阅读说明：本技术 反射式环形器 (Reflective circulator ) 是由 陈国平 刘晓远 邱炳龙 于 2019-11-08 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种反射式环形器,包括光学光纤阵列,光学光纤阵列的出射端设置有透镜阵列,其中,透镜阵列远离光学光纤阵列的一侧设置有合光分光晶体,合光分光晶体在远离光学光纤阵列的一侧设置有波片组件,波片组件远离合光分光晶体的一侧依次设置有第一法拉第旋光片、沃拉斯顿组件以及第二法拉第旋光片,第二法拉第旋光片远离沃拉斯顿组件的一侧设置有反射镜。本发明可以降低环形器的生产工艺难度,并且降低环形器的生产成本。(The invention provides a reflective circulator, which comprises an optical fiber array, wherein a lens array is arranged at the emergent end of the optical fiber array, a light combining and splitting crystal is arranged at one side of the lens array, which is far away from the optical fiber array, a wave plate component is arranged at one side of the light combining and splitting crystal, a first Faraday optical rotation sheet, a Volaston component and a second Faraday optical rotation sheet are sequentially arranged at one side of the wave plate component, which is far away from the light combining and splitting crystal, and a reflector is arranged at one side of the second Faraday optical rotation sheet, which is far away from the Volaston component. The invention can reduce the difficulty of the production process of the circulator and the production cost of the circulator.)

反射式环形器

技术领域

本发明涉及光学器件技术领域，具体地，是一种反射式环形器。

背景技术

环形器是一种常见的光学器件，通常，环形器具有多个端口，光束从其中一个端口入射后，只能从相邻的下一个端口出射，并且光路是固定的、不可逆的，常用于对光束传播线路的控制。常见的环形器包括三端口环形器、四端口环形器等。

美国专利US6310989公开了一种三端口的反射式环形器的结构，这种环形器设置有阵列光纤(FiberArray)，阵列光纤包括有多个端口，这些端口可以作为光线的入射端或者出射端，在阵列光纤的一侧设置有透镜，从第一端口出射的光束经过透镜后形成三束准直光，并且该三束准直光是呈对称夹角分布。三束准直光经过屋脊棱镜后变成三束平行的准直光，每一束光经过第一个位移晶体分开成两束偏振方向相互垂直的寻常光和非寻常光，其中一束光经过波片后，光束的偏振方向旋转90°，此时这两束光偏振方向一致。然后，两束光经过第二个位移晶体后再经过法拉第旋光片后，偏振方向旋转45°，经过反射镜后再次经过法拉第旋光片，光束的偏振方向再次旋转45°，此时，光束偏振方向相对初始时候已经偏转了90°。接着，光束再次经过第二个位移晶体后会发生位移，此时光束向上平移后再次经过位移晶体及屋脊棱镜后最终汇聚到第二端口，此时从第二端口出射的光和第一端口的情况类似，最后汇聚到第三端口并出射。

现有的这种环形器有以下缺点：首先，该环形器使用位移晶体并产生光束偏移来使得从第一端口出射后从反射镜反射的光束能够平移到第二端口，即光束的平移是通过第二个位移晶体实现的，这样由于阵列光纤的光纤的纤芯距非常精确，反射回来的光束的间距也必须非常精确才能匹配阵列光纤的纤芯距，而反射回的光束间距是由位移晶体的厚度控制的，这样对于位移晶体的厚度的加工的工差要求非常高，增大了环形器的生产成本，且环形器的生产工艺要求非常高。

其次，现有的这种环形器需要使用屋脊棱镜，屋脊棱镜对于加工的角度精度要很高才能满足使用要求，也增大了环形器的生产物料成本，导致环形器的生产成本非常高。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种生产成本低且生产工艺简单的反射式环形器。

为实现本发明的主要目的，本发明提供的反射式环形器包括光学光纤阵列，光学光纤阵列的出射端设置有透镜阵列，其中，透镜阵列远离光学光纤阵列的一侧设置有合光分光晶体，合光分光晶体在远离光学光纤阵列的一侧设置有波片组件，波片组件远离合光分光晶体的一侧依次设置有第一法拉第旋光片、沃拉斯顿组件以及第二法拉第旋光片，第二法拉第旋光片远离沃拉斯顿组件的一侧设置有反射镜。

由上述方案可见，光束通过沃拉斯顿组件实现传播方向的偏转，因此反射式环形器只设置合光分光晶体，该合光分光晶体可以为位移晶体，相比起现有的反射式环形器，减少一个位移晶体的使用。并且，由于使用沃拉斯顿组件替代现有环形器中反射镜前面的第二个位移晶体，并且使用透镜阵列实现光束的准直，这样，从透镜阵列出射的光束即为准直光无，不需要经过屋脊棱镜的校准，从而显著降低了环形器的加工难度，进而降低环形器的生产成本。

一个优选的方案是，沃拉斯顿组件包括两块相互邻接的棱镜，两块棱镜的光轴相互垂直。

由此可见，使用光轴相互垂直的棱镜组成沃拉斯顿组件，光束经过沃拉斯顿组件时光束的传播方向将发生偏转，从而实现光束的位移。这样，使用沃拉斯顿棱镜替代现有环形器的位移晶体，解决需要使用加工难度较大的位移晶体实现环形器的问题。

进一步的方案是，波片组件包括一块玻璃片以及一块半波片，玻璃片与半波片均贴装在合光分光晶体的端面上。

可见，光束经过玻璃片并不会改变光束的偏振方向，而光束经过半波片后偏振方向将发生偏转，使用玻璃片与半波片的组件，可以改变其中一部分光束的偏振方向。

更进一步的方案是，玻璃片设置于合光分光晶体的第一光路上，半波片位于合光分光晶体的第二光路上。

由此可见，对于需要改变偏振方向的一路光束，可以在该光路上设置半波片，对于不需要改变偏振方向的另一路光束，可以设置玻璃片，从而满足光束偏振方向调整的需要。

更进一步的方案是，半波片为45°的半波片。

一个可选的方案是，波片组件包括两块半波片，两块半波片均贴装在合光分光晶体的端面上，并且，两块半波片分别位于合光分光晶体的两条光路上。

由此可见，如果两路光束的偏振方向都需要旋转，并且旋转的方向不相同时，可以在两路光束的光路上分别设置偏转角度不同的半波片，从而满足光束的偏振方向旋转要求。

进一步的方案是，光学光纤阵列具有三个以上的端口，多个端口相互平行设置。

光学光纤阵列设置三个以上的端口，可以满足环形器多个端口使用的需求。

更进一步的方案是，透镜阵列包括相互平行设置的透镜，透镜的数量与端口数量相等，且透镜与端口一一对应的设置。

由于每一个端口均对应于一个透镜，这样，从每一个端口出射的光束都经过透镜的准直处理，使得从透镜出射的光束均为准直光束，减少环形器的体积。

更进一步的方案是，每一个透镜均为硅透镜。由于硅透镜的折射率较高，形成的光斑较小，这样可以使得后级的光学器件的体积较小，有利于环形器的小型化。

附图说明

图1是本发明实施例的结构示意图。

图2是本发明实施例另一视角的结构示意图。

图3是本发明实施例俯视方向的光路示意图。

图4是本发明实施例侧视方向的光路示意图。

图5是光束经过本发明实施例的各个器件的偏振方向示意图。

以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

具体实施方式

本发明的反射式环形器具有三个端口的环形器，参见图1与图2，环形器具有光学光纤阵列10，光学光纤阵列10内设置有多根光纤，并且光学光纤阵列10具有三个端口，光束可以从这些端口入射到环形器内，也可以从这些端口出射。在光学光纤阵列10的一侧设置有透镜阵列14，本实施例中，透镜阵列14设置有三个硅透镜15、16、17，优选的，三个硅透镜15、16、17的轴线相互平行。并且，每一个硅透镜15、16、17分别对应于光学光纤阵列10的一个端口，即光学光纤阵列10的三个端口与三个硅透镜15、16、17是一一对应的设置。这样，从一个端口出射的光束经过一个硅透镜后，将变成准直光。

在透镜阵列14远离光学光纤阵列10的一侧设置有作为合光分光晶体的位移晶体20，光束入射到位移晶体20后，将分解为偏振方向相互垂直的两束线性偏振光。在位移晶体20远离透镜阵列14的一侧设置有波片组件24，本实施例中，波片组件24包括一块玻璃片25以及一块半波片，玻璃片25与半波片26均贴装在位移晶体20的端面上，并且分别位于两条不同的光路上。优选的，半波片26为45°的半波片，线性偏振光经过半波片后，光束的偏振方向将发生旋转，例如偏振方向旋转90°。这样，由于经过玻璃片的光线的偏振方向是不会发生旋转的，因此，经过波片组件24后，从位移晶体20出射的两束线性偏振光的偏转方向相同。

在波片组件远离位移晶体20的一侧依次设置有第一法拉第旋光片28、沃拉斯顿组件30以及第二法拉第旋光片35，其中，沃拉斯顿组件30由两块光轴相互垂直的棱镜31、32组成。本实施例中，第一法拉第旋光片28、棱镜31、棱镜32以及第二法拉第旋光片35依次相互邻接，从波片组件24出射的光束将依次经过第一法拉第旋光片28、棱镜31、棱镜32以及第二法拉第旋光片35。当然，在第一法拉第旋光片38、第二法拉第旋光片35的径向外侧设置有磁场发生器。

光束经过第一法拉第旋光片28后，光束的偏振方向将旋转45°，当光束经过沃拉斯顿组件30后，光束的传播方向将发生偏转，例如在图1的方向上，假设光束从垂直于棱镜31表面的方向入射到棱镜31，当光束从棱镜31入射到棱镜32后，光束将向下偏转一定角度，因此，光束的传播方向不是垂直于棱镜31的入射表面。当光束从棱镜32出射后，光束的传播方向已经发生偏转，入射到第二法拉第旋光片时，光束的传播方向与入射到棱镜31时相比，已经发生小角度的偏转。当光束入射到第二法拉第旋光片35时，两束光束的偏振方向再次发生旋转，但光束的传播方向不会改变。

在第二法拉第旋光片35远离沃拉斯顿组件30的一侧设置有反射镜40，优选的，反射镜靠近第二法拉第旋光片35的表面上镀上高反膜，以便于入射到反射镜40表面上的光束都能够被反射回去。本实施例中，反射镜40的入射表面平行于棱镜31的入射表面，由于光束经过沃拉斯顿组件30后传播方向发生偏转，因此光束并不是垂直的入射到反射镜40的表面，而是以一定的角度入射到反射镜40，如图1所示。这样，经过反射镜40反射的光束并不是按照原先入射的光路返回至第二法拉第旋光片35，反射的光路与原先入射的光路之间形成一定的距离，此时反射的光束相对于入射的光束实际上发生了平移，例如平移至对应于第二端口出射的光束的光路上。

反射的光束先入射到第二法拉第旋光片35且偏振方向将再次发生旋转，即光束的偏振方向旋转45°，此时相对光束第一次入射到第二法拉第旋光片35时，光束的偏振方向旋转了90°。光束再次经过沃拉斯顿组件30时，传播的方向将发生偏转，即光束的传播方向平行于光束第一次入射到沃拉斯顿组件30的方向，但传播的方向是相反的，即朝向位移晶体20的方向传播。

此后，光束将再次入射到第一法拉第旋光片28，光束的偏振方向再次旋转，光束的偏振方向将恢复到第一次经过第一法拉第旋光片28时的状态，即两束光的偏振方向的相互平行的。然后，光束将再次入射到波片组件24，其中一束光的偏振方向发生旋转，另一束光的偏振方向不会发生旋转，此时，两束光的偏振方向是相互垂直的，当光束再次经过位移晶体20时，两束偏振方向相互垂直的光束将合并形成一束光束，最后光束入射到硅透镜16中，从光学光纤阵列10的第二端口出射。

下面结合图3至图5介绍光束在光学环形器内的传播路径以及偏振方向的变化。如图3所示，从第一端口出射的光束经过硅透镜15后形成准直光L10，准直光L10可以是包含有偏振方向相互垂直的两种光分量，其偏振方向如图5(a)所示。图5中，每一组的6个方框排列成两行三列，上下两行分别表示从一个硅透镜出射后被分开的两束光束的偏振方向，三列自右向左分别表示三个硅透镜对应光路上的光束的偏振方向。

入射到位移晶体20后形成两束偏振方向相互垂直的光束L11、L21，其中一束光为寻常光，另一束光为非寻常光，两束光的偏振方向如图5(b)所示。从图3可见，在俯视方向看，光束L10入射到位移晶体20后分成两束光束L11、L12，两束光束L11、L12的光路是分开的。参见图4，在侧视方向上，两束光束L11、L12在位移晶体20内的传播方向是相同的，因此，两束光束L11、L12的光路仅仅在俯视的方向上分开。

光束L11、L21将经过波片组件24，例如，光束L11经过波片组件24中的玻璃片25形成光束L12，偏振方向不会发生变化，而光束L21经过波片组件24中的半波片26形成光束L22，偏振方向发生90°的偏转，如图5(c)所示。此时，光束L12与光束L22的偏振方向相同。

随后，光束L12、L22分别入射到第一法拉第旋光片28形成光束L13、L23，光束L13、L23的偏振方向相比起光束L12、L22的偏振方向发生45°的旋转，如图5(d)所示。此时，光束L13与光束L23的偏振方向也是相同。

接着，光束L13、L23分别入射到沃拉斯顿组件30形成光束L14、L24，由于沃拉斯顿组件30并不改变光束的偏振方向，只是光束的传播方向将发生改变，经过沃拉斯顿组件30后，光束L14、L24的传播方向向第二端口的方向靠近，因此，光束并不会垂直的入射到反射镜40，如图4所示。光束L14、L24的偏振方向如图5(e)所示，光束L14、L24向硅透镜16的方向靠近。

光束L14、L24经过沃拉斯顿组件30后，入射到第二法拉第旋光片35并形成光束L15、L25，由于第二法拉第旋光片35对光束的偏振方向有旋转作用，因此，光束L15、L25的偏振方向相比起光束L14、L24的偏振方向有45°的旋转，如图5(f)所示，此时光束L15、L25的偏振方向相互平行。

从第二法拉第旋光片35出射的光束形成光束L16、L26并入射到反射镜40，由于光束L16、L26并不是垂直入射的，因此反射的光束并不会沿着入射光束的光路返回。如图4所示，以光束L16为例，光束L16入射到反射镜40后形成光束L31，光束L31的传播方向偏向于硅透镜16的方向，并且光束L31入射到第二法拉第旋光片35形成光束L32。由于第二法拉第旋光片35对光束的偏振方向的旋转作用，光束L32的偏振方向发生45°的旋转，如图5(g)所示。相同的，光束L26经过反射镜40后形成的光束L41的偏振方向并不会改变，只是光束L41的传播方向与光束L26的方向不相同。光束L41入射到第二法拉第旋光片35后，形成的光束L42的偏振方向也会旋转45°。此时，光束L42的偏振方向相比起光束L25的偏振方向旋转了90°。

接着，光束L32、L42入射到沃拉斯顿组件30形成光束L33、L43，光束的传播方向再次发生偏转，即光束L33、L43的传播方向平行于光束L14、L24，但传播的方向是相反的，即朝向位移晶体20的方向传播，此时光束L33、L43的偏振方向如图5(h)所示。

此后，光束L33、L43入射到第一法拉第旋光片28形成光束L34、L44，光束L34、L44的偏振方向再次旋转45°，如图5(i)所示。可见，光束L34、L44的偏振方向与光束L13、L23的偏振方向相同，即光束的偏振方向将恢复到经过第一法拉第旋光片28时的状态，且两束光束L34、L44的偏振方向的相互平行的。

然后，光束L34、L44将再次入射到波片组件24分别形成光束L35、L45，其中光束L35经过半波片26，其偏振方向将旋转90°，光束L45经过玻璃片，其偏振方向不会发生偏转，此时，光束L35、L45的偏振方向如图5(j)所示，光束L35、L45的偏振方向是相互垂直的。当光束L35、L45再次经过位移晶体20时，形成光束L36、L46，两束偏振方向相互垂直的光束L36、L46将合并形成一束光束L37，其偏振方向如图5(k)所示，最后光束L37入射到硅透镜16中，从光学光纤阵列10的第二端口出射。

可见，光束L10从光学光纤阵列的第一端口入射后，经过分光、偏振方向旋转以及反射、合光等一系列变化后，从第二端口出射。相同的，从第二端口入射的光束也会经历与光束L10相同的变化，将从第三端口出射。并且，由于光束经过沃拉斯顿组件30时，光束只能够向一个方向偏转，因此光路是不可逆的，即从第二端口入射的光束是不可以从第一端口出射，只能够从第三端口出射，从而确保光路的单向性。

上述实施例中，波片组件由一片玻璃片以及一片半波片组成，实际应用时，也可以使用两片半波片组成波片组件，如果使用两片半波片，则两片半波片分别贴装在位移晶体的端面上，并且，每一片半波片分别位于一条光路上。由于光束经过位移晶体时形成一束寻常光以及一束非寻常光，因此，两片半波片分别位于寻常光以及非寻常光的光路上。当然，光束经过两片半波片时，偏振方向的旋转角度不相同，例如一束光是顺时针旋转45°，另一束光是逆时针旋转45°，以确保两束光束经过波片组件后的偏振方向相同。

由于本发明使用沃拉斯顿组件30来实现光路的偏转，即将光路平移一个透镜的距离，因此，本发明不需要通过位移晶体实现光路的平移，这样，不需要设置一个厚度要求非常严格的位移晶体，可以降低环形器的加工难度，也降低环形器的生产成本。另外，本发明不需要设置对于加工的角度精度要很高的屋脊棱镜，能够进一步的降低环形器的生产成本。

此外，本发明的透镜阵列使用三个相互平行的硅透镜，由于硅透镜的折射率非常高，形成的光斑面积较小，因此，后级的位移晶体可以使用较小体积的晶体实现，更有利于降低环形器的体积。

最后需要强调的是，本发明不限于上述实施方式，例如反射式环形器的透镜阵列中使用普通的透镜替代硅透镜，或者环形器设置四个以上的端口，这样的变化也应该包括在本发明权利要求的保护范围内。