[发明专利]宽带偏振分离器、合并器、隔离器和控制器

说明书

发明背景

1.发明领域

本发明一般涉及偏振分离器、合并器和隔离器，尤其涉及对随机偏振光信号分离或合并的波长不敏感装置。

2.技术背景

偏振是光通信技术中的一个关键参数。在单模光纤中，光纤的基本模式是对在纤芯-包层界面满足边界条件的波方程式的解。然而，直观上看不出，对应于基本模式的波方程式有两个解。光纤被当作单模光纤，因为两个解具有相同的传播常数，至少在完全的圆柱光纤中是如此。将两个解称为偏振模式。与基本模式相关的电场假设是横场，偏振分量沿x和y方向线性偏振。因此，偏振分量相互正交。当光沿光纤传播时，在两个偏振模式之间脉冲能量被划分。偏振状态指两种偏振模式之间光能量的分布。实际上，由于光纤不是完全圆形的，两个偏振模式的传播常数有少许差别，引起脉冲扩散。这一现象称为偏振模式扩散。

在设计期间必须考虑到光在光纤网络中传播的偏振状态。可以使光纤的偏振与偏振模式扩散无关，但是偏振状态会随时间改变所有的状态，并受环境因素的影响。许多器件需要入射光信号处于特定偏振状态。这种器件的性能将随入射偏振的状态明显变化。因此，当入射光信号随机偏振时，器件将失去功能。

已经考虑的一种方法涉及使用偏振维持(PM)光纤。虽然PM光纤将维持光信号的偏振状态，但是由于几个原因对于大多数通信系统而言是不实际的。首先，PM光纤的衰减总是较高的。其次，在发生某些偏振耦合的情况中，偏振模式扩散将是很高的。第三，PM光纤价格昂贵，成本依赖于所需偏振保持的程度。因此，对系统广泛部署，PM光纤是不实际的。

在已经考虑的另一种方法中，已经采用机械偏振控制器对偏振随时间变化进行机械跟踪。通常，偏振跟踪是在两个阶段进行的。第一，测量偏振状态。然后，将接收器和入射光信号的偏振状态调节为一致。在世界各地的实验室中使用机械偏振控制器来执行电信实验。然而，这些器件大部分限于实验室。即使在实验室条件下，这些器件仍有几个缺点。机械偏振控制器不是稳健的，需要经常监视以保证它们处于良好工作秩序中。即使当器件正常工作时，必须在整个时间上对偏振状态作机械跟踪，没有这么做的直接方法，因为不能提供间隙。如果不是不可能的话，这使得偏振状态的直接监视变得困难。

在已经考虑的再一种方法中，已经采用偏振光分离器来给偏振敏感器件提供具有已知偏振状态的光信号。偏振光分离器由与谐振结构连接的输入分束器组成，谐振结构与输出分束器连接。输入分束器将光联席会分成平行和垂直分量，然后将它们送至谐振结构。在谐振波长或其附近的光被谐振结构旋转到一已知偏振状态。然而，不在谐振波长或其附近的光通过谐振结构不发生变化。输出分束器使两分量重新合并为一具有已知偏振状态的光信号。这一光信号提供给偏振敏感接收器使用。令人遗憾的是，最终的光信号是非常窄带的，仅几个波长宽，因为不在谐振波长和其附近的信号的光谱分量已经被滤除。这种方法也是代价昂贵的。

因此，在有偏振敏感元件的通信系统中，需要一种波长不敏感的偏振分离器/合并器，它能够被用于对宽带偏振光信号进行分离或合并，而光谱信息没有损失。尤其在注重成本的系统中，如局域网或城市网中更是如此。

发明概要

本发明提供一种满足上述需求的稳健、廉价而且相对波长不敏感的偏振分离器/合并器。揭示的分离器/合并器能够利用光纤技术或平面技术制备。将光分解成垂直和平行分量。然后，在偏振分量被重新合并之前为诸如传感器或放大器等偏振敏感器件能够利用。本发明的分离器/合并器也可用作隔离器、循环器和偏振控制器的基础。

本发明的一个方面是一种引导偏振光信号的光学器件，所述偏振光具有相互正交的偏振分量。光学器件包括第一端口、第二端口、第三端口和第四端口。光学器件还包括：对极相位发生器，用于产生有选择地与第一分量干涉的第一对极相位信号和有选择地与第二分量干涉的第二对极相位信号，从而将偏振光信号引导到第一端口，将第一分量引导到第三端口而将第二分量引导到第四端口，光谱信息没有明显损失。