[发明专利]一种光隔离器、开关、可调光衰减器和调制器的光学设备

说明书

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；