TW440712B - Optical circulator - Google Patents

Description

440” 2 五、發明說明（1) 【發明的應用範圍】 本發明係有關於一種光循環器，特別是指一種耦合光 纖與光學元件，可應用於光訊號之光纖傳輸的光循環器。 【發明背景】 光循環器（Optical Circulators)乃一種至少具有 三個連接埠之光纖被動元件，其特性為由第一璋輸入的光 由第二埠輸出，第二埠輪入的光由第三埠輸出，當埠之數 量增加，此原理不會改變，亦即光循環器之内部光路不可 逆，第η埠輸入的光由第n+li阜輸出。 光循環器可應用於光訊號之光纖傳輸，例如：將兩光 循環器之第一埠連接訊號發射器（data transmitter)， 第二埠連接光纖（optical fiber)，第三埠連接訊號接 收器（data receiver)，即可利用同一光纖傳送及接收 訊號。 對屬於非單向（anisotropic)晶體之雙折射 (birefringent)晶體而言，入射光依其偏振方向可分為 extraordinary ray (E-ray )與ordinary ray (0-ray )，其偏振方向為正交（o r t h o g ο n a 1 )。以線性偏極光 (linearly polarized beam )而言，兩個偏振方向相差 90度，Ο-ray會遵守Snell定律，其波行進方向與能量行進 方向平行，但E-ray之波行進方向通常與Ο-ray不平行，且 能量行進方向因晶體光軸而有所差異，此稱為walk-off現 象。 當光於去程通過互補（reciprocal)晶體，偏振方向

440” 2 五、發明說明（2) 加上特定角度，而當光於回程通過互補晶體，偏振方向減 去該特定角度，因此光通過互補晶體並來回一次，其偏振 態並未改變；反之，當光於去程通過非互補晶體 (non-reciprocal )，偏振方向加上特定角度，而當光於 回程通過非互補晶體，偏振方向再次加上該特定角度，因 此光通過非互補晶體並來回一次，其偏振態之改變具有加 成性。組合適當之互補晶體與非互補晶體以產生特定線性 偏振方向，可選擇是否產生walk-off現象，而達成前述光 循環器之内部光路不可逆的需求。一般於光循環器所採用 之互補晶體為半波片（half-wave plate)，而非互補晶 體為法拉第旋轉晶體（Faraday rotator)。 光循環器之設計方式，可依各埠是否在相同軸向作區 分。當光循環器之不同埠不在相同轴向，必須利用偏光分 光稜鏡（polarizing beam splitter，簡稱PBS)，其成 品之體積龐大且成本昂貴，例如：美國專利第5，8 7 8，1 7 6 號所揭露之技術。為減小成品之體積且降低成本，將不同 埠設計在相同軸向成為光循環器之近來趨勢，例如：美國 專利第5，9 3 0，4 2 2號所揭露之技術。基於降低成本及組裝 便利之考量，美國專利第5 , 9 7 3，8 3 2號揭露一種利用多層 法拉第旋轉晶體與雙折射晶體光軸之相對角度，省略半波 片之技術；美國專利第6，0 0 2 , 5 1 2號則揭露一種利用 1 a t c h a b 1 e法拉第旋轉晶體減少半波片數量之技術。美國 專利第5, 9 3 0, 0 3 9號揭露一種利用雙心（two-core )之光 纖準直器（fiber collimator)，使三個埠僅需兩個光纖

五 '發明說明（3) 準直器之技術，可大幅減小成品之體積且降低成本。 【發明之目的及概述】 本發明之主要目的，在於提供一種可減小體積、降低 成本並解決雙心光纖準直器之對耦角度及最小光偏振模色 散等技術問題之光循環器。 根據本發明所揭露之技術，係利用反射鏡使光循環器 之第一埠與第二埠皆成為雙心光纖準直器端，因重複使用 晶體，可減小光循環器體積，簡化組裝程序，並可克服雙 心光纖準直器之對耦角度及最小光偏振模色散 (ploarization mode dispersion，簡稱PMD)等技術問 題；本發明並利用光通過互補晶體來回一次，其偏振態並 未改變，而通過非互補晶體來回一次，其偏振態之改變具 有加成性之特性，組合適當之互補晶體與非互補晶體以產 生特定線性偏振方向，可選擇是否產生walk-off現象，而 組成内部光路不可逆之光循環器。特別是可利用法拉第旋 轉晶體與雙折射晶體光軸之對應關係，而省略一般光循環 器所需之半波片，進一步降低製作之成本及複雜度。 有關本發明之詳細内容及技術，茲就配合圖式說明如 下： 【發明之詳細說明】 請參照「第1 a圖」及「第1 b圖」為本發明之基本原理 示意圖。 雙心光纖準直器之某一埠光路10與另一埠光路20交叉 之夾角為2Θ，某一埠光路10經反射鏡001之反射光為

五、發明說明¢4) 10r，其行進方向依入射角等於反射角之原理，將與另一 淳光路20反方向平行，兩者有一垂直方向之位移差。當 10r入射雙折射晶體002，偏振方向平行光軸之E-ray產生 walk-off現象而得一位移，10re與10ro於雙折射晶體002 之外仍保持平行且行進方向與1 0 r相同。 請參照「第2圖」為本發明之X - z平面光路圖。 對於由第一埠光路10進入第一雙折射晶體101之入射 光，因其光轴在x_z平面與Z轴平行，在此平面並無 walk-off問題，第二雙折射晶體104之光軸在x-z平面與z 軸之夾角為4 5度，但經由法拉第旋轉晶體組1 0 2及半波片 103之非互補及互補組合效應後，第一埠進入104之光路 10ft為0-ray，遵守Snell定律；但10ft行經法拉第旋轉晶 體組105，經反射鏡106反射後往一z方向前進，再次通過 法拉第旋轉晶體組1 0 5，因法拉第旋轉晶體為非互補，光 經來回一次，其偏振態加成改變，再次經過1 0 4為E - r a y， 將產生walk-off現象，其光路為10bt，利用適當之104長 度即可控制10bt在X方向之偏移量，經耦合進入第二埠光 路20。由第二埠光路20朝+ z方向經過104之入射光，其光 路與前述由第一埠光路10進入第二埠光路20相同，但入射 1 0 4，仍將遵守S n e 1 1定律，通過法拉第旋轉晶體組1 0 5後 繼續往+ z方向前進，通過半波片1 0 7及法拉第旋轉晶體組 108，可耦合進入光纖準直器02 « 請參照「第3圖」為本發明針對第一埠進入第二埠之 y_z平面光路圖。

五、發明說明（5) 1 0 2 a與1 〇 5 a為使光行經後偏振方向往順時鐘方向旋轉 4 5度之法拉第旋轉晶體，1 〇 2 b與1 〇 5 b為使光行經後偏振方 向往逆時鐘方向旋轉45度之法拉第旋轉晶體。第一埠光路 10垂直入射第一雙折射晶體1〇1 ，其光軸與z軸夹45度， 會產生walk-〇ff現象在7-2平面分出二偏極方向正交之光 路’此二光路為l〇f0與l〇fe，屬於E-ray之10fe行經法拉 第旋轉晶體102a與半波片103後偏振方向不變，屬於〇-ray 之1 0 f 〇行經法拉第旋轉晶體1 〇 2b與半波片1 0 3後偏振方向 旋轉90度’此偏振方向之改變詳見於第5a圖。此時“以與 1 0 f e有相同偏振方向’且對第二雙折射晶體丨0 4而言均為 Ο-ray。10fe行經法拉第旋轉晶體i〇5a後被反射鏡106所反 射’再度行經法拉第旋轉晶體1 〇 5 a，1 0 f 〇行經法拉第旋轉 晶體組1 0 5後多行經一段距離，方由反射鏡1 〇 6之下半部反 射’再度行經法拉第旋轉晶體丨〇 5 b。本發明所揭露利用 10fo來回多行經之光路可用以補償1(^0與1〇。在第一雙折 射晶體1 01之光程差，能有效解決最小光偏振模色散 (ploarization mode dispersion，簡稱PMD)之技術問 題。 往一z方向行進之10fo與l〇fe的偏振方向經兩次非互 補效應而旋轉9 0度，對第二雙折射晶體1 〇 4而言均為 E-ray，將產生walk-off現象；往一z方向行進之1〇fe再度 行經半波片103與法拉第旋轉晶體l〇2a後偏振方向旋轉9〇又 度，而1 0 f 〇再度行經半波片1 0 3與法拉第旋轉晶體i 〇 2 a後 偏振方向不變，因此往一Z方向行進之i〇fe行經第一雙折

第8頁 1 厶厶 五、發明說明（6) 射晶體101會產生walk-off現象，與10fo可合併耦合進入 第二埠。 請參照「第4圖」為本發明針對第二埠進入第三埠之 y-z平面光路圖。 第二埠光路20之出射光在y_z平面於通過法拉第旋轉 晶體105a與105b前，均與前述第3圖之光路相同，其偏振 關係如第5圖，2 0 f e與2 〇 f 〇均不受反射。2 0 f e行經法拉第 旋轉晶體105a與半波片1〇7，其偏振方向旋轉90度，入射 第二雙折射晶體108為〇_ray ;2〇f〇行經法拉第旋轉晶體 105b與半波片1〇7 ’其偏振方向不變’入射第三雙折射晶 體108為E-ray ’將產生^^^”現象而與2〇fe合併成為第 二埠光路3 0。 及「第5b圊」為x-y平面往z方向視 請參照「第5 a圖 之的偏振關係圖。 而反 請參照「第6圖」為具PMD補償功能之反射鏡示意圖。 M D補償方式’係以反射鏡一面之一部分為H R鍍膜，可 ^ = 反射’另一部分為AR鍍膜’可使0一ray通過 射鏡^一面為全HR鍍螟，可使〇_ray反射。 u· 參照「第7圖」為另一種1^0補償方式設計圖 置於 主冰μ補償方式’係以反射鏡1 0 6之兩面均為A R鍍膜I "、 妒/ 1 0 3與第二雙折射晶體1 〇 4之間，並在法拉第旋轉晶 體1 =與1{)51)之後置人—HR鍵膜之反射鏡1〇9。 Μ參照「第8a圖」及「第8b圖」為無半波片設計之 X-Z興y-z平面光路圖。

第9頁 五、發明說明（Ό 選擇第一雙折射晶體1 0 1與第三雙折射晶體1 08之光轴 在X - y與X - ζ平面分別對y輔與ζ拍夾4 5度，基於反射原理， 可省略互補晶體，利用兩組逆-順時鐘旋轉之非互補晶體 即可達成偏振控制之目的。藉由此種設計，本發明具有晶 體數目少、組裝簡便之功效。 請參照「第9 a圖」及「第9 b圖」為無半波片設計於 x-y平面往z方向視之的偏振關係圖。 利用兩組逆-順時鐘旋^ 控制之目的，本圖表示其偏 【發明之效果】 本發明為一種光循環器 循環器體積及簡化組裝程序 對麵角度及最小光偏振模色 法拉第旋轉晶體與雙折射晶 光循環器所需之半波片，而 雖然本發明以前述之較 用以限定本發明’任何熟習 精神和範圍内，當可作些許 保護範圍當視後附之申請專 I之非互補晶體即可達成偏振 振關係。 ’因重複使用晶體，可減小光 ’並可克服雙心光纖準直器之 散等技術問題；特別是可利用 體光軸之對應關係，省略一般 降低製作之成本及複雜度。 佳實施例揭露如上，然其並非 此技藝者，在不脫離本發明之 之更動與潤飾，因此本發明之 範圍所界定者為準。

44 Ο” 2 圖式簡單說明 【圖式簡單說明】 第1 a圖及第1 b圖為本發明之基本原理示意圖。 第2圖為本發明之x-z平面光路圖。 第3圖為本發明針對第一埠進入第二埠之y-z平面光路 圖。 第4圖為本發明針對第二埠進入第三埠之y-z平面光路 圖° 第5a圖及第5b圖為x-y平面往z方向視之的偏振關係 圖。 第6圖為具PMD補償功能之反射鏡示意圖。 第7圖為另一種PMD補償方式設計圖。 第8a圖及第8b圖為利用PMD補償反射鏡且無半波片設 計之x-z與y-z平面光路圖。 第9a圖及第9b圖為無半波片設計於x-y平面往z方向視 之的偏振關係圖。 【圖示符號說明】 第la圖 01 雙心光纖準直器 10 某一埠之光路 20 另一埠之光路 00 1 反射鏡 1 0 r 經反射之1 0 第lb圖 0 0 2 雙折射晶體

440712 圖式簡單說明 1 0 r 經反射之光路 10re 10r經00 2產生walk-off現象之E-ray光路 1 0 r ο 1 0 r經 0 0 2之 0 - r a y光路 第2圖 01 雙心光纖準直器 02 單心或雙心光纖準直器（僅使用一埠） 1〇 第一埠光路 101 第一雙折射晶體 102 法拉第旋轉晶體組 103 半波片 104 第二雙折射晶體 10£1:第一埠進入10 4之光路 105 法拉第旋轉晶體組 10 6 反射鏡 10bt第一埠經由10 6反射在10 4之光路 107 半波片 108 第三雙折射晶體 20 第二埠光路 30 第二埠光路 第3圖 01 雙心光纖準直器 02 單心或雙心光纖準直器（僅使用一埠） 10 第一埠光路 101 第一雙折射晶體

第12頁 /U〇7'2_ 圖式簡單說明 1 Ο 2 a第一法拉第旋轉晶體 1 0 2 b第二法拉第旋轉晶體 1 0 3 半波片 1 0 4 第二雙折射晶體 1 0 5 a第三法拉第旋轉晶體 1 0 5 b第四法拉第旋轉晶體 106 反射鏡 108 第三雙折射晶體 10fo第一埠進入第二埠之〇-ray 10fe第一库進入第二埠之E-ray 第4圖 01 雙心光纖準直器 02 單心或雙心光纖準直器（僅使用一埠） 101 第一雙折射晶體 1 0 2 a第一法拉第旋轉晶體 1 0 2 b第二法拉第旋轉晶體 1 0 3 半波片 104 第二雙折射晶體 10 5a第三法拉第旋轉晶體 10 5b第四法拉第旋轉晶體 1 0 7 半波片 108 第三雙折射晶體 20 第二埠光路 20fo第二埠進入第三埠之〇-ray

第13頁 圊式簡單說明 20fe第二埠進入第三埠之E-ray 30 第二埠光路 第5 a圖 10 第一埠光路 101 第一雙折射晶體 1 0 2 a第一法拉第旋轉晶體 1 0 2 b第二法拉第旋轉晶體 1 0 3 半波片 104 第二雙折射晶體 1 0 5 a第三法拉第旋轉晶體 1 0 5b第四法拉第旋轉晶體 106 反射鏡 20 第二淳光路 第5 b圖 20 第二埠光路 101 第一雙折射晶體 1 0 2 a第一法拉第旋轉晶體 1 0 2 b第二法拉第旋轉晶體 1 0 3 半波片 1 0 4 第二雙折射晶體 10 5a第三法拉第旋轉晶體 1 0 5 b第四法拉第旋轉晶體 1 0 7 半波片 108 第三雙折射晶體

第14頁 圖式簡單說明 30 第二埠光路 第6圖 106 反射鏡 第7圖 01 雙心光纖準直器 02 單心或雙心光纖準直器（僅使用一埠） 10 第一埠光路 101 第一雙折射晶體 1 0 2 a第一法拉第旋轉晶體 1 0 2 b第二法拉第旋轉晶體 103 半波片 104 第二雙折射晶體 1 0 5 a第三法拉第旋轉晶體 1 0 5 b第四法拉第旋轉晶體 106 反射鏡 107 半波片 108 第三雙折射晶體 10 9 H R鍍膜之反射鏡 20 第二埠光路 第8 a圖 01 雙心光纖準直器 02 單心或雙心光纖準直器（僅使用一埠） 1〇 第一埠光路 10 1 第一雙折射晶體

第15頁 、440” 2 圖式簡單說明 102 法拉 104 105 106 108 20 30 第二 法拉 反射 第三 第二 第二 第8 b圖 01 雙 02 10 101 102a 102b 104 10 5a 105b 106 108 20 單心 第一 第一 第一 第二 第二 第三 第四 反射 第三 第二 第9a圖 10 第一 101 第一 102a 第一 第旋轉晶體組 雙折射晶體 第旋轉晶體组 鏡 雙折射晶體 埠光路 埠光路 光纖準直器 或雙心光纖準直器 埠光路 雙折射晶體 法拉第旋轉晶體 法拉第旋轉晶體 雙折射晶體 法拉第旋轉晶體 法拉第旋轉晶體 鏡 雙折射晶體 埠光路 埠光路 雙折射晶體 法拉第旋轉晶體 僅使用一埠）

第16頁 4407 t 2 圖式簡單說明 1 0 2 b第二法拉第旋轉晶體 1 0 4 第二雙折射晶體 1 0 5 a第三法拉第旋轉晶體 1 0 5 b第四法拉第旋轉晶體 1 0 6 反射鏡 20 第二埠光路 第9b圖 101 第一雙折射晶體 1 0 2 a第一法拉第旋轉晶體 1 0 2 b第二法拉第旋轉晶體 1 0 4 第二雙折射晶體 1 0 5a第三法拉第旋轉晶體 1 0 5 b第四法拉第旋轉晶體 106 反射鏡 108 第三雙折射晶體 20 第二埠光路 30 第二埠光路

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Claims (1)

1. 4407 1 2 六、申請專利範圍 1、一種光循環器，用以循環傳送光束，包含： 一光束輸入器，至少包含二埠，其中一埠為光循 環器之第一埠，另一埠為光循環器之第二埠； 一光束輸出器，至少包含一埠為光循環器之第三 埠； 一第一光位移控制器，位於該光束輸入器與該光 束輸出器之間，用以使一光束分離為偏振方向正交之 二光束E_ray與Ο-ray，以及使偏振方向正交之二光 東E-ray與Ο-ray合併為一光束； 一第二光位移控制器，位於該第一光位移控制器 與該光束輸出器之間，用以使一光束分離為偏振方向 正交之二光束E-ray與Ο-ray，以及使偏振方向正交之 二光束E-ray與Ο-ray合併為一光束； 一第三光位移控制器，位於該第二光位移控制器 與該光束輸出器之間，用以使一光束分離為偏振方向 正交之二光束E-ray與Ο-ray，以及使偏振方向正交之 二光束E-ray與Ο-ray合併為一光束； 一第一光偏振控制器，位於該第一光位移控制器 與第二光位移控制器之間，用以使偏振方向正交之二 光束的行進方向平行，以及使行進方向平行之二光束 的偏振方向正交； 一第二光偏振控制器.，位於該第二光位移控制器 與該第三光位移控制之間，用以使偏振方向正交之 二光束的行進方向平行，以及使行進方向平行之二光

   第18頁 0Β/11/20Θ1 10：13 03-5917702 PAGE 02 44 07 1 2 六、申請專利範園 束的偏振方向正交；以及 /光行進方向改變器，用以使光產生反射而改變 行進方向° 2、 如申請專利範圍第1項所述之光循環器’其光束輸入器 為一雙心光束準直器。 3、 如申請專利範圍第1項所述之光循環器，其光束輸出器 為一單心光束準直器。 4、 如申請專利範圍第1項所述之光猶環器’其光束輸出器 為一僅使用一淳之雙心光束準直器。 5、 如申請專利範圍第1項所述之光循環器’其第一光位移 控制器為一雙折射晶體。 6、 如申請專利範圍苐1項所述之光循環器，其第二光位移 控制器為一雙折射晶體° 7、 如申請專利範圍第1項所述之光循環器，其第一光偏振 控制器為一亙補晶體與非互補晶體之組合" 8、 如申請專利範圍第7項所述之光循環器，其第一光偏振 控制器之互補晶體為半波片^ 9、 如申請專利範圍第Y項所述之光循環器，其苐一光偏振 控制器之非互補晶體為法拉第旋轉晶體4 1 0、如申請專利範1第1項所述之光循環器，其第一光偏 振 控制器為兩個偏振绫轉方向相反之非亙補晶體° 1 1、如申請專利範圍第1 〇項所述之光循環器，其非互補晶 體為法拉第旋轉晶體。 1 2 '如申諳專利範圍第1項所述之光循環器，其第二光偏

   第19頁 44 07 1 2 六、申請專利範圍 束的偏振方向正交；以及 一光行進方向改變器，用以使光產生反射而改變 行進方向。 2、如申請專利範圍第1項所述之光循環器，其光束輸入器 為一雙心光束準直器。 2、 如申請專利範圍第1項所述之光循環器，其光束輸出器 為一單心光束準直器。 3、 如申請專利範圍第1項所述之光循環器，其光束輸出器 為一僅使用一埠之雙心光束準直器。 4、 如申請專利範圍第1項所述之光循環器，其第一光位移 控制器為一雙折射晶體。 5、 如申請專利範圍第i項所述之光循環器，其第二光位移 控制器為一雙折射晶體。 6、 如申請專利範圍第1項所述之光循環器，其第一光偏振 控制器為一互補晶體與非互補晶體之組合。 7、 如申請專利範圍第6項所述之光循環器，其第一光偏振 控制器之互補晶體為半波片。 8、 如申請專利範圍第6項所述之光循環器，其第一光偏振 控制器之非互補晶體為法拉第旋轉晶體。 9、 如申請專利範圍第1項所述之光循環器，其第一光偏振 控制器為兩個偏振旋轉方向相反之非互補晶體。 1 0、如申請專利範圍第9項所述之光循環器，其非互補晶 體為法拉弟旋轉晶體。 1 1、如申請專利範圍第丨項所述之光循環器，其第二光偏

   第19頁 六、申請專利範圍 振控制器為一互補晶體與非互補晶體之組合。 1 2、如申請專利範圍第1 1項所述之光循環器，其第二光偏 振控制器之互補晶體為半波片。 1 3、如申請專利範圍第1 1項所述之光循環器，其第二光偏 振控制器之非互補晶體為法拉第旋轉晶體。 1 4、如申請專利範圍第1項所述之光循環器，其第二光偏 振控制器為兩個偏振旋轉方向相反之非互補晶體。 1 5、如申請專利範圍第1 4項所述之光循環器，其非互補晶 體為法拉第旋轉晶體。 1 6、如申請專利範圍第1項所述之光循環器，其光行進方 向改變器為一位於該第二光位移控制器與該光束輸出 器之間的反射鏡。 1 7、如申請專利範圍第1 6項所述之光循環器，其反射鏡一 面之一部分為HR鍍膜，另一部分為AR鍍膜，而另一面 為全HR鍍膜，並使兩面之來回距離等於第一埠進入第 二埠之O-ray與E-ray行經該第一光位移控制器之光程 差。 1 8、如申請專利範圍第1項所述之光循環器，其光行進方 向改變器為一位於該第二光位移控制器之後的反射 鏡。 19、如申請專利範圍第18項所述之光循環器，其反射鏡為 HR鍍膜，並於該第一光位移控制器與該反射鏡之間置 入一折射率大於1之晶體°

   第20頁 06/11/2001 10：13 03-5917702 PAGE 03 ^407 1 2 六、申請專利範圍 振控制器為一互補晶體與非互補晶體之組合， 1 3、如申請專利範圍第1 2項所述之光循環器，其第二光偏 振控制器之互補晶體為半波片。 1 4 '如申請專利範圍第1 2項所述之光循環器，其第二光偏 振控制器之非互補晶體為法拉第旋轉晶體β 1 5、如申請」專利範圍第1項所述之光循環器，其第二光偏 搌控制器為兩個偏振旋轉方向相反之非互補晶體β 1 6、如申請專利範圍第1 5項所述之光循環器，其非互補晶 體為法拉第旋轉晶體。 17、如申請專利範圍第1項所述之光循環器，其光行進方 向改變器為一位於該第二光位移控制器與該光束輸出 器之間的反射鏡。 1 8、如申請專利範圍第1 7項所述之光循環器，其反射鏡一 面之一部分為HR鍍膜，另一部分為AR鍍膜，而另—面 為全HR鍍膜’並使兩面之來回距離等於第一填進入第 二埠之Ο-ray與E-ray行經該第一光位移控制器之光程 差。 1 9、如申請專利範圍第1項所述之光循環器，其光行進方 向改變器為一位於該第二光位移控制器之後的反射 鏡。 20、如申諳專利範圍第19項所述之光循環器，其反射鏡為 HR鍵膜，並於該第一光位移控制器與該反射鏡之間置 入一折射率大於1之晶體。 第20頁