專利名稱：可用作光學(xué)隔離器的光學(xué)器件、以及包括該光學(xué)器件的光學(xué)放大器和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種可用作光學(xué)隔離器的光學(xué)器件，以及包括該光學(xué)器件的一種光學(xué)放大器和系統(tǒng)。
在最近幾年，已經(jīng)產(chǎn)生了一種用于低損耗(例如0.2分貝/千米)光纖的加工技術(shù)和應(yīng)用技術(shù)，用光纖作為傳輸線的光通信系統(tǒng)也已投入實際使用。而且，為了補償光纖中的損耗和允許遠(yuǎn)程傳輸，用于放大信號光的光學(xué)放大器已經(jīng)被提出或已投入實際使用。
本領(lǐng)域所熟知的一種光學(xué)放大器包括一種用于放大所輸入信號光的光學(xué)放大介質(zhì)，和用于泵浦該光學(xué)放大介質(zhì)的裝置以便該光學(xué)放大介質(zhì)提供一包括可見光波長的增益波段。例如，摻鉺光纖放大器(EDFA)包括作為光學(xué)放大介質(zhì)的一種摻鉺光纖(EDA)和用于向EDA提供具有一預(yù)定波長泵浦光的泵浦源，通過預(yù)先將泵浦光波長設(shè)置在一0.98微米或1.48微米波段內(nèi)，就可以獲得一包括1.55微米的增益波段。此外，另一種具有一半導(dǎo)體芯片作為光學(xué)放大介質(zhì)的光學(xué)放大器也已公知。這時，通過將電流注入半導(dǎo)體芯片而執(zhí)行泵浦激勵。
在這種光學(xué)放大器中，光學(xué)隔離器被用于阻止由于一包括光學(xué)介質(zhì)的光學(xué)諧振腔結(jié)構(gòu)而造成的不需要的振蕩。再者，光學(xué)隔離器也用于抑制作為一信號光源或一泵浦光源的激光二極管的不穩(wěn)定工作引起的反射返回光。
光學(xué)隔離器是一用于不可逆地耦合如由光纖端部提供的第一端口和第二端口的光學(xué)器件。例如，通過光學(xué)隔離器在從第一端口向第二端口方向上的損耗低。而且通過光學(xué)隔離器在從第二端口向第一端口方向上的損耗很高。
如果光學(xué)隔離器具有波長選擇性，它的可用價值就很高。例如，如果光學(xué)隔離器以至少兩個不同的波長進(jìn)行相反的操作，那么這個光學(xué)隔離器將既可以作為用于阻止反射光向泵浦源返回的光學(xué)隔離器，也可以作為阻止在一光學(xué)放大器中不需要的振蕩的光學(xué)隔離器。結(jié)果，這個光學(xué)放大器在結(jié)構(gòu)上被簡化。
作為提高單根光纖傳輸容量的一項技術(shù)，波分復(fù)用技術(shù)(WDM)已為人所知。在一采納WDM的系統(tǒng)中，使用了很多有不同波長的光學(xué)載波。這多個光學(xué)載波被分別地調(diào)制，以便獲得多個光學(xué)信號，它們通過一光學(xué)波分復(fù)用器而獲得WDM信號光。該WDM信號光被輸出到一條光纖傳輸線中。在接收的一方，接收到的WDM信號光被一光學(xué)解復(fù)用器分成獨立的光學(xué)信號，而且被傳輸?shù)臄?shù)據(jù)根據(jù)每個光學(xué)信號被再現(xiàn)。因此，通過應(yīng)用WDM，單一光纖中的傳輸容量隨WDM通道的數(shù)量而提高。
在一采納WDM的系統(tǒng)中，日益需要具有波長選擇性的各種光學(xué)器件。通過設(shè)計一有波長選擇性的光學(xué)隔離器，就有可能提供具有新功能的器件和系統(tǒng)。例如，盡管一包括具有非波長選擇性光學(xué)隔離器的光學(xué)放大器不能應(yīng)用于使用單一光纖的雙向傳輸場合，但是，一具有波長選擇性的光學(xué)隔離器能夠用于雙向傳輸，因為它能對兩個具有不同波長的光學(xué)信號進(jìn)行相反的操作。此外，一具有波長選擇性的光學(xué)隔離器能將WDM和雙向傳輸有效地結(jié)合。
因此，本發(fā)明的目的是提供一種可用作具有波長選擇性的光學(xué)隔離器的光學(xué)器件。特別是，本發(fā)明的目的在于提供以至少兩種不同的波長執(zhí)行可逆操作的用作光學(xué)隔離器的光學(xué)器件。
本發(fā)明的另一目的是提供一種包括這個光學(xué)器件的光學(xué)放大器和系統(tǒng)。
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種用于光學(xué)耦合第一端口和第二端口的光學(xué)器件。該光學(xué)器件包括第一和第二偏振單元，一雙折射元件和一法拉第旋光器。第一偏振單元使第一端口與具有第一偏振面的第一偏振光分量相關(guān)的第一光路相耦合，并與具有垂直于第一偏振面的第二偏振面的第二偏振光分量相關(guān)的第二光路相耦合。第二偏振單元將第二端口與第一和第二光路相耦合。雙折射元件設(shè)置在第一和第二偏振單元之間。雙折射元件對在第一波長上的每一第一和第二偏振光分量起全波片的作用，并對在不同于第一波長的第二波長上的每一第一和第二偏振光分量起半波片作用。法拉第旋光器FR設(shè)置在第一和第二偏振單元之間。該法拉第旋光器對每個第一和第二偏振光分量均給出一(2n+1)π/4(n是一整數(shù))法拉第旋轉(zhuǎn)角。
采用這種結(jié)構(gòu)，用于該光學(xué)器件中的雙折射元件，根據(jù)波長既可以起一全波片的作用，又可起半波片的作用，因此，可能提供一種具有波長選擇性的光學(xué)隔離器。例如，雙折射元件起全波片作用時不使具有第一波長的光的偏振面旋轉(zhuǎn)，而雙折射元件起半波片作用時能將具有與第一波長光不同的第二波長光的偏振面旋轉(zhuǎn)π/2。假定從第一端口向第二端口方向看去，在雙折射元件中偏振面的旋轉(zhuǎn)方向與在法拉第旋光器FR中偏振面的旋轉(zhuǎn)方向相同，那么從第二端口向第一端口方向看去，在雙折射元件中偏振面的旋轉(zhuǎn)方向與法拉第旋光器FR中的偏振面旋轉(zhuǎn)方向相反。因此，如上所述通過組合雙折射元件和法拉第旋光器FR，就可能提供一種在第一和第二波長上執(zhí)行可逆操作的光學(xué)隔離器。而且，通過第一和第二偏振單元的組合，光學(xué)隔離器向前方向的透過率將與輸入光的偏振狀態(tài)無關(guān)。
例如，從第一端口輸入的具有第一波長的一束光沿著第一和第二光路運行，且基本上完全輸送到第二端口；而從第二端口輸入的具有第一波長的一束光則偏離第一和第二光路，且沒有輸送到第一端口；從第二端口輸入的具有第二波長的一束光沿著第一和第二光路運行，且基本上完全輸送到第一端口；而從第一端口輸入的具有第二波長的一束光則偏離第一光路和第二光路，且沒有輸送到第二端口。
換句話說，該光學(xué)器件在從第一端口向第二端口的方向上通過具有第一波長的光而阻止具有第二波長的光。而在從第二端口向第一端口的方向上通過具有第二波長的光而阻止具有第一波長的光。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種光學(xué)器件，它包括第一和第二偏振片，一設(shè)置在第一和第二偏振片之間的雙折射元件，以及一設(shè)置在第一和第二偏振片之間的法拉第旋光器。每一第一和第二偏振片都有一決定著從其中通過的偏振光偏振軸的傳輸軸。該雙折射元件具有一光軸，它決定了從其中通過的偏振光的兩個互相垂直的偏振光分量間的相位差。該法拉第旋光器對從其中通過的偏振光給出一(2n+1)π/4(n是一個整數(shù))的法拉第旋轉(zhuǎn)角。在第一偏振片的傳輸軸和第二偏振片的傳輸軸之間形成一π/4的角度。在第一偏振片傳輸軸和所述雙折射元件光軸之間形成一π/4的角度。
根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供一種光學(xué)放大器，它包括一可用作具有波長選擇性的光學(xué)隔離器的光學(xué)器件。該光學(xué)器件例如可由根據(jù)本發(fā)明第一或第二方面的光學(xué)器件提供。該光學(xué)放大器進(jìn)一步包括一光學(xué)放大介質(zhì)，一WDM耦合器，和一泵浦源。該光學(xué)器件具有第一端口和第二端口。該光學(xué)器件在從第一端口向第二端口方向上，可通過具有第一波長的光而阻止不同于第一波長的第二波長光；而在從第二端口向第一端口方向上，可通過具有第二波長的光而阻止具有第一波長的光。該光學(xué)放大介質(zhì)具有第一端和第二端。從第一端輸入具有第一波長的信號光，而且第二端與第一端口光學(xué)相連。WDM耦合器具有第三、第四和第五端口。第三端口與第二端口光學(xué)相連。第三與第四端口以第一波長相耦合，而且第三與第五端口以第二波長相耦合。泵浦源與第五端口光學(xué)相連并輸出具有預(yù)定波長的泵浦光。以使光學(xué)放大介質(zhì)提供一包括第一波長的增益波段。泵浦光的波長與第二波長基本相等。
根據(jù)本發(fā)明的第四方面，提供一種光學(xué)放大器，它包括一種可用作具有波長選擇性的光學(xué)隔離器的光學(xué)器件。該光學(xué)器件例如可由根據(jù)本發(fā)明第一或第二方面的光學(xué)器件提供。該光學(xué)放大器進(jìn)一步包括第一和第二光學(xué)放大介質(zhì)，一WDM耦合器，和一泵浦光源。該光學(xué)器件具有第一和第二端口。該光學(xué)器件在從第一端口向第二端口方向上，可通過第一波長光而阻止不同于第一波長的第二波長光；而在從第二端口向第一端口方向上，可通過第二波長光而阻止第一波長光。該第一光學(xué)放大介質(zhì)具有第一端和第二端。從第一端輸入具有第一波長的信號光，而且第二端與第一端口光學(xué)相連。第二光學(xué)放大介質(zhì)具有第三端和第四端。第三端與第二端口光學(xué)相連。WDM耦合器具有第三、第四和第五端口。第三端口與第四端光學(xué)相連。第三端口與第四端口以第一波長相耦合，而且第三和第五端口以第二波長相耦合。泵浦光源與第五端口光學(xué)相連，并輸出具有預(yù)定波長的泵浦光。以使每一第一和第二光學(xué)放大介質(zhì)提供一包括第一波長的增益波段。泵浦光的波長基本上與第二波長相等。
根據(jù)本發(fā)明的第五方面，提供一種光學(xué)放大器，它包括一可用作具有波長選擇性的光學(xué)隔離器的光學(xué)器件。該光學(xué)器件例如可由根據(jù)本發(fā)明第一或第二方面的光學(xué)器件提供。所述光學(xué)放大器進(jìn)一步包括，一光學(xué)放大介質(zhì)和用于泵浦該光學(xué)放大介質(zhì)的裝置。該光學(xué)放大介質(zhì)具有第一端和第二端。該光學(xué)器件具有第一和第二端口。第二端口與第一端工作上相連。該光學(xué)器件在從第一端口向第二端口方向上，可通過第一波長光而阻止不同于第一波長的第二波長光；而在從第二端口向第一端口方向上，可通過第二波長光而阻止第一波長光。該泵浦裝置泵浦光學(xué)放大介質(zhì)，以使該光學(xué)放大介質(zhì)提供一包括第一波長和第二波長的增益波段。
根據(jù)本發(fā)明的第六方面，提供一種系統(tǒng)，它包括一條光纖傳輸線和沿著該光纖傳輸線設(shè)置的至少一光學(xué)中繼器。每個中繼器都被提供有例如根據(jù)本發(fā)明第五方面的光學(xué)放大器。
從參照表示本發(fā)明某些優(yōu)選實施例的附圖對以下的描述和所附權(quán)利要求的學(xué)習(xí)中，本發(fā)明的上述和其它目的、特征和優(yōu)點以及實現(xiàn)它們的方法將變得更加明顯，并能更好的理解該發(fā)明本身。


圖1是傳統(tǒng)雙折射濾波器的原理圖；圖2是傳統(tǒng)光學(xué)隔離器的原理圖；圖3是表示根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)隔離器的基本結(jié)構(gòu)的原理圖；圖4A和4B是圖3所示光學(xué)隔離器的工作原理圖；圖5是近似線性關(guān)系的1/λ的曲線圖；圖6A和6B是表示圖3所示的光學(xué)隔離器的工作特性曲線圖；圖7A和7B是表示圖3所示的光學(xué)隔離器的元件之間的位置關(guān)系圖；圖8是表示根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)隔離器的另一基本結(jié)構(gòu)原理圖；圖9A至9E是表示圖8所示的光學(xué)隔離器的第一優(yōu)選實施例原理圖；圖10A至10E是表示圖8所示的光學(xué)隔離器的第二個優(yōu)選實施例原理圖；圖11A至11E是表示圖8所示的光學(xué)隔離器的第三個優(yōu)選實施例原理圖；圖12A至12E是表示圖8所示的光學(xué)隔離器的第四個優(yōu)選實施例原理圖；圖13是包括一光學(xué)隔離器的傳統(tǒng)光學(xué)放大器原理圖；圖14是表示圖13所示的光學(xué)放大器的一種改進(jìn)的原理圖；圖15是表示根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)放大器的第一優(yōu)選實施例的原理圖；圖16表示是根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)放大器的第二個優(yōu)選實施例的原理圖；圖17是表示根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)放大器的第三個優(yōu)選實施例的原理圖；圖18是表示根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)放大器的第四個優(yōu)選實施例的原理圖；圖19是表示根據(jù)本發(fā)明系統(tǒng)的優(yōu)選實施例的原理圖；圖20是表示圖19所示的系統(tǒng)中的信號光光譜的一特例的曲線圖。
現(xiàn)參照附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的一些優(yōu)選實施例。所有附圖中，同樣的標(biāo)號表示基本相同的部分。
首先參照圖1對一雙折射濾波器進(jìn)行描述，因為它有助于理解根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)器件的結(jié)構(gòu)和工作。圖1所示的雙折射濾波器沿著傳輸線的光路OP以如下順序排列的第一偏振片P1、雙折射元件BE和第二偏振片P2。在這里采用一具有與光路OP平行的Z軸的正交三維坐標(biāo)系統(tǒng)(X、Y、Z)。假設(shè)X軸和Y軸與雙折射元件BE的光軸(C1軸和C2軸)平行，相應(yīng)地，第一偏振片P1的傳輸軸與Y軸之間形成的角度為45°。第二偏振片P2的傳輸軸與Y軸之間形成的角度是隨機的。
一般說來，“偏振片的傳輸軸”是指向透過該偏振片傳輸?shù)木€偏振光的振蕩方向，更進(jìn)一步說被定義為決定通過該偏振片傳輸?shù)钠窆馄褫S的一條軸線。
當(dāng)透過第一偏振片P1傳輸?shù)木€性偏振光進(jìn)入雙折射元件BE時，該線性偏振光被分成一具有平行于C1軸的偏振分量和一具有平行于C2軸的偏振分量，這兩個分量在雙折射元件BE中傳輸。當(dāng)從雙折射元件BE中輸出時，這兩個分量以一由于波長而決定的相位差進(jìn)行混合。假如雙折射元件BE的厚度比入射光的波長大得多，從雙折射元件BE輸出的混合光的偏振態(tài)根據(jù)波長而不同，即混合光根據(jù)波長可以是線性偏振光或圓偏振光或是橢圓偏振光。
第二偏振片P2的透射率由入射到第二偏振片P2的光的偏振態(tài)決定，因而根據(jù)波長而不同。例如，假如第二偏振片P2的傳輸軸被固定為平行于某一波長的偏振光，則第二偏振片P2對該波長光的透射率理論上為100％。對于垂直于第二偏振片P2傳輸軸的其他波長的光，第二偏振片P2的透射率理論上為0％。再者，對于其它波長的圓偏振光的透射率理論上為50％，對于其它波長的橢圓偏振光，第二偏振片P2的透射率根據(jù)橢圓偏振光的橢圓度而不同。因此，該雙折射濾波器的透射率根據(jù)入射光的波長而變化。更具體地說，在雙折射元件BE沿Z軸方向的厚度遠(yuǎn)大于入射光波長的情況下，圖1所示雙折射濾波器的透射率(能量透射率)基本上隨著入射光的波長變化周期性變化。
圖2是一傳統(tǒng)光學(xué)隔離器的原理圖。這個光學(xué)隔離器被用來通過光路OP光學(xué)耦合第一端口2和第二端口4。該光學(xué)隔離器不同于圖1所示的雙折射濾波器在于，這里用一法拉第旋光器FR代替雙折射元件BE，而且每個偏振片P1和P2的傳輸軸也改變了方向。
法拉第旋光器FR對通過它的偏振光給出一π/4(45°)的旋轉(zhuǎn)角，更一般地說給出的法拉第旋轉(zhuǎn)角為(2n+1)π/4(n是一整數(shù))。從端口2向端口4方向看上去，第二偏振片P2的傳輸軸指向第一偏振片P1的被法拉第旋光器FR旋轉(zhuǎn)π/4而決定的傳輸軸方向。
例如，假如從端口2向端口4方向看由法拉第旋光器FR旋轉(zhuǎn)的方向為順時針，則經(jīng)過第一偏振片P1的線性偏振光通過法拉第旋光器FR時，其偏振面被順時針旋轉(zhuǎn)了π/4，以致于通過法拉第旋光器FR的線性偏振光在理論上以100％的透射率通過第二偏振片P2。相應(yīng)地，從端口2向端口4的方向看，該光學(xué)隔離器的損耗非常低。
然而，在從端口4向端口2的相反方向上該光學(xué)隔離器的損耗非常高，因為從端口4向端口2方向看，該法拉第旋光器FR的法拉第旋光方向為逆時針。
參照圖3所示根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)隔離器的基本結(jié)構(gòu)。該光學(xué)隔離器能被用于通過一光路OP光學(xué)耦合到第一端口2和第二端口4上。第一偏振片P1、雙折射元件BE、法拉第旋光器FR和第二偏振片P2在從第一端口2向第二端口4的方向上沿著光路OP順序排列。雙折射元件BE和法拉第旋光器FR在從端口2向端口4的方向上可以是順序相反的。
盡管從元件安排的角度看，圖3所示的光學(xué)隔離器可能被認(rèn)為與圖1所示的雙折射濾波器和圖2所示的光學(xué)隔離器相似，但圖3所示的光學(xué)隔離器結(jié)構(gòu)能提供圖1和圖2所示簡單組合所預(yù)料不到的效果或優(yōu)點。即圖3所示的光學(xué)隔離器具有波長選擇性，更具體地說，它對至少兩個不同的波長執(zhí)行相反的操作?，F(xiàn)將詳細(xì)描述其工作原理。
圖4A和圖4B說明圖3所示的光學(xué)隔離器的操作原理。現(xiàn)在假設(shè)在圖3所示的光學(xué)隔離器中，第一偏振片P1的傳輸軸P1A、雙折射元件BE的光軸(C1軸和C2軸)、第二偏振片P2的傳輸軸P2A有如圖4A所示的相互位置關(guān)系。即，令φ表示傳輸軸P1A和C1軸之間形成的角度，θ表示傳輸軸P2A和C2軸之間形成的角度。
現(xiàn)在考慮由法拉第旋光器FR給出的法拉第旋轉(zhuǎn)角α為0的情況，即與圖1所示的雙折射濾波器的情況相同。
當(dāng)具有平行于傳輸軸P1A偏振面的線性偏振光sin(ωt)從第一偏振片P1進(jìn)入雙折射元件BE時，通過雙折射元件BE平行于C1軸的傳輸光分量E1和平行于C2軸的傳輸光分量E2可由下式表示E1＝sinφsin(ωt+ε1)E2＝cosφsin(ωt+ε2)這里ε1和ε2分別為分量E1和E2的延遲量。從第二偏振片P2射出的光的振幅給定如下E1sinθ+E2cosθ＝sinφsinθsin(ωt+ε1)+cosφcosθsin(ωt+ε2)
＝(sinφsinθcosε1+cosφcosθcosε2)sinωt+(sinφsinθsinε1+cosφcosθsinε2)cosωt相應(yīng)地，傳輸光的光強I給定如下I＝cos2(φ+θ)+sin(2φ)sin(2θ)cos2[(ε1-ε2)/2]讓d代表雙折射元件BE的厚度，μ代尋常光線與雙折射元件BE中的非尋常光線間的折射率差，λ代表波長，就有下面的公式。
(ε1-ε2)/2＝πμd/λ相應(yīng)地，傳輸光的光強I可被表示成波長λ的函數(shù)I(λ)，給出公式(1)I(λ)＝cos2(φ+θ)+sin(2φ)sin(2θ)cos2(πμd/λ)…(1)從公式(1)可知，傳輸光的光強具有波長相關(guān)性并隨著波長周期性變化。如果波長的波段比實際工作的波長的波段高，則1/λ大致表示為如下的線性函數(shù)關(guān)系1/λ＝aλ+b如果波段設(shè)置在如圖5所示的1500nm到1600nm的范圍內(nèi)，例如，a＝-4.165×10-7(1/nm2)和b＝1.291×10-3(1/nm)。
忽略b，且僅考慮一相對波長，則給出公式(1′)I(λ)＝cos2(φ+θ)sin(2φ)sin(2θ)cos2(πλ/FSR)…(1′)這里FSR(自由光譜區(qū))代表一波長傳輸特性的波長周期，由下式表示FSR＝1/aμd…(2)因此，可以理解，一所需的FSR可通過調(diào)整雙折射元件BE的厚度就能得到，只要該雙折射元件BE材料決定的折射率差μ是一常量。
角度θ是第二偏振片P2的傳輸軸P2A與C2軸之間的角度，也可以說θ是入射到第二偏振片P2上的入射光偏振軸與第二偏振片P2的傳輸軸P2A之間的角度。因此，在由法拉第旋光器FR給出的法拉第旋轉(zhuǎn)角為某一角度α的情況下，在從第一端口2向第二端口4方向上傳輸?shù)墓鈴奍f(λ)，通過用式(1)中(θ+α)代替θ可由公式(3)表示。
If(λ)＝cos2(φ+θ+α)+sin(2φ)sin[(2(θ+α)]cos2(πμd/λ)…(3)考慮到從第二端口4向第一端口2的向后方向，如圖4B所示的座標(biāo)是相反的，相應(yīng)的θ和φ分別被(-θ)和(-φ)所代替。向后方向上法拉第旋光器FR的法拉第旋轉(zhuǎn)方向與向前方向在空間上是一致的，以致于法拉第旋轉(zhuǎn)方向的符號不變。因此，向后方向傳輸?shù)墓鈴奍b(λ)如公式(4)表示。
Ib(λ)＝cos2(φθ+a)+sin(-2φ)sin[2(-θ+a)]cos2(πμd/λ) …(4)在φ＝π/4，θ＝π/2，α＝-π/4的情況下，例如公式(3)變成下式If(λ)＝cos2(π/4+π/2-π/4)+sin(2π/4)sin(2(π/2-π/4))cos2(πμd/λ)＝cos2(π/2)+sin(π/2)sin(π/2)cos2(πμd/λ)＝cos2(πμd/λ) …(5)Ib(λ)＝cos2(-π/4-π/2-π/4)+sin(-2π/4)sin(2(-π/2-π/4))cos2(πμd/λ)＝cos2(-π)+sin(-π/2)sin(-3π/2)cos2(πμd/λ)＝1-cos2(πμd/λ)＝sin2(πμd/λ) …(6)此外，當(dāng)d＝0時，這種情況與沒有雙折射元件BE時的情況相同。即可得到圖2所示的傳統(tǒng)的光學(xué)隔離器的如下特性。
If(λ)＝1Ib(λ)＝0再者，在φ＝π/4，θ＝π/2，α＝π/4的情況下，公式(3)和(4)變成如下所示If(λ)＝sin(πμd/λ)Ib(λ)＝cos2(πμd/λ)因此，可以理解，If(λ)、Ib(λ)根據(jù)法拉第旋光器FR的法拉第旋轉(zhuǎn)方向是可以互換的。
圖6A和圖6B為表示圖3所示的光學(xué)隔離器的工作特性曲線圖。圖6A中，垂軸代表用反對數(shù)表示的能量透射率，且水平軸代表被FSR歸一化的相對波長。在圖6B中，縱軸代表用dB表示的能量透射率，水平軸代表被FSR歸一化的相對波長。
如圖6A所示，在對應(yīng)于相對波長值為0的波長λ1處，If(λ)為1而Ib(λ)為0，由此得到一對波長為λ1的光的光學(xué)隔離器的功能，以致從端口2向端口4方向的損耗非常低。而從端口4向端口2的相反方向的損耗非常高。相反，在另一對應(yīng)于相對波長值為0.5的波長λ2下，If(λ)＝0且Ib(λ)＝1，由此得到一對波長為λ2的光的光學(xué)隔離器的另一種功能，以向前方向的損耗非常高而向后方向的損耗很低。這樣，圖3所示的光學(xué)隔離器對至少兩個波長執(zhí)行相反的操作。
從另一方面看本發(fā)明，雙折射元件BE的厚度是如下設(shè)置的，它對波長為λ1和λ2之一的波起全波片的作用，而對另一波長起半波片的作用。特別是，具有遠(yuǎn)大于工作波長的厚度的雙折射板被用作雙折射元件BE。更特別地是，采用一種能給出與20-100倍工作波長的長度相對應(yīng)的相位差，或者具有與該長度對應(yīng)的厚度的雙折射板來作為雙折射元件BE。
圖7A和7B表示圖3所示的光學(xué)隔離器中各元件之間的位置關(guān)系。假設(shè)在正交三維坐標(biāo)系(X、Y、Z)中，Z軸平行于光軸OP，Y軸平行于第一偏振片P1的傳輸軸P1A。另外φ、θ和δ被重新限定或更精確地表示在圖7中。即，φ是雙折射元件BE的C1軸和第一偏振片P1的傳輸軸P1A(Y軸)之間形成的角度；θ是雙折射元件BE的C1軸和第二偏振片P2的傳輸軸P2A之間形成的角度，δ是第一偏振片P1A的傳輸軸P1A(Y軸)和第二偏振片P2的傳輸軸P2A之間形成的角度。因此，θ＝φ+δ。再者，當(dāng)法拉第旋光器FR從X軸向Y軸逆時針旋轉(zhuǎn)時，給出的法拉第旋轉(zhuǎn)角α的符號是正的。
在圖7A和7B中，由參考標(biāo)號PS代表的橢圓(包括圓)和直線組代表了α＝0時依賴于雙折射元件BE輸出端偏振態(tài)的波長。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，每個角度都在圖7B中被載明。例如，φ＝π/4，θ＝π/2，δ＝π/4和α＝π/4(或α＝-π/4)。因此可提供具有波長選擇性的光學(xué)隔離器，該光學(xué)隔離器在至少兩個不同的波長上執(zhí)行相反的操作。
在圖3所示的光學(xué)隔離器中，由于使用了偏振片P1和P2，輸出的光能量根據(jù)輸入光的偏振態(tài)變化。根據(jù)本發(fā)明的一方面，這種偏振的依賴性也可被消除?，F(xiàn)將其更詳細(xì)地描述如下。
圖8是表示根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)隔離器的另一基本結(jié)構(gòu)的原理圖。該光學(xué)隔離器被用于光學(xué)耦合第一端口2和第二端口4。該光學(xué)隔離器包括第一偏振單元PU1、第二偏振片單元PU2、第一和第二偏振片單元PU1和PU2之間的雙折射元件BE和一設(shè)置第一和第二偏振片單元PU1和PU2之間的法拉第旋光器FR。盡管雙折射元件BE和法拉第旋光器FR在從第一端口2向第二端口4的方向上是按上述順序排列的，但所述雙折射元件BE和法拉第旋光器FR在從第一端口2向第二端口4的方向上排列順序可以是相反的。
第一偏振單元PU 1將第一端口2與一具有第一偏振面的第一偏振光分量相關(guān)的第一光路OP1相耦合，并使之與具有一垂直于第一偏振面的第二偏振面的第二偏振光分量相關(guān)的第二光路OP2相耦合。
第二偏振單元PU2將第二端口4與第一光路OP1及第二光路OP2耦合。
雙折射元件BE在第一波長上對第一和第二偏振光分量起全波片的作用，在不同于第一波長的第二波長上對第一和第二偏振光分量起半波片的作用。更具體地說，雙折射元件BE起全波片作用時并不使第一和第二偏振面旋轉(zhuǎn)，雙折射元件BE起半波片作用時則使第一和第二偏振面旋轉(zhuǎn)π/2。
所述法拉第旋光器FR對第一和第二偏振光分量均給出一(2n+1)π/4(n是一整數(shù))的法拉第旋轉(zhuǎn)角。
通過對以下不同的優(yōu)選實施例的描述，圖8所示的光學(xué)隔離器按下述方式工作。
從第一端口2入射的具有第一波長的光束沿著所述光路OP1和OP2傳輸，且理論上完全輸送到第二端口4；而從第二端口4入射的第一波長的光則偏離開光路OP1和OP2，且沒有輸送到第一端口2；從第二端口4入射且沿著所述光路OP1和OP2傳輸?shù)木哂械诙ㄩL的光束理論上完全輸送到第一端口2；而從第一端口2入射的第二波長光束則偏離開光路OP1和OP2，且沒有傳輸?shù)降诙丝?。這樣，圖8所示的光學(xué)隔離器具有了波長選擇性并且在至少兩個波長上執(zhí)行相反的操作。再者，輸出光的能量不受輸入光偏振態(tài)的影響，這樣就提供了一種具有偏振獨立性的光學(xué)隔離器。
圖9A至9E是表示圖8所示的光學(xué)隔離器的第一優(yōu)選實施例的原理圖?，F(xiàn)參照圖9A描述根據(jù)本發(fā)明的第一優(yōu)選實施例的光學(xué)隔離器的結(jié)構(gòu)。
第一端口2和第二端口4被分別提供給光纖6和8。在光纖6和偏振單元PU1之間有一透鏡10，在偏振單元PU2和光纖8之間有一透鏡12。
偏振單元PU1包括一由如紅寶石的雙折射材料組成一平板14。偏振單元PU2包括由一種雙折射材料組成的平板16和18。平板16和18與平板14由相同的材料組成。并且厚度是平板14厚度的
倍。
現(xiàn)參照圖9B至9E對圖9A所示的光學(xué)隔離器的工作情況描述如下。圖9B表示通過該光學(xué)隔離器每個元件在向前方向(從第一端口2向第二端口4的方向)上的光傳輸情況，圖9C表示每個元件對向前方向光的工作情況以及每束光的偏振狀態(tài)，圖9D表示通過該光學(xué)隔離器每個元件在向后方向上的光傳輸情況(從第二端口4向第一端口2的方向)，圖9E表示每個元件對向后方向光的工作情況以及每束光的偏振狀態(tài)。
圖9B和9D中所示的每個元件都是和圖9A一樣從同一方向看的。圖9C所示的每個元件是向前方向看的，圖9E所示的每個元件是向后方向看的。在圖9C和9E中，每個被虛線包圍的矩形區(qū)域中所示的線段代表光束的偏振面。
在該優(yōu)選實施例中，元件之間的位置關(guān)系是根據(jù)圖7B所示的位置關(guān)系設(shè)置的。從向前方向看，雙折射元件BE的C1軸指向通過Y軸逆時針旋轉(zhuǎn)π/4的方向，且向前方向看時，法拉第旋光器FR的旋轉(zhuǎn)方向是逆時針。因此，向后方向看時，法拉第旋光器FR旋轉(zhuǎn)方向是順時針。
在圖9C和9E中，對應(yīng)于平板14所示的箭頭代表在平板14(第一偏振單元PU1)中偏振光分開的方向，相應(yīng)地對應(yīng)平板16和18所示的箭頭代表在平板16和18中(第二偏振單元PU2)偏振光分開的方向。在第一偏振單元PU1中偏振光分開的方向與Y軸平行，在第二偏振單元PU2中偏振光分開的方向相對于Y軸傾斜π/4。
特別地是，由細(xì)實線所示的線段代表每一具有第一波長λ的光束的偏振面；由虛線所示的線段代表每一具有第二波長λ*的光束的偏振面；且由粗實線所示的線段代表每一具有第一和第二波長光束的偏振面。
當(dāng)每束光通過雙折射元件BE時，由于雙折射元件BE對第一波長λ起全波片的作用，所以在第一波長λ處各光束的偏振面不改變，而由于雙折射元件BE對第二波長λ*起半波片的作用，故在第二波長λ*處各光束的偏振面被旋轉(zhuǎn)π/2。
首先考慮向前方向光的工作情況。在第一偏振單元PU1中，入射光被分成具有互相垂直偏振面的兩束線性偏振光分量。由此獲得的兩束分離的光按照這樣一種方式進(jìn)入雙折射元件BE，使得每束光的偏振面相對于雙折射元件BE的光軸傾斜π/4，并且通過雙折射元件BE。
在雙折射元件BE中，會產(chǎn)生一隨波長而不同的延遲，致使從雙折射元件BE中輸出的光其偏振態(tài)因傳輸光的波長而不同。
從雙折射元件BE中輸出的兩束光通過法拉第旋光器FR，致使每束光的偏振方向被旋轉(zhuǎn)π/4，之后再進(jìn)入第二偏振單元PU2。第二偏振單元PU2是這樣設(shè)置的，使在每個平板16和18中偏振分開的方向與兩束輸入光的偏振方向一致。每束輸入光的輸出位置根據(jù)每一輸入光的偏振方向與在每一平板16和18中偏振分離的方向是否一致而不同。
即，通過第一偏振單元PU1得到的兩束分開的光束，依據(jù)波長由透鏡12聚焦在同一位置或聚焦在不同的位置。通過使聚焦在同一位置的光束進(jìn)入光纖8，所述光學(xué)隔離器就能具有波長選擇性地傳輸光。
在注意到具有兩個波長之一的光束，并考慮到該光學(xué)隔離器的每個元件工作的情況下，應(yīng)能理解，通過分別用偏振單元PU1和PU2代替圖3所示光隔離器的偏振片P1和P2，可獲得這種光學(xué)隔離器。即，在偏振單元PU1(相應(yīng)于偏振片P1的傳輸軸P1A)中偏振分開的方向與在偏振單元PU2(相應(yīng)于偏振片P2的傳輸軸P2A)中偏振分開的方向之間形成的角度設(shè)定為π/4；在偏振單元PU1中偏振分開的方向與雙折射元件BE的光軸之間形成的的角度設(shè)定為π/4，且法拉第旋轉(zhuǎn)角設(shè)為(2n+1)π/4(n是一整數(shù))。因此，考慮到向后方向光的傳輸，該光學(xué)隔離器具有一與圖6A和6B中向前方向光相反的傳輸波長特性。
因此，根據(jù)該優(yōu)選實施例就可提供一種至少能在兩個不同波長上進(jìn)行可逆操作的光學(xué)隔離器。此外，由于第一端口2與第二端口4的光學(xué)耦合借助了分別與兩相互垂直偏振面的偏振光相關(guān)的光路OP1和OP2，所以輸出光的功率保持在與輸入光的偏振態(tài)無關(guān)，以致于可提供一種偏振獨立的光學(xué)隔離器。
圖10A至10E是表示圖8所示的光學(xué)隔離器的第二個優(yōu)選實施例的原理圖。圖10A至10E與圖9A至9E都是以同樣的方式觀察的。
與圖9A所示的采用一第二偏振單元PU2的第一光選實施例相比，該第二個優(yōu)選實施例的特征在于一改進(jìn)的第二偏振單元用在圖10A所示中。在該第二個優(yōu)選實施例中，改進(jìn)的第二偏振單元PU2包括一對光路OP1和OP2均起作用的半波片20，和提供在半波片20和第二端口4之間的一雙折射材料的平板22。平板22和平板14在材料和厚度上相同。
半波片20是如下設(shè)置的，它的光軸相對于每束入射光的偏振方向例如傾斜π/8的角度。當(dāng)每束光通過半波片20時，從傳輸光的傳輸方向看每束光的偏振面被逆時針旋轉(zhuǎn)了π/4。
除了能得到第一優(yōu)選實施例的效果外，第二優(yōu)選實施例能得到另外的效果，如由于光路OP1和OP2的光程彼此相等，偏振色散被抑制。
圖11A至11E是表示圖8所示的光學(xué)隔離器的第三個優(yōu)選實施例的原理圖。圖11A至11E與圖9A至9E是以同樣的方式觀察的。
與第一優(yōu)選實施相比，該第三個優(yōu)選實施例特征在于偏振單元PU1和PU2都被改進(jìn)了。
與第一優(yōu)選實施中偏振單元PU1相比，該第三個優(yōu)選實施例中的第一偏振單元PU1進(jìn)一步包括一對光路OP1和OP2之一起作用的半波片24。在圖11A所示的情況，半波片24被設(shè)置以對光路OP2起作用。
在第三個優(yōu)選實施例中的第二偏振單元PU2進(jìn)一步包括一半波片26，它對光路OP1和OP2中不通過半波片24傳輸?shù)牧硪皇馄鹱饔?；一對光路OP1和OP2均起作用的半波片28；以及一安排在半波片26和28及第二端口4之間的雙折射材料的平板30。在圖11A所示的情況中，半波片26被安排以對光路OP1起作用。盡管半波片26和28如圖11A所示是按照向前方向的順序排列的，但它們也可以按照向后方向的順序排列。
每個半波片24和26都有一相對于入射光偏振方向傾斜π/4的光軸，當(dāng)光束通過每一半波片24和26時，這束光的偏振面被旋轉(zhuǎn)π/2。
半波片28具有一例如相對于每一入射光傾斜π/8的光軸。當(dāng)每束光通過半波片28時，從傳輸光的傳輸方向看，每束光的偏振面被順時針旋轉(zhuǎn)π/4。
除了能得到第一優(yōu)選實施例的效果外，該第三優(yōu)選實施例能得到另外的效果，如通過雙折射元件BE的兩束光幾乎不受雙折射元件BE溫度特性等因素的影響，這是因為輸入到雙折射元件BE中的該兩束光偏振方向彼此是一致的。
圖12A至12B是表示圖8所示的光學(xué)隔離器的第四個優(yōu)選實施例的原理圖。在第四個優(yōu)選實施例中，第一偏振單元PU1是由雙折射材料形成的第一楔形板32提供，而第二個偏振單元PU2是由雙折射材料形成的第二楔形板34提供。例如，楔形板34和36形狀相同，具有彼此相對傾斜π/4的光軸。
圖12A所示為向前方向光的傳輸情況，圖12B表示向后方向光的傳輸情況。
同樣根據(jù)本發(fā)明的第四個優(yōu)選實施例，可以得到同第一優(yōu)選實施例相同的效果。特別地是，第四個優(yōu)選實施例可以得到另外的效果，如光學(xué)隔離器的縱向尺寸可以減小。即從第一到第三的每一優(yōu)選實施例中，光學(xué)隔離器的作用是通過光束經(jīng)過雙折射平板的位置移動而達(dá)到，因此需要一聚光系統(tǒng)。相反地，在第四個優(yōu)選實施爐中，所述光學(xué)隔離器的作用是通過光束經(jīng)過楔形板的角位移而得到的，因此可以采用一準(zhǔn)直系統(tǒng)，以允許減小透鏡10和12之間的距離或放寬透鏡10和12之間的距離公差。
在第四個優(yōu)選實施中，除了雙折射元件BE以外的元件的結(jié)構(gòu)和工作情況在日本專利公報NO.61-58809或美國專利號4,548,478中已被詳細(xì)描述。
圖8所示的光學(xué)隔離器可被用作一光學(xué)放大器的一元件，該光學(xué)放大器包括圖8所示的光學(xué)隔離器，一與第一端口2連接的光學(xué)放大介質(zhì)，以及與第二端口4連接用于光學(xué)泵浦該光學(xué)放大介質(zhì)的裝置。例如，所述光學(xué)放大介質(zhì)被提供為摻鉺的光纖，且泵浦裝置包括一用于輸出具有0.98微米波段(0.97微米-0.99微米)或1.48微米(1.47微米-1.49微米)波段光的泵浦源。這時，一增益波段(一產(chǎn)生增益的波段)包括一1.55微米波長。
通過將根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)隔離器應(yīng)用到這樣一光學(xué)放大器，該光學(xué)隔離器能對具有不同波長的泵浦光和信號光執(zhí)行相反的操作。
根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)放大器的不同優(yōu)選實施例將在下面詳細(xì)描述。
參照圖13，示出一包括一光學(xué)隔離器的傳統(tǒng)的光學(xué)放大器。一具有一第一端36A和一第二端36B的摻鉺光纖(EDF)36被用作光學(xué)放大介質(zhì)。在以后描述的優(yōu)選實施例中，光學(xué)放大介質(zhì)不局限于EDF，而可以采用摻了如釹(Na)和鐿(Yb)等其他任何一種稀土元素的光纖。
待放大的信號光被輸入EDF36的第一端36A，且從泵浦源40發(fā)出的泵浦光通過一WDM(波分復(fù)用)耦合器38輸入到EDF36的第二端36B。
該WDM耦合器38具有三個端口38A、38B和38C。端口38A和EDF36的第二端36B光學(xué)連接，端口38B和一光學(xué)隔離器42光學(xué)連接，端口38C和泵浦源40光學(xué)連接。
一激光二極管可以被用作泵浦源40。
在WDM耦合器38中，端口38A和38B通過信號光波長彼此耦合，且端口38A和38C通過泵浦光波長彼此耦合。WDM耦合器38的這種特殊功能例如可以通過適當(dāng)設(shè)置光纖連接型光學(xué)耦合器中連接端的結(jié)構(gòu)參數(shù)得到。
當(dāng)要被放大的信號光輸入到被泵浦光泵浦的EDF36時，信號光在EDF36中被放大，且被放大的信號光通過光學(xué)隔離器42，然后從這個光學(xué)放大器中輸出。
如圖13所示的光學(xué)放大器中使用光學(xué)隔離器42的理由是，如果不使用該光學(xué)隔離器42，就會產(chǎn)生一包括作為光學(xué)放大介質(zhì)EDF36的光學(xué)諧振腔結(jié)構(gòu)，而引起如不需更的振蕩的可能性。
參照圖14，表示圖13所示的光學(xué)放大器的一種改進(jìn)。在這個例子中，一用于泵浦源40的附加光學(xué)隔離器44被光學(xué)連接在泵浦源40和WDM耦合器38的端口38C之間。
使用光學(xué)隔離器44的理由是，當(dāng)一反射點RP出現(xiàn)在信號光傳輸方向上EDF36的光學(xué)傳輸線上游時，可避免一被反射點RP反射的泵浦光的負(fù)作用。更具體地說，當(dāng)EDF36中的放大完成后，留在EDF36中泵浦光的剩余部分從第一端36A沿信號光傳輸方向的相反方向輸出時，輸出的泵浦光在反射點RP上被反射，并以與信號光的傳輸方向相同的方向通過EDF36。如果沒有光學(xué)隔離器44，則被反射的泵浦光將通過WDM耦合器38返回到泵浦源40。在這個例子中，光學(xué)隔離器44被用來阻止這種被反射泵浦光向泵浦源40的返回，因此保證了泵浦源40穩(wěn)定的工作。
圖15所示為根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)放大器的第一優(yōu)選實施例。該光學(xué)放大器包括根據(jù)本發(fā)明具有波長選擇性的光學(xué)隔離器46。光學(xué)隔離器46具有一與EDF36的第二端36B光學(xué)相連的端口46A，和一與WDM耦合器38的端口38A光學(xué)相連的端口46B。端口46A和46B分別對應(yīng)圖8所示的端口2和4。
由于光學(xué)隔離器46具有波長選擇性，所以該光學(xué)隔離器46沿從端口46A向46B方向使信號光通過而阻止泵浦光；而沿從端口46B向46A方向使泵浦光通過而阻止信號光。
從泵浦源40發(fā)出的泵浦光順序通過WDM耦合器38的端口38C和38A和光學(xué)隔離器46，且從其第二端36B進(jìn)入EDF36。當(dāng)要被放大的信號光從第一端36A進(jìn)入被泵浦光泵浦的EDF36時，信號光在EDF36中被放大，且被放大的信號光依次通過光學(xué)隔離器46和WDM耦合器38的端口38A和38B，然后從該光學(xué)放大器中輸出。
根據(jù)該優(yōu)選實施例，光學(xué)隔離器46與圖14中的光學(xué)隔離器42以相同的方式作用于信號光，因此消除了如不需要的振蕩操作等等。再者，光學(xué)隔離器46與圖14中的光學(xué)隔離器44以相同的方式作用于泵浦光。因此阻止了在反射點RP反射的剩余泵浦光的返回，同樣消除了泵浦源40不穩(wěn)定工作的可能性。
因此，這個實施例有這樣一優(yōu)點，即根據(jù)本發(fā)明的具有波長選擇性的光學(xué)隔離器具有圖14所示的兩個光學(xué)隔離器42和44的作用，因此，使光學(xué)放大器尺寸減小，結(jié)構(gòu)簡單。
圖16所示為根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)放大器的一第二個優(yōu)選實施例。與圖15所示的第一優(yōu)選實施例相比，圖16所示的第二個優(yōu)選實施例的特征在于，一固定反射泵浦光的反射器48與EDF36的第一端36A光學(xué)相連。該反射器48具有一包括泵浦光波長的反射波段。
通過使用反射器48，泵浦光可以在EDF36中往返而提高了泵浦激勵的效率。結(jié)果泵浦光的每單位能量的增益得以提高。
一光纖光柵可用作反射器48。通過適當(dāng)設(shè)置該光纖光柵的柵距，就可能容易地提供一對泵浦光具有高反射率而對信號光具有低反射率的反射器。
該優(yōu)選實施例還包括一根據(jù)本發(fā)明具有波長選擇性的光學(xué)隔離器46，因此，該光學(xué)放大器與圖15所示的第一優(yōu)選實施例由于相同的原理，結(jié)構(gòu)簡單，尺寸小。而且。該光學(xué)放大器通過使用反射器48提高了性能。
圖17所示根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)放大器的第三個優(yōu)選實施例。在這個優(yōu)選實施例中，第一EDF36(#1)和第二EDF36(#2)被用作EDF36，而且根據(jù)本發(fā)明的具有波長選擇性的光學(xué)隔離器46設(shè)在第一EDF36(#1)和第二EDF36(#2)之間。
從用作EDF36第一端36A的EDF36(#1)的一端，輸入要被放大的信號光，且EDF36(#1)的另一端與光學(xué)隔離器46的端口46A光學(xué)相連。EDF36(#2)的一端與光學(xué)隔離器46的端口46B光學(xué)相連，且用作EDF36第二端36B的EDF36(#2)的另一端與WDM光學(xué)耦合器38的端口38A光學(xué)相連。WDM耦合器38的端口38C與泵浦源40光學(xué)相連。
從泵浦源40發(fā)出的泵浦光通過WDM耦合器38被輸入到EDF36(#2)，在這里泵浦光被用于泵浦激勵EDF36(#2)。之后，泵浦光的剩余部分通過光學(xué)隔離器46被輸入到EDF36(#1)，以泵浦激勵EDF36(#1)。
當(dāng)要被放大的信號光輸入到第一端36A時，信號光在EDF36(#1)中被放大，而且被放大的信號光通過光學(xué)隔離器46輸入到EDF36(#2)。之后，輸入到EDF36(#2)中被放大的信號光在EDF36(#2)中進(jìn)一步被放大，且該進(jìn)一步被放大的信號光順序通過WDM耦合器38的端口38A和38B，然后從該光學(xué)放大器中輸出。
在每一EDF36(#1)和EDF36(#2)中，以與信號光傳輸方向相同的向前傳輸方式產(chǎn)生ASE(被放大的自發(fā)輻射)，而且以與信號光傳輸方向相反的向后傳輸方式也產(chǎn)生ASE。根據(jù)該優(yōu)選實施例，特別是向后傳輸方式中落在信號光波長附近一波段內(nèi)的一ASE分量可被光學(xué)隔離器46有效地阻止，因此，就可能提供一種具有小噪音系數(shù)的光學(xué)放大器。
如果采用傳統(tǒng)的光學(xué)隔離器代替光學(xué)隔離器46，就產(chǎn)生了下面的問題。假如使用傳統(tǒng)的光學(xué)隔離器，那么在信號光傳輸方向的損耗將降低，泵浦光被這個光學(xué)隔離器阻止而不能進(jìn)入EDF36(#1)，因此，在EDF36(#1)中不能產(chǎn)生增益。相反，假如使用傳統(tǒng)的光學(xué)隔離器，那么在與信號光傳輸方向相反方向的損耗被降低。而在EDF36(#1)中被放大的信號光被這個光學(xué)隔離器阻止，以致于這種光學(xué)放大器不能適當(dāng)?shù)仄鹱饔?。這樣，在EDF36(#1)和EDF36(#2)之間提供一傳統(tǒng)的光學(xué)隔離器沒有起作用，而是更有害。
相反，圖17所示的第三個優(yōu)選實施例，通過根據(jù)本發(fā)明在EDF36(#1)和EDF36(#2)之間提供具有波長選擇性的光學(xué)隔離器46可以得到上述效果，以致于有可能提供高性能的光學(xué)放大器。
圖18表示根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)放大器的第四個優(yōu)選實施例。該光學(xué)放大器能夠用于具有順向信號光和不同于順向信號光波長的逆向信號光的雙向傳輸。
為了通過裝置EDF36更好地平衡順向信號光和逆向信號光的放大，該實施例中用于泵浦EDF36的裝置包括泵浦源50和52以及WDM耦合器54和56。
WDM耦合器54具有端口54A、54B和54C。端口54A與EDF36的第一端36A光學(xué)相連，端口54C與泵浦源50光學(xué)相連。
在WDM耦合器54中，端口54A和54B均通過每一順向信號光波長和逆向信號光波長耦合，而且端口54A和54C通過從泵浦源50輸出的泵浦光波長耦合。
WDM耦合器56具有端口56A、56B、56C。端口56A與EDF36的第二端36B光學(xué)相連，且端口56C與泵浦源52光學(xué)相連。
端口56A和56B均通過每一順向信號光波長和逆向信號光波長耦合，而且端口56A和56C通過從泵浦源52輸出的泵浦光波長耦合。
參考標(biāo)號58代表根據(jù)本發(fā)明具有波長選擇性的光學(xué)隔離器。該光學(xué)隔離器58使端口58A和58B光學(xué)耦合。例如端口58A和58B相應(yīng)地對應(yīng)圖8所示的端口2和4。
由于光學(xué)隔離器58具有波長選擇性，故在端口58A向58B的方向上，它使順向信號光通過而阻止具有相同波長的逆向信號光；而在從端口58B向58A的方向上，它使逆向信號光通過而阻止具有相同波長的順向信號光。
光學(xué)隔離器58的端口58B與EDF36的第一端36A工作上相連(就這一技術(shù)要求來說，一元件和另一元件工作上相連的定義包括這些元件直接相連的情況，也包括電信號或光信號在這些元件之間相互傳輸而使這些元件彼此連接這種情況。在這個優(yōu)選實施例中，端口58B與WDM耦合器54的端口54B光學(xué)相連。
參考標(biāo)號60代表根據(jù)本發(fā)明具有波長選擇性的另一光學(xué)隔離器。該光學(xué)隔離器60使端口60A和60B光學(xué)耦合。例如端口60A和60B相應(yīng)地對應(yīng)圖8所示的端口2和4。
由于光學(xué)隔離器60具有波長選擇性，故在從端口60A向60B的方向上，它使順向信號光通過而阻止具有相同波長的逆向信號光；而在從端口60B向60A的方向上，它使逆向信號光通過而阻止具有相同波長的順向信號光。
光學(xué)隔離器60的端口60A與EDF36的第二端36B工作上相連。在這個優(yōu)選實施例中，端口60A與WDM耦合器56的端口56B光學(xué)相連。
要被放大的順向信號光被輸入到光學(xué)隔離器58的端口58A。該順向信號光順序通過光學(xué)隔離器58和WDM耦合器54而輸入到EDF36中。在EDF36中被放大的順向信號光順序通過WDM耦合器56和光學(xué)隔離器60，并從這個光學(xué)放大器中輸出。
要被放大的逆向信號光被輸入到光學(xué)隔離器60的端口60B。該逆向信號光順序通過光學(xué)隔離器60和WDM耦合器56而輸入到EDF36中。在EDF36中被放大的逆向信號光順序通過WDM耦合器54和光學(xué)隔離器58，并從這個光學(xué)放大器中輸出。
根據(jù)該優(yōu)選實施例，每一具有波長選擇性的光學(xué)隔離器58和60被用于阻止由于逆向信號光的反射返回而引起的振蕩以及順向信號光的反射返回而引起的振蕩。
如果沒有波長選擇性的傳統(tǒng)光學(xué)隔離器代替光學(xué)隔離器58和60用于雙向傳輸，則任何的順向信號光和逆向信號光將被阻止。相反，圖18所示的第四個優(yōu)選實施例使用了根據(jù)本發(fā)明的具有波長選擇性的光學(xué)隔離器58和60，就可能提供一種用于雙向傳輸?shù)墓鈱W(xué)放大器。
雖然這個優(yōu)選實施例使用了兩個根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)隔離器58和60，但兩個光學(xué)隔離器58和60中之一可以被省略。
圖19表示根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)的一優(yōu)選實施例。該系統(tǒng)包括一條光纖傳輸線62和許多沿該光纖傳輸線62排列的光學(xué)中繼器64。每個光學(xué)中繼器64都包括根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)放大器，例如圖18所示的光學(xué)放大器。單個光學(xué)中繼器可以代替多個光學(xué)中繼器64。
第一終端設(shè)備68與光學(xué)傳輸線62的一端相連，而第二終端設(shè)備70與光學(xué)傳輸線62的另一端相連。
第一終端設(shè)備68包括一向光纖傳輸線62發(fā)射順向信號光的光學(xué)發(fā)射器，第二終端設(shè)備70包括一向光纖傳輸線62發(fā)射逆向信號光的光學(xué)發(fā)射器。第一終端設(shè)備68進(jìn)一步包括一接收通過光纖傳輸線62傳輸?shù)哪嫦蛐盘柟獾墓饨邮掌?，第二終端設(shè)備70進(jìn)一步包括一接收光纖傳輸線62傳輸?shù)捻樝蛐盘柟獾墓饨邮掌鳌?br> 采用這種結(jié)構(gòu)，在如圖18所示的光學(xué)放大器第四個優(yōu)選實施例描述的原理的基礎(chǔ)上，就可進(jìn)行雙向傳輸。此外，在每個光學(xué)放大器66中由于振蕩等導(dǎo)致的不穩(wěn)定的工作就能被阻止。
每個順向信號光和逆向信號光可以是經(jīng)過波分復(fù)用的具有不同波長的多個光學(xué)信號得到的WDM信號光。在這種情況下，最好沿著如圖20所示波長軸以基本相同間隔交替地安排多個順向信號光的光學(xué)信號和多個逆向信號光的光學(xué)信號。這是由于根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)隔離器的工作特性具有如圖6A和6B所示的周期性，且在圖18所示的光學(xué)放大器的第四個優(yōu)選實施例中，上述工作可以通過將這個周期性應(yīng)用于安排圖20所示的信號光譜而很容易地得到保證。
通過采用圖20所示的信號光譜安置，每一順向信號光和逆向信號光的波長間隔可作到比較寬。因此，在接收時對光學(xué)信號進(jìn)行波長(頻率)識別可以很容易地進(jìn)行，而且象四波混合(FWM)和交叉相位調(diào)制(XPM)之類不需要的非線性效應(yīng)可被抑制。
根據(jù)以上所描述的本發(fā)明，可能提供一種具有波長選擇性的用作光學(xué)隔離器的光學(xué)器件。更進(jìn)一步，能通過將該光學(xué)器件應(yīng)用到本發(fā)明而提供一種新型的高質(zhì)量的光學(xué)放大器和系統(tǒng)。從本發(fā)明的特殊的優(yōu)選實施例所得到的其他效果已經(jīng)在如上進(jìn)行了描述，在這里被省略。
本發(fā)明不局限于以上描述的優(yōu)選實施例。本發(fā)明的范圍由所附的權(quán)利要求所限定，落在權(quán)利要求同等范圍內(nèi)的所有變化和改進(jìn)都包含在本發(fā)明中。
權(quán)利要求
1.一種用于光學(xué)耦合第一端口和第二端口的光學(xué)器件，它包括一第一偏振單元，用于將所述第一端口與一第一光路相耦合，該光路與具有第一偏振面的第一偏振光分量相關(guān)，并與一第二光路相耦合，該第二光路與具有垂直于第一偏振面的第二偏振面的第二偏振光分量相關(guān)；一第二偏振單元，用于將所述第二端口與所述第一和第二光路相耦合；一被提供在所述第一和第二偏振單元之間的雙折射元件，所述雙折射元件以第一波長對每一所述第一和第二偏振光分量起全波片的作用，和以一不同于所述第一波長的第二波長對每一所述第一和第二偏振光分量起半波片作用；以及一被提供在所述第一和第二偏振單元之間的對所述每個第一和第二偏振光分量給出(2n+1)π/4(n是一整數(shù))法拉第旋轉(zhuǎn)角的法拉第旋光器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)器件，其中從所述第一端口輸入的具有所述第一波長的光束沿著所述第一和第二光路運行，基本上完全輸送給所述的第二端口；從所述第二端口輸入的具有所述第一波長的光束將偏離開所述的第一光路和第二光路，而不輸送給所述的第一端口；從所述第二端口輸入的具有所述第二波長的光束沿著所述第一和第二光路運行，基本上完全輸送給所述的第一端口；從所述第一端口輸入的具有所述第二波長的光束偏離開所述的第一光路和第二光路，而不輸送給所述的第二端口。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)器件，其中所述第一偏振單元包括一由雙折射材料組成的第一平板。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的光學(xué)器件，其中所述第二偏振單元包括均由雙折射材料組成的第二和第三平板，所述的第二和第三平板均有一等于所述第一平板
倍的厚度。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的光學(xué)器件，其中所述的第二偏振單元包括一對所述第一和第二偏振光分量均起作用的半波片，以及一由雙折射材料形成并提供在所述半波片和所述第二端口之間的第二平板；所述第二平板具有與所述第一平板相同的厚度。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的光學(xué)器件其中，所述第一偏振單元進(jìn)一步包括一對所述第一和第二偏振光分量之一起作用的第一半波片；所述第二偏振單元進(jìn)一步包括一對所述第一和第二偏振光分量中另一起作用的第二半波片，以及一對所述第一和第二偏振光分量均起作用的第三半波片，以及一由雙折射材料形成并設(shè)置在所述第二和第三半波片及所述第二端口之間的第二平板；所述第二平板具有與所述第一平板相同的厚度。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)器件，其中所述的第一偏振單元包括一由雙折射材料形成的第一楔形板；所述的第二偏振單元包括一由雙折射材料形成的第二楔形板。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)器件，其中所述的第一和第二端口相應(yīng)地提供以第一和第二光纖。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的光學(xué)器件，進(jìn)一步包括一設(shè)置在所述第一光纖和所述第一偏振單元之間的第一透鏡；和一設(shè)置在所述第二光纖和所述第二偏振單元之間的第二透鏡。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)器件，進(jìn)一步包括一與所述第一端口連接的光學(xué)放大介質(zhì)；和與所述第二端口相連的用于光學(xué)泵浦所述光學(xué)放大介質(zhì)的裝置。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的光學(xué)器件，其中所述光學(xué)放大介質(zhì)包括摻鉺的光纖；和所述泵浦裝置包括一用于輸出具有0.98微米波段或1.48微米波段泵浦光的泵浦源。
12.一種光學(xué)器件，包括第一和第二偏振片，均具有一傳輸軸，決定了從中通過的偏振光的偏振軸；一提供在所述第一和第二偏振片之間的雙折射元件，并具有一決定通過它的兩個互相垂直的偏振光分量的相位差的光軸；和一被提供在所述第一和第二偏振片之間以對從中通過的偏振光給出一(2n+1)π/4(n是一整數(shù))法拉第旋轉(zhuǎn)角的法拉第旋光器；一形成在所述第一偏振片傳輸軸和所述第二偏振片傳輸軸之間的π/4角；一形成在所述第一偏振片傳輸軸和所述雙折射元件光軸之間的π/4角。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的光學(xué)器件，其中所述的雙折射元件有一如此設(shè)置的厚度，以致所述雙折射元件對第一波長起全波片的作用，而對不同于所述第一波長的第二波長起半波片的作用。
14.一種光學(xué)放大器，包括一具有第一和第二端口的光學(xué)器件，所述光學(xué)器件沿從所述第一端口向第二端口的方向，通過具有第一波長的光而阻止不同于所述第一波長的第二波長的光；沿從所述第二端口向第一端口的方向，通過具有所述第二波長的光和阻止所述第一波長的光；一具有第一端和第二端的光學(xué)放大介質(zhì)，所述的第一端被輸送以具有所述第一波長的信號光。所述第二端與所述第一端光學(xué)相連；一具有第三、第四和第五端口的WDM耦合器，所述第三端口與所述第二端口光學(xué)相連，所述第三端口和第四端口以所述第一波長相耦合，所述第三端口和第五端口以所述第二波長相耦合；和一與所述第五端口光學(xué)相連用于輸出一具有預(yù)定波長泵浦光的泵浦源，以由所述光學(xué)放大介質(zhì)提供一包括所述第一波長的增益波段；所述泵浦光的所述波長基本與所述第二波長相等。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的光學(xué)放大器，其中所述光學(xué)放大介質(zhì)包括一摻鉺的光纖；所述第一波長被包括在一1.55微米的波段內(nèi)；和所述第二波長被包括在一0.98微米或1.48微米的波段內(nèi)；
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的光學(xué)放大器，進(jìn)一步包括一個與所述光學(xué)放大介質(zhì)的所述第一端光學(xué)相連的反射器，所述反射器具有一包括所述第二波長的反射波段。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的光學(xué)放大器，其中所述反射器包括一光纖光柵。
18.根據(jù)權(quán)利要求14所述的光學(xué)放大器，其中所述的光學(xué)器件包括一第一偏振單元，用于將所述第一端口與一第一光路相耦合，該光路與具有第一偏振面的第一偏振光分量相關(guān)，并與一第二光路相耦合，該第二光路與具有垂直于第一偏振面的第二偏振面的第二偏振光分量相關(guān)；一第二偏振單元，用于將所述第二端口與所述第一和第二光路耦合；一被提供在所述第一和第二偏振單元之間雙折射元件，所述雙折射元件以所述第一波長對所述第一和第二偏振光分量起全波片的作用，和以所述第二波長對所述第一和第二偏振光分量起半波片作用；和一被提供在所述第一和第二偏振單元之間的對所述每個第一和第二偏振光分量給出(2n+1)π/4(n是一整數(shù))法拉第旋轉(zhuǎn)角的法拉第旋光器。
19.一種光學(xué)放大器，包括一種具有第一和第二端口的光學(xué)器件，所述光學(xué)器件在從所述第一端口向所述第二端口方向上，通過具有第一波長的光和阻止不同于所述第一波長的第二波長的光；而在從所述第二端口向所述第一端口方向上，通過具有所述第二波長的光和阻止具有第一波長的光；一具有第一端和第二端的第一光學(xué)放大介質(zhì)，從所述的第一端輸入具有所述第一波長的信號光，所述第二端與所述的第一端口光學(xué)相連；一具有第三端和第四端的第二光學(xué)放大介質(zhì)，所述第三端與所述第二端口光學(xué)相連；一具有第三、第四和第五端口的WDM耦合器，所述第三與所述第四端光學(xué)相連，所述第三與第四端口通過所述第一光波長耦合，所述第三和第五端口通過所述第二光波長耦合；以及一與所述第五端口光學(xué)相連，用于輸出具有一預(yù)定波長泵浦光的泵浦光源，以便所述第一和第二每個光學(xué)放大介質(zhì)提供一包括所述第一波長的增益波段；所述泵浦光的波長基本上與所述第二波長相等。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的光學(xué)放大器，其中所述第一和第二每個光學(xué)放大介質(zhì)包括一摻鉺的光纖；所述第一波長被包括在一1.55微米的波段內(nèi)；和所述第二波長被包括在一0.98微米或一1.48微米的波段內(nèi)；
21.根據(jù)權(quán)利要求19所述的光學(xué)放大器，其中所述的光學(xué)器件包括一第一偏振單元，用于將所述第一端口與一第一光路相耦合，該光路與具有第一偏振面的第一偏振光分量相關(guān)，并與一第二光路相耦合，該第二光路與具有垂直于所述第一偏振面的第二偏振面的第二偏振光分量相關(guān)；一第二偏振單元，用于將所述第二端口與所述第一和第二光路耦合；一被提供在所述第一和第二偏振單元之間的雙折射元件，所述雙折射元件以所述第一波長對每一所述第一和第二偏振光分量起全波片的作用，和以所述第二波長對每一所述第一和第二偏振光分量起半波片作用；以及一被提供在所述第一和第二偏振單元之間的對所述每個第一和第二偏振光分量給出(2n+1)π/4(n是一整數(shù))法拉第旋轉(zhuǎn)角的法拉第旋光器。
22.一種光學(xué)放大器包括一具有第一和第二端的光學(xué)放大介質(zhì)；一具有第一和第二端口的光學(xué)器件，所述第二端口與所述第一端工作上相連，在從所述第一端口向所述第二端口方向上，所述光學(xué)器件通過具有第一波長的光和阻止不同于所述第一波長的第二波長的光；而在從所述第二端口向所述第一端口方向上，通過具有所述第二波長的光和阻止具有所述第一波長的光；以及用于泵浦所述光學(xué)放大介質(zhì)的裝置，以使所述光學(xué)放大介質(zhì)提供一包括所述第一和第二波長的增益波段。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的光學(xué)放大器，其中從所述光學(xué)器件的所述第一端口輸入待放大的第一信號光，所述第一信號光具有所述第一波長；和從所述光學(xué)放大介質(zhì)的第二端輸入待放大的第二信號光，所述第二信號光具有所述第二波長。
24.根據(jù)權(quán)利要求22所述的光學(xué)放大器，進(jìn)一步包括一具有第三和第四端口的第二光學(xué)器件，所述第三端口與所述光學(xué)放大介質(zhì)的第二端工作上相連，所述第二光學(xué)器件在從所述第三端口向所述第四端口方向上，通過具有所述第一波長的光和阻止具有所述第二波長的光；而在從所述第四端口向所述第三端口方向上，通過具有第二波長的光和阻止具有所述第一波長的光。
25.根據(jù)權(quán)利要求22所述的光學(xué)放大器，其中所述光學(xué)放大介質(zhì)包括一摻鉺的光纖，所述泵浦裝置包括一用于輸出具有一包括在0.98微米或1.48微米波段內(nèi)波長的泵浦源；和所述第一波長和第二波長被包括在一1.55微米的波段內(nèi)。
26.根據(jù)權(quán)利要求22所述的光學(xué)放大器，其中所述光學(xué)器件包括一第一偏振單元，用于將所述第一端口與一第一光路相耦合，該光路與具有第一偏振面的第一偏振光分量相關(guān)，并與一第二光路相耦合，該第二光路與具有垂直于所述第一偏振面的第二偏振面的第二偏振光分量相關(guān)；一第二偏振單元，用于將所述第二端口與所述第一和第二光路耦合；一被提供在所述第一和第二偏振單元之間的雙折射元件，所述雙折射元件以所述第一波長對每一所述第一和第二偏振光分量起全波片的作用，和以所述第二波長對每一所述第一和第二偏振光分量起半波片作用；以及一被提供在所述第一和第二偏振單元之間的對每個第一和第二偏振光分量給出(2n+1)π/4(n是一整數(shù))法拉第旋轉(zhuǎn)角的法拉第旋光器。
27.一種系統(tǒng)，包括一條光纖傳輸線；和沿著所述光纖傳輸線安排的至少一個光學(xué)中繼器；每個所述的至少一個光學(xué)中繼器包括一具有第一端和第二端的光學(xué)放大介質(zhì)；一具有第一端口和第二端口的光學(xué)器件，所述第二端口與所述第一端工作上相連，在從所述第一端口向所述第二端口方向上，所述光學(xué)器件通過具有第一波長的光和阻止具有不同于所述第一波長的第二波長的光；而在從所述第二端口向所述第一端口方向上，通過具有第二波長的光和阻止具有所述第一波長的光；和用于泵浦激勵所述光學(xué)放大介質(zhì)的裝置，以使所述光學(xué)放大介質(zhì)提供一包括所述第一和第二波長的增益波段。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括一用于向所述光纖傳輸線的一端提供第一信號光的第一終端設(shè)備，以使所述第一信號光通過所述的光學(xué)中繼器；和一用于向所述光纖傳輸線的另一端提供第二信號光的第二終端設(shè)備，以便所述第二信號光通過所述的光學(xué)中繼器。
29.根據(jù)權(quán)利要求28所述的系統(tǒng)，其中，每一所述第一和第二信號光是通過波分復(fù)用具有不同波長的多個光學(xué)信號獲得的WDM信號光。
30.根據(jù)權(quán)利要求28所述的系統(tǒng)，其中所述第一信號光的所述多個光學(xué)信號和所述第二信號光的多個光學(xué)信號沿著波長軸以基本相同的間隔被交替安排。
31.一種光學(xué)器件，包括；一把一束光分成許多偏振光的第一光學(xué)器件，一將從第一光學(xué)器件輸出的許多偏振光組合的第二光學(xué)器件，一安置在所述第一光學(xué)器件和所述第二光學(xué)器件之間的用于旋轉(zhuǎn)多個偏振光的偏振態(tài)的法拉第旋光器，和一安置在第一光學(xué)器件和第二光學(xué)器件之間且對偏振方向顯示不同折射率的雙折射元件。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種可用作具有波長選擇性的光學(xué)隔離器的光學(xué)器件。該光學(xué)器件包括:兩個偏振片,每個偏振片都有一決定從中通過的偏振光偏振軸的傳輸軸;和設(shè)置在兩偏振片之間的雙折射元件以及法拉第旋光器。雙折射元件BE的厚度是這樣設(shè)置的,它對于第一波長起全波片作用,而對不同于第一波長的第二波長起半波片的作用。法拉第旋光器給出一π/4的法拉第旋轉(zhuǎn)角。形成在偏振片之一的傳輸軸和另一偏振片的傳輸軸之間的角度設(shè)定為π/4。形成在偏振片之一的傳輸軸與雙折射元件的光軸之間的角度設(shè)定為π/4。
文檔編號H01S3/06GK1251426SQ9912502
公開日2000年4月26日 申請日期1999年8月19日 優(yōu)先權(quán)日1998年8月19日
發(fā)明者寺原隆文 申請人:富士通株式會社