一种光隔离器、开关、可调光衰减器和调制器的光学设备.pdf

本发明涉及一种集成的光学设备，可以用作光隔离器、光开关、可调光衰减器或调制器。该设备利用一个普克尔盒来对入射光的偏振状态以纳秒级的速度进行动态旋转，来实现对光的衰减和调制。本发明的光学设备结构紧凑、高性能、稳定可靠，其没有可移动部件，适合在激光器系统中使用，特别是在针对光纤通信的系统中使用。

1、  一种光学设备，其特征在于包括：
一个第一和一个第二偏振片，每个偏振片都有一个偏振面，其中第二个偏振片的偏振面与第一个偏振片的偏振面成45度角，第一个偏振片接收入射光线，第二个偏振片提供输出光线；
一个普克尔盒根据外加电压来旋转输入光线的偏振态；
一个法拉第旋转器安放在第一个偏振片和普克尔盒之间，普克尔盒安放在法拉第旋转器和第二个偏振片之间并从旋转器接收光线，普克尔盒有两个偏振轴，分别与第二个偏振片的偏振面对称地成45度角；
至少一个电控驱动器来驱动衰减器和光开关；
一个电控驱动器来驱动调制器。

2、  根据权利要求1所述的光学设备，其特征在于：输入光基本上线偏振光，基本是相干的、单色的和准直的，并且偏振方向与第一个偏振片的偏振轴同向。

3、  根据权利要求1所述的光学设备，其特征在于：法拉第旋转器被设置为只将单一波长或一定波长范围内的输入光线的偏振面旋转45度角。

4、  根据权利要求1所述的光学设备，其特征在于：法拉第旋转器根据具体应用的波长需求进行选择。

5、  根据权利要求1所述的光学设备，其特征在于：作用在普克尔盒介质上的电场与光线或者成横向方向或者成纵向方向。

6、  根据权利要求1所述的光学设备，其特征在于：普克尔介质根据具体应用的波长需求进行选择。

7、  根据权利要求1所述的光学设备，其特征在于：所有光学部件的表面，包括偏振片、法拉第旋转器以及普克尔盒，都涂有多层的抗反射电介质薄膜来消除反射并减少光插入损耗。

8、  根据权利要求1所述的光学设备，其特征在于：第一个偏振片、法拉第旋转器、普克尔盒和第二个偏振片使用粘合剂固定，粘合剂对选定、的波长是透明的，或者使用粘合剂的表面部分不在光路上。

一种光隔离器、开关、可调光衰减器和调制器的光学设备
技术领域
本发明涉及一种自由空间，偏振相关的光隔离器、开关、可调光衰减器和调制器的光学设备，尤其是一种涉及使用了普克尔盒和法拉第旋转器来控制偏振状态的光学设备。
背景技术
目前在激光器系统中，尤其是现代光纤通信网络中广泛使用了光隔离器、开关、可调光衰减器和调制器。
光隔离器可以消除多余的或反射的光信号，从而避免对正常工作的光学功能产生干扰。在光纤通信系统中，一些光线可能会从光纤网络中反射回来，这些反射光会干扰甚至改变激光器输出的振荡频率，从而影响激光器的运行。所以经常在激光二极管和光纤之间使用一个光隔离器来将光纤网络的反射减至最小。
正如在之前技术中所披露的，图1A显示了光隔离器的传统设计。光隔离器包括两个偏振片(14-1和14-2)和一个法拉第旋转器16，法拉第旋转器16安放在偏振片14-1和14-2之间。图1B显示了两个偏振片的偏振面方向，第一个偏振片14-1的偏振面11与x轴对齐，第二个偏振片14-2的偏振面15与x轴成45度角。在光线经过第一个偏振片14-1后，法拉第旋转器16将输入光线10-1的偏振旋转45度，这样光线10-2就可以通过第二个偏振片14-2而不受影响。
法拉第旋转器16提供的偏振面的旋转使得向某一个方向传播的光线可以同时通过两个偏振片14-1和14-2，而与光线10-1相反方向传播的光线，如光线10-3的反射光，在通过法拉第旋转器16后，其偏振面的旋转使之被偏振片14-1阻挡。
光衰减器是光信号传输的光路中一个非常重要的部件，用于控制光信号的强弱。在光纤通信系统中，可调光衰减器被广泛地应用于调节光功率水平，来防止不规则的光功率变化对光接收器造成破坏。当光功率波动时，使用一个可调光衰减器，结合输出功率检测器和反馈控制回路，可以实时调节衰减使得输出到光接收器的功率保持在一个相对恒定的水平。通过使部分或全部的光信号从原来的光路上偏离就可以实现光信号的衰减，具体实施可以用多种方法实现。
已经有多种技术可实现可调光衰减器(VOA)。目前，市场上有几种类型的可调光衰减器，例如使用步进电机或磁光晶体的光-机械VOA器件、使用液晶技术的VOA器件、以及使用微电子机械系统(MEMS)技术的VOA器件。
使用普克尔盒制作的光快门或开关，其原理基于电光晶体的双折射特性，通常使用在非光纤通信应用中，主要原因是普克尔盒的高电压要求。普克尔电光效应通过一个固定的或变化的电场在光介质中产生双折射特性。电场可以以与光线横向或者纵向的方向加在晶体介质上。纵向普克尔盒需要透明电极或环形电极。横向加压的电压可以通过增加晶体长度来减小。结合两个偏振片的普克尔盒可以使用在多种应用中。正如在之前技术中所披露的，图2A显示了一个简单的基于普克尔盒的设备，可以实现多种功能，例如可调光衰减器和调制器。
图2B显示了一个常闭(不加电压时光开关处关闭状态)的光开关中偏振片的偏振面方向，其中图2A所示的第一个偏振片24-1的偏振面21与x轴对齐，第二个偏振片24-2的偏振面25与y轴对齐。当普克尔盒驱动器29产生的可变电场的值在0电压和半波电压(即普克尔盒将入射光偏振面旋转90度所需的电压)之间变化时，输入光线20-1可以被衰减至从完全关闭到完全透明的范围，成为光线20-2从偏振片24-2射出。
尽管这种结构的响应时间非常快，可以达到纳秒量级，但是很少在光纤通信系统中使用，主要原因是需要极高的电压(半波电压通常需要几千伏电压或者更高)。但是随着新材料的发展，产生双折射特性的电压需求已经大幅度下降，所以本发明在光纤通信系统中的应用是可行的，尤其是有潜力应用在以高频率、低电压直接调制激光信号的发射机中。
发明内容
本发明的目的是提供一种集成的、结构紧凑的多功能没有机械可移动部件的光学设备，可以用作光隔离器、光开关、可调光衰减器和调制器，适合在各种激光器系统中使用，特别是在针对光纤通信网络的系统中使用。
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
一种光学设备，其特征在于包括：
一个第一和一个第二偏振片，每个偏振片都有一个偏振面，其中第二个偏振片的偏振面与第一个偏振片的偏振面成45度角，第一个偏振片接收入射光线，第二个偏振片提供输出光线；
一个普克尔盒根据外加电压来旋转输入光线的偏振态；
一个法拉第旋转器安放在第一个偏振片和普克尔盒之间，普克尔盒安放在法拉第旋转器和第二个偏振片之间并从旋转器接收光线，普克尔盒有两个偏振轴，分别与第二个偏振片的偏振面对称地成45度角；
至少一个电控驱动器来驱动衰减器和光开关；
一个电控驱动器来驱动调制器。
而且，输入光基本上线偏振光，基本是相干的、单色的和准直的，并且偏振方向与第一个偏振片的偏振轴同向。
而且，法拉第旋转器被设置为只将单一波长或一定波长范围内的输入光线的偏振面旋转45度角。
而且，法拉第旋转器根据具体应用的波长需求进行选择。
而且，作用在普克尔盒介质上的电场与光线或者成横向方向或者成纵向方向。
而且，普克尔介质根据具体应用的波长需求进行选择。
而且，所有光学部件的表面，包括偏振片、法拉第旋转器以及普克尔盒，都涂有多层的抗反射电介质薄膜来消除反射并减少光插入损耗。
而且，第一个偏振片、法拉第旋转器、普克尔盒和第二个偏振片使用粘合剂固定，粘合剂对选定、的波长是透明的，或者使用粘合剂的表面部分不在光路上。
本发明的优点和积极效果是：
本发明的光学设备利用一个普克尔盒来对入射光的偏振状态以纳秒级的速度进行动态旋转，从而实现对光的超快速度衰减和调制，可以用于光隔离器、光开关、可调光衰减器或调制器，适合在激光器系统中使用，特别是在针对光纤通信的系统中使用；同时，本光学设备没有可移动部件，具有设计简洁、集成度高、易于生产的优点，从而实现低成本的大规模生产。
附图说明
图1A显示了已有技术中使用的一种光隔离器设计。
图1B显示了光隔离器设计中两个偏振片的偏振面定向。
图2A显示了已有技术中使用的一种光衰减器设计。
图2B显示了光衰减器设计中两个偏振片的偏振面方向。
图3A显示了本发明的多功能集成光学设备的一种具体实施。
图3B显示了本发明具体实施中两个偏振片的偏振面方向。
图3C显示了普克尔盒的两个偏振轴相对于两个偏振片偏振面的方向。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例做进一步详述。
图3显示了作为首选的具体实施，一种可以用作光隔离器、光开关、可调光衰减器和调制器的集成设备的结构原理图。为了便于描述和理解，坐标轴的设置如下：z方向(图中指向右方)代表光学部件对齐的方向；x方向(垂直方向)和y方向(水平方向)代表与z方向正交的两个方向。如图3B所示，第一个偏振片34-1的偏振面31与x轴对齐，第二个偏振片34-2的偏振面35与x轴成45度角。在这个系统中，输入光线30-1基本上是线偏振光，基本是相干的、单色的和准直的。并且输入光线30-1偏振方向与第一个偏振片34-1的偏振轴同向，可以通过第一个偏振片34-1。这个光传输可用琼斯矩阵0001]]>来表达。光线30-2在经过法拉第旋转器36后的偏振方向被旋转了45度角(在x、y平面上)，用琼斯矩阵来表示即为1/21111,]]>这是为特定的波长设计的，因为法拉第旋转器产生的转角是由波长决定的。一般来说，法拉第旋转器根据实际应用的波长要求被设计为单一波长或在一个波长范围之内。
普克尔盒37包括一个透明的各向同性的非双折射特性的介质。普克尔盒的介质是根据实际应用的特定波长要求而选择的。当没有外加电场时，普克尔盒37允许光线30-3通过与第一个偏振片34-1偏振面31成45度角的第二个偏振片34-2。在这些条件下，对于沿着z方向传播的光线来说，系统对光线30-1是透明的，但是会阻挡光线30-4的反射光。图3A所描述的系统可以像图1A中的光隔离器一样工作，极大地衰减反射光信号。
如图3C所示，当驱动器32和/或33产生的电场加载到普克尔盒上时，普克尔盒37就变成了一个压控波片，即eiθ(V)100±i,]]>其偏振轴39-1和39-2分别与x轴和y轴对齐。为了使该系统像光开关一样工作，驱动器32产生一个足够大的电压V使得普克尔盒37成为一个半波片，即eiθ(V)100±i,]]>其中θ(V)=π2,]]>在x-y平面上将透过法拉第旋转器36出来的入射光线30-2的偏振方向旋转90度。由于一般普克尔盒的超快响应时间，这样的光开关可以做到纳秒量级的开关时间。
当施加电压小于半波电压时，系统就成为了光衰减器。通过改变施加电压，入射光30-1能够到达出射光30-4的部分可以从完全通过变化到完全阻隔。在实际应用中，由于材料吸收、散射、反射以及偏振轴不完全对齐等因素，在没有施加电场的情况下也会产生一些插入损耗。应该注意，尽管当首选的系统作为衰减器工作时对光线30-4的反射隔离有所下降，但是由于输入光线30-1被衰减，反射光线也大为减少。因此，系统整体的反射隔离并没有明显降低。明显地，如果使用调制驱动器33来驱动普克尔盒37，就可以实现对输入光线30-1的调制。由于所需的半波电压较高，开关状态的调制频率很难做到很高，但是对光线30-1的小幅度调制还是可行的。
尽管对本发明的描述主要以某一个首选版本的实施作为参考，但是其他实施方式也是可能的。例如，此设备可以设置为常闭(当没有对普克尔盒37施加电压时，系统完全阻断输入光线)的光开关，只需将第二个偏振片34-2的偏振面35从其常开位置(如图3B所示)转动90度即可。在另一种实施方式中，所有光学部件的表面，包括偏振片、法拉第旋转器以及普克尔盒，都涂有多层的抗反射电介质薄膜来消除反射并减少光插入损耗。另外，第一个偏振片、法拉第旋转器、普克尔盒和第二个偏振片可以使用粘合剂固定，粘合剂对选定的波长是透明的，或者使用粘合剂的表面部分不在光路上。因此权利要求书的范围不应局限在这里描述的首选版本的实施上。