专利名称：反射型可变衰减器和分流监视器的制作方法
技术领域：
本发明涉及光学技术。
背景技术：
光隔离器，可变光衰减器，和分流监视器(tap monitor)被用于光通信系统和光测量系统中。光隔离器允许光束以选定的方向通过器件，但是通常阻止光沿相反的方向通过器件。可变光衰减器则在可变的范围内调节从器件出射的光束和进入器件的光束之间的功率比。分流监视器则用来测量器件的进入或出射光束的功率，或测量器件中光的其他属性。
虽然已有的光学组件可提供隔离、可变衰减和分流监视，但仍希望提供改善的光学系统，该系统能提供衰减可变的隔离，和/或该系统还包括分流监视器以对系统中的光进行抽样。
发明内容
根据本发明一实施例，提供一种光学系统，其包括一具有分束器的光隔离器，一聚焦元件，一包括两个双折射光楔和一单向旋光器的组合器，一补偿器，和一反射器。光可以通过输入光纤传输进入光隔离器，并通过输出光纤从光隔离器输出。
根据本发明一实施例，一光学系统具有反射型隔离。在另一实施例中，具有可变的光学衰减和/或提供分流监视器。
根据输入光的偏振态，通过输入光纤传输进入该光学系统的光被分束器分为两束。第一光束包括具有第一偏振态的光，而第二光束包括具有第二偏振态的光。
在本发明的实施例中，所述分束器为由双折射材料制成的分离平板(walk-off plate)。在双折射材料中当第一偏振态为e-光线时，第一光束在所述双折射材料中被偏转。第二光束，o-光线，不发生偏转。
第一和第二光束传输通过聚焦元件，并向聚焦轴聚焦。在一实施例中，该聚焦元件为一透镜，如梯度折射率(GRIn)透镜。
第一和第二光束随后传输到一组合器，该组合器包括一具有第一光轴的第一双折射光楔，一单向旋光器，和一具有第二光轴的第二双折射光楔。在一些实施例中，该单向旋光器为法拉第旋光器。当第一和第二光束传输通过所述组合器时，它们的偏振态被旋转，并且被双折射光楔的表面折射。
所述第一和第二光束接着被传输通过补偿器，该补偿器被设置来改变第一和第二光束之间的相位差。根据一个实施例，该补偿器由具有快轴和慢轴的双折射材料构成，使得第一光束以比第二光束快的速度穿过补偿器。由于第一光束通过分离平板传输较长的路径而导致的第一和第二光束之间的一半相位差，在向前方向的传输中被补偿。
第一和第二光束被反射器反射。在一些实施例中，基本上全部的第一和第二光束被反射。在另外的实施例中，一个部分反射器被用来将第一和第二光束的一部分反射，而第一和第二光束的一部分被传输通过所述部分反射器。
第一和第二光束被反射的部分沿相反的方向通过该补偿器。第一和第二光束之间剩下的另一半相位差在上述传输中被补偿，使得第一和第二光束的相位关系大致与该光束间的初始相位差相同。
第一和第二光束沿反方向传输通过组合器和分离平板，使得第一和第二光束被反射的部分基本上全部通过输出光纤传输到光隔离器外部。
通过输出光纤传输进入光隔离器的光基本上在光隔离器中被吸收而不是通过输入光纤传输到光隔离器之外。在一些实施例中，通过输出光纤传输进入光隔离器的一部分光可被传输通过一个部分反射器，而通过输出光纤传输进入光隔离器的剩余部分的光被光隔离器吸收。
在一些实施例中，可改变从输入光纤传输进入光隔离器的光的衰减。例如，所述单向旋光器可以是可改变的单向旋光器。光隔离器的衰减可以通过改变旋转角度予以改变。在一些实施例中，可变的单向旋光器包括法拉第旋光器和可变的磁体。例如，其电流可变的电磁铁可用来改变旋转角度。一部分光随后被光隔离器吸收而不是通过输出光纤传输到光隔离器外部。
输入光纤和输出光纤被设置成使来自输入光纤的光可以通过输出光纤传输出去，但是从输出光纤进入的光却不能通过输入光纤传输。可以使用支撑结构来支持和/或将输入和输出光纤定位。
分离平板的特性包括其厚度和相对折射率都是可以改变的，以获得光学隔离。双折射光楔之一或两个的角度可以改变，偏振旋转角度可以改变。补偿器的厚度和相对折射率可以改变。光隔离器的部件的厚度、组成材料、间距和角度都可以改变，使得通过输入光纤进入光隔离器的光可以通过输出光纤输出，而通过输出光纤进入光隔离器的光通常不能通过输入光纤输出光隔离器。
前述一个或更多本发明实施例的细节将结合附图在下文描述。本发明的其他特征、目的和优点将从说明书和附图以及权利要求书更加清楚。
图1为光学系统的顶视图；图2为在玻璃毛细管中设置输入光纤和输出光纤的截面图；图3为表示在分离平板的一个表面上的两支输入光束和输出光束的偏振状态的截面图；图4A为一组合器的顶视图；图4B表示第一和第二光楔的光轴，以及两支输入光束在传输通过第一光楔和第二光楔时的偏振态；图5为图1所示光学系统的顶视图；图6为图1所示光学系统的侧视图，表示光通过输出端口传输进入该光学系统的光路。
图7为图1所示光学系统的侧视图，该系统被进行修改以实施分流监视；图8为图1所示光学系统的侧视图，该系统为可变衰减被进行了修改；以及图9为图1所示光学系统的侧视图，该系统为可变衰减和分流监视被进行了修改。
在不同附图中相同的附图标记表示相同的元件。
具体实施例方式
根据本发明的实施例，提供一种具有反射型隔离的光学系统。在其他实施例中，可以设置可变的光衰减和/或分流监视器。
图1表示根据本发明实施例的光学系统100的顶视图。输入光纤105和输出光纤110设置在玻璃毛细管115中。玻璃毛细管为该光纤提供结构上的支撑并将其与光学系统100的其他组件对准。图2表示玻璃毛细管115的横截面和输入光纤105与输出光纤110之间的空间关系以及分离平板120的位置。
输入光纤105被设置为将光传输入光隔离器180。输入光纤105将光传输到分离平板120。分离平板120包括各向异性的双折射晶体。如图2所示，通过光隔离器180传输给输入光纤105或从输入光纤105传出的光被传输通过分离平板120，而通过光隔离器180传输给输出光纤110或从其传出的光则不传输通过分离平板120。传输到分离平板120的光可以分为具有第一偏振态的非寻常光线(e-光线)和偏振态与e-光线垂直的寻常光线(o-光线)。o-光线不会被分离平板偏转，而e-光线以一定角度被偏转。
光隔离器180包括输入端口106和输出端口111，其中输入端口106被设置为将光传输入光隔离器180，输出端口111被设置为将光从光隔离器180传出。在某些实施例中，光隔离器180包括如玻璃毛细管115的支撑结构，输入端口106和输出端口111设置在该支撑结构中。输入端口106可设置用来接收如光纤105的输入光纤，而输出端口可设置用来接收如光纤110的输出光纤。输入端口106和输出端口111被定位成使通过输入端口106传输入光隔离器180的光中至少部分经由输出端口111从光隔离器180传出，而基本上没有通过输出端口111进入光隔离器180的光被通过输入端口106从光隔离器180传出。
再次参见图1，分离平板120将进入的光分为两分离的光束，其中第一光束121的偏振态为e-光线，而第二光束122的偏振态为o-光线。图3表示从分离平板155输出的第一光束121和第二光束122的偏振态。
再次参见图1，第一光束121和第二光束122从分离平板120传输到如梯度折射率(GRIN)透镜的透镜125。如图1所示，透镜125将第一光束121和第二光束122向xz平面上的中心线聚焦。第一光束121和第二光束122接着传输通过一个包括第一光楔130、法拉第旋光器135、第二光楔140和偏振模色散(PMD)补偿平板145的组合器。
图4A表示包括第一光楔130、法拉第旋光器135、第二光楔140和偏振模色散补偿平板145的组合器。第一光楔130和第二光楔140为锥形楔板的形式并由双折射材料构成。第一光楔130具有第一表面131和第二表面134。第二光楔140具有第一表面141和第二表面144，其中第一光楔130的第一表面131对着第二光楔140的第一表面141。根据一实施例，第一光楔130的第一表面131基本平行于第二光楔140的第一表面141。
图4B表示光通过第一光楔130、法拉第旋光器135和第二光楔140的偏振的效果。如o-光线和e-光线的光学元件的效果在美国未决的专利申请(发明名称为“去偏振器”，Wei-zhong Li，Qingdong Guo，序列号10/119,570，2002年4月9日申请)中得到详细描述，该申请的全部内容在此一并作为参考。
如图4B所示，第一光楔130的光轴为y方向，而第二光楔140的光轴为x-y方向。法拉第旋光器135被设计为使得通过法拉第旋光器135的光的偏振不论在z的正方向还是负方向都会相对于z轴正方向被旋转45°。
根据本发明的实施例，法拉第旋光器135由磁性石榴石单晶体材料构成，例如，可以使用三菱气体化学公司(Mitsubishi Gas Chemicals)提供的法拉第旋光器。其它材料也可以用作法拉第旋光器135。根据其他的实施例，除法拉第旋光器外可使用单向偏振旋光器。
第一光束121以x偏振方向作为o-光线进入光楔130。第一光束121在第一光楔130的第一表面131上被折射。当第一光束121穿过法拉第旋光器135时，其偏振方向相对于+z轴旋转了45°，其结果是处于x+y偏振状态，成为在第二光楔140中的e光线。第一光束121被第二光楔140的第一表面141折射，使其从第二光楔140中传出并向z方向正向传播。
第二光束122以y偏振方向作为e-光线进入第一光楔130。第二光束122在第一光楔130的第一表面131上被折射。当第二光束122穿过法拉第旋光器135时，其偏振方向相对于+z轴旋转了45°，导致光束以x-y的偏振方向从法拉第旋光器135出射。第二光束是第二光楔140中的o-光线。第二光束122被第二光楔140的第一表面141折射，使其从第二光楔140中传出并向z方向正向传播。
在从第二光楔140出射之后，第一和第二光束(已经在物理空间上结合成单光束，但为了说明它们各自的相位状态和偏振状态，仍将分别讨论)通过PMD补偿平板145。根据本发明的实施例，PMD补偿平板的光轴为x+y方向。第一个光束121和第二光束122都沿+z轴方向传播，并具有正交的偏振态。然而，由于第一光束121通过分离平板120传播了更长的距离，故第一光束121的相位相对于第二光束122的相位发生了移动。PMD补偿平板145被设置成，当光首先沿+z方向接着沿-z方向通过它时，可补偿上述相位移动。
PMD补偿平板145由具有“慢”轴在x-y方向而“快”轴在x+y方向的双折射材料构成。因此，第一光束121的偏振态沿着PMD补偿平板145的快轴，而第二光束122的偏振态沿PMD补偿平板145的的慢轴。给定其快轴和慢轴方向的折射率，选定PMD补偿平板145的厚度以使当第一光束和第二光束沿+z方向穿过PMD补偿平板145时，第二光束122相对于第一光束121被充分地延迟从而补偿两光束之间的一半相位差。
在沿正向穿过PMD补偿平板145后，组合的光束被反射器150反射。此组合的光束接着沿反向穿过PMD补偿平板145，在这个过程中，补偿了剩下的相位移。以反向从补偿平板145传出的第一和第二光束回到了其初始相位关系。第一光束121沿x+y方向偏振，而第二光束122沿x-y方向传播。
接着，组合的光束沿相反方向穿过第二光楔140、法拉第旋光器135和第一光楔130。第一光束121被第二光楔140的第一表面141折射。第一光束121在第二光楔140中为e-光线。第一光束121进入法拉第旋光器135，在其中光束的偏振方向相对于+z轴旋转45°。第一光束121在第一光楔130中为e-光线。它被第一光楔130的第一表面131折射，以y方向的偏振方向沿-z轴方向从第一光楔130射出。
第二光束122进入第二光楔140并被第二光楔140的第一表面141折射。第二光束122在第二光楔140中为o-光线。第二光束122进入法拉第旋光器135，在其中光束的偏振方向相对于+z轴旋转45°。第二光束122在第一光楔130中为o-光线。第二光束122被第一光楔130的第一表面131折射，以x方向的偏振沿-z轴方向从第一光楔130射出。
重新获得其初始偏振态和相位关系的第一光束121和第二光束122，以-z方向通过透镜125。第一光束121和第二光束122接着继续通过输出光纤110。
图5表示对应于图1所示顶视图的沿正向传播通过光学系统100的光的侧视图。光通过输入光纤105输入到光学系统100中。所述光被玻璃毛细管115的表面116折射。光随后传输通过分离平板120，被透镜125的表面124折射，然后通过第一光楔130、法拉第旋光器135、第二光楔140和PMD补偿平板145。
所述光被反射器150反射，之后沿-z方向穿过光学系统100，其中，所述光首先被透镜125的表面124折射，接着被玻璃毛细管115的表面116折射。如图5所示，光学系统100的组件被设置得使以正方向和反方向穿过光学系统100的光在y方向的总偏转量等于输入光纤105和输出光纤110之间在y方向的间距(separation)。
图6为光学系统100的顶视图，表示通过输出光纤110而不是输入光纤105输入到光学系统100的光的传输情况。图6说明光学系统100是如何起光隔离器作用的；亦即光沿一个方向(如，从输入光纤105进入并从输出光纤110传出)而不能沿另一个方向(如，光不能从输出光纤110进入而从输入光纤105传出)通过光学系统100。
通过输出光纤110进入光学系统100的光沿z轴正方向通过透镜125。在第一光楔130中，所述光具有e-光线的分量和o-光线的分量。在第一光楔130的第二表面131上，所述光被分为第一光束121A和第二光束122A。第一光束121A在+x方向被偏转，而第二光束122A在-x方向被偏转。通过反射器150的反射，第一光束121A进一步沿+x方向偏转，而第二光束122A进一步沿-x方向偏转。因此，第一光束121A和第二光束122A都不能通过输入端口105从光学系统100中传出。
根据某些实施例，光学系统包括光隔离器和分流监视器。图7表示一光学系统700，除了所述反射器150被一个部分反射器750替换，以及增加了光电检测器710之外，该光学系统与图1的光学系统100相似。所述光学系统700提供了光隔离器和分流监测器。光电检测器710定位在部分反射器750之后。当光束入射到部分反射器750上时，一部分光被反射而且一部分光被透射。部分反射器750可被设置为使得透射的功率与反射的功率具有已知的关系，这样通过测量透射光的功率，就可以确定反射光的功率。例如，透射光功率可以与反射光功率成比例。
根据某些实施例，光学系统包括光隔离器和可变衰减器。图8表示光学系统800，除了法拉第旋光器135被可变旋光器系统810替换以外，光学系统800与图1中的光学系统100相似。可变旋光器系统810被设置为使得光不论以z轴的正方向或反方向通过该可变旋光器系统810，其偏振方向旋转一可变的角度φ，该旋转角度可由外部参数控制(如，通过控制可变旋光器系统810的电流)。
系统810包括法拉第旋光器835。在其他实施例中，可以使用其他单向偏振旋光器。系统810包括一个电磁环820。此可变的角度φ可以通过改变由电磁环820产生的磁场强度而变化。
在图8所示的实施例中，在φ为45°时获得最大输出信号。在这种情况下，基本上全部的第一光束821和第二光束822通过输出光纤110从光学系统800传出。
在φ不为45°的情况下，在第一光束821沿+z方向通过法拉第旋光器835之后，基本上仅有第一光束821沿x+y方向的分量通过输出光纤110从光学系统800传出。与此相似，在第二光束822沿+z方向通过法拉第旋光器835之后，基本上仅有第二光束822沿x-y方向的分量通过输出光纤110从光学系统800传出。这样就在光学系统800中提供了可变的旋光器系统810，使得衰减可被改变。
根据某些实施例，提供具有可变的衰减和分流监视的光隔离器。图9表示包括光隔离器980的光学系统900的侧视图。光隔离器980包括可变的单向旋光器，如法拉第旋光器935。法拉第旋光器935通过提供可变的磁场起可变单向旋光器的作用；例如，通过提供其电流可变的电磁铁920。而且，光学系统900包括部分反射器955和光电检测器960。至少一部分沿正向通过光隔离器980的光通过部分反射器955透射，并且可利用光电检测器960检测到。通过部分反射器955透射光的属性，如光束功率、偏振态和/或相位可以被确定。
以上描述了本发明的一些实施例。然而，可以理解，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以做出很多修改。例如，可用不同于玻璃毛细管的结构来支撑和/或定位输入和输出光纤。
另外，根据其光学特性，可以使用不同的材料和厚度。例如，通过改变图1中分离平板120所用的双折射材料，第一光束的偏转可以改变。同样所述光楔/法拉第旋光器/光楔系统可以使用不同的角度。也可以使用不同于本发明实施例描述的法拉第旋光器的其他偏振方向旋转方法。光学元件的间距可以改变。输入和输出光纤的间距可以改变。光学领域的普通技术人员可以知道，可利用其光学特性和空间关系，改变光学器件和系统的类型。因此，其他实施例也在下面权利要求的范围内。
权利要求
1.一种光学装置，包括一被设置为接收光的分束器，所述光包括具有第一相位差的第一偏振态的光和第二光偏振态的光，所述分束器进一步被设置为将具有第一偏振态的光作为第一光束偏转并将具有第二光偏振态的光作为第二光束透射；一具有聚焦轴的聚焦元件，被设置为接收第一和第二光束并将第一和第二光束向聚焦轴聚焦；一具有第一光轴的第一双折射光楔，被设置为接收所述第一和第二光束；一单向旋光器，被设置为接收第一和第二光束，并将所述第一偏振态和第二偏振态进行旋转；一具有第二光轴的第二双折射光楔，被设置为接收所述第一和第二光束；一补偿器，被设置为以第一速度传输第一光束并以第二速度传输第二光束，使得当第一和第二光束从补偿元件退出时，所述第一光束和第二光束的相位差等于所述第一相位差；以及一反射器，被设置为反射至少一部分所述第一和第二光束。
2.如权利要求1所述的光学装置，其特征在于所述分束器包括双折射材料。
3.如权利要求2所述的光学装置，其特征在于所述双折射材料包括分离平板。
4.如权利要求1所述的光学装置，其特征在于所述聚焦元件包括透镜。
5.如权利要求4所述的光学装置，其特征在于所述透镜包括梯度折射率透镜。
6.如权利要求1所述的光学装置，其特征在于所述补偿元件包括双折射材料。
7.如权利要求1所述的光学装置，其特征在于所述补偿元件包括偏振模色散平板。
8.如权利要求1所述的光学装置，其特征在于所述反射器基本上反射全部的第一光束和第二光束。
9.如权利要求1所述的光学装置，其特征在于所述反射器为部分反射器，仅用来反射所述第一光束和第二光束的一部分。
10.如权利要求9所述的光学装置，进一步包括一被定位来接收从部分反射器透射的光的光电检测器。
11.如权利要求1所述的光学装置，进一步包括一用于将光传输至所述光隔离器的输入端口。
12.如权利要求11所述的光学装置，进一步包括一用于将光从所述光隔离器传出的输出端口。
13.如权利要求12所述的光学装置，其特征在于，所述输入端口和输出端口被定位使得当光通过所述输入端口传输进入所述光学装置时，至少一部分光通过所述输出端口从所述光学装置传出。
14.如权利要求12所述的光学装置，其特征在于，所述输入端口和输出端口被定位使得当光通过所述输入端口传输进入所述光学装置并被所述反射器反射时，基本上所有的由反射器反射的光通过所述输出端口从所述光学装置传出。
15.如权利要求12所述的光学装置，其特征在于，所述输入端口和输出端口被定位使得当光通过所述输出端口传输进入所述光学装置时，基本上没有光通过输入端口从所述光学装置传出。
16.如权利要求12所述的光学装置，进一步包括一支撑结构，其中所述支撑结构包括所述输入端口和所述输出端口。
17.如权利要求16所述的光学装置，其特征在于所述支撑结构包括一玻璃毛细管。
18.如权利要求1所述的光学装置，其特征在于所述单向旋光器为法拉第旋光器。
19.如权利要求18所述的光学装置，其特征在于，所述法拉第旋光器被设置为将初始偏振态的光的偏振方向旋转45°。
20.如权利要求1所述的光学装置，其特征在于所述单向旋光器为可变旋光器，用来改变所述光学装置的衰减。
21.如权利要求1所述的光学装置，其特征在于所述可变旋光器包括法拉第旋光器和磁体。
22.如权利要求21所述的光学装置，其特征在于所述磁体为电磁铁。
23.如权利要求22所述的光学装置，其特征在于所述可变旋光器被设置为将初始偏振态的光的偏振方向旋转一个角度。
24.如权利要求22所述的光学装置，其特征在于通过改变提供给所述电磁铁的电流而改变所述角度。
25.一种光隔离的方法，包括通过输入端口提供光给光隔离器；将光分为具有第一偏振态的第一光束和具有第二偏振态的第二光束，所述第一光束和第二光束具有第一相位差；将所述第一光束和第二光束向聚焦轴聚焦；将所述第一光束和第二光束的偏振方向旋转一个旋转角度；将所述第一光束和第二光束沿正方向传输通过一个补偿平板，其中所述第一光束以第一速度通过补偿平板，而第二光束以第二速度通过补偿平板；反射至少一部分所述第一光束和第二光束；将所述第一光束和第二光束沿反方向传输通过所述补偿平板；将所述第一光束和第二光束的偏振方向旋转所述旋转角度；并且通过输出端口将所述第一光束和第二光束从所述光隔离器传出。
26.如权利要求25所述的方法，其特征在于所述旋转角度为45°。
27.如权利要求25所述的方法，其特征在于，进一步包括改变所述旋转角度。
28.如权利要求27所述的方法，其特征在于，改变所述旋转角度包括改变提供给电磁铁的电流。
29.如权利要求25所述的方法，其特征在于所述旋转通过法拉第旋光器实施。
30.如权利要求25所述的方法，其特征在于一部分所述第一和第二光束作为透射光束通过部分反射器传出。
31.如权利要求30所述的方法，进一步包括监视所述透射光束的特性。
32.如权利要求31所述的方法，其特征在于，所述监视进一步包括利用光电检测器检测所述至少一部分所述透射光束。
33.如权利要求31所述的方法，其特征在于所述特性为功率。
34.如权利要求25所述的方法，其特征在于在所述第一光束和第二光束以反方向穿过所述补偿平板之后，所述第一光束和第二光束间的相位差等于所述第一相位差。
35.如权利要求25所述的方法，进一步包括将光通过所述输出端口传输进入所述光隔离器。
36.如权利要求35所述的方法，进一步包括在所述光隔离器中基本上吸收全部的通过所述输出端口传输进入所述光隔离器的光。
37.如权利要求35所述的方法，进一步包括将至少一部分通过输出端口传输进入所述光隔离器的光传输通过一个部分反射器。
38.如权利要求25所述的方法，进一步包括将基本上全部的通过所述输入端口传输进入光隔离器的光通过输出端口传出所述光隔离器。
39.如权利要求25所述的方法，进一步包括在所述光隔离器中吸收通过所述输入端口传输进入光隔离器的光的一定衰减量。
40.如权利要求39所述的方法，进一步包括改变所述衰减量。
41.如权利要求40所述的方法，其特征在于改变所述衰减量包括改变所述旋转角度。
全文摘要
一种提供反射型隔离并可包括可变光衰减和/或分流监视器的光学系统。该光学系统可以包括一带有如分离平板的分束器的光隔离器，一如GRIN透镜的聚焦元件，一包括两个双折射光楔和如法拉第旋光器的单向旋光器的组合器，一补偿器和一反射器。所述法拉第旋光器可以为可变的，以提供可变衰减。所述反射器可以为提供一分流监视器的部分反射器。该光学系统被设置为通过输入光纤传输进入光隔离器的光可以通过输出光纤传出光隔离器，但通过输出光纤传输进入光隔离器的光一般不能通过输入光纤传出光隔离器。
文档编号G02B6/26GK1530694SQ200310124970
公开日2004年9月22日 申请日期2003年10月14日 优先权日2002年10月15日
发明者李伟中 申请人:奥普林克通信公司