專利名稱：一種具有對稱結(jié)構(gòu)的四端口光環(huán)行器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光導元件技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及ー種具有對稱結(jié)構(gòu)的四端ロ光環(huán)行器。
背景技術(shù)：
光環(huán)行器是光纖通信中ー種重要的光無源器件，它的典型結(jié)構(gòu)有N(N大于等于3)個端ロ，參見圖1，當光由其中一個端ロ例如端ロ I輸入時，光可以幾乎毫無損失地由另外一個端ロ即端ロ 2輸出，其他端ロ處幾乎沒有光輸出；而當光由端ロ 2輸入時，光幾乎毫無損失地由端ロ 3輸出，其他端ロ處幾乎沒有光輸出，以此類推，由此使得光信號只能沿固定的路徑進行環(huán)行傳輸。光環(huán)行器作為ー種多端ロ輸入輸出的非互易器件，可以實現(xiàn)正反向 傳輸光的分離，因而廣泛應用于單纖雙向傳輸系統(tǒng)、色散補償單元、波長阻塞器、通道均衡器以及波長選擇開關(guān)等光通信子系統(tǒng)中。四端ロ光環(huán)行器是三端ロ的延伸，能夠提供更多的光信號輸出路徑，然而，現(xiàn)有的四端ロ光環(huán)行器仍然存在以下的缺陷或不足首先，目前的四端ロ光環(huán)行器中通常采用長方體結(jié)構(gòu)的雙折射晶體作為分束/合束元件，這樣分光后ο光不會偏折，而e光會朝向雙折射晶體自身的光軸發(fā)生一定角度的偏折，因此不可能保證兩束光在光環(huán)行器主軸方向上的光路對稱，相應造成光環(huán)行器加工過程中難于準確裝配的問題；其次，目前的四端ロ光環(huán)行器采用兩個光軸彼此正交的長方體雙折射晶體結(jié)構(gòu)、和分別布置在正方體晶體兩側(cè)的屋脊棱鏡來共同作為光路變換組件，以便實現(xiàn)光路控制達到環(huán)行傳輸?shù)哪康?，但這種結(jié)構(gòu)的光路變換器往往元件復雜、器件成本高，尤其是不利于光路調(diào)試和器件封裝。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或技術(shù)需求，本發(fā)明的目的在于提供ー種具有對稱結(jié)構(gòu)的四端ロ光環(huán)行器，其通過對分光/合光元件、光路變換組件等元件的結(jié)構(gòu)及其設置方式進行改進，可以使得光環(huán)行器的輸入和輸出均保持在主軸上，而且便于生產(chǎn)裝配，同時有利于光路調(diào)試和器件封裝。按照本發(fā)明，提供了ー種具有對稱結(jié)構(gòu)的四端ロ光環(huán)行器，該光環(huán)行器沿著裝置整體的軸線方向依次設置有雙光纖準直器、分束/合束元件、偏振轉(zhuǎn)換組件、光路變換組件、偏振轉(zhuǎn)換組件、分束/合束元件以及雙光纖準直器，其特征在于所述分束/合束元件為呈斜方體的雙折射晶體結(jié)構(gòu)，并且該晶體結(jié)構(gòu)中分別與其下表面形成相同夾角的左右斜面朝向光的傳輸方向；所述光路變換組件由楔角片對和屋脊棱鏡共同組成，其中所述楔角片對由角度相匹配的兩個楔角片組合而成，并且這兩個楔角片各自的光軸相互正交。作為進ー步優(yōu)選地，所述雙光纖準直器可以選擇由C-Lens透鏡構(gòu)成的準直透鏡。作為進ー步優(yōu)選地，所述雙光纖準直器各自的尾纖分別作為光環(huán)行器的四個端□。
作為進ー步優(yōu)選地，對于所述分束/合束元件，其斜方體雙折射晶體結(jié)構(gòu)中左右斜面與其下表面所形成的夾角為4° 8°。作為進ー步優(yōu)選地，所述偏振轉(zhuǎn)換組件由上下兩組90°的非互易旋轉(zhuǎn)器共同組成，并且其上下兩組非互易旋轉(zhuǎn)器中的旋光片和λ/2波片的設置次序相反。作為進ー步優(yōu)選地，所述楔角片對中三個呈斜面形狀的光路傳輸面相對于其下表面的夾角分別依次為84.8°、83°和85. 4°?？傮w而言，按照本發(fā)明的具有對稱結(jié)構(gòu)的四端ロ光環(huán)行器與現(xiàn)有技術(shù)相比，主要具備以下的技術(shù)優(yōu)點I、通過對現(xiàn)有四端ロ光環(huán)行器進行結(jié)構(gòu)上的調(diào)整和改進，能夠保證分束/合束元件中可形成對稱光路，并使得光環(huán)行器的輸入和輸出均保持在整體裝備的軸線上；
2、通過對光路變換組件進行結(jié)構(gòu)和設置方式上的改進，可以減少光路變換組件的組成元件，降低裝配復雜性，同時尤其能便于光路調(diào)試的エ序，并有效提高裝配的精度；3、此外，按照本發(fā)明的四端ロ光環(huán)行器還能夠有效實現(xiàn)正反向傳輸光的分離，并具備成本低、便于加工制造，以及簡化裝配和封裝操作等特點。


圖I是用于顯示現(xiàn)有技術(shù)中光環(huán)行器工作方式的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2a是按照本發(fā)明的四端ロ光環(huán)行器的主體結(jié)構(gòu)側(cè)視圖；圖2b是按照本發(fā)明的四端ロ光環(huán)行器的主體結(jié)構(gòu)俯視圖；圖3a是現(xiàn)有技術(shù)中的分束/合束元件的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3b是按照本發(fā)明的分束/合束元件的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4a是按照本發(fā)明的一個偏振轉(zhuǎn)換組件的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4b是按照本發(fā)明的另ー偏振轉(zhuǎn)換組件的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5a是按照本發(fā)明的光束變換組件中的楔角對元件結(jié)構(gòu)示意圖；圖5b是按照本發(fā)明的光束變換組件中的脊形棱鏡結(jié)構(gòu)示意圖；在所有附圖中，相同的附圖標記用來表示相同的元件或結(jié)構(gòu)，其中101-雙光纖準直器102-分束/合束元件103-偏振轉(zhuǎn)換組件104-光束變換組件105-楔角片對106-屋脊棱鏡107-偏振轉(zhuǎn)換組件108-分束/合束元件109-雙光纖準直器1031-λ/2波片1032-旋光片1033-旋光片1034-λ/2波片1071-旋光片1072-λ/2波片1073-λ/2波片1074-旋光片
具體實施例方式為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進ー步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。圖2a是按照本發(fā)明的四端ロ光環(huán)行器的主體結(jié)構(gòu)側(cè)視圖，圖2b是按照本發(fā)明的四端ロ光環(huán)行器的主體結(jié)構(gòu)俯視圖。如圖2a和圖2b中所示，沿著光環(huán)行器裝置整體的軸線方向依次設置有雙光纖準直器101、分束/合束元件102、偏振轉(zhuǎn)換組件103、光路變換組件104、偏振轉(zhuǎn)換組件107、分束/合束元件108以及雙光纖準直器109，由此在整個軸線方向上構(gòu)成了對稱結(jié)構(gòu)。雙光纖準直器101、109由尾纖和準直透鏡精確定位構(gòu)成，它們各自的尾纖分別作為光環(huán)行器的端ロ，具體而言，也即雙光纖準直器101的2個尾纖構(gòu)成了光環(huán)行器的端ロ I和端ロ 3，雙光纖準直器109的2個尾纖構(gòu)成了端ロ 2和端ロ 4。雙光纖準直器的主要作用在于將光纖內(nèi)的傳輸光轉(zhuǎn)變成準直光，或?qū)ν饨缙叫泄鈭?zhí)行高效率耦合。在ー個優(yōu)選實施例中，可以將雙光纖準直器選擇為譬如C-Lens透鏡的準直透鏡，該型號的準直透鏡由于具備均勻的折射率分 布，井能通過調(diào)節(jié)其端面曲率半徑來實現(xiàn)光束的準直作用，因此有效替換目前較為昂貴的自聚焦GRIN-Lens透鏡，相應在實現(xiàn)光路精確準直功能的同吋，降低光環(huán)行器的整體制造成本。分束/合束兀件102的作用是根據(jù)光傳輸方向,對入射的光執(zhí)行分束以生成兩束偏振方向相正交的偏振光也即ο光和e光,或者是將入射的兩束偏振光也即ο光和e光合束到一條光路上。考慮到現(xiàn)有技術(shù)中的分束/合束元件大多為正長方體的雙折射晶體結(jié)構(gòu)，并存在光路相對于主軸不對稱的問題(具體參見圖3a)，相應使得在光環(huán)行器エ藝制造過程中難以準確執(zhí)行裝配，在此情況下有必要對分束/合束元件的形狀及設置方式作出改進和調(diào)整。如圖3b中具體所示，在本發(fā)明中可以將分束/合束元件102 (以及對稱設置的分束/合束元件108)均設置成斜方體的雙折射晶體結(jié)構(gòu)，并且此晶體結(jié)構(gòu)中分別與其上表面形成相同夾角的左右斜面朝向光的傳輸方向，這樣當入射光到達晶體結(jié)構(gòu)的斜面時，可以通過對其中ο光與晶體結(jié)構(gòu)的光軸所成角度Θ進行調(diào)整，由此在分束/合束元件中形成對稱的光路，相應避免光環(huán)行器難于準確裝配的問題，同時保證各個分束/合束元件的輸入/輸出口均處于整體裝置的軸線上。換而言之，在按照本發(fā)明的斜方體雙折射晶體結(jié)構(gòu)的分束/合束元件中，其斜面的具體傾斜角Y以及入射光與晶體結(jié)構(gòu)光軸所成的角度Θ共同決定了對稱光路的形成、以及該對稱光路之間的夾角δ的大小。在一個優(yōu)選實施例中,可以將所述斜方體晶體中斜面的傾斜角具體設置為4° 8°的角度范圍，這樣在保證分束/合束元件可形成對稱光路的同時，還能夠?qū)θ肷涔獾娜肷浣嵌确奖愕貓?zhí)行調(diào)節(jié)，同時便于加工制造及在光環(huán)行器中的裝配。圖4a和4b是按照本發(fā)明的偏振轉(zhuǎn)換組件的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖4a中所示，偏振轉(zhuǎn)換組件103可以由上下兩組90°的非互易旋轉(zhuǎn)器共同組成，其作用在于將來自分束/合束兀件102的兩束光變成偏振方向相同的光束,這些非互易旋轉(zhuǎn)器均由λ/2波片和45°的法拉第旋光片構(gòu)成，并且上下兩組非互易旋轉(zhuǎn)器的旋光片和λ /2波片的設置次序相反，具體而言，例如上部的旋轉(zhuǎn)器從左到右為λ/2波片1031、旋光片1032，而下部的旋轉(zhuǎn)器從左到右為旋光片1033、λ/2波片1034。如圖4b中所示，偏振轉(zhuǎn)換組件107同樣可以由上下兩組90°的非互易旋轉(zhuǎn)器共同組成，其作用在于將發(fā)往分束/合束元件108的兩束光變成偏振方向彼此正交的光束，這些非互易旋轉(zhuǎn)器均由λ/2波片和45°的法拉第旋光片構(gòu)成，并且上下兩組非互易旋轉(zhuǎn)器的旋光片和λ/2波片的設置次序相反，具體而言，例如上部的旋轉(zhuǎn)器從左到右為旋光片1071、λ/2波片1072，而下部的旋轉(zhuǎn)器從左到右為λ/2波片1073、旋光片1074。因此，偏振轉(zhuǎn)換組件的主要用途是對入射光的偏振方向進行改變，由此實現(xiàn)ο光與e光之間的相互轉(zhuǎn)換過程。光路變換組件在光環(huán)行器中的作用是實現(xiàn)光路的控制，以達到光路從ー個端ロ到另外ー個端ロ的環(huán)行傳輸?shù)哪康?。然而，現(xiàn)有技術(shù)中的光路變換組件通常包括兩個光軸彼此正交的長方晶體結(jié)構(gòu)、以及分別設置在該長方晶體兩側(cè)的屋脊棱鏡共同組成，對于這種結(jié)構(gòu)的光路變換組件，光束首先會經(jīng)過左側(cè)的屋脊棱鏡，然后進入到長方晶體，最后經(jīng)由右側(cè)的屋脊棱鏡射出，此過程中是通過對兩個屋脊棱鏡自身的屋脊面角度進行設計及調(diào)整，來使得兩個雙光纖準直器的光束夾角相互匹配。然而，由于采用了兩個屋脊棱鏡和長方晶體來作為光路變換組件，一方面會造成元件復雜和成本増加；另一方面在光路調(diào)試過程中，光束容易入射到各個屋脊棱鏡兩個屋脊面之間的連接線上，由此使得光束無法執(zhí)行正確的光路偏折，而且顯然可見的是，兩個屋脊棱鏡彼此之間的精確匹配，對調(diào)試人員來說提出了更高的操作要求，難以保證調(diào)試精度并會降低生產(chǎn)效率。因此，有必要對現(xiàn)有技術(shù)中的光路變換組件結(jié)構(gòu)及其設置方式進行改進。在本發(fā)明中，可以省去ー個屋脊棱鏡，相應將長方晶體替換成呈楔角片對的雙折射晶體結(jié)構(gòu)，其中該楔角片對105由兩個角度(或相互結(jié)合的面)相互匹配的楔角片(Wedge)譬如通過膠合的方式完成粘結(jié)組裝，并且這兩個楔角片各自·的光軸相互正交。具體而言，各個楔角片呈不規(guī)則的六面體晶體結(jié)構(gòu)，該六面體晶體結(jié)構(gòu)中除了用于光路傳輸?shù)膬蓚€外側(cè)面(在圖5a中為左右側(cè)面)及其內(nèi)部的膠合面之外，其余四個面中相互對置的面彼此平行，然后可以通過膠合的方式，將兩個楔角片之間相匹配的側(cè)面粘結(jié)起來，由此構(gòu)成整體的楔角片對元件。相應地,通過對該楔角片對中三個呈斜面形狀的光路傳輸面的傾斜角度進行設計和調(diào)整，由此能夠順利執(zhí)行光路變換過程，并實現(xiàn)光由一個端ロ到另外ー個端ロ的傳輸。在一個優(yōu)選實施例中，可以將該楔角片對中三個呈斜面形狀的光路傳輸面相對于下表面的夾角依次分別設置為84. 8°、83°和85. 4°，經(jīng)過較多的試驗和實踐表明，這種具體結(jié)構(gòu)的楔角片對能夠較好地實現(xiàn)光路控制，保證光在端ロ之間的順利傳輸。對于按照本發(fā)明以上構(gòu)思的光路變換組件，例如當光信號由端ロ I傳輸至端ロ 2時，光束首先入射到楔角片對105的ー個楔角片的光路傳輸側(cè)面，然后經(jīng)過與其相膠合的另外ー個楔角片的光路傳輸側(cè)面，最后經(jīng)由屋脊棱鏡106射出，由此完成光路控制過程。相應地，在能夠?qū)崿F(xiàn)與現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的光路變換器相同功能的同時，按照本發(fā)明的光路變換組件一方面可以進ー步保證光路的對稱，并減少光路變換器的組成器件，降低裝配復雜性 ’另一方面，由于僅需要對ー個屋脊棱鏡執(zhí)行光路調(diào)試及其封裝，這樣在減少操作步驟的同時還能夠有效提高裝配的精度。下面，將具體描述按照本發(fā)明的四端ロ光環(huán)行器的工作過程。如圖2a中所示，從側(cè)視方向看，當光由端ロ I輸入時，首先會由雙光纖準直器101執(zhí)行精確準直，然后輸入至分束/合束兀件102由此分成偏振方向彼此正交的ο光和e光。接著，其中的ο光往下偏折后通過偏振轉(zhuǎn)換組件103，并且其偏振方向不變；而e光往上偏折后通過偏振轉(zhuǎn)換組件103，并且其偏振方向改變90°由此變成ο光。接著，如圖2b中所示，從俯視方向看，入射光會往上偏折并入射到楔角片對105的左側(cè)楔角片，而且由于都是ο光因此偏振方向不變；而當入射光到達楔角片對105的右側(cè)楔角片時，由于光軸發(fā)生90度的改變，由此變成e光并且偏折方向往下，然后通過屋脊棱鏡106后再次經(jīng)過偏振轉(zhuǎn)換組件107。此時如圖2a中所不,兩束偏振方向相同的光變成為偏振相互正交的兩束光,然后繼續(xù)通過分束/合束元件108，最后經(jīng)過雙光纖準直器109并由端ロ 2輸出。當光由端ロ 2輸入時，如圖2a中所示，從側(cè)視方向看，首先會由雙光纖準直器109執(zhí)行精確準直，然后輸入至分束/合束兀件108由此分成偏振方向彼此正交的ο光和e光。接著，其中的ο光往下偏折后通過偏振轉(zhuǎn)換組件107，并且其偏振方向不變；而e光往上偏折后通過偏振轉(zhuǎn)換組件107，并且其偏振方向改變90°由此變成ο光。接著，如圖2b中所示，從俯視方向看，入射光會往上偏折并入射到屋脊棱鏡106由此變成基本平行的光束，然后到達楔角片對105的右側(cè)楔角片，這兩束光由于都是ο光因此偏振方向不變；而當?shù)竭_楔角片對105的左側(cè)楔角片時，由于光軸發(fā)生90度的改變，由此變成e光并且偏折方向往下并再次經(jīng)過偏振轉(zhuǎn)換組件103。此時如圖2a中所示，兩束偏振方向相同的光變成為偏振相互正交的兩束光，繼續(xù)通過分束/合束元件102，最后經(jīng)過雙光纖準直器101并由端ロ 3輸出。當光由端ロ 3輸入時，同樣如圖2a中所示，從側(cè)視方向看，首先會由雙光纖準直器101執(zhí)行精確準直，然后輸入至分束/合束元件102由此分成偏振方向彼此正交的ο光和e光。接著，其中的ο光往下偏折后通過偏振轉(zhuǎn)換組件103，并且其偏振方向不變；而e光往上偏折后通過偏振轉(zhuǎn)換組件103，并且其偏振方向改變90°由此變成ο光。接著，如圖2b中所示，從俯視方向看，入射光會往上偏折并入射到楔角片對105的左側(cè)楔角片，而且由于 都是0光因此偏振方向不變；而當入射光到達楔角片對105的右側(cè)楔角片時，由于光軸發(fā)生90度的改變，由此變成e光并且偏折方向往下，然后通過屋脊棱鏡106后再次經(jīng)過偏振轉(zhuǎn)換組件107。此時如圖2a中所不，兩束偏振方向相同的光變成為偏振相互正交的兩束光,然后繼續(xù)通過分束/合束元件108，最后經(jīng)過雙光纖準直器109并由端ロ 4輸出。本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種具有對稱結(jié)構(gòu)的四端口光環(huán)行器，該光環(huán)行器沿著裝置整體的軸線方向依次設置有雙光纖準直器(101 )、分束/合束元件(102)、偏振轉(zhuǎn)換組件(103)、光路變換組件、偏振轉(zhuǎn)換組件(107)、分束/合束元件(108)以及雙光纖準直器(109)，其特征在于 所述分束/合束元件(102，108)為呈斜方體的雙折射晶體結(jié)構(gòu)，并且該晶體結(jié)構(gòu)中分別與其下表面形成相同夾角的左右斜面朝向光的傳輸方向； 所述光路變換組件由楔角片對(105)和屋脊棱鏡(106)共同組成，其中所述楔角片對(105)由角度相匹配的兩個楔角片膠合而成，并且這兩個楔角片各自的光軸相互正交。
2.如權(quán)利要求I所述的四端口光環(huán)行器，其特征在于，所述雙光纖準直器(101，109)為由C-Lens透鏡構(gòu)成的準直透鏡。
3.如權(quán)利要求I或2所述的四端口光環(huán)行器，其特征在于，所述雙光纖準直器各自的尾纖分別作為光環(huán)行器的四個端口。
4.如權(quán)利要求1-3任意一項所述的四端口光環(huán)行器，其特征在于，對于所述分束/合束元件(102，108)，其斜方體雙折射晶體結(jié)構(gòu)中左右斜面與其下表面所形成的夾角為4。 8。。
5.如權(quán)利要求1-4任意一項所述的四端口光環(huán)行器，其特征在于，所述偏振轉(zhuǎn)換組件(103,107)由上下兩組90°的非互易旋轉(zhuǎn)器共同組成，并且其上下兩組非互易旋轉(zhuǎn)器中的旋光片和λ/2波片的設置次序相反。
6.如權(quán)利要求1-5任意一項所述的四端口光環(huán)行器，其特征在于，所述楔角片對(105)中三個呈斜面形狀的光路傳輸面相對于其下表面的夾角分別依次為84. 8°、83°和·85. 4°。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有對稱結(jié)構(gòu)的四端口光環(huán)行器，該光環(huán)行器沿著裝置整體的軸線方向依次設置有雙光纖準直器、分束/合束元件、偏振轉(zhuǎn)換組件、光路變換組件、偏振轉(zhuǎn)換組件、分束/合束元件以及雙光纖準直器，其中分束/合束元件為呈斜方體的雙折射晶體結(jié)構(gòu)，并且該晶體結(jié)構(gòu)中的左右斜面均朝向光的傳輸方向；所述光路變換組件由楔角片對和屋脊棱鏡共同組成，其中楔角片對由角度相匹配的兩個楔角片組合而成，并且這兩個楔角片各自的光軸相互正交。通過本發(fā)明，可以使得保證分束/合束元件中形成對稱光路，并保證光環(huán)行器的輸入和輸出均保持在整體裝備的軸線上，便于生產(chǎn)裝配，并有利于光路調(diào)試和器件封裝。
文檔編號G02B6/27GK102854564SQ201210334549
公開日2013年1月2日 申請日期2012年9月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月11日
發(fā)明者萬助軍, 莫檳誠, 鐘瑞, 劉德明 申請人:華中科技大學