振的光束，并根据该光束的偏振态提供一个光束位移，或基本上不提供光束位移；

第二个偏振装置，用来旋转来自光束偏移装置的光束的偏振。

反射装置，用来将来自第二个偏振装置的光束沿着几乎完全相同的光路反射回去；

成像装置，用来光耦合第一、第二、第三端口及反射装置，该成像装置大致在第一、第二和第三端口附近带有第一个焦平面，在反射装置附近带有第二个焦平面。

2.根据权利要求1所述的光环形器，其中第一个偏振装置包括一个非可逆的旋转器。

3.根据权利要求2所述的光环形器，其中非可逆旋转器包括一个法拉第旋转器。

4.根据权利要求1所述的光环形器，其中光束偏移装置包括至少一个双折射晶体。

5.根据权利要求1所述的光环形器，其中第二个偏振装置包括一个四分之一波片和一个法拉第旋转器之一。

6.根据权利要求4所述的光环形器，其中至少一个的双折射晶体包括金红石，钒酸钇，氟化镁，石英，铌酸锂和方解石晶体之一。

7.根据权利要求1所述的光环形器，其中成像装置包括一对一成像结构的第一个和第二个透镜，每个透镜包括自聚焦透镜球形透镜，和非球形透镜之一。

8.根据权利要求1所述的光环形器，其中第一、第二、第三端口包括热扩芯光纤的端部。

9.根据权利要求1所述的光环形器，其中第一、第二、第三端口包括偏振保持光纤的端部。

10.根据权利要求1所述的光环形器，还包括至少一个间隔物，该间隔物具有预定的折射率并被光耦合到第一、第二、第三端口及反射装置，用来维持光束的准直。

11.根据权利要求3所述的光环形器，其中第一个偏振装置还包括一个用来将来自于第一和第二端口之一的光束分割成两束垂直偏振子光束以及将两束垂直偏振子光束结合成一束光的偏振分集单元。

12.根据权利要求11所述的光环形器，其中该偏振分集单元包括第一块双折射晶体，它的离散方向和至少一个双折射晶体的离散方向成预定角。

13.根据权利要求12所述的光环形器，其中偏振分集单元包括一个可逆偏振单元，用来对两束垂直偏振子光束中的至少一束进行偏振旋转，以使它们有相同的偏振态。

14.根据权利要求13所述的光环形器，其中可逆偏振单元包括一个间隔物和一个半波片。

15.根据权利要求13所述的光环形器，其中可逆偏振单元包括两个方向相反取向的半波片。

16.根据权利要求12所述的光环形器，其中偏振分集单元还包括用来使两束垂直偏振子光束的光路长度相等的第二块双折射晶体。

17.根据权利要求16所述的光环形器，其中偏振分集单元还包括一个放置于第一和第二块双折射晶体间的一个可逆旋转器。

18.根据权利要求17所述的光环形器，其中偏振分集单元还包括一个可逆偏振单元，用来对两束垂直偏振子光束中的至少一束进行偏振旋转，以使它们有相同的偏振态。

19.根据权利要求16所述的光环形器，其中偏振分集单元包括一个可逆偏振单元，用来对两束垂直偏振子光束中的至少一束进行偏振旋转，以使它们有相同的偏振态。

20.根据权利要求16所述的光环形器，其中光束偏移元件包括两个取向相反的双折射晶体，每一块用来接收不同的子光束。

21.一种光环形器，包括：

多个端口，包括用来发射向前方传播的第一光束的第一个端口，用来接收向后方传播的第一光束以及发射向前方传播的第二光束的第二端口，用来接收向后方间传播的第二束光的第三端口，第一端口与第二端口，及第二端口与第三端口间的距离都为d；

光耦合到这些端口中的一个反射器，用来改变向前方和向后方传播的第一和第二光束的方向；

光学设在多个端口和反射器间的非可逆旋转器，用来将向前和向后方传播中的第一和第二光束的偏振旋转一个预定的角度；

光学设在多个端口和反射器间的光束偏移器件，用来根据第一及第二光束的偏振态，给向前或向后方传播的第一和第二光束提供一个大致等于d的光束位移；

光学设在光束偏移器件和反射器间的偏振旋转器，用来对向前和向后间传播的第一和第二光束的偏振进行旋转；

成像装置，用来对第一和第二光束进行准直和聚焦。

22.一种光环形器包括

置于第一端的多个端口；

置于第二端并被光耦合到多个端口的一个反射器；

光耦合到多个端口及反射器的偏振分集装置，用来将来自多个端口之一的光分成两束向前传播且有垂直偏振的子光束，并将向后方向传播的两束垂直偏振子光束结合成一束光；

一个被光耦合到偏振分集装置的非可逆旋转器，用来将每条向前和向后方向传播的子光束的偏振旋转一个预定的角度；

一个被光耦合到非可逆旋转器的光束偏移装置，用来根据光束的偏振态对每个向前和向后方向传播的子光束提供一个光束位移；

一个被光耦合到光束偏移元件的偏振旋转器，用来旋转每条向前和向后传播的子光束的偏振，以使向前和向后传播的子光束中只有一条发生光束位移；

被光耦合到多个端口和反射器的成像装置，该装置大致在多个端口处有第一个焦平面，大致在反射器处有第二个焦平面。

23.根据权利要求22所述的光环形器，包括置于偏振分集装置和非可逆旋转器间的可逆偏振装置，用来对两束向前垂直偏振子光束中的至少一束进行偏振旋转，以使它们有相同的偏振态。

24.根据权利要求22所述的光环形器，其中成像装置包括第一个透镜和第二个透镜，并且设置每个透镜使得焦平面基本上分别在多个端口和反射器上。

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