阅读说明：本技术 光环形器以及单纤双向光模块 (Optical circulator and simplex optical module ) 是由 孙雨 于 2018-05-24 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种光环形器,该光环形器包括准直透镜、法拉第旋转片、第一端口、第二端口和第三端口,还包括第一偏振分束器、第二偏振分束器、第三偏振分束器、第一偏振旋转器和第二偏振旋转器。相应地,本发明还提供了一种单纤双向光模块。本发明提供的光环形器具有尺寸小、封装简单、成本低等优点,也易于与其他光子集成器件大规模集成。(The present invention provides a kind of optical circulators, the optical circulator includes collimation lens, Faraday rotation piece, first port, second port and third port, further includes the first polarization beam apparatus, the second polarization beam apparatus, third polarization beam apparatus, the first polarization rotator and the second polarization rotator.Correspondingly, the present invention also provides a kind of simplex optical modules.Optical circulator provided by the invention has many advantages, such as that size is small, encapsulation is simple, at low cost, is also easy to and other photonic integrated device large-scale integrateds.)

光环形器以及单纤双向光模块

技术领域

本发明涉及光纤通信技术中的光收发模块，尤其涉及一种光环形器以及单纤双向光模块。

背景技术

光通信中，光信号的收发都需要光纤进行传输，长距离光纤的铺设是一项浩大的工程。通常，相同的传输距离需要两根不同的光纤分别来收发光信号。尽管进行了大量的复用研究来增大光纤的信道容量以提高光纤资源的利用率，但远远跟不上光通讯发展对光纤资源的巨大需求。

单纤双向光模块只用一根光纤即可实现光信号的收发，节省了一半的光纤资源。传统的单纤双向光模块利用波分复用技术，发送和接收两个方向的光信号需要使用不同的中心波长，增加了模块制作难度，且技术成本高昂。进一步地，人们考虑将光环形器用于单纤双向光模块中，光环形器用于将同一根光纤中正向传输和反向传输的光信号分开，实现同一中心波长或不同中心波长光信号的发射与接收。因此，在光器件和光模块中集成光环形器是一种有效地节省光纤资源的解决方案。

一般光环形器有三个端口，称为第一端口、第二端口和第三端口，它的基本功能是实现光信号从第一端口到第二端口的传输，第二端口来的信号不能回到第一端口，但可以实现第二端口到第三端口的传输。光环形器是光通信、光传感和光信息处理领域的基础器件，在这些领域已得到了非常重要的应用。在光通信领域，光环形器的使用，还可以使普通双口光收发模块实现单光纤双向传输。

现有技术中的光环形器存在尺寸大、封装复杂、成本高等问题，其原因在于现有技术中的光环形器具有较为复杂的内部结构，包括波片阵列或双折射晶体阵列，不利于提升光环形器集成度。

发明内容

为了克服现有技术中的上述缺陷，本发明提供了一种光环形器，该光环形器包括准直透镜、法拉第旋转片、第一端口、第二端口和第三端口，还包括第一偏振分束器、第二偏振分束器、第三偏振分束器、第一偏振旋转器和第二偏振旋转器，其中：

从所述第一端口入射的平行偏振光依次经过所述第三偏振分束器、所述第二偏振旋转器、所述准直透镜、所述法拉第旋转器、所述准直透镜、所述第一偏振分束器到达所述第二端口；

从所述第二端口入射的混合偏振光进入所述第一偏振分束器被分解为互相垂直的第一偏振光和第二偏振光，所述第一偏振光依次经过所述准直透镜、所述法拉第旋转片、所述准直透镜、所述第二偏振旋转器、所述第三偏振分束器、所述第二偏振分束器到达所述第三端口，所述第二偏振光至少依次经过所述准直透镜、所述法拉第旋转片、所述准直透镜、所述第一偏振旋转器、所述第二偏振分束器到达所述第三端口。

根据本发明的一个方面，该光环形器还包括第四偏振分束器和第五偏振分束器；从所述第一端口入射的混合偏振光进入所述第三偏振分束器，被分解为互相垂直的第三偏振光和第四偏振光，所述第三偏振光依次经过所述第五偏振分束器、所述第二偏振旋转器、所述准直透镜、所述法拉第旋转器、所述准直透镜、所述第一偏振分束器到达所述第二端口，所述第四偏振光依次经过所述第四偏振分束器、所述第一偏振旋转器、所述准直透镜、所述法拉第旋转器、所述准直透镜、所述第一偏振分束器到达所述第二端口。

根据本发明的另一个方面，该光环形器所述第一偏振分束器、所述第二偏振分束器、所述第三偏振分束器、所述第四偏振分束器、所述第五偏振分束器、所述第一偏振旋转器和所述第二偏振旋转器中的任意组合设置在一个集成芯片上。

根据本发明的另一个方面，所述光环形器中所述集成芯片上与准直透镜相耦合的光口设置为四个，所述四个光口呈中心对称设置。

根据本发明的另一个方面，该光环形器中所述第一端口、所述第二端口和所述第三端口设置在所述集成芯片上。

根据本发明的另一个方面，所述法拉第旋转片的出射光学面上设置反射镜，所述反射镜位于所述准直透镜的焦平面上，以形成远心光阑系统。

根据本发明的另一个方面，该光环形器中所述反射镜是形成在所述出射光学面上的反射膜。

根据本发明的另一个方面，该光环形器中所述集成芯片是硅基集成芯片。

根据本发明的另一个方面，该光环形器中所述第一偏振旋转器和第二偏振旋转器的光学偏振旋转角度设置为负45度；所述法拉第旋转片的光学偏振旋转角度设置为正22.5度。

相应地，本发明还提供了一种单纤双向光模块，该单纤双向光模块包括光发射器件和光接收器件，还包括前文所述的光环形器，所述光环形器与所述光发射器件和所述光接收器件光耦合。

本发明提供的光环形器依靠准直透镜和法拉第旋转片构成的反射型光路，结合三个偏振分束器和两个偏振旋转器即实现了光环形器的功能，相比现有技术中的光环形器其具有更简化的内部结构，所使用的光器件更少，使得设计者可以更好地对光环形器的内部空间进行优化布局，以达到容纳更多部件或缩小体积的作用，因此本发明提供的光环形器具有尺寸小、封装简单、成本低等优点，也易于与其他光子集成器件大规模集成。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是根据本发明的光环形器的一个

具体实施方式

的结构示意图；

图2是根据本发明的光环形器的一个优选具体实施方式的结构示意图；

附图中相同或相似的附图标记代表相同或相似的部件。

具体实施方式

为了更好地理解和阐释本发明，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述。本发明并不仅仅局限于这些具体实施方式。相反，对本发明进行的修改或者等同替换，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

需要说明的是，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有这些具体细节，本发明同样可以实施。在下文给出的多个具体实施方式中，对于本领域熟知的结构和部件未作详细描述，以便于凸显本发明的主旨。

本发明提供了一种光环形器，请参考图1，根据本发明的光环形器的一个具体实施方式的结构示意图，该光环形器包括准直透镜20、法拉第旋转片30、第一端口11、第二端口12和第三端口13，还包括第一偏振分束器101、第二偏振分束器102、第三偏振分束器103、第一偏振旋转器111和第二偏振旋转器112。此外，需要特别说明的是，图1中代表光信号的虚线分别具有不同的标记，用来示出各种不同类型的光信号在该光环形器中的光路。其中，对应标记数字“1”的虚线指的是波导中的混合偏振光，对应标记数字“2”的虚线指的是波导中的P偏振光，对应标记数字“3”的虚线指的是波导中的S偏振光，对应标记数字“4”的虚线指的是自由空间中的混合偏振光。

本领域技术人员可以理解，光环形器的设计初衷是实现射入光环形器的光信号可以从第一端口11进入，然后从第二端口12射出，以及，射入第二端口12的光信号从第三端口13射出。

当进入第一端口11的光信号为单偏振P光时，在本具体实施方式提供的光环形器中，从所述第一端口11入射的平行偏振光(也即所述单偏振P光)依次经过所述第三偏振分束器103、所述第二偏振旋转器112、所述准直透镜20、所述法拉第旋转器30、所述准直透镜20、所述第一偏振分束器101到达所述第二端口12，具体而言，经由上述光学器件的平行偏振光构成第一端口11到达第二端口12的第一光路。

从所述第二端口12入射的混合偏振光(包括P偏振光和S偏振光)进入所述第一偏振分束器101被分解为互相垂直的第一偏振光和第二偏振光，具体而言，例如所述第一偏振光是P偏振光，所述第二偏振光是S偏振光。所述第一偏振光依次经过所述准直透镜20、所述法拉第旋转片30、所述准直透镜20、所述第二偏振旋转器112、所述第三偏振分束器103、所述第二偏振分束器102到达所述第三端口13，经由上述光学器件的第一偏振光构成第二光路；所述第二偏振光依次经过所述准直透镜20、所述法拉第旋转片30、所述准直透镜20、所述第一偏振旋转器111、所述第二偏振分束器102到达所述第三端口13，经由上述光学器件的第二偏振光构成第三光路。由于所述第一偏振光和所述第二偏振光都经过第二偏振分束器102，因此第二偏振分束器102的功能之一是对入射至其中的第一偏振光和第二偏振光进行偏振合束以得到混合偏振光，使得第三端口13射出的光信号仍然是混合偏振光。

在更多的应用场景中，进入第一端口11的光信号可能不仅仅是单偏振P光，也有可能是混合偏振光。为了使该混合偏振光正常从第一端口11进入后从第二端口12射出，相应地，需要对图1示出的光环形器的内部结构进行扩展，可以在图1示出的光环形器的结构的基础上增加两个偏振分束器来实现。请参考图2，是根据本发明的光环形器的一个优选具体实施方式的结构示意图，与图1示出的光环形器的结构相比，图2示出的光环形器还包括第四偏振分束器104和第五偏振分束器105。其中，从所述第一端口入射的混合偏振光进入所述第三偏振分束器，被分解为互相垂直的第三偏振光和第四偏振光，具体而言，例如所述第三偏振光是P偏振光，所述第四偏振光是S偏振光。所述第三偏振光依次经过所述第五偏振分束器105、所述第二偏振旋转器112、所述准直透镜20、所述法拉第旋转器30、所述准直透镜20、所述第一偏振分束器101到达所述第二端口12，经由上述光学器件的第三偏振光构成第四光路；所述第四偏振光依次经过所述第四偏振分束器104、所述第一偏振旋转器111、所述准直透镜20、所述法拉第旋转器30、所述准直透镜20、所述第一偏振分束器101到达所述第二端口12，经由上述光学器件的第四偏振光构成第五光路。由于所述第三偏振光和所述第四偏振光都经过第四偏振分束器104，因此第四偏振分束器104的功能之一是对入射至其中的第三偏振光和第四偏振光进行偏振合束以得到混合偏振光，使得第二端口12射出的光信号仍然是混合偏振光。

在所述第一至第五光路中，为了使从准直透镜20射出的光信号在经过法拉第旋转片30后，再次通过法拉第旋转片30回到准直透镜20中，考虑在法拉第旋转片30的后方布置合适的反射光学器件。例如在法拉第旋转片30的出射光学面上设置反射镜31，典型地，该反射镜31位于准直透镜20的焦平面上，以形成远心光阑系统。出于降低成本和简化结构考虑，典型地，优选的具体实施方式中考虑将所述反射镜31设计为形成在所述出射光学面上的反射膜。

为了实现所述第一至第五光路，本领域技术人员应当理解，应该为第一偏振旋转器111、第二偏振旋转器112、法拉第旋转片30选择合适的光学偏振旋转角度。典型地，本具体实施方式中，考虑将第一偏振旋转器111和第二偏振旋转器112的光学偏振旋转角度设置为负45度，并将法拉第旋转片30的光学偏振旋转角度设置为正22.5度。

基于所选择的上述参数，结合图1和图2进行参考，从第一端口11进入的P偏振光和S偏振光构成的混合偏振光，该混合偏振光经过第三偏振分束器103后，分为P偏振光和S偏振光，其中，P偏振光入射至第五偏振分束器105，并随后进入第二偏振旋转器112实现-45度偏振旋转，经过准直透镜20后准直，进入法拉第旋转片30发生+22.5度偏振旋转，到达反射镜31后被反射以重新经过法拉第旋转片30并发生+22.5度偏振旋转，成P偏振光经过准直透镜20到达第一偏振分束器101；S偏振光入射至第四偏振分束器104，并随后进入第一偏振旋转器111实现-45度偏振旋转，通过准直透镜20后准直，进入法拉第旋转片30发生+22.5度偏振旋转，到达反射镜31后被反射以重新经过法拉第旋转片30并发生+22.5度偏振旋转，成S偏振光经过准直透镜20到达第一偏振分束器101；上述P偏振光和S偏振光经过第一偏振分束器101实现偏振合束，最终由第二端口12出射。

从第二端口12进入的P偏振光和S偏振光构成的混合偏振光，该混合偏振光经过第一偏振分束器101后，分为P偏振光和S偏振光，其中，P偏振光经过准直透镜20后准直，进入法拉第旋转片30发生+22.5度偏振旋转，到达反射镜31后被反射以重新经过法拉第旋转片30并发生+22.5度偏振旋转，随后经过第二偏振旋转器112实现+45度偏振旋转，形成S偏振光，经过第五偏振分束器105到达第二偏振分束器102；S偏振光经过准直透镜20后准直，进入法拉第旋转片30发生+22.5度偏振旋转，到达反射镜31后被反射以重新经过法拉第旋转片30并发生+22.5度偏振旋转，随后经过第一偏振旋转器111实现+45度偏振旋转，形成P偏振光，经过第四偏振分束器104到达第二偏振分束器102；上述P偏振光和S偏振光经过第二偏振分束器102实现偏振合束，最终由第二端口12出射。

随着加工技术的发展，尤其是硅光技术的出现，优选地考虑利用硅光技术将图1或图2示出的光环形器中的多个光学器件进行集成。优选地，第一偏振分束器101、第二偏振分束器102、第三偏振分束器103、第四偏振分束器104、第五偏振分束器105、所述第一偏振旋转器111和第二偏振旋转器112中的任意组合设置在集成芯片10上。进一步地，还可以优选地将第一端口11、第二端口12和第三端口13设置在所述集成芯片10上。甚至准直透镜20、法拉第旋转片30和反射镜31也设置在所述集成芯片10上。其中，所述集成芯片10是硅基集成芯片。上述安排可以大大减小光环形器的尺寸，使光环形器的结构更加紧凑，提升了光环形器的集成度。

另外，集成芯片10与准直透镜20需要进行光路耦合。为了使耦合更加简单方便，集成芯片10上与准直透镜20相耦合的光口可以设置在同一个平面，甚至是同一条直线上。集成芯片10上与准直透镜20相耦合的光口设置为4个，并呈中心对称设置。这样出光和入光共用至少部分接口，从而节省成本和降低耦合难度。

相应地，本发明还提供了一种单纤双向光模块，该单纤双向光模块包括光发射器件和光接收器件，还包括本申请提供的光环形器。其中光环形器作为导光单元应用于所述单纤双向光模块内，所述光环形器与所述光发射器件和所述光接收器件光耦合，有利于提升单纤双向光模块的集成度，以及节约单纤双向光模块的内部空间。所述光发射器件和所述光接收器件可以是设置在光环形器的集成芯片10上与其集成在一起，也可以是分立的器件。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化均涵括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此外，显然“包括”一词不排除其他部件、单元或步骤，单数不排除复数。

应当理解，虽然本说明书按照具体实施方式加以描述，但并非每个具体实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

本发明提供的光环形器依靠准直透镜和法拉第旋转片构成的反射型光路，结合三个偏振分束器和两个偏振旋转器即实现了光环形器的功能，相比现有技术中的光环形器其具有更简化的内部结构，所使用的光器件更少，使得设计者可以更好地对光环形器的内部空间进行优化布局，以达到容纳更多部件或缩小体积的作用，因此本发明提供的光环形器具有尺寸小、封装简单、成本低等优点，也易于与其他光子集成器件大规模集成。

以上所披露的仅为本发明的一些较佳实施例，不能以此来限定本发明之权利范围，依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。