DE69938312T2

DE69938312T2 - Kompakter, polarisationsunabhängiger zirkulator mit vereinfachtem aufbau und geringer polarisationsmodendispersion

Info

Publication number: DE69938312T2
Application number: DE69938312T
Authority: DE
Inventors: Ping San Jose XIE; Yonglin San Jose HUANG
Original assignee: Finisar Corp
Current assignee: Finisar Corp
Priority date: 1998-11-13
Filing date: 1999-10-12
Publication date: 2009-03-05
Anticipated expiration: 2019-10-13
Also published as: EP1129386B1; DE69938312D1; AU2842300A; WO2000029900A1; EP1129386A1; US6212008B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft optische Vorrichtungen; insbesondere betrifft sie optische Zirkulatoren.
Beschreibung verwandter Gebiete
EP 0 653 661 betrifft optische Isolatoren mit einer reduzierten Polarisationsmodendispersion. Die Isolatoren benötigen typischerweise Permanentmagneten, um ein magnetisches Feld parallel zu einer Längsachse zu erzeugen.
Ein optischer Zirkulator ist eine nicht-reziproke, typischerweise Drei-Port- oder Vier-Port-Vorrichtung. Licht, das in den ersten Port eintritt, tritt aus dem zweiten Port aus, aber Licht, das in den zweiten Port eintritt, kann nicht zum ersten Port zurückgehen. Statt dessen tritt es aus dem dritten Port aus. Durch Installation eines optischen Zirkulators an jedem Ende einer Lichtwellenleiterverbindung, kann eine existierende unidirektionale Lichtwellenleiter-Kommunikationsverbindung schnell und ökonomisch in eine bidirektionale umgewandelt werden. Eine solche Modifikation ergibt eine verdoppelte Bit-Tragekapazität. Ein optischer Zirkulator kann auch in Anwendungen wie Wellenlängenmultiplexer (WDM), Erbium-dotierter Lichtwellenleiterverstärker (EDFA), Add-drop-Multiplexer, Dispersionskompensatoren und optische Zeitbereich-Reflektometer (OTDR's) benutzt werden.
Optische Zirkulatoren sind ein Schlüsselelement heutiger optischer Netzwerke. Sie wurden jedoch wegen ihrer hohen Kosten nicht weithin angenommen. Ein typischer optischer Zirkulator umfasst üblicherweise viele optische Elemente und hat einen großen optischen Fußabdruck. Das Herstellen von konventionellen optischen Zirkulatoren erfordert üblicherweise präzises Ausrichten jedes optischen Elements, was zu niedrigen Ausbeuten und hohen Produktionskosten führt.
Ein frühes Konzept eines Polarisations-unabhängigen optischen Zirkulators für Verwendung in der Telekommunikation wurde in Matsumoto, U.S. Pat. Nr. 4,272,159 offenbart. Dieses Dokument und alle anderen, die hierin genannt sind, werden als Referenz eingefügt, als ob sie hierin vollständig wiedergegeben wären. Solche Zirkulatoren werden weithin in konventionellen optischen WDM Netzwerken verwendet.
Optische Zirkulatoren wurden in Patenten einschließlich der oben genannten Matsumoto, U.S. Pat. Nr. 4,272,159 ; Emkey, U.S. Pat. Nr. 4,464,022 ; und Kuwahara und U.S. Pat. Nr. 4,650,289 beschrieben. Diese frühen optischen Zirkulatoren leiden jedoch an einer hohen Einfügedämpfung und/oder Nebensprechen, das für viele Kommunikationsanwendungen unakzeptierbar hoch ist. Die Einfügedämpfung ist definiert als die Differenz zwischen der Leistung zwischen Licht, das in den optischen Zirkulator eingeführt wird und der Leistung, die die Vorrichtung verlässt. Die Einfügedämpfung ist hauptsächlich auf Kopplungsverluste von Faser zu Faser, Absorption von Licht und auf unvollkommene Polarisationstrennung zurückzuführen. Das Nebensprechen in einem optischen Zirkulator bezieht sich auf die Menge an Leistung, die am Port 3 (zum Empfänger) aus Licht emittiert wird, das am Port 1 (vom Transmitter) eintritt. Die konventionellen Polarisationswürfel, die in diesen frühen optischen Zirkulatoren verwendet wurden, verursachen oft eine hohe Einfügedämpfung und Nebensprechen aufgrund ihres niedrigen Polarisationsauslöschungsverhältnises.
Neuere Zirkulatoren wie beschrieben in Koga, U.S. Pat. Nr. 5,204,771 ; und U.S. Pat. Nr. 5,319,483 zeigen etwas Verbesserung bei der Einfügedämpfung oder beim Nebensprechen. Der optische Zirkulator von Koga enthält Mittel zum Bestimmen eines Strahlwegs zum Einführen eines Strahls in einer anderen Richtung abhängig von der Richtung des elektrischen Feldvektors und der Ausbreitung. Im Kontext der Koga-Zirkulatoren ist die andere Richtung, auf die Bezug genommen wird, tatsächlich eher ein Beispiel einer Strahlverschiebung als einer Änderung der Ausbreitungsrichtung. Die Mittel zum Bestimmen des Strahlwegs von Koga verschieben einen Strahl, so dass er die gleiche Ausbreitungsrichtung besitzt, aber räumlich in einem anderen Bereich des Zirkulators angeordnet ist. In diesem Sinne, sind der Eingangsstrahl und der Ausgangsstrahl aus den Mitteln zum Bestimmen des Strahlwegs parallel in Ausbreitungsrichtung, aber räumlich verschoben. Ein Nachteil der Koga-Zirkulatoren ist, dass die Konstruktion dieser Zirkulatoren präzises Herstellen von doppelbrechenden Kristallen und präzise zusammenpassende Wellenplatten erfordert. Diese Arten von Zirkulatoren sind daher oft schwierig und teuer zu machen. Die Größe der Zirkulatoren ist auch übermäßig groß.
Neuere Zirkulatoren offenbart in Cheng, U.S. Pat. Nr. 5,471,340 ; und Cheng, U.S. Pat. Nr. 5,574,596 scheinen eine niedrigere Einfügedämpfung und Nebensprechen zu haben und auch eine vereinfachte Struktur verglichen mit früheren Zirkulatoren zu haben. Die Cheng-Patente offenbaren die Verwendung von Mitteln zur Bestimmung des Strahlwegs von mehreren langen doppelbrechenden Kristallen, um die konventionellen Polarisationswürfel zu ersetzen. Die Mittel zum Bestimmen des Strahlwegs dienen eher zum Verschieben des Strahls, der sie durchläuft, als zum Ändern der Ausbreitungsrichtung. Ein Nachteil der Cheng-Zirkulatoren ist, dass lange doppelbrechende Kristalle oft schwierig herzustellen sind. Sie sind auch ziemlich teuer. Des Weiteren ist der Fußabdruck dieser Zirkulatorart sperriger als der von anderen Zirkulatoren.
Ein anderer recht beträchtlicher Nachteil der Cheng-Zirkulatoren ist, dass Polarisationsmodendispersion ("PMD") in den Zirkulatoren nicht eliminiert wird, es sei denn, dass zusätzliche Kompensationskristalle eingefügt werden. Solche zusätzlichen Kristalle fügen signifikante Kosten und Komplexität hinzu. Polarisationsmodendispersion wird in eine optische Komponente eingefügt, wenn sich Signalenergie einer gegebenen Wellenlänge in zwei orthogonale Polarisationsmoden mit kaum unterschiedlicher Ausbreitungsgeschwindigkeit oder optischem Weg auflöst. Dieser sich ergebende Unterschied in der Ausbreitungszeit zwischen den Polarisationsmoden wird differenzielle Gruppenlaufzeit oder PMD genannt. PMD verursacht eine Anzahl beträchtlicher Kapazitätsminderungen einschließlich Pulsaufweitung. Zusätzlich hängt die Ausrichtung dieser Zirkulatorenart von einer Submikropräzisions-Positionierung einzelner Fasern ab. Daher ist es nicht einfach, die PMD-korrigierten Cheng-Zirkulatoren herzustellen.
Pan, U.S. Pat. Nr. 5,689,593 beschreibt eine andere Zirkulatorart, die mehrere Polarisationsstrahlteiler-Prismen verwendet, um alle optischen Ports auf einer Seite anzuordnen und Polarisationsmodendispersion zu eliminieren. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil alle optischen Ports auf einer Seite zu haben. Zusätzlich wird Polarisationsmodendispersion durch die Symmetrie des optischen Weges eliminiert. Jedoch verwendet diese Ausgestaltung mehrere Polarisationsstrahlenteiler-Würfel, was sie sehr sperrig und teuer macht.
WO 94/09400 beschreibt einen optischen Zirkulator, der drei Halbwellenplatten enthält.
In Anbetracht der oben genannten Probleme mit bekannten Zirkulatoren gibt es Bedarf an einem vereinfachten optischen Zirkulator, der einfache optische Elemente mit reduzierter Polarisationsmodendispersion umfasst, der zur Mengenherstellung geeignet ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Nach einem Aspekt betrifft die Erfindung einen optischen Zirkulator mit einer Längsachse, umfassend: einen ersten Strahlversetzer/vereiniger zum Teilen eines ersten optischen Strahls in zwei polarisierte Komponentenstrahlen und zum Vereinigen zweier sich entgegnet ausbreitenden polarisierten Komponentenstrahlen, um einen zweiten optischen Strahl wiederzubilden, der sich entgegen dem ersten optischen Strahl ausbreitet; einen ersten nicht-reziproken Rotator, der distal entlang der Längsachse an den ersten Strahlversetzer/vereiniger direkt optisch gekoppelt ist, zum Rotieren einer Polarisationsrichtung der polarisierten Komponentenstrahlen; einen ersten walk-off-Kristall und einen zweiten walk-off-Kristall, die in einer kaskadierten walk-off-Konfiguration optisch gekoppelt sind, wobei der erste walk-off-Kristall distal entlang der Längsachse an den ersten nicht-reziproken Rotator optisch gekoppelt ist und der zweite walk-off-Kristall distal entlang der Längsachse an den ersten walk-off-Kristall optisch gekoppelt ist; einen reziproken Rotator, der zwischen dem ersten walk-off-Kristall und dem zweiten walk-off-Kristall optisch gekoppelt ist; einen zweiten nicht-reziproken Rotator, der distal entlang der Längsachse an den zweiten walk-off-Kristall optisch gekoppelt ist, zum Rotieren der Polarisationsrichtung der polarisierten Komponentenstrahlen; und einen zweiten Strahlversetzer/vereiniger, der distal entlang der Längsachse an den zweiten nicht-reziproken Rotator direkt optisch gekoppelt ist, und zum Teilen des zweiten optischen Strahls in die zwei sich entgegen ausbreitenden polarisierten Komponentenstrahlen, und zum Vereinigen der zwei polarisierten Komponentenstrahlen, um den ersten optischen Strahl wiederzubilden; wobei die optischen Strahlengänge der zwei polarisierten Komponentenstrahlen im Wesentlichen äquivalent sind und die optischen Strahlengänge der zwei sich entgegen ausbreitenden polarisierten Komponentenstrahlen im Wesentlichen äquivalent sind.
Nach einem anderen Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Zirkulieren optischer Signale durch Verwenden der Vorrichtung von Anspruch 1 umfassend: Einführen eines ersten optischen Strahls in einen ersten Strahlversetzer/vereiniger an einem ersten Ort; Teilen des ersten optischen Strahls in zwei polarisierte Komponentenstrahlen in dem ersten Strahlversetzer/vereiniger; Leiten der zwei polarisierten Komponenetenstrahlen direkt in einen ersten nichtreziproken Rotator und Rotieren einer Polarisationsrichtung der polarisierten Komponentenstrahlen in dem ersten nichtreziproken Rotator; Hindurchleiten der zwei polarisierten Komponentenstrahlen durch einen ersten walk-off-Kristall, einen reziproken Rotator und einen zweiten walk-off-Kristall, um einen kaskadierten walk-off der zwei polarisierten Komponentenstrahlen zu erhalten; Rotieren einer Polarisationsrichtung der polarisierten Komponentenstrahlen in einem zweiten nicht-reziproken Rotator, der mit dem zweiten walk-off-Kristall optisch gekoppelt ist; Vereinigen der zwei polarisierten Komponentenstrahlen, um den ersten optischen Strahl in einem zweiten Strahlversetzer/vereiniger wiederzubilden, welcher mit dem zweiten nicht-reziproken Rotator direkt optisch gekoppelt ist; und Ausbreiten eines zweiten optischen Strahls in einer Gegenrichtung zu dem ersten optischen Strahl, so dass zwei sich entgegen ausbreitende polarisierte Komponentenstrahlen erzeugt werden, die einem kaskadierten walk-off unterzogen werden und welche beim ersten Strahlver setzer/vereiniger wiedervereinigt werden, um den zweiten optischen Strahl an einem zweiten Ort getrennt von dem ersten Ort wiederzubilden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt eine seitliche isometrische Ansicht eines Zirkulators nach dem Stand der Technik.
2A–B zeigen Querschnittsansichten des in 1 gezeigten Zirkulators nach dem Stand der Technik.
3 zeigt eine seitliche isometrische Ansicht eines weiteren Zirkulators nach dem Stand der Technik.
4A–B zeigen Querschnittsansichten des in 3 gezeigten Zirkulators nach dem Stand der Technik.
5 zeigt eine isometrische Ansicht eines erfindungsgemäßen Zirkulators.
6 zeigt eine seitliche isometrische Ansicht eines erfindungsgemäßen Zirkulators.
7A–B zeigen Querschnittsansichten des in 6 gezeigten Zirkulators.
8 zeigt eine seitliche isometrische Ansicht eines anderen erfindungsgemäßen Zirkulators.
9A–B zeigen Querschnittsansichten des in 8 gezeigten Zirkulators.
10 zeigt eine seitliche isometrische Ansicht eines weiteren erfindungsgemäßen Zirkulators.
11A–B zeigen Querschnittsansichten des in 10 gezeigten Zirkulators.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
1 zeigt einen konventionellen optischen Zirkulator 100 zusammen mit Strahlspuren von optischen Signalen 102, 104, 106 und 108. Optische Signale können, basierend auf ihrer Polarisation, von der Ausbreitungsrichtung versetzt werden, die sie bei ihrem Eintritt in den Zirkulator 100 besaßen. Die optischen Signale 102 und 104 laufen von einem ersten optischen Port zu einem zweiten optischen Port entlang unterschiedlichen Strahlwege. Ähnlich laufen die optischen Signale 106 und 108 vom zweiten optischen Port zu einem dritten optischen Port entlang unterschiedlichen Strahlwege (der erste und der dritte optische Port sind auf der gleichen Seite des optischen Zirkulators 100 angeordnet). Bei einer Betrachtung der zwei Paare optischer Signale und ihrer Strahlwege ist es möglich festzustellen, dass wenigstens eines der Paare optischer Signale in der optischen Entfernung, die von den optischen Signalen durchlaufen wird, im Wesentlichen nicht äquivalent sind. Zum Beispiel sind die Strahlwege der optischen Signale 106 und 108 in ihrer optischen Entfernung im Wesentlichen nicht äquivalent.
Das Ergebnis, dass die Signale in ihrer optischen Entfernung, die sie zurückgelegt haben, im Wesentlichen nicht äquivalent sind, kann eine Polarisationsmodendispersion oder PMD sein. PMD ist ein Schärfeverlust des optischen Signals, was schlechtere Signal-Rausch-Verhältnisse ergibt. PMD wird in eine optische Komponente eingeführt, wenn Signalenergie einer gegebenen Wellenlänge in zwei orthogonale Polarisationsmoden mit leicht unterschiedlicher Ausbreitungsgeschwindigkeit oder optischem Weg auflöst wird. Der resultierende Unterschied in der Ausbreitungszeit zwischen den Polarisationsmoden wird auch differenzielle Gruppenlaufzeit genannt. PMD verursacht eine Anzahl beträchtlicher Kapazitätsminderungen einschließlich Pulsaufweitung.
Der optische Zirkulator 100 ist auch nicht in einer kaskadierten walk-off-Konfiguration konfiguriert. Wenn sich ein optisches Signal vom ersten optischen Port eines Zirkulators zum zweiten optischen Port ausbreitet und wenn sich dann ein Signal vom zweiten Port zu einem, dritten optischen Port ausbreitet, wird ein zirkulierender optischer Strahlweg beschrieben. Eine kaskadierte walk-off-Konfiguration kann als eine Serie von walk-offs eines polarisierten optischen Komponentenstrahls definiert sein, der sich entlang des zirkulierenden optischen Strahlwegs ausbreitet, anders als die walk-offs, die mit Strahlversetzern/vereinigern assoziiert werden, wobei mehr als einer der walk-offs von beiden eines Paares optischer polarisierter Komponentenstrahlen in im Wesentlichen der gleichen Richtung sind.
Zum Beispiel sind die walk-offs des Paars polarisierter Komponentenstrahlen, die in 2A–B gezeigt sind, nicht in einer kaskadierten Konfiguration. In 2A ist die obere Polarisationskomponente um ein Kästchen nach links walked-off. In 2B ist die obere Komponente um ein Kästchen nach links walked-off, was keinen wirksamen walk-off ergibt. Im Gegenteil dazu ist die untere Komponente um ein Kästchen nach rechts walked-off, wie in 2A gezeigt ist, und ist wieder nach rechts walked-off, wie in 2B gezeigt. Es ist somit ein wirksamer walk-off des unteren aber nicht des oberen optischen Polarisations-Komponentenstrahls im Strahlenpaar, das sich durch den Zirkulator ausbreitet.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Anzahl der walk-offs, die im Wesentlichen in der gleichen Richtung durch einen optischen Polarisations-Komponentenstrahl anfallen, welcher sich entlang des zirkulierenden Strahlwegs ausbreitet, zwei oder mehrere walk-offs, bevorzugter drei oder mehrere walk-offs.
Ein Vorteil einer kaskadierten walk-off-Konfiguration ist, dass sie die Verwendung von kürzeren walk-off-Kristallen und/oder Strahlvereiniger/versetzern vereinfacht. Typische walk-off-Kristalle wie Rutil oder YVO₄ weisen ein Verhältnis der walk-off-Entfernung zur Kristalllänge von 1:10 auf. Für eine gegebene optische Portseparation d, die als die Entfernung zwischen dem ersten und dritten optischen Port in einer typischen Zirkulatorkonfiguration definiert ist, muss beispielsweise der längste walk-off-Kristall oder Strahlversetzer/vereiniger ungefähr 10d sein, das heißt ungefähr zehn Mal die Entfernung zwischen dem ersten und dritten optischen Port. Diese Entfernung wird als ein Ergebnis der walk-off-Konfiguration des optischen Zirkulators 100 benötigt, in welchem die walk-offs nicht kaskadiert sind. Dementsprechend, muss wenigstens ein sehr langer walk-off-Kristall oder Strahlvereiniger/versetzer verwendet werden. Solche Kristalle oder Strahlvereiniger/versetzer sind verhältnismäßig sehr teuer und machen einen signifikanten Teil der Gesamtkosten des optischen Zirkulators 100 aus.
3 zeigt einen konventionellen optischen Zirkulator 300 mit Paaren optischer Signale 302 und 304, 306 und 308 (nicht gezeigt). Anders als beim optischen Zirkulator 100 sind die optischen Entfernungen, die von den optischen Signalen 302, 304, 306 und 308 zurückgelegt wurden, im Wesentlichen äquivalent. Tatsächlich sind sie im Wesentlichen symmetrisch. Der optische Zirkulator 300 kann daher, wegen den Unterschieden in den durchlaufenen optischen Entfernungen der Signale, kein PMD aufweisen.
Jedoch ist der optische Zirkulator 300 nicht in einer kaskadierten walk-off-Konfiguration konfiguriert. Dies kann in 4A–B gesehen werden. Während sich die Polarisations-Komponentenstrahlen von Z0 nach Z7 ausbreiten, sind die Strahlen keinem anderen walk-off ausgesetzt, als dem bei Strahlvereinigen und Strahlversetzen beteiligten. Beim Durchlaufen von Z7 nach Z0 sind die Strahlen nur einem walk-off ausgesetzt; ein Kästchen in die Richtung nach unten. Der optische Zirkulator 300 ist daher nicht in einer kaskadierten walk-off-Konfiguration konfiguriert, weil die Paare der Polaristations-Komponentenstrahlen entlang der gleichen Richtung nur einem walk-off ausgesetzt sind, während sie sich entlang des zirkulierenden Strahlwegs ausbreiten.
Um eine erste und zweite optische Portseparation von d zu erhalten, muss der längste walk-off-Kristall daher 10d sein. Abermals wird die Verwendung von verhältnismäßig langen walk-off-Kristallen zu verhältnismäßig hohen Kosten für den optischen Zirkulator 300 beitragen.
Jetzt bezugnehmend auf 5, ist ein optische Zirkulator 500 ein erfindungsgemäßer optischer Zirkulator. Gezeigt sind Paare optischer Strahlen 502 und 504, 506 und 508. Die Strahlwege der Paare optischer Strahlen 502 und 504, 506 und 508, sind in der optischer Entfernung im Wesentlichen äquivalent. Tatsächlich sind sie ein spezieller Fall von wesentlicher Äquivalenz in optischer Entfernung, da sie symmetrisch sind. In solch einem Fall und im Gegensatz zum optischen Zirkulator 100 kann der Betrieb des optischen Zirkulators 500 im Wesentlichen PMD-frei mit dem oben genannten Vorteilen sein.
Des Weiteren ist der optische Zirkulator 500 in einer kaskadierten walk-off-Konfiguration konfiguriert. Dies kann viel leichter durch Betrachten der 7A–B gesehen werden, die Querschnitte des optischen Zirkulators 500 zeigen, welcher in seinen Anordnungen der optischen Elemente mit dem optischen Zirkulator 300 identisch ist. Wie in 7A gezeigt, wird der untere optische Polarisations-Komponentenstrahl nach rechts walked-off und wird wiederum nach rechts walked-off, wie in 7B gezeigt. Des Weiteren wird der obere optische Polarisations-Komponentenstrahl um ein Kästchen nach rechts walked-off, wie in 7A gezeigt, und wird um ein weiteres Kästchen nach rechts walked-off, wie in 7B gezeigt. Daher besitzt der optische Zirkulator 500 eine Serie von walk-offs von polarisierten optischen Komponentenstrahlen, die sich entlang des zirkulierenden optischen Strahlwegs ausbreiten, im Gegensatz zu den walk-offs, die mit dem Strahlversetzer/vereinigern assoziiert werden, wobei mehr als einer der walk-offs von beiden eines Paars polarisierter optischer Komponentenstrahlen im Wesentlichen in die gleiche Richtung sind.
Um demgemäß eine Portseparation von d zwischen dem ersten und dritten optischen Port zu erlangen, muss der längste walk-off-Kristall nur 5d sein. Dies ist nur die Hälfte der Länge, die von konventionellen Zirkulatoren, so wie der optische Zirkulator 100 oder der optische Zirkulator 300 benötigt wird. Dies ist eine signifikante Materialkostenersparnis für erfindungsgemäße optische Zirkulatoren verglichen mit konventionellen Zirkulatoren.
6 zeigt eine isometrische Ansicht eines optischen Zirkulators 600, welcher eine erfindungsgemäße Ausführungsform ist. Der optische Zirkulator umfasst einen ersten optischen Port 602, einen dritten optischen Port 604, einen zweiten optischen Port 606, einen ersten Strahlversetzer/vereiniger 622, einen ersten nicht-reziproken Rotator 626, erste walk-off-Kristalle 630A–B, einen reziproken Rotator 636, zweite walk-off-Kristalle 640A–B, einen zweiten nicht-reziproken Rotator 646, einen zweiten Strahlversetzer/vereiniger 650 und ein optionales Abbildungselement 652.
Der optische Zirkulator 600 besitzt eine Längsachse, entlang welcher die verschiedenen optischen Komponenten verteilt sind und ein proximales und ein distales Ende. Der erste optische Port 602 und der dritte optische Port 604 sind an einem proximalen Ende angeordnet und der zweite Port 606 ist an einem distalen Ende des optischen Zirkulators angeordnet.
In bevorzugten Ausführungsformen können der erste, zweite und dritte optische Port integrierte optische Schaltungen oder Fasern umfassen. In einer bevorzugteren Ausführungsform können der erste, zweite und dritte optische Port Lichtwellenleiter umfassen, wobei die Lichtwellenleiter konventionelle Lichtwellenleiter oder Lichtwellenleiter mit thermisch erweitertem Kern (TEC) umfassen. TEC Fasern können im Allgemeinen in erfindungsgemäßen optischen Zirkulatoren verwendet werden, um die Ausrichtungsempfindlichkeit und die Baugröße zu verringern. Das optionale Abbildungselement 652 kann irgendwo auf dem optischen Weg zwischen dem ersten, zweiten oder dritten optischen Port angeordnet sein, so dass der erste und dritte optische Port an der proximalen Seite und der zweite optische Port an der distalen Seite konjugierte Abbildungen voneinander sind. In solch einer Ausführungsform kann das Abbildungselement eine Kollimatorlinse sein. In einer bevorzugteren Ausführungsform kann das Abbildungselement eine GRIN-Linse sein. In solch einer Ausführungsform kann die GRIN-Linse am zweiten optischen Port 606, wie gezeigt angeordnet sein, oder kann zwischen den ersten walk-off-Kristallen 630A–B und dem reziproken Rotator 636 oder zwischen den zweiten walk-off-Kristallen 640A–B und dem reziproken Rotator 636 angeordnet sein. Alternativ kann ein einzelnes Abbildungselement, wie eine GRIN-Linse, zwischen jedem optischen Port und seinem entsprechenden Strahlvereiniger/versetzer angeordnet sein. In solch einer Ausführungsform ist ein Abbildungselement an jeden Port des optischen Zirkulators optisch gekoppelt. Der erste Strahlversetzer/vereiniger 622 ist distal zum ersten und dritten optischen Port optisch gekoppelt. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der erste Strahlversetzer/vereiniger ein doppelbrechender Kristall. In einer bevorzugteren Ausführungsform umfasst der erste Strahlversetzer/vereiniger Yttrium Orthovanadat, Calcit, Rutil oder alpha-BBO. Der erste nicht-reziproke Rotator 626 umfasst einen nicht-reziproken Faraday-Polarisationsrotator und ist distal vom ersten Strahlversetzer/vereiniger optisch gekoppelt. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der erste nicht-reziproke Rotator Yttrium-Eisen-Granat (YIG) oder Bi-angereicherte Dickfilmkristalle. In einer bevorzugteren Ausführungsform umfassen die Biangereicherten Dickfilmkristalle eine Kombination von beispielsweise (YbTbBi)₃Fe₅O₁₂ und (GdBi)₃(FeAlGa)₅O₁₂ oder von YIG und Y_3xBi_xFe₅O₁₂. Die ersten walk-off-Kristalle 630A–B sind zueinander optisch gekoppelt und sind distal vom ersten nichtreziproken Rotator gekoppelt. In einer bevorzugten Ausführungsform umfassen die ersten walk-off-Kristalle YVO₄, Calcit, Rutil oder alpha-BBO. Erfindungsgemäße walk-off-Kristalle können bevorzugt ein Paar doppelbrechender Kristalle umfassen. Der reziproke Rotator 636 ist distal von den ersten walk-off-Kristallen optisch gekoppelt. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der reziproke Rotator eine reziproke Rotatorplatte. In einer bevorzugteren Ausführungsform umfasst der reziproke Rotator eine Halbwellenplatte niedriger Ordnung. In einer noch bevorzugteren Ausführungsform umfasst der reziproke Rotator eine Halbwellenplatte nullter Ordnung. Die zweiten walk-off-Kristalle 640A–B sind zueinander optisch gekoppelt und sind distal vom reziproken Rotator gekoppelt. In einer bevorzugten Ausführungsform umfassen die zweiten walk-off-Kristalle YVO₄, Calcit, Rutil oder alpha-BBO. Erfin dungsgemäße walk-off-Kristalle können vorzugsweise ein Paar doppelbrechende Kristalle umfassen. Der zweite nicht-reziproker Rotator 646 umfasst einen nicht-reziproken Faraday-Polarisationsrotator und ist distal von den zweiten walk-off-Kristallen optisch gekoppelt. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der zweite nicht-reziproke Rotator Yttrium-Eisen-Granat (YIG) oder Bi-angereicherte Dickfilmkristalle. In einer bevorzugteren Ausführungsform umfassen die Bi-angereicherten Dickfilmkristalle eine Kombination von beispielsweise (YbTbBi)₃Fe₅O₁₂ und (GdBi)₃(FeAlGa)₅O₁₂, oder von V. I. G. und Y_3xBi_xFe₅O₁₂. Der zweite Strahlversetzer/vereiniger 650 ist distal vom zweiten nicht-reziproken Rotator und proximal vom zweiten optischen Port optisch gekoppelt.
Im Betrieb verlässt beliebig polarisiertes Licht den ersten optischen Port 602 und tritt in den ersten Strahlversetzer/vereiniger 622 ein, welcher als eine polarisationsempfindliche Strahlversetzerplatte fungiert. Das beliebig polarisierte Licht ist in zwei orthogonale Polarisationskomponenten aufgeteilt. Im ersten Strahlversetzer/vereiniger ist die erste Komponente ein gewöhnlicher Lichtstrahl (O-Strahl) und die andere Komponente ist ein außergewöhnlicher Lichtstrahl (E-Strahl). Der E-Strahl walks-off diagonal vom O-Strahl durch den ersten Strahlversetzer/vereiniger mit dem Ergebnis einer oberen und unteren Komponente. Wenn die zwei Lichtkomponenten in den ersten nicht-reziproken Rotator 626 eintreten, wird ihre Polarisation um 45° im Uhrzeigersinn rotiert, während ihre Polarisationsrichtungen orthogonal zueinander bleiben. Wenn die Lichtstrahlen in die ersten walk-off-Kristalle 630A–B eintreten, tritt die obere Polarisationskomponente in den ersten walk-off-Kristall 630B ein und ist horizontal weg von der unteren Komponente walked-off in Richtung der rechten Seite des Zirkulatorquerschnitts. Die untere Komponente tritt in den ersten walk-off-Kristall 630A ein, wobei kein walk-off-Effekt stattfindet.
Die Lichtstrahlen gehen als Nächstes durch reziproken Rotator 636 und beide Polarisationskomponenten werden um 90° rotiert. Die obere Komponente tritt in den zweiten walk-off-Kristall 640B ein, ohne walked-off zu werden. Die untere Komponente tritt in den zweiten walk-off-Kristall 640A als ein E-Strahl ein und ist horizontal in der gleichen Richtung wie der walk-off-Effekt walked-off, der durch den ersten walk-off-Kristall 630A erzeugt wird. Wenn die zwei Polarisationskomponenten den zweiten nicht-reziproken Rotator 646 durchlaufen, wird ihre Polarisationsrichtung um 45° gegen den Uhrzeigersinn rotiert werden.
Die Eigenschaft des ersten und zweiten nicht-reziproken Rotators im Uhrzeigersinn/gegen den Uhrzeigersinn Beschaffenheit zu drehen kann, falls gewünscht, umgekehrt werden, so dass der erste nicht-reziproke Rotator Licht um 45° gegen den Uhrzeigersinn rotiert und der zweite nicht-reziproke Rotator Licht um 45° im Uhrzeigersinn rotiert. Der zweite Strahlversetzer/vereiniger 650 dient dazu die zwei Komponenten wiederzuvereinigen, wobei das wiedervereinigte Licht daraus entsteht und am zweiten optischen Port 606 abgebildet wird. Beliebig polarisiertes Licht, das in den zweiten optischen Port 606 eintritt, wird in die entgegengesetzte Richtung laufen und wird am dritten optischen Port 604 austreten. Das erzeugt optische Zirkulation.
Der Betrieb der Ausführungsform des optischen Zirkulators, gezeigt in 6, ist in den schematische Querschnittsdarstellungen, gezeigt in 7A–B, dargestellt. 7A zeigt, wie die zwei orthogonalen Komponenten von beliebig polarisiertem Licht, das am ersten optischen Port 602 eintritt, so manipuliert sind, dass sie am zweiten optischen Port 606 ankommen. Die zwei beliebig polarisierten orthogonalen Komponenten sind am Querschnitt A-A gezeigt, wie sie den ersten optischen Port 602 verlassen und in den ersten Strahlversetzer/vereiniger eintreten. Am Querschnitt B-B nach Verlassen des ersten Strahlversetzers/vereinigers ist die obere Komponente gezeigt, während sie diagonal von der unteren Komponente walked-off ist. Am Querschnitt C-C nach Verlassen des ersten nicht-reziproken Rotators 626 ist die Polarisation beider Komponenten gezeigt, während sie um 45° im Uhrzeigersinn rotiert ist. Am Querschnitt D-D nach Verlassen der ersten walk-off-Kristalle 630A–B ist die obere Komponente horizontal zur rechten Seite des Querschnitts walked-off. Am Querschnitt E-E, nach Verlassen des reziproken Rotators 636 ist die Polarisation der zwei Komponenten um 90° rotiert gezeigt. Am Querschnitt F-F nach Verlassen der zweiten walk-off-Kristalle 640A–B ist die untere Komponente gezeigt, während sie in der gleichen Richtung walked-off ist, wie die obere Komponente in Querschnitt B-B war. Am Querschnitt G-G nach Verlassen des zweiten nicht-reziproken Rotators 646 ist die Polarisation der Komponenten um 45° gegen den Uhrzeigersinn rotiert. Am Querschnitt H-H nach Verlassen des zweiten Strahlversetzers/vereinigers 650 werden die zwei Komponenten wiedervereinigt, um am zweiten optischen Port 606 auszutreten.
7B zeigt, wie die orthogonalen Komponenten beliebig polarisierten Lichts, das am zweiten optischen Port eintritt, so manipuliert sind, dass sie am dritten optischen Port 604 ankommen. Die zwei beliebig polarisierten orthogonalen Komponenten sind am Querschnitt H-H gezeigt, wie sie in den zweiten Strahlversetzer/vereiniger eintreten. Am Querschnitt G-G ist die untere Komponente gezeigt, während sie diagonal von der oberen Komponente walked-off ist, so dass eine obere und untere Komponente erzeugt wird. Am Querschnitt F-F ist die Polarisation beider Komponenten als um 45° gegen den Uhrzeigersinn rotiert gezeigt. Am Querschnitt E-E ist die obere Komponente gezeigt, während sie horizontal hin zur rechten Seite des Zirkulators walked-off ist. Am Querschnitt D-D ist die Polarisation der zwei Komponenten um 90° rotiert. Am Querschnitt C-C ist die untere Komponente gezeigt, während sie in der gleichen Richtung walked-off ist, wie die obere Komponente im Querschnitt E-E war. Am Querschnitt B-B ist die Polarisation der Komponenten im Uhrzeigersinn um 45° rotiert. Am Querschnitt A-A werden die zwei Komponenten wiedervereinigt um aus dem dritten optischen Port 604 auszutreten.
Es ist wert beachtet zu werden, dass eine Erweiterung auf mehrere optische Ports leicht in die Konstruktion eines optischen Zirkulators dieser Art durch ledigliches Hinzufügen von mehreren Faser auf jeder Seite untergebracht wird. Optische Ports sind in eine linke Reihe und eine rechte Reihe aufgeteilt. Zum Beispiel besteht die linke Reihe optischer Ports aus gleich beabstandeten ungradzahligen Ports, so wie Port 1, 3, 5 und 7. Die rechte Reihe optischer Ports ist auch gleich beabstandet und weist gradzahlige Ports so wie Port 2, 4, 6 und 8 auf. Die Beabstandung in der linken Reihe (Entfernung zwischen 1 und 3) ist die gleiche wie in der rechten Reihe (Entfernung zwischen 2 und 4) und wird bestimmt durch die Anordnung der walk-off-Kristalle und anderer optischer Elemente.
8 zeigt eine isometrische Ansicht eines erfindungsgemäßen optischen Zirkulators. Ein Optischer Zirkulator 800 enthält einen ersten optischen Port 602, einen dritten optischen Port 604, einen zweiten optischen Port 606, einen ersten Strahlversetzer/vereiniger 822, einen ersten nichtreziproken Rotator 626, erste walk-off-Kristalle 630A–B, einen reziproken Rotator 636, zweite walk-off-Kristalle 640A–B, einen zweiten nicht-reziproken Rotator 646, einen zweiten Strahlversetzer/vereiniger 850 und ein optionales Abbildungselement 652.
Der optischer Zirkulator 800 ist strukturell identisch mit dem optischem Zirkulator 600 gestaltet, der in 6 gezeigt ist, mit der Ausnahme, dass die Orientierungen des ersten und zweiten Strahlversetzers/vereinigers um 45° geändert wurden. Im optischen Zirkulator 800 ist die walk-off-Richtung des ersten Strahlversetzers/vereinigers 822 und des zweiten Strahlversetzers/vereinigers 850 in senkrechter Richtung. Dies unterscheidet sich von der walk-off-Richtung des ersten und zweiten Strahlversetzers/vereinigers 622 und 650 im optischen Zirkulator 600, welche in einem Winkel von 45° von der vertikalen Richtung waren.
Im Betrieb verläßt beliebig polarisiertes Licht den ersten optischen Port 602 und tritt in den ersten Strahlversetzer/vereiniger 822 ein, welcher als eine polarisationsempfindliche Strahlversetzungsplatte fungiert. Das beliebig polarisierte Licht wird in zwei orthogonale Polarisations-Komponenten aufgeteilt. Der E-Strahl walks-off im ersten Strahlversetzer/vereiniger vertikal vom O-Strahl, mit dem Ergebnis, dass es eine obere und untere Komponente gibt. Wenn die zwei Lichtkomponenten in den ersten nicht-reziproken Rotator 626 eintreten, wird ihre Polarisation um 45° im Uhrzeigersinn rotiert, während ihre Polarisationsrichtungen orthogonal zueinander bleiben. Wenn die Lichtstrahlen in die ersten walk-off-Kristalle 630A–B eintreten, tritt die obere Polarisationskomponente in die ersten walk-off-Kristall 630B ein, und ist von der unteren Komponente weg, vertikal walked-off in Richtung des oberen Teils des Zirkulatorquerschnitts. Die untere Komponente tritt in den ersten walk-off-Kristall 630 ein und ist von der oberen Komponente weg vertikal walked-off in Richtung des unteren Teils des Zirkulatorquerschnitts.
Die Lichtstrahlen gehen als Nächstes durch den reziproken Rotator 636 und beide Polarisationskomponenten werden um 90° gedreht. Die Lichtstrahlen treten dann in die zweiten walk-off-Kristalle 640A–B ein. Die obere Polarisationskomponente tritt in den zweiten walk-off-Kristall 640A ein und ist vertikal walked-off in Richtung der unteren Komponente in eine nach unten zeigende Richtung. Die untere Komponente tritt in den zweiten walk-off-Kristall 640B ein und ist vertikal walked-off in Richtung der oberen Komponente in einer nach oben zeigende Richtung. Wenn die zwei Polarisationskomponenten den zweiten nicht-reziproken Rotator 646 durchlaufen, wird ihre Polarisationsrichtung um 45° gegen den Uhrzeigersinn rotiert werden. Die im Uhrzeigersinn/gegen den Uhrzeigersinn Beschaffenheit des ersten und zweiten nichtreziproken Rotators kann, wenn gewünscht, umgekehrt werden, so dass der erste nicht-reziproke Rotator Licht um 45° gegen den Uhrzeigersinn rotiert und der zweite nicht-reziproke Rotator Licht um 45° im Uhrzeigersinn rotiert. Der zweite Strahlversetzer/vereiniger 850 dient zum Wiedervereinigen der zwei Komponenten, wobei das wiedervereinigte Licht entsteht und auf den zweiten optischen Port 606 abgebildet wird. Beliebig polarisiertes Licht, das in den zweiten optischen Port 606 eintritt, wird in die entgegengesetzte Richtung laufen und wird am dritten optischen Port 604 austreten. Dies erzeugt optische Zirkulation.
Der Betrieb der Ausführungsform des optischen Zirkulators, gezeigt in 8, ist in den schematischen Querschnittsdarstellungen, gezeigt in 9A–B, dargestellt. 9A zeigt wie die zwei orthogonalen Komponenten beliebig polarisierten Lichts, das am ersten optischen Port 602 eintritt, so manipuliert sind, dass sie am zweiten optischen Port 606 ankommen. Die zwei beliebig polarisierten orthogonalen Komponenten sind am Querschnitt A-A gezeigt, wie sie den ersten optischen Port 602 verlassen und in den ersten Strahlversetzer/vereiniger eintreten. Am Querschnitt B-B, nach Verlassen des ersten Strahlversetzers/vereinigers ist die obere Komponente gezeigt, wie sie von der unteren Komponente vertikal walked-off ist. Am Querschnitt C-C nach Verlassen des ersten nicht-reziproken Rotators 626 ist die Polarisation beider Komponenten gezeigt, wie sie um 45° im Uhrzeigersinn rotiert ist. Am Querschnitt D-D nach Verlassen der ersten walk-off-Kristalle 630A–B sind die obere und untere Komponente vertikal weg voneinander walked-off. Am Querschnitt E-E nach Verlassen des reziproken Rotators 636 ist die Polarisation der zwei Komponenten um 90° rotiert gezeigt. Am Querschnitt F-F nach Verlassen der zweiten walk-off-Kristalle 640A–B sind die obere und untere Komponente gezeigt, wie sie vertikal zueinander walked-off sind. Am Querschnitt G-G nach Verlassen des zweiten nicht-reziproken Rotators 646 wird die Polarisation der Komponenten um 45° gegen den Uhrzeigersinn rotiert. Am Querschnitt H-H nach Verlassen des zweiten Strahlversetzers/vereinigers 850 werden die zwei Komponenten wiedervereinigt, um aus dem zweiten optischen Port 606 auszutreten.
9B zeigt wie die zwei orthogonalen Komponenten beliebig polarisierten Lichts, das am zweiten optischen Port 606 eintritt, so manipuliert sind, dass sie am dritten optischen Port 604 ankommen. Die zwei beliebig polarisierten orthogonalen Komponenten sind am Querschnitt H-H gezeigt, wie sie in den zweiten Strahlversetzer/vereiniger eintreten. Am Querschnitt G-G ist die untere Komponente gezeigt, wie sie von der oberen Komponente vertikal nach unten walked-off ist, so dass eine obere und untere Komponente erzeugt wird. Am Querschnitt F-F ist die Polarisation beider Komponenten gezeigt, wie sie um 45° gegen den Uhrzeigersinn rotiert ist. Am Querschnitt E-E bleiben beide Komponenten unverändert. Am Querschnitt D-D wird die Polarisation der zwei Komponenten um 90° rotiert. Am Querschnitt C-C bleiben beide Komponenten unverändert. Am Querschnitt B-B ist die Polarisation der Komponenten um 45° im Uhrzeigersinn rotiert. Am Querschnitt A-A werden die zwei Komponenten wiedervereinigt, um am dritten optischen Port 604 auszutreten.
10 zeigt eine isometrische Ansicht eines erfindungsgemäßen optischen Zirkulators 1000. Die Ausgestaltung des optischen Zirkulators 1000 bietet einige Vorteile gegenüber den Ausgestaltungen vom Stand der Technik. Diese beinhalten eine im Wesentlichen PMD-freie Ausgestaltung und Verwendung von nur sieben Kristallen für einen Zwei-Stufen-Zirkulator, was eine wesentliche Reduzierung gegenüber dem Stand der Technik ist. Der optische Zirkulator enthält einen ersten optischen Port 602, einen dritten optischen Port 604, einen zweiten optischen Port 606, einen ersten Strahlversetzer/vereiniger 622, einen ersten nicht-reziproken Rotator 626, einen ersten walk-off-Kristall 630B, einen reziproken Rotator 636, einen zweiten walk-off-Kristall 640A, einen zweiten nicht-reziproken Rotator 646 und einen zweiten Strahlversetzer/vereiniger 650.
Der optische Zirkulator 1000 besitzt eine Längsachse, entlang derer verschiedene optische Komponenten angeordnet sind und ein proximales und distales Ende. Der erste optische Port 602 und der dritte optische Port 604 sind am proximalen Ende und der zweite optischer Port 606 ist am distalen Ende des optischen Zirkulators angeordnet.
In einer bevorzugten Ausführungsform können der erste, zweite und dritte optische Port integrierte optische Schaltungen oder Lichtwellenleiter umfassen. In einer bevorzugteren Ausführungsform können der erste, zweite und dritte optische Port Lichtwellenleiter umfassen, wobei die Lichtwellenleiter konventionelle Lichtwellenleiter oder Lichtwellenleiter mit thermisch erweitertem Kern umfassen. Ein optionales Abbildungselement kann irgendwo auf dem optischen Weg zwischen dem ersten, zweiten oder dritten optischen Port ange ordnet sein, so dass der erste und dritte optische Port am proximalen Ende und der zweite optische Port am distalen Ende konjugierte Abbildungen voneinander sind. In solch einer Ausführungsform kann das Abbildungselement eine Kollimatorlinse sein. In einer bevorzugteren Ausführungsform kann das Abbildungselement eine GRIN-Linse sein. In solch einer Ausführungsform kann die GRIN-Linse am zweiten optischen Port 606, wie gezeigt, angeordnet sein oder kann zwischen dem ersten walk-off-Kristall 630B und dem reziproken Rotator 636 oder zwischen dem zweiten walk-off-Kristall 640A und dem reziproken Rotator 636 angeordnet sein.
Der erste Strahlversetzer/vereiniger 622 ist distal zum ersten und dritten optischen Port optisch gekoppelt. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der erste Strahlversetzer/vereiniger ein doppelbrechender Kristall. In einer bevorzugteren Ausführungsform umfasst der erste Strahlversetzer/vereiniger Yttrium Orthovanadat, Calcit, Rutil oder alpha-BBO. Der erste nicht-reziproker Rotator 626 umfasst einen nicht-reziproken Faraday-Polarisationsrotator und ist distal vom ersten Strahlversetzer/vereiniger optisch gekoppelt. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der erste nicht-reziproke Rotator Yttrium-Eisen-Granat (YIG), oder Biangereicherte Dickfilmkristalle. In einer bevorzugteren Ausführungsform umfassen die Bi-angereicherten Dickfilmkristalle eine Kombination von beispielsweise (YbTbBi)₃Fe₅O₁₂ und (GdBi)₃(FeAlGa)₅O₁₂ oder von Y.I.G. und Y₃xBixFe₅O₁₂. Der erste walk-off-Kristall 630B ist distal vom ersten nicht-reziproken Rotator optisch gekoppelt. In einer bevorzugten Ausführungsform umfassen die ersten walk-off-Kristalle YVO₄, Calcit, Rutil oder alpha-BBO. Der reziproke Rotator 636 ist distal von den ersten walk-off-Kristallen optisch gekoppelt. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der reziproke Rotator eine reziproke Rotatorplatte. In einer bevorzugteren Ausführungsform umfasst der reziproke Rotator eine Halbwellenplatte niedriger Ordnung. In einer noch bevorzugteren Ausführungsform umfasst der reziproke Rotator eine Halbwellenplatte nullter Ordnung. Der erste nicht-reziproke Rotator, der erste walk-off-Kristall und der reziproker Rotator definieren eine erste Teillücke 642 im optischen Weg. Der zweite walk-off-Kristall 640A ist distal vom reziproken Rotator optisch gekoppelt. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der zweite walk-off-Kristall YVO₄, Calcit, Rutil oder alpha-BBO. Der zweite nicht-reziproker Rotator 646 umfasst einen nichtreziproken Faraday-Polarisationsrotator und ist distal vom zweiten walk-off-Kristall optisch gekoppelt. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der nicht-reziproke Rotator Yttrium-Eisen-Granat (YIG) oder Bi-angereicherte Dickfilmkristalle. In einer bevorzugteren Ausführungsform umfassen die Bi-angereicherten Dickfilmkristalle eine Kombination von beispielsweise (YbTbBi)₃Fe₅O₁₂ und (GdBi)₃(FeAlGa)₅O₁₂ oder von Y.I.G. und Y_3xBi_xFe₅O₁₂. Der reziproke Rotator, der zweite walk-off-Kristall und der nicht-reziproke Rotator definieren eine zweite Teillücke 642 im optischen Weg. Der zweite Strahlversetzer/vereiniger 650 ist distal vom zweiten nichtreziproken Rotator und proximal vom zweiten optischen Port optisch gekoppelt.
Im Betrieb verläßt beliebig polarisiertes Licht den ersten optischen Port 602 und tritt in den ersten Strahlversetzer/Vereiniger 622 ein, welcher als eine polarisationsempfindliche Strahlversetzungsplatte fungiert. Das beliebig polarisierte Licht wird in zwei orthogonal polarisierte Komponenten geteilt. Im ersten Strahlversetzer/vereiniger ist die erste Komponente ein gewöhnlicher Lichtstrahl (O-Strahl) und die andere Komponente ein außergewöhnlicherLichtstrahl (E-Strahl). Der E-Strahl walks-off diagonal vom O-Strahl durch den ersten Strahlversetzer/vereiniger, mit dem Ergebnis, dass es eine obere und untere Komponente gibt. Wenn die zwei Lichtkomponenten in den ersten nicht-reziproken Rotator 626 eintreten, wird ihre Polarisation um 45° im Uhrzeigersinn rotiert, während die Polarisationsrichtungen senkrecht zueinander bleiben. Wenn die Lichtstrahlen in den ersten walk-off-Kristall 630E eintreten und die erste Teillücke 628 durchlaufen, tritt die obere Polarisationskomponente in den ersten walk-off-Kristall 630E ein und ist horizontal weg von der unteren Komponente walked-off in Richtung der rechten Seite des Zirkulatorquerschnitts. Die untere Komponente durchläuft die erste Teillücke, wobei kein walk-off-Effekt stattfindet.
Die Lichtstrahlen gehen dann durch den reziproken Rotator 636 und beide Polarisationskomponenten werden um 90° rotiert. Die obere Komponente tritt dann in die zweite Teillücke 642, ohne dass sie walked-off wird. Die untere Komponente tritt in den zweiten walk-off-Kristall 640A als ein E-Strahl ein und wird horizontal walked-off in der gleichen Richtung wie der walk-off-Effekt, der durch den ersten walk-off-Kristall 630E erzeugt wird. Wenn die zwei Polarisationskomponenten durch den zweiten nicht-reziproken Rotator 646 durchlaufen, wird ihre Polarisationsorientierung um 45° gegen den Uhrzeigersinn rotiert werden.
Die im Uhrzeigersinn/gegen den Uhrzeigensinn Beschaffenheit des ersten und zweiten nicht-reziproken Rotators kann, falls gewünscht, umgekehrt werden, so dass der erste nicht-reziproke Rotator Licht um 45° gegen den Uhrzeigersinn rotiert und der zweite nicht-reziproke Rotator Licht um 45° im Uhrzeigersinn rotiert. Der zweite Strahlversetzer/vereiniger 650 dient zum Wiedervereinigen der zwei Komponenten, wobei das wiedervereinigte Licht entsteht und auf den zweiten optischen Port 606 abgebildet wird. Beliebig polarisiertes Licht, das in den zweiten optischen Port 606 eintritt, wird in entgegengesetzer Richtung laufen und wird am dritten optischen Port 604 austreten. Dies erzeugt optische Zirkulation. Es sollte beachtet werden, dass der optische Zirkulator 600 eine Variation einer kaskadierten walk-off-Konfiguration mit symmetrischem Strahlweg ist, welche eine Art von Ausführungsform ist, die im Bereich der vorliegenden Erfindung ins Auge gefaßt wird.
Der Betrieb der Ausführungsform des optischen Zirkulators, gezeigt in 10, ist in der schematischen Querschnittsdarstellung, gezeigt in 11A–B, dargestellt. 11A zeigt wie die zwei orthogonalen Komponenten beliebig polarisierten Lichts, das in den ersten optischen Port 602 eintritt, so manipuliert sind, dass sie am zweiten optischen Port 606 ankommen. Die zwei beliebig polarisierten orthogonalen Komponenten sind am Querschnitt A-A gezeigt, wie sie den ersten optischen Port 602 verlassen und in den ersten Strahlversetzer/vereiniger eintreten. Am Querschnitt B-B nach Verlassen des ersten Strahlversetzers/vereinigers ist die obere Komponente gezeigt, während sie diagonal von der unteren Komponente walked-off ist. Am Querschnitt C-C nach Verlassen des ersten nicht-reziproken Rotators 626 ist die Polarisation beider Komponenten um 45° im Uhrzeigersinn rotiert gezeigt. Am Querschnitt D-D nach Verlassen des ersten walk-off-Kristalls 630B und der ersten Teillücke 628 ist die obere Komponente horizontal walked-off zur rechten Seite des Querschnitts. Am Querschnitt E-E nach Verlassen des reziproken Rotators 636 ist die Polarisation der zwei Komponenten um 90° rotiert gezeigt. Am Querschnitt F-F nach Verlassen des zweiten walk-off-Kristalls 640A und der zweiten Teillücke 642 ist die untere Komponente gezeigt, während sie in die gleiche Richtung walked-off ist wie die obere Komponente in Querschnitt B-B war. Am Querschnitt G-G nach Verlassen des nichtreziproken Rotators 446 ist die Polarisation der Komponenten um 45° gegen den Uhrzeigersinn rotiert gezeigt. Am Querschnitt H-H nach Verlassen des zweiten Strahlversetzers/vereinigers 650 werden die zwei Komponenten wiedervereinigt, um am zweiten optischen Port 606 auszutreten.
11B zeigt wie die zwei orthgonalen Komponenten des beliebig polarisierten Lichts, das am zweiten optischen Port 606 eintritt, so manipuliert sind, dass sie am dritten optischen Port 604 ankommen. Die zwei beliebig polarisierten orthogonalen Komponenten sind am Querschnitt H-H gezeigt, wie sie in den zweiten Strahlversetzer/vereiniger eintreten. Am Querschnitt G-G ist die untere Komponente gezeigt, wie sie diagonal von der oberen Komponente walks-off, somit eine obere und untere Komponente erzeugend. Am Querschnitt F-F ist die Polarisation beider Komponenten um 45° gegen den Uhrzeigersinn rotiert gezeigt. Am Querschnitt E-E findet keine Anderung statt. Am Querschnitt D-D rotiert die Polarisation der zwei Komponenten um 90°. Am Querschnitt C-C findet keine Anderung statt. Am Querschnitt B-B rotiert die Polarisation der Komponenten um 45° im Uhrzeigersinn. Am Querschnitt A-A werden beide Komponenten wiedervereinigt, um am dritten optischen Port 604 auszutreten.
Nach einem anderen Aspekt der Erfindung, führt nur eine Linse für den Zirkulator, zu weniger optischen Elementen verglichen mit konventionellen Zirkulatorausgestaltungen. Des Weiteren verglichen mit einigen konventionellen Zirkulatorausgestaltungen ist es nicht erforderlich, dass bei den erfindungsgemäßen Ausführungsformen die Mitte der walk-off-Kristalllänge mit der Strahlversetzer/vereiniger Kristalllänge präzise zusammenpaßt. Zusätzlich, verglichenmit manchen konventionellen Zirkulatorausgestaltungen erfordert die vorliegende Erfindung nicht das zwei senkrechter Polarisationen so ausgerichtet werden, dass sie parallel sind. WO 00/10053 mit dem Titel "Compact Polarisation Insensitive Circulators with Simplified Structure and Low Polarisation Mode Dispersion" kann nützliche zusätzliche Information über optische Zirkulatoren enthalten.
Für den Fachmann wird es offensichtlich sein, dass verschiedene Modifikationen und Variationen in den Zirkulatoren, Systemen und Verfahren der vorliegenden Erfindung gemacht werden können ohne vom Bereich der Erfindung abzuweichen. Somit ist es beabsichtigt, dass die vorliegende Erfindung die Modifikationen und Variationen dieser Erfindung abdeckt, vorausgesetzt, dass sie innerhalb des Bereichs der abhängigen Ansprüche und ihrer Äquivalente sind.

Claims

Optischer Zirkulator (600) mit einer Längsachse, umfassend: einen ersten Strahlversetzer/vereiniger (622) zum Teilen eines ersten optischen Strahls in zwei polarisierte Komponentenstrahlen (502, 504) und zum Vereinigen zweier sich entgegen ausbreitender polarisierter Komponentenstrahlen (506, 508), um einen zweiten optischen Strahl wiederzubilden, der sich entgegen dem ersten optischen Strahl ausbreitet; einen ersten nicht-reziproken Rotator (626), der distal entlang der Längsachse an den ersten Strahlversetzer/vereiniger (622) direkt optisch gekoppelt ist, zum Rotieren einer Polarisationsrichtung der polarisierten Komponentenstrahlen; einen ersten walk-off-Kristall (630A, 630B) und einen zweiten walk-off-Kristall (640A, 640B), die in einer kaskadierten walk-off-Konfiguration optisch gekoppelt sind, wobei der erste walk-off-Kristall (630A, 630B) distal entlang der Längsachse an den ersten nicht-reziproken Rotator (626) optisch gekoppelt ist und der zweite walk-off-Kristall (640A, 640B) distal entlang der Längsachse an den ersten walk-off-Kristall (630A, 630B) optisch gekoppelt ist; einen reziproken Rotator (636), der zwischen dem ersten walk-of-Kristall (630A, 630B) und dem zweiten walk-off-Kristall (640A, 640B) optisch gekoppelt ist; einen zweiten nicht-reziproken Rotator (646), der distal entlang der Längsachse an den zweiten walk-off-Kristall (640A, 640B) optisch gekoppelt ist, zum Rotieren der Polarisationsrichtung der polarisierten Komponentenstrahlen; und einen zweiten Strahlversetzer/vereiniger (650), der distal entlang der Längsachse an den zweiten nicht-reziproken Rotator (646) direkt optisch gekoppelt ist, und zum Teilen des zweiten optischen Strahls in die zwei sich entgegen ausbreitenden polarisierten Komponentenstrahlen (506, 508), und zum Vereinigen der zwei polarisierten Komponentenstrahlen (502, 504), um den ersten optischen Strahl wiederzubilden; wobei die optischen Strahlengänge der zwei polarisierten Komponentenstrahlen (502, 504) im Wesentlichen äquivalent sind und die optischen Strahlengänge der zwei sich entgegen ausbreitenden polarisierten Komponentenstrahlen (506, 508) im Wesentlichen äquivalent sind.
Optischer Zirkulator (600) nach Anspruch 1, wobei eine Anzahl von walk-offs in im Wesentlichen der gleichen Richtung, die bei einem sich entlang eines zirkulierenden Strahlengangs ausbreitenden polarisierten Komponentenstrahl (502, 504, 506, 508) anfallen, zwei oder mehr ist.
Optischer Zirkulator (600) nach Anspruch 2, wobei die Anzahl der walk-offs drei oder mehr ist.
Optischer Zirkulator (600) nach irgendeinem vorstehenden Anspruch, wobei entweder der erste oder der zweite walk-off-Kristall (630A, 630B, 640A, 640B) Yttrium Orthovanadat, Calcit, Rutil oder alpha-BBO ist.
Optischer Zirkulator (600) nach irgendeinem vorstehenden Anspruch, wobei entweder der erste oder der zweite walk-off-Kristall (630A, 630B, 640A, 640B) ein Paar doppelbrechende Kristalle umfasst.
Optischer Zirkulator nach irgendeinem vorstehenden Anspruch, wobei der reziproke Rotator (636) eine Halbwellenplatte niedriger Ordnung umfasst.
Optischer Zirkulator nach Anspruch 6, wobei der reziproke Rotator (636) eine Halbwellenplatte nullter Ordnung umfasst.
Optischer Zirkulator nach irgendeinem vorstehenden Anspruch, wobei der erste oder zweite nicht-reziproke Rotator (626, 646) Yttrium-Eisen-Granat (YIG) oder Bi-angereicherte Dickfilmkristalle umfasst.
Optischer Zirkulator (600) nach irgendeinem vorstehenden Anspruch, wobei der erste oder zweite Strahlvereiniger/versetzer (622, 650) einen doppelbrechenden Kristall umfasst.
Optischer Zirkulator (600) nach Anspruch 9, wobei der erste oder der zweite Strahlvereiniger/versetzer (622, 650) Yttrium Orthovanadat, Calcit, Rutil oder alpha-BBO umfasst.
Optischer Zirkulator (600) nach irgendeinem vorstehenden Anspruch, wobei der erste und zweite optische Strahlengang symmetrisch sind.
Optischer Zirkulator (600) nach irgendeinem vorstehenden Anspruch, wobei die optische Richtung des ersten oder zweiten Vereinigers/Versetzers (622, 650) veränderlich ist, um zu ermöglichen, dass eine Richtung einer Strahlversetzung oder einer Vereinigung der sich entlang der Längsachse ausbreitenden polarisierten Komponentenstrahlen (502, 504, 506, 508) rotiert wird.
Optischer Zirkulator (600) nach irgendeinem vorstehenden Anspruch, weiter umfassend optische Ports (602, 604, 606), die mit den walk-off-Kristallen (630A, 630B, 640A, 640B) optisch gekoppelt sind, wobei die optischen Ports (602, 604, 606) Lichtwellenleiter umfassen.
Optischer Zirkulator (600) nach Anspruch 13, wobei die Lichtwellenleiter Lichtwellenleiter mit einem thermisch erweiterten Kern umfassen.
Optischer Zirkulator (600) nach Anspruch 13 oder Anspruch 14, wobei der optische Zirkulator (600) drei oder mehrere optische Ports (602, 604, 606) umfasst.
Optischer Zirkulator nach Anspruch 15, wobei der optische Zirkulator (600) vier oder mehrere optische Ports (602, 604, 606) umfasst.
Optischer Zirkulator (600) nach irgendeinem vorstehenden Anspruch, weiter umfassend wenigstens ein Abbildungselement (652), das entweder mit dem ersten oder zweiten Strahlvereiniger/versetzer (622, 650) optisch gekoppelt ist.
Optischer Zirkulator (600) nach Anspruch 17, wobei das Abbildungselement eine Linse mit einem Gradienten behafteten Index umfasst.
Optischer Zirkulator (600) nach irgendeinem vorstehenden Anspruch, weiter umfassend eine erste oder eine zweite Teillücke (628, 642), die entsprechend entweder mit dem ersten oder zweiten walk-off-Kristall (630A, 640A) optisch parallel gekoppelt ist.
Wellenlängenmultiplexer umfassend den optischen Zirkulator (600) nach einem der Ansprüche 1 bis 19.
Erbium-dotierter Verstärker umfassend den optischen Zirkulator (600) nach einem der Ansprüche 1 bis 19.
Add-Drop-Multiplexer umfassend den optischen Zirkulator (600) nach einem der Ansprüche 1 bis 19.
Dispersionkompensator umfassend den optischen Zirkulator (600) nach einem der Ansprüche 1 bis 19.
Optisches Zeitbereich-Reflektometer umfassend den optischen Zirkulator (600) nach einem der Ansprüche 1 bis 19.
Verfahren zum Zirkulieren von optischen Signalen, umfassend: Einführen eines ersten optischen Strahls in einen ersten Strahlversetzer/vereiniger (622) an einem ersten Ort; Teilen des ersten optischen Strahls in zwei polarisierte Komponentenstrahlen (502, 504) in dem ersten Strahlversetzer/vereiniger (622); Leiten der zwei polarisierten Komponentenstrahlen (502, 504) direkt in einen ersten nicht-reziproken Rotator (626) und Rotieren einer Polarisationsrichtung der polarisierten Komponentenstrahlen (502, 504) in dem ersten nicht-reziproken Rotator (626); Hindurchleiten der zwei polarisierten Komponentenstrahlen (502, 504) durch einen ersten walk-off-Kristall (630A, 630B), einen reziproken Rotator (636) und einen zweiten walk-off-Kristall (640A, 640B), um einen kaskadierten walk-off der zwei polarisierten Komponentenstrahlen (502, 504) zu erhalten; Rotieren einer Polarisationsrichtung der polarisierten Komponentenstrahlen (502, 504) in einem zweiten nichtreziproken Rotator (646), der mit dem zweiten walk-off-Kristall (640A, 640B) optisch gekoppelt ist; Vereinigen der zwei polarisierten Komponentenstrahlen (502, 504), um den ersten optischen Strahl in einem zweiten Strahlversetzer/vereiniger (650) wiederzubilden, welcher mit dem zweiten nicht-reziproken Rotator (646) direkt optisch gekoppelt ist; und Ausbreiten eines zweiten optischen Strahls in einer Gegenrichtung zu dem ersten optischen Strahl, so dass zwei sich entgegen ausbreitende polarisierte Komponentenstrahlen (506, 508) erzeugt werden, die einem kaskadierten walk-off unterzogen werden und welche beim ersten Strahlversetzer/vereiniger (622) wiedervereinigt werden, um den zweiten optischen Strahl an einem zweiten Ort getrennt von dem ersten Ort wiederzubilden.
Verfahren nach Anspruch 25, umfassend Durchführen eines walk-offs des Strahls durch zwei oder mehrere walk-offs im Wesentlichen entlang der gleichen Richtung.
Verfahren nach Anspruch 26, umfassend Durchführen eines walk-offs des Strahls durch drei oder mehrere walk-offs.
Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 27, umfassend Ausbreiten des ersten und zweiten optischen Strahls über Wege, die symmetrisch sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 28, umfassend Ändern der optischen Richtung des ersten oder zweiten Vereinigers (622, 650), um die Richtung der Strahlversetzung oder der Vereinigung der polarisierten Komponentenstrahlen (502, 504, 506, 508) zu rotieren.
Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 29, umfassend Einführen des ersten oder zweiten optischen Strahls durch optische Ports (602, 604, 606), die Lichtwellenleiter umfassen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 30, umfassend Ausbreiten von wenigstens einem der polarisierten Komponentenstrahlen (502, 504, 506, 508) durch eine erste oder eine zweite Teillücke (628, 642), die entweder mit dem ersten oder zweiten walk-off-Kristall (630B, 640A) optisch parallel gekoppelt ist.