CN1352756A - 多端口光纤环行器 - Google Patents

Abstract

一种反射式环行器,包括一双折射分束和组合单元、一非互易偏振旋转器、和双折射平移单元。该环行器的某些实施例包括一倒像反射镜。该环行器能够缩放,以包含大量排列成一维阵列或两维图形的端口。

Description

多端口光纤环行器

本发明一般针对光纤装置，更具体说是针对多端口环行器。

非互易装置在微波和光通信中被用来有选择地把信号从一个端口引导至另一个端口。随着光纤通信的增长，对适合用于光纤系统的非互易部件的需求也在增加。例如，隔离器被用来降低反馈进单模半导体激光器的光功率，以增加该激光器的频率和功率的稳定性。随着光纤系统变得越来越复杂，例如，随着波分复用(WDM)的出现，对先进部件的需求也在增加，例如用在诸如复用/消复用、分/插复用及双向传输的光环行器。

在复杂的光纤系统中，可能要求有多根功能相同的光纤。例如，许多光纤可能都载运着要求消复用的信号。目前一些消复用的方法，要求每根光纤有独立的消复用器。若能提供并行的、可共享的能力，使其中每个WDM信道的信号与其他WDM信道共享一些或全部消复用器部件，那么可能更方便和更合算。

现在环行器设计的实施办法，不易用于把环行器缩放至供若干个信道共用。此外，许多环行器使用大量部件，得到的装置对准复杂、组装昂贵、并且反射损耗高。

为了适应高密度的装配结构，光纤部件趋向于小型化。而且，在一些空间受限制的应用中，装置的输入端口与输出端口必须放在同一侧。因此也要求环行器要小，以便能与光纤系统的其余部件相容。

许多环行器的设计，都使用具有光学面的部件，相互用环氧树脂粘合。光学环氧树脂的长期耐用性是不确定的，所以该类部件可能比没有用环氧树脂粘合面的部件有较短的平均失效寿命。

许多环行器采用延迟波片来旋转光束的偏振方向。但是，波片的厚度是准确地为某个特定波长设定的，而偏离设定波长会损害波片的偏振旋转性质。因此，在环行器中使用波片，将降低端口间的隔离带宽，并限制该装置用于窄的波长范围。

需要提供一种环行器，该种环行器无环氧树脂光路、紧凑，且用少量部件，从而使制作不那么复杂，并降低反射损耗。还需要提供缩放该种环行器的能力，以容纳大量输入端和输出端，并提供与不同信道并行运行的能力。还希望环行器中避免使用延迟波片，以便获得宽的工作波长范围。

本发明一般涉及能缩放至用许多端口工作，但仍然紧凑的环行器，且要求光束通路中不存在任何环氧树脂粘合面。该环行器具有部件数量最少的优点，有多个端口，小型，制作容易和调节简单。在某些实施办法中，环行器使用倒像反射镜，对通过双折射单元的不同偏振的光束进行交换。在另一些实施办法中，一种环行器非互易模块与一个或两个多端口耦合模块一起使用，使环行器能用多端口工作。

本发明的一个特殊实施例，是一种有双折射分束和组合单元的环行器，双折射分束和组合单元的作用，是把沿输入轴以向前方向传播的光束分解，成为有相互正交偏振的第一和第二光路。该环行器还有倒像反射镜，把沿第一光路向前行进的光反射，使之沿平行于第一光路的第三光路的反方向行进，并反射沿第二光路向前行进的光，使之沿平行于第二光路的第四光路的反方向传播。第一非互易偏振旋转器把沿第一分束和组合单元产生的第一、第二、第三和第四光路传播的光的偏振方向，旋转约45°。双折射平移单元使以第一偏振方向在其上传播的光束，产生横向位移，但使具有正交于第一偏振方向的第二偏振方向的光束透过而不产生横向位移。沿第二和第三光路之一通过双折射平移单元传播的光，产生横向位移，而沿第二和第三光路另一光路通过双折射平移单元传播的光，则不产生横向位移，同时，沿第三和第四光路传播的光，在双折射分束和组合单元中组合为单一的输出通路。

在另一个特殊的实施例中，双折射分束和组合单元把从第一端口沿向前方向传播的光束分解，成为有相互正交偏振的第一和第二光路。一倒像反射镜把沿第一光路向前行进的光反射，使之沿平行于第一光路的第三光路的反方向行进，并反射沿第二光路向前行进的光，使之沿平行于第二光路的第四光路的反方向传播。第一非互易偏振旋转器把沿第一、第二、第三、和第四光路传播的光的偏振方向旋转约45°。位于双折射分束和组合单元与倒像反射镜之间的双折射平移单元，有一放在第二与第三光路中的第一双折射平移单元，其作用是使以第一偏振方向在其上传播的光束产生横向位移，但使在其上传播的、有正交于第一偏振方向的第二偏振方向的光束透过，而不产生横向位移。该双折射平移单元还包括置于第一和第四光路中的非双折射单元。沿第三和第四通路传播的光，在双折射分束和组合单元中组合为单一的输出通路，耦合至第二端口。

在另一个实施例的环行器中，有一种把沿向前方向传播的光束，分解为两个正交偏振光束的装置，该装置还把沿反方向传播的两光束组合成单一的输出光束。该环行器还有用于旋转该两光束偏振方向的装置、用于使选定偏振方向的该两光束之一产生横向位移的装置、和用于使该两光束颠倒并反射的装置。

另一个实施例的环行器中，有一双折射分束和组合单元，把沿向前方向传播的光束分解，成为相互正交偏振的第一和第二光路，还有一非互易偏振旋转器，把沿分束和组合单元产生的第一和第二光路传播的光的偏振方向，旋转约45°。一双折射平移单元有上部和下部，第一光路在下部通过，而第二光路在上部通过。一倒像反射镜反射从下部通过的向前行进的光，使之通过上部向后行进，同时反射从上部通过的向前行进的光，使之通过下部向后传播；其中，通过上部向前传播的光和向后传播的光之一，作为非常光线通过双折射平移单元传播，而通过上部向前传播的光和向后传播的光的另一束，则作为寻常光线通过双折射平移单元传播。

另一种环行器有一双折射分束和组合单元，把沿单元输入轴传播的正交偏振光束，分解成第一和第二光路，还有第一非互易偏振旋转器，把沿第一分束和组合单元产生的第一和第二光路传播的两束光的偏振方向，分别按相反方向旋转约45°。一双折射平移单元沿第一和第二光路放置，使通过其上传播的、有第一偏振方向的光束产生横向位移，但使有正交于第一偏振方向的第二偏振方向的光束透过而不产生横向位移。第二非互易偏振旋转器把沿平移单元产生的第一和第二光路传播的光的偏振方向旋转约45°。一反射镜把沿第一和第二光路传播的光，分别沿第一和第二光路的反方向反射。

另一种环行器有第一和第二耦合模块，每一耦合模块包括第一聚焦单元和第二聚焦单元，第一聚焦单元可与相应的第一和第二多根光纤的输出端耦合，并有选定的第一聚焦率，以引导来自多根光纤的相应光束与第一聚焦单元的轴相交，第二聚焦单元沿第一光轴与第一聚焦单元相隔第一分开距离，并放在能接收第一聚焦单元的光束的位置，第二聚焦单元有第二聚焦率，要选定该第一分开距离，使从第一聚焦单元接收的各光束平行化。该环行器还有非互易模块，非互易模块包括第一双折射分束和组合单元，把来自第一耦合模块第二聚焦单元的沿单元输入轴传播的输入光束分解，成为正交偏振的第一和第二光路。该非互易模块还有第一非互易偏振旋转器和双折射平移单元，第一非互易偏振旋转器把沿第一分束和组合单元产生的第一和第二光路两束光的偏振方向，分别按相反方向旋转约45°，双折射平移单元沿第一和第二光路放置，用于使以第一偏振方向通过其上传播的光束产生横向位移，但使有正交于第一偏振方向的第二偏振方向的光束透过而不产生横向位移。第二非互易偏振旋转器把沿平移单元产生的第一和第二光路传播的两束光的电场矢量，按相反方向旋转约45°。第二双折射分束和组合单元，把沿第一和第二光路传播的光束组合，成为一束输出光束，该输出光束被引导至第二光耦合模块的第二聚焦单元。

另一个实施例的环行器，有一双折射分束和组合单元和第一非互易偏振旋转器，双折射分束和组合单元把沿向前方向行进的光束，分解为有相互正交偏振的第一和第二光路，第一非互易偏振旋转器把沿第一分束和组合单元产生的第一和第二光路传播的光的偏振方向，旋转约45°。一双折射平移单元有第一和第二部分，第一部分置于第一光束通路上，用于使以第一偏振方向通过其上传播的光束产生横向位移，但使有正交于第一偏振方向的第二偏振方向的光束透过而不产生横向位移，第二部分位于第二光束通路上，且是非双折射的。一反射单元把沿第一通路向前传播的光反射，沿向后方向通过双折射单元的第二部分，并把沿第二光路向前行进的光反射，向后通过双折射单元的第一部分传播。

上面对本发明的概括，不是企图说明本发明每一个举出的实施例或各种实施办法。后面的图及详细说明更具体地阐明这些实施例。

结合附图考察后面本发明各个实施例的详细说明后，可以对本发明有更完整的了解，附图有：

图1A和1B按照本发明的一个实施例，画出四端口反射式环行器的两个相互垂直的侧视图；

图2A和2B画出图1A和1B环行器两个简化的相互垂直的侧视图，表明通过该装置的前向和反向光束通路；

图3A和3B分别按向前方向和反方向，画出沿不同光路通过图2A和2B所示环行器时，不同点上光束的偏振状态；

图4A和4B按照本发明的另一个实施例，画出四端口反射式环行器的两个相互垂直的侧视图；

图5A和5B分别按向前方向和反方向，画出沿不同光路通过图4A和4B所示环行器时，不同点上光束的偏振状态；

图6A和6B按照本发明的另一个实施例，画出四端口反射式环行器的两个相互垂直的侧视图；

图7A和7B分别按向前方向和反方向，画出沿不同光路通过图6A和6B所示环行器时，不同点上光束的偏振状态；

图8A和8B按照本发明的一个实施例，画出两维的环行器两个相互垂直的侧视图；

图9A和9B画出两维反射式环行器的端视图的简图和八端口装置的简图；

图10A画出按照本发明的两维环行器的另一个实施例；

图10B画出图10A所示环行器上的可用端口；

图11A和11B分别按向前方向和反方向，画出沿不同光路通过图10A所示环行器时，不同点上光束的偏振状态；

图12画出按两维排列的多端口环行器的示意图；

图13A和13B分别按向前方向和反方向，画出沿不同光路通过图12A和12B所示环行器时，不同点上光束的偏振状态；

图14A-14C画出带有不同类型倒像反射镜的反射式多端口环行器；

图15A画出按照本发明的一个实施例的反射式环行器；

图15B和15C分别按向前方向和反方向，画出沿不同光路通过图15A所示环行器时，不同点上光束的偏振状态；

图16A和16B按照本发明的一个实施例，画出有多端口的在线环行器的示意图；

图17A和17B分别按向前方向和反方向，画出沿不同光路通过图16A和16B所示环行器时，不同点上光束的偏振状态；

图18A示意画出在在线环行器的两端，按两维排列的各端口；

图18B是个示意图，表明在线环行器的不同端口间的关系；和

图19画出一种光耦合模块。

虽然本发明可改变为各种变型和另外的形式，但本发明的性能已经用举例方式在附图示明，并且还要详细说明。但是应该指出，其用意不是把本发明限制于说明的特定实施例。相反，如在后面 书所规定的，本发明的精神和范围内的一切变型，等价装置，和另外的形式，都被本发明涵盖。

本发明针对能容纳大数量的输入端和输出端的各种环行器。各输入端可按一维或两维几何形状，排列在环行器的输入上。虽然当前可用的环行器，要求在光束通路中使用带有环氧树脂粘合表面的部件，但本发明的环行器不作该要求。不过，如果需要，环氧树脂粘合的部件也可以与本发明一起使用。此外，本环行器允许使用更少数量的小部件，从而可使对准简化和用小的封装。特别是，本环行器的结构，在于缩减它们的双折射单元的长度和截面。相应地，在环行器中保持低的部件数量，因而简化了制作和降低了生产成本，同时也降低了反射损耗。本环行器属反射式环行器，所以光纤只需耦合进装置的一端。因此，本环行器只需在输入周围为光纤留出空间，把该装置的背面空出来，以便固定在设备箱的壁上或拐角中。

多端口环行器的一个特殊实施例，画在图1A和1B。环行器100包括两个主要部件，即光耦合模块102和非互易模块104。

光耦合模块102把多根光纤106、107、108、和109的光，耦合进非互易模块104，或从非互易模块104耦合至该多根光纤。在所示的实施例中，光耦合模块102采用两个聚焦单元，第一单元110引导来自不同光纤信道的光与光轴118相交，第二光单元112使来自第一光单元的各光束平行化。所示光耦合单元102在美国专利中有进一步描述，该专利的申请序号为09/181,145，标题“Multiple Port，FiberOptic Coupling Device”，1998年10月27日受理，并在此引用，供参考。

耦合模块102的示意图画在图19，图上画出两根光纤1902和1904的光束的光路。图上只用两根光纤，不意味着对输入光纤数量的限制。图上采用两根光纤，是为了后面解释的清楚和简明。

耦合模块102包括两个置于光轴110上的聚焦单元110和112。来自光纤1902和1904的光路1912和1914，分别通过第一聚焦单元110并被引导与光轴118相交于标记C的位置。在光纤1902和1904的输出处，已校准与光轴118平行，所以，位置C离开第一聚焦单元110的距离等于第一聚焦单元110的焦距f1。在与光轴118相交之后，光束通路1912和1914通至第二聚焦单元112，第二聚焦单元112离第一聚焦单元110的间距是“d”。假如第二聚焦单元112的焦距是f2，则间距d近似等于f1+f2。经过第二聚焦112传输之后，光束1912和1914平行于光轴118。

虽然图上两个聚焦单元110和112之间的光束通路1912和1914，被画成准直的，但这不是必要条件。第一和第二聚焦单元110和112之间的光束通路1912和1914的准直性，依赖于光束从光纤1902和1904出来时的发散度、第一聚焦单元110和光纤1902和1904之间的间距、和第一聚焦单元110的焦距。

在通过第二聚焦单元112之后，光束通路1912和1914分别会聚，产生束腰1916和1918，束腰是光束的最窄宽度，出现在焦距上。束腰1916和1918位于以虚线标记的平面BB。平面BB与第二聚焦单元112之间的间距，至少依赖于进入第一聚焦单元110的光束的发散度和光纤1902和1904两个输出面之间的间距。间距d被设定为f1+f2，以便使第二聚焦单元112的输出保持平行，且该间距d不可用作调整量。

每一束腰1916和1918构成相应光纤1902和1904输出面的像。耦合模块102把位于虚线标记的输入平面AA上光纤1902和1904输出面的像，再成像在像平面BB，这是本发明的重要特征。在平面BB上所成的像可以是放大的像。

第一和第二聚焦单元110和112可以是不同类型的透镜，例如，它们可以是球面或非球面的，也可以是双凸、平凸或凹凸的。透镜类型的选择，取决于特定的系统和可接受的光像差级别，像差级别转换为光损耗。第一聚焦单元110可以是梯度折射率(GRIN)透镜，因为其桶状和平坦的光学表面垂直于透镜光轴，是一种常常与光纤结合使用的透镜。GRIN透镜可以有任何合适的梯度，使光束通路1912和1914偏转，与轴118相交。第二聚焦单元112可以是平凸非球面透镜，其平面表面向着交点C，以降低像差效应。

在使用反射式非互易模块时，非互易模块的反射表面或各反射表面近似放在该模块102形成的束腰1916和1918的位置，以便使一根光纤的光近似地成像，进入另一根光纤。

光耦合模块102的使用并不企图限制本发明。显然，可以用不同于图1A和1B所示的方法，把光耦合进非互易模块104。例如，每一光纤可以配备它自己相应的准直透镜，或使用更复杂的透镜装置。但是，不管光耦合模块的结构如何，把光耦合进非互易模块的方式，应使该耦合模块能对在其内传播的光进行有效的操作。

非互易模块104包括两块双折射晶体120和122、位于双折射晶体120与122之间的非互易偏振旋转器126、和倒像反射镜130，例如棱镜反射镜。

双折射晶体呈现一种这里称为双折射分束的熟知现象。当非偏振光束进入双折射晶体时，该非偏振光分解为两束光束，即寻常光线和非常光线。这是因为寻常光线和非常光线的折射率不同。寻常光线和非常光线所在平面这里称为“离散平面(walk-off plane)”。第二双折射晶体122离散平面的取向与第一双折射晶体120的离散平面近似成45°。

双折射晶体120和122可以用任何合适的双折射材料制成，例如结晶的石英、铌酸锂、和正钒酸钇(YVO₄)。双折射晶体通常对在其上通过的光是透明的。显然，更显著的双折射会得到寻常光线与非常光线之间更大的角分离，因而可以在更短的双折射晶体中获得寻常光线与非常光线之间给定的角分离。材料YVO₄在该方面特别有利，因为它有显著的双折射。

非互易偏振旋转器126可以是Faraday旋转器。Faraday旋转器所以是非互易偏振旋转器，是因为光沿一个方向通过Faraday旋转器时，顺着传播方向看去，如果光的偏振沿顺时针旋转某个角度。那么，光沿反方向通过Faraday旋转器时，如果顺着传播方向看去，光的偏振沿反时针旋转相同的角度。与之相反，互易偏振旋转器，例如半波延迟片，不管沿什么传播方向通过该波片，总按相同指向，如顺时针方向旋转光的偏振。

Faraday旋转器通常包含与磁铁耦合的、有高Verdet常数的透明材料。磁铁沿Faraday旋转器内光的传播方向，产生与该方向平行的磁场分量。高Verdet常数的材料包括，例如，铋铽铁石榴石，该材料常用于工作在1.3μm至1.55μm波长范围的Faraday旋转器。其他波长范围可用其他材料。此外，还有无需使用外部磁铁的其他材料，如稀土代铋铁石榴石。

非互易偏振旋转器126用于把在其上通过的光的偏振旋转约45°。

环行器100的工作原理，还参照图2A-2B和3A-3B作进一步说明。图2A和2B画出非互易模块104各部件，并表明从左侧进入非互易模块104的向右行进一束光束140的通路。非互易模块104各部件沿该装置的光轴分开画出。向右行进光束140的偏振状态示于图3A。偏振状态是对记以z1、z2、…、z5表面上的光束或各光束画出的，且按沿光束140的传播方向，即沿z轴观察所看到的给出。图3A和3B的x轴和y轴分别与图2A和2B的y轴和x轴对应。

记以“z1”的位置代表第一双折射晶体120的第一面。按向前方向，即+z方向进入第一双折射晶体120的光束140，是两种正交偏振的混合，如z1的偏振表示符所示。

光束140沿着与y轴和x轴大致成45°的方向，分解为上光束142和下光束144。第一双折射晶体120足够长，使上光束142和下光束144从第一双折射晶体120出射时已被分开。上光束142和下光束144的偏振方向分别与离散平面成0°和90°。从第一双折射晶体120出来之后，上光束142和下光束144在z2入射非互易偏振旋转器126的第一表面。

在本实施例中，非互易偏振旋转器126把上光束142和下光束144的偏振方向旋转+45°。从偏振旋转器126出来之后，上光束142和下光束144在z3平面分别入射第二双折射晶体122和非双折射单元124。

上光线142以非常偏振通过第二双折射晶体122。下光线144以正交于上光线142的偏振方向通过非双折射传播单元124。非双折射传播单元124可以是任何非双折射单元，如一片玻璃，甚至可以是空气隙。

上光线142和下光线144分别以平面z4所示的偏振状态，从第二双折射单元122和非双折射单元124出射。

然后，上光线142和下光线144通过反射并倒像的棱镜130传播。下光线144和上光线142被该棱镜颠倒，于是，向前行进的上光束和下光束分别变为向后行进的下光束154和上光束152。向后行进的光束沿-z方向传播。图3B画出向后行进的光束152和154的偏振状态，所示偏振状态是假定观察者沿+z方向看去的。从平面z4的偏振状态中可见，棱镜130把进入棱镜130光束的y位置颠倒。y方向的颠倒并不产生偏振方向的任何变化。

向后行进的上光束152的偏振方向，与向前行进的上光束142的偏振方向正交。因此，在进入第二双折射晶体122时，向后行进的上光束152在x方向沿通路156偏折。向后行进的下光束154通过非双折射单元124。向后行进的上光束152和下光束154，各自通过第二双折射晶体122传播之后，在平面z3的位置和偏振方向画在平面z3上。

向后行进的上光束152和下光束154通过非互易偏振旋转器，它们的偏振方向被旋转约+45°，产生的偏振状态画在平面z2上。

然后，向后行进的上光束152和下光束154进入第一双折射晶体120，在其上组合成单一的向后行进光束160。

对环行器100的一般描述是，光束沿向前方向通过环行器时，在第二双折射晶体内不经受任何平移。该光束以第一偏振状态沿向前方向通过第二双折射晶体。在沿反方向并以正交于第一偏振状态的偏振状态，向后行进通过第二双折射晶体时，光束遭受横向平移。因此，沿相同通路传播的向前和向后的两光束可以被分离。

显然，可以改变某些部件的相对取向而不影响环行器100的操作。例如，第二双折射晶体122的取向，可以使向前行进的光束偏折而向后行进的光束保持不偏折，而不是随意别的方式。此外，非互易偏振旋转器126的取向，可以使向前行进的上光束142和下光束144的偏振旋转约-45°，即顺时针方向而不是反时针方向。此外，可以安排第二双折射晶体122，使作为寻常光线通过第一双折射晶体120传播的光束平移，而不是作为非常光线传播的光束平移。

回头再参考图1A和1B，所示实施例100是作为四端口环行器工作的。通过光纤106进入环行器100的光，通过非互易模块104环行，并通过光纤107从环行器100出射。同样，通过光纤107进入环行器100的光，通过光纤108从环行器100出射，而通过光纤108进入环行器100的光，通过光纤109从环行器100出射。显然，可以对环行器100添加更多光纤，与平行于那些图示光路的光路耦合。对光纤数目的限制由实际的约束，如晶体的大小、部件的光学质量、和最大可允许封装的大小决定。总之，用少量部件，其中没有一个在光束通路中包含环氧树脂粘合面，且避免使用波片的、紧凑的、多端口的环行器是能够实现的。

相关的实施例画在图14A-14B，图上有不同类型的倒像反射镜。相同的单元用相同的数字标记。在图14A，向前行进的上光束142和下光束144，进入有反射表面1402的透镜1400。透镜1400可以有柱面或有非球面形状。透镜1400只聚焦在一维上，该维画在图面内。向后行进的光束152和154，沿着与向前行进光束142和144的反平行方向，从透镜1400出来。

在图14B中，向前行进的上光束142和下光束144通过透镜1410，并被例如反射镜的反射表面1412反射。透镜1400可以是柱面形状的，或适于把光聚焦成一维的其他形状。向后行进的光束152和154经反射表面1412反射，向后通过透镜1410，并沿着与向前行进光束142和144的反平行方向传播。

在图14C中，向前行进的上光束142和下光束144进入梯度折射率(GRIN)透镜1420，该透镜聚焦成一维并有反射表面1422。GRIN透镜1420有四分之一梯度的长度，所以进入的光束在反射表面相交。该GRIN透镜可以有柱面的折射率分布，或其他合适的折射率分布。向后行进的光束152和154，沿着与向前行进光束142和144的反平行方向，从透镜1400出来。

用于多端口环行器的另一种非互易模块404的实施例，画在图4A和4B上。在该实施例中，用类似于上述耦合模块102的耦合模块，把许多光纤的光引入非互易模块404，但这不是本发明必须的限制。

非互易模块404包括第一双折射晶体420、非互易偏振旋转器426和428、第二双折射晶体422、和倒像反射棱镜430。通过模块402的光的偏振状态画在图5A和5B上。

记以“z1”的位置，代表第一双折射晶体420的第一面。沿向前方向进入第一双折射晶体420的光束440，是两种正交偏振的混合，如在z1的偏振表示符所示。

进入的光束440，按与y轴和x轴近似成45°，分解为上光束442和下光束444。第一双折射晶体420足够长，使上光束442和下光束444从第一双折射晶体420出射时已被分开。上光束442和下光束444的偏振方向，分别与离散平面成0°和90°。从第一双折射晶体420出来之后，上光束442和下光束444在第一非互易偏振旋转器426的第一表面入射，如在z2所示。

在本实施例中，非互易偏振旋转器426包括两个Faraday旋转器427和429。上Faraday旋转器427把上光束442的偏振旋转+45°，而下Faraday旋转器429把下光束444的偏振旋转-45°。从第一非互易偏振旋转器426出来后，上光束442和下光束444分别在平面z3入射于第二双折射晶体422和非双折射传播单元424。上光束442和下光束444的偏振方向是平行的。

上光线442以非常偏振通过第二双折射晶体422。下光线444以平行于上光线442偏振方向的偏振方向，通过非双折射传播单元424。非双折射传播单元424可以是任何非双折射单元，如一片玻璃，甚至可以是空气隙。

上光线442和下光线444以平行的偏振状态，分别从第二双折射单元422和非双折射单元424出射，如在平面z4上所示。

然后，上光线442和下光线444通过第二非互易偏振旋转器428，例如Faraday旋转器，该旋转器把上光束442和下光束444的偏振旋转+45°。

然后，上光线442和下光线444通过反射并倒像的棱镜430。上光线442和下光线444被该棱镜颠倒，于是向前行进的上光束442和下光束444，分别变成向后行进的下光束454和上光束452。向后行进的光束452和454沿-z方向传播。图5B画出向后行进的光束452和454的偏振状态，所示偏振状态是假定观察者沿+z方向看去的。从平面z5的偏振状态可见，棱镜430把进入棱镜430光束的y位置颠倒。在y方向上的颠倒并不产生偏振方向的任何变化。

经棱镜430反射后，上光束452和下光束454向后通过第二非互易偏振旋转器428，在其上，偏振方向再一次被旋转+45°，如在位置z4的偏振状态所示。

向后行进的上光束452的偏振方向，与向前行进的上光束442的偏振方向正交。因此，在进入第二双折射晶体422时，向后行进的上光束452在x方向沿通路456偏折。向后行进的下光束454通过非双折射单元424。在各自通过第二双折射晶体422和非双折射单元424之后，向后行进的上光束452和下光束454的位置和偏振方向，画在平面z3上。

向后行进的上光束452和下光束454，通过第一非互易偏振旋转器426，使它们的偏振方向沿相反的方向旋转约45°，产生示于平面z2的偏振状态。

然后，向后行进的上光束452和下光束454，进入第一双折射晶体420，在其上，它们被组合成单一的向后行进的输出光束460。

显然，非互易模块404也可以按类似于图1B所示非互易模块104的方式，用在多端口环行器中。

另一个实施例的反射式环行器600画在图6A和6B，沿向前方向和向后方向通过非互易模块的不同光束，其偏振状态分别在图7A和7B画出。环行器600包括耦合模块602和非互易模块604。耦合模块602按美国专利说明的多端口耦合模块画出，该专利的申请序号是09/181,145。显然，包含该种耦合模块不希望成为对本发明的限制，也可以用其他方法耦合进非互易模块604，例如，各光纤用各自的透镜与非互易模块耦合。

入射非互易模块604的光束614，进入第一双折射晶体620，在其上，每光束分解为两束正交偏振的光束，即寻常光线和非常光线。我们专门考察光束640，该光束分解为两束正交偏振的光束642和644，如图7A中平面z1所示。

然后，上光束642和下光束644通过第一非互易旋转器626，在其上，它们的偏振方向沿相反方向旋转约45°，于是光束642和644有平行的偏振状态，如在平面z3所示。该非互易偏振旋转器626可以用两个Faraday旋转器构成，下旋转器629的取向要把下光束644的偏振旋转-45°，而上旋转器627的取向要把下光束642的偏振旋转+45°。

上光束642和下光束644进入第二双折射单元622，该双折射单元的光轴相对于第一双折射单元的光轴旋转约45°。第二双折射单元622在结晶学上的取向，要使上光束642和下光束644的光通过时不发生偏折，如在平面z4的偏振表示符所示。然后，上光束642和下光束644通过第二非互易偏振旋转器628，该旋转器可以是单个Faraday旋转器。第二非互易偏振旋转器把上光束642和下光束644的偏振方向旋转约45°，如在平面z5所示。

通过第二非互易偏振旋转器628之后，上光束642和下光束644被反射镜630反射，变成与入射方向相反的方向。反射镜630可以是分开的反射表面，如图所示，也可以是第二非互易偏振旋转器628背面的反射表面，例如镀在Faraday旋转器的反射膜。反射镜630可以是多层介质反射镜。

向后行进的上光束642和下光束644，向后通过第二非互易偏振旋转器628，从而使它们的偏振方向再旋转45°，于是，它们进入第二双折射晶体622的偏振状态，与向前行进通过第二双折射晶体622的光束的偏振状态正交。第二双折射晶体622的取向要使光束642和644分别沿通路652和654偏折，并从第二双折射晶体622出射时相对于进入第二双折射晶体622的位置发生横向位移，如在平面z3的偏振表示符所示。

向后行进的上光束652和下光束654，通过第一非互易偏振旋转器626，在其上，上光束652和下光束654沿相反方向旋转约45°，如在平面z2所示，于是，它们的偏振是正交的。

然后，正交偏振的光束652和654进入第一双折射晶体620，在该处，它们在输入面621上组合，产生单一的输出光束660，如在平面z1所示。

因此，沿某通路进入环行器600的光，沿另外的通路从该环行器出射。从而沿通路600a进入环行器600的光，沿通路600b从环行器600出射。同样，沿通路600b进入的光，沿通路600c出射，而沿通路600c进入的光，沿通路600d出射。因此，所示实施例600是四端口环行器。

通过反射式环行器600的平行通路的数目，并不限制在所示的数目，既可增加也可减少，要看工程的要求，以及实际的约束，如最大的总体大小，可用的双折射晶体和部件光学质量。例如，给定足够的晶体大小，可以添加更多的通路。

类似于图6A的另一个实施例，画在图15A。在图6A和15A中，相同的单元有相同的数字。在图15A所示的实施例中，第二非互易偏振旋转器1528包括两个Faraday旋转器1532和1534。上Faraday旋转器1532的取向，要使在其上通过的光的偏振，按反时针方向旋转，如在图15B和15C的偏振状态图解所见。特别是，上光束642沿+z方向通过上Faraday旋转器1532时，即从图15B的平面z4到平面z5时，其偏振沿反时针方向旋转。下光束644沿+z方向通过下Faraday旋转器1534时，即从图15B的平面z4到平面z5时，其偏振沿顺时针方向旋转。经反射表面630反射后，上光束642沿-z方向通过上Faraday旋转器1532时，即从图15C的平面z5到平面z4时，其偏振沿反时针方向旋转。下光束644沿-z方向通过下Faraday旋转器1534时，即从图15C的平面z5到平面z4时，其偏振沿顺时针方向旋转。

图8A和8B画出两维反射式多端口环行器800两个相互垂直的视图。两维环行器800包括两组平行的通路801和803，其中每一组都单独地并分开地按上述反射式环行器100类似方式运行。两维环行器800有第一耦合模块802和非互易模块804。耦合模块802把各组光纤的光耦合进非互易模块804，并从耦合模块804耦合至各组光纤。申请序号09/181,145，标题“Multiple Port，Fiber Optic Coupling Device”的美国专利讨论的耦合模块类型，非常适合把光从两维光纤阵列耦合进非互易模块804，虽然也可以用别的方法。

非互易模块804包括第一双折射晶体820，把光束801与803分解并组合，分别成为801′与801″；和803′与803″。非互易模块804还包括非互易偏振旋转器826，和分别沿光束801′与803′的光束通路放置的第二双折射晶体822a和822b，第二双折射晶体用于产生平移，其方式类似于上面对双折射晶体122的描述。非双折射单元824a和824b沿光束801″与803″放置，其作用类似于非双折射单元124。

每一光束通路801与803分别带有倒像反射镜830a和830b，使相关光束沿y方向的位置颠倒，类似于棱镜130。

两维环行器800可以看作两个四端口环行器按平行配置堆叠，其中每个四端口环行器类似于反射式环行器100。如图所示，平行的四端口环行器可以共享耦合光部件，而不是各有分开的耦合模块。因此，各端口可以如图9A所示，排列在该两维环行器的一端901，排成两行，每行有四个端口。从而，输入端口排列成4×2的矩阵。在对应于光束803的上面一行，端口1有光束通路与端口2耦合，端口2有光束通路与端口3耦合，端口3有光束通路与端口4耦合。在对应于光束801的下面一行，端口5有光束通路与端口6耦合，端口6有光束通路与端口7耦合，端口7有光束通路与端口8耦合。下面一行的端口，即端口5-8，不必与上面一行的端口，即端口1-4对准。

环行器不同的行可以连接，例如在端口4和5之间通过光纤耦合，得到六端口的环行器。这一点画在图9B上，图上的环行器画成有八端口的装置900，端口编号1-8。奇数端口在内部耦合至下一个最高偶数端口，如端口1、3、和7分别耦合至端口2、4、和8。同样，偶数端口，除在相应行的末端端口4、8之外，在内部耦合至下一个最高的奇数端口，如端口2和6分别耦合至端口3和7。

端口4可以在外部耦合至端口5，例如用外部光纤链路902，于是该两行被链接在一起。结果，装置900作为6端口环行器工作，即，光从端口1到端口2，从端口2到端口3，从端口3到端口6(经过端口4和5)，从端口6到7，和从端口7到端口8。

显然，多端口环行器的所有端口不必都使用。例如，4×2端口的在线环行器，可以用来给出两个独立的三端口环行器，例如端口1、2、和3用于第一个三端口环行器，而端口6、7、和8用于第二个三端口环行器。多端口环行器的不同端口可以按许多种不同方式安排。

再有，两维环行器不限于只有4×2的端口矩阵。例如，从图1A和1B的一维环行器100到图8A和8B的两维环行器800，一组非互易模块单元基本上堆叠在另一组上。该堆叠过程可以重复m次，产生m+1行端口，堆叠在y方向上。还有，在x方向也可以添加额外的端口。因此，两维环行器可以有N×M个端口，这里N和M是受诸如工程设计和装置大小等因素限制的合理的数目。这里讨论的反射式环行器的其他实施例，也可以用来运行两维阵列。

另一种两维环行器画在图10A。环行器1000包括带有两个透镜1010与1012的耦合模块1002，和非互易模块1004。非互易模块有第一双折射晶体1020、非互易偏振旋转器1026、第二与第三双折射晶体1022与1024、和反射并倒像的棱镜1030。

环行器1000的工作原理，参照图11A和11B加以说明。用虚线标记的平面z1-z8与表明相应光束偏振状态的平面对应。所有偏振状态都是从环行器左侧沿+z方向看去的。图11A画出沿向前方向通过环行器，即从光纤1008到光纤1009的光的偏振状态。图11B画出从光纤1009沿反方向通过环行器的光的偏振状态。

来自耦合模块1002的光束1040画在平面z1上，该光束在第一双折射晶体1020内被分解为上光束1042和下光束1044，如在平面z2所示。上光束1042和下光束1044的偏振方向被非互易偏振旋转器1026沿反时针方向旋转约45°，非互易偏振旋转器1026可以是Faraday旋转器。通过非互易偏振旋转器1026之后，上光束1042和下光束1044的偏振状态示于平面z3上。或者，也可以调整非互易偏振旋转器1026，使上光束和下光束的偏振沿顺时针方向旋转45°。

上光束1042的光通过第二双折射晶体1022，该第二双折射晶体已调整好，使具有选定偏振状态的光沿离开图面方向产生横向位移，同时使正交偏振状态的光通过而不产生位移。上光束1042的光的偏振方向，使之沿向前方向通过第二双折射晶体1022时不产生横向位移。此外，下光束1044通过非双折射部分1023。非双折射部分1023可以是例如一片玻璃、空气隙、或某些对下光束1044不产生偏振依赖效应的其他合适的材料。因此，上光束1042和下光束1044从平面z3到平面z4，偏振状态没有变化。

上光束1042和下光束1044进入反射棱镜1030，在其上，上光束1042和下光束1044被颠倒，产生向后行进的相应的下光束1054和上光束1052。从棱镜1030出射时，上光束1052和下光束1054的偏振状态示于平面z5。

上光束1052通过第三双折射晶体1024，该第三双折射晶体的取向，使具有选定偏振状态的光束沿离开图面方向产生横向位移，同时使正交偏振状态的光通过而不产生位移。上光束1052的光的偏振方向，使之沿-z方向通过第三双折射晶体1024时产生横向位移。横向位移的结果可在平面z6的偏振状态图解中看到。此外，下光束1054通过非双折射部分1025。非双折射部分1025可以是例如一片玻璃、空气隙、或某些对下光束1054不产生偏振依赖效应的其他合适的材料。

然后，上光束1052和下光束1054沿反方向通过非互易偏振旋转器1026，在其上，各光束1052和1054的偏振方向再一次被沿反时针方向旋转约45°。经非互易偏振旋转器传播后，上光束1052和下光束1054的偏振状态画在平面z7上。

然后，上光束1052和下光束1054向后进入第一双折射晶体1020，在其上，它们组合成单一输出光束1060，如在平面z8所示。输出光束1060耦合至光纤1009。因此，从光纤1008进入环行器1000的光，被耦合至光纤1009。

现在，我们来考察从光纤1009返回，通过环行器1000的光，该光按+z方向，沿标记1080的通路传播，通路1080与通路1060重合但反平行。从光纤1009返回，通过环行器1000的光束的偏振状态，画在图11B。光束1080通常是混合偏振的，如在平面z8所示。在进入第一双折射晶体1020时，光束1080分解为正交偏振的上光束1082和下光束1084，如在平面z7所示。

上光束1082和下光束1084通过非互易偏振旋转器1026，在其上，各光束1082和1084的偏振方向沿反时针方向旋转约45°，如在平面z6所示。上光束1082通过第三双折射晶体1024，其偏振状态使之不发生横向位移，同时，下光束通过1084通过非双折射部分1025。因此，在平面z5上，光束1082和1084的偏振状态如同在平面z6一样。

上光束1082和下光束1084进入反射棱镜1030，在其上它们被颠倒，产生沿-z方向传播的相应的下光束1094和上光束1092。在离开棱镜1030出射时，上光束1092和下光束1094的偏振状态画在平面z4上。

沿-z方向通过第二双折射晶体1022的上光束1092，其偏振状态与沿+z方向通过第二双折射晶体1022的上光束1042的偏振状态正交。上光束1092的偏振方向，使之沿-z方向通过第二双折射晶体1022时，沿+x方向产生横向位移。该横向位移结果可在平面z3的偏振状态图解中看出。下光束1094通过非双折射部分1023，没有变化。

在通过非互易偏振旋转器1026时，上光束1092和下光束1094的偏振方向沿反时针方向旋转约45°，得到的偏振状态画在平面z2上。

然后，上光束1092和下光束1094进入第一双折射晶体1020，在其上，它们被组合成单一输出光束1095，如在平面z1所示。输出光束1095经耦合模块1002引导，到达第三端口，通常是另一光纤(未画出)。

输入环行器1000的输入面1096的示意图，画在图10B。图示的许多端口p1-p11，分成两行。上面一行有端口p1、p3、p5、p7、p9、和p11。下面一行有端口p2、p4、p6、p8、和p10。通过端口p1进入环行器的光，如光纤1008，被引导至端口p2，如光纤1009，其方式正如对图10A和图11A所述。同样，端口p2的光被引导至端口p3，其方式如对图10A和11B所述。显然，已经说明的环行器1000能以多端口运行，所以端口p3的光被引导至端口p4，而端口p4的光被引导至端口p5，如此类推。在图10B所示特定实施例中，经端口p10传播的光被引导至端口p11。因此，环行器1000可以作为多端口环行器工作，它具有端口p1-p11，排列成两维图形。显然，环行器1000可以提供比图示更多或更少的端口。

图12画出另一个实施例的环行器1200，该环行器类似于图10A的环行器。相同的部件以相同数字标记。环行器1000与1200间的不同点之一，是环行器1200有两个相互相对取向的双折射晶体1020a和1020b，使下光束1254在上双折射晶体1020b中偏折，同时使上光束1242在下双折射晶体1020a中偏折。这一点与环行器1000不同，在环行器1000中，两束上光束1042与1052都在第一双折射晶体1020中偏折。还有，环行器1200中的非互易偏振旋转器1226包括两个Faraday旋转器1227与1228，该两个Faraday旋转器的取向，要使偏振沿不同方向旋转。例如，下Faraday旋转器1227的取向，可以使偏振沿反时针方向旋转约45°，而上Faraday旋转器1228的取向，则使偏振沿顺时针方向旋转约45°。通过环行器传播的光束的偏振状态，类似于图10A、11A、和11B中讨论的光束1042、1044、1052、1054、1082、1084、1092、和1094的偏振状态，但通过平面z7和z8的光束的偏振与位置除外。图13A和13B画出下述光束相对于平面z1至z8的偏振与位置：+z传播的光束1242与1244、-z传播的光束1252与1254、+z传播的光束1282与1284、和-z传播的光束1292与1294。

多端口环行器的另一个实施例画在图16A和16B。环行器1600包括三个主部件，即两个光耦合模块1602与1606和非互易模块1604。

光耦合模块1602和1604与多根光纤的光耦合。第一光耦合模块1602与光纤1601a、1601c、1601e、和1601g耦合。第二光耦合模块与光纤1601b、1601d、1601f、和1601h耦合。环行器1600有在线的排列，使从一侧，例如沿光纤1601a进入环行器的光，在另一侧，例如沿光纤1601b，离开环行器1600。同样，沿光纤1601b进入环行器1600的光，沿光纤1601c离开环行器1600。在所示的实施例中，光耦合模块1602采用两个聚焦单元，第一单元1610引导从不同光纤信道进入的光与光轴相交(未画出)，而第二光单元1612使来自第一光单元1610的各光束平行化。同样，第二光耦合模块1606有第一聚焦单元1616和第二聚焦单元1618，两个单元的工作方式，与第一耦合模块1602相似。光耦合模块1602与1606所示实施例，在美国专利有进一步描述，该专利申请序号为09/181,145，标题“Multiple Port，FiberOptic Coupling Device”。

非互易模块1604包括三个双折射晶体1620、1622、和1624。第一非互易偏振旋转器1626放在第一和第二双折射晶体1620与1622之间，而第二非互易偏振旋转器1628放在第二和第三双折射晶体1622与1624之间。

第一和第三双折射晶体1620和1624的取向，要能把光纤1601a-1601g的光束分解和组合。第一和第三双折射晶体1620和1624的离散平面，要近似平行地排列。第二双折射晶体1622离散平面的取向，要近似与第一双折射晶体1620的离散平面成45°。

第一非互易偏振旋转器1626可以包括两个Faraday旋转器1626a和1626b。同样，第二非互易偏振旋转器1628可以包括两个Faraday旋转器1628a和1628b。

环行器1600的工作原理，进一步参照图17A和17B加以说明，图上分别画出沿向前方向行进和沿向后方向行进的光束的偏振状态。各偏振状态是对记以z1、z2、…、z6各表面上的光束或各光束画出的，且按顺着z轴，即沿+z方向观察所看到的给出。

来自光纤1601a向前行进的光束1640，从左侧进入非互易模块1604。图17A和17B中的x轴和y轴分别与图16A和16B的y轴和x轴对应。

标记“z1”的位置代表第一双折射晶体1620的第一面。沿向前即+z方向进入第一双折射晶体1620的光束1640，是两种正交偏振的混合，如画在图17A平面z1上的偏振表示符所示。

光束1640在近似与y轴和x轴成45°方向上，分解为上光束1642和下光束1644。第一双折射晶体1620足够长，使上光束1642和下光束1644从第一双折射晶体1620出射时已被分开。

通过第一双折射晶体1620出来之后，上光束1642和下光束1644在z2入射于第一非互易偏振旋转器1626。

在本实施例中，Faraday旋转器1626b把上光束1642的偏振方向旋转+45°，而Faraday旋转器1626a把下光束1644的偏振方向旋转-45°，于是上光束1642和下光束1644的偏振方向，在从第一非互易旋转器1626出射时，是平行的偏振方向，如在平面z3所示。

上光束1642和下光束1644通过第二双折射晶体，在平面z4以在平面z3相同偏振状态和位置出现。

上光束1642和下光束1644入射第二非互易偏振旋转器1628。在本实施例中，Faraday旋转器1628b把上光束1642的偏振方向旋转+45°，而Faraday旋转器1628a把下光束1644的偏振方向旋转-45°，于是上光束1642和下光束1644的偏振方向，以正交的偏振方向从第二非互易偏振旋转器1628出射，如在平面z5所示。此外，各光束1642和1644的偏振方向，自从由第一双折射晶体1620出射后，受到累计约90°的旋转。

上光束1642和下光束1644进入第三双折射晶体1624。现在，上光束1642的偏振已经与它通过第一双折射晶体时的偏振正交。同样，下光束1644的偏振与它在第一双折射晶体1620内的偏振正交。据此，两光束在第三双折射晶体1624内组合，产生单一输出光束1650，如在平面z6所示，该输出光束被耦合至第二光纤1601b。

现在，参照图17B的偏振状态，考察沿反方向，即-z方向通过环行器的光的通路。光束1651从第二光纤1601b进入非互易模块1604，如在平面z6所示。光束1651被第三双折射晶体1624分解为上光束1652和下光束1654，如在平面z5所示。

在通过Faraday旋转器1628b时，上光束1652的偏振被旋转一角度+45°。在通过Faraday旋转器1628a时，下光束1654的偏振被旋转一角度-45°。因此，在平面z4，上光束1652和下光束1654的偏振方向是平行的，并与平面z4上向前行进的光束的偏振正交。

上光束1652和下光束1654进入第二双折射晶体，在其上，它们每一束分别在x方向沿通路1653和1655平移。光束1652和1654从第二双折射晶体1622出现在平面z3上时，经受x平移。图上画出的光束1652和1654在第二双折射晶体1622内的平移量，与该两光束在第一和第三双折射晶体1620和1624内的平移量，是不按比例画的。

然后，上光束1652和下光束1654在相应的Faraday旋转器1626b和1626a内，分别被旋转+45°和-45°，以便再一次具有正交的偏振，如在平面z2所示。

然后，上光束1652和下光束1654在第一双折射晶体1620内组合，在平面z1上产生输出光束1660。该输出光束1660耦合至第三光纤1601c。

环行器1600的一般描述是，光束按向前方向行进通过环行器时，在第二双折射晶体内不遭受平移。第一光束各组成光束，以第一偏振状态沿向前方向通过第二双折射晶体。在沿反方向，并以正交于第一偏振状态的偏振状态通过第二双折射晶体时，向后行进的各组成光束遭受横向平移。因此，沿相同通路向前和向后行进的光束是可分离的。

显然，某些部件的相对取向可以改变而不影响环行器1600的运行。例如，可以改变第二双折射晶体1622的取向，使向前行进的光束被平移，同时使向后行进的光束保持不平移。此外，可以安排第一非互易偏振旋转器1626，使向前行进的上光束1642和下光束1644分别旋转约-45°和+45°，即沿顺时针方向而不是反时针方向。还有，第二非互易偏振旋转器1628旋转在其上通过的光束的方向，可以不同于第一非互易偏振旋转器1626的旋转方向。例如，可以安排Faraday旋转器1626b，把上光束1642的偏振旋转+45°，同时安排Faraday旋转器1628b，把上光束1642的偏振旋转-45°。显然，在此情形下，要选定第三双折射晶体1624离散平面的取向，以便把上光束1642和下光束1644组合。

环行器1600作为八端口环行器运行。通过光纤1601a进入环行器1600的光，经光纤1601b出射。通过光纤1601b进入的光，经光纤1601c出射。同样，通过光纤1601c进入的光，经光纤1601d出射，以及通过光纤1601d进入的光，经光纤1601e出射。类似地，光从光纤1601e到光纤1601f，从光纤1601f到光纤1601g，又从光纤1601g到光纤1601h。显然，可以添加更多光纤至环行器1600，把额外的光路耦合至环行器。对光纤数目的限制由实际的约束，如晶体的大小、部件的光学质量、和最大可允许封装的大小决定。总之，用少量部件，其中没有一个在光束通路中包含环氧树脂粘合面，且避免使用波片的、紧凑的、多端口的在线环行器是能够实现的。

可以使在线环行器分布在两侧的多个端口，排列成两维图形，而不限于在线环行器1600的一维图形。两维端口排列的一个例子，示意地画在图18A，图上画出分布在在线环行器第一端1802和第二端1804的端口1-16的排列。在该排列中，光能够在同一行内的端口中，按多种顺序从逐个端口通过。例如，光能够在上面一行的端口间通过，从端口1到端口2，从端口2到端口3，从端口3到端口4，从端口4到端口5，从端口5到端口6，从端口6到端口7，和从端口7到端口8。同样，光能够在下面一行的端口间通过，即，从端口9到端口10，如此等等。

各端口可以排列成阵列。已举出的阵列是4×2阵列，即每行四个端口，共两行。但是，可以用任何合适的N×M阵列。然而，不要求把各端口排列成阵列。例如，一行可以比另一行有更多端口，或者，一行的端口可以沿该行的方向相对于另一行偏移。

具有两维端口排列的环行器的示意图，画在图18B，图上画出从一端口到下一端口通过的光。端口的编号与图18A相同。此外，光纤1812或其他外部光路，可以用来把光从端口8耦合至端口9，于是，光可以从上面一行到达下面一行。这一点可使十六端口的双行在线装置，用作14端口环行器。

显然，别的两维端口图形也可以用于在线环行器，例如多于两行。此外，一个端口的子集的使用可以独立于另一子集，以向用户提供一个或多个更小的独立的环行器。例如，端口1、2、和3可以用作三端口环行器，同时，端口5、6、和7可用作另一个三端口环行器。同样，端口9、10、和11可以用作三端口环行器。

因此，不能认为本发明只局限于上面说明的特定例子，如后面的权利要求书所明确指出，应理解为覆盖本发明的所有方面。本领域熟练人员显然明白，存在适用于本发明的各种变化、等价处理方法、和许多结构，在阅读本说明书的基础上，均可用本发明导出。 书的本意是要涵盖这类变化和装置。

Claims (49)

1.一种光环行器，包括：

一双折射分束和组合单元，把沿向前方向传播的光分解为相互正交偏振的第一和第二光路；

一倒像反射镜，用于反射沿第一光路向前行进的光，使之沿平行于第一光路的第三光路的反方向行进，还反射沿第二光路向前行进的光，使之沿平行于第二光路的第四光路的反方向行进；

第一非互易偏振旋转器，把沿第一分束和组合单元产生的第一、第二、第三、和第四光路传播的光的偏振方向，旋转约45°；和

一双折射平移单元，用于使在其上通过的具有第一偏振方向的光束产生横向位移，但使具有正交于第一偏振方向的第二偏振方向的光束透过而不产生横向位移；

其中沿第二和第三光路之一传播，通过双折射平移单元的光产生横向位移，而沿第二和第三光路的另一光路传播，通过双折射平移单元的光不产生横向位移，并且沿第三和第四光路传播的光，在双折射分束和组合单元中组合成单一的输出通路。

2.按照权利要求1的光环行器，其中的第一非互易偏振旋转器是Faraday旋转器，把沿相同方向在该两光束通路传播的光的偏振方向，旋转约45°。

3.按照权利要求1的光环行器，还包括在双折射平移单元与倒像反射镜之间的非互易偏振旋转器，把沿相同方向在该两光束通路传播的光的偏振方向，旋转约45°，而其中的第一非互易偏振旋转器包括第一和第二Faraday旋转器，把沿第一和第二相应光路传播的光的偏振方向，以相反方向旋转约45°。

4.按照权利要求1的光环行器，其中的双折射平移单元有上下两部分，第一和第四光路通过该上下两部分之一，而第二和第三光路通过该上下两部分的另一部分，上部分包括一双折射晶体。

5.按照权利要求4的光环行器，其中的双折射平移单元包括一非双折射部分，且第一和第四光路通过该非双折射部分。

6.按照权利要求1的光环行器，其中的双折射平移单元包括一非双折射透射光单元，沿第一光路置于非互易偏振旋转器与倒像反射镜之间。

7.按照权利要求1的光环行器，在双折射分束和组合单元的输入侧，还包括第一、第二、和第三端口，第二端口放在接收第一端口反射的光的位置，而第三端口放在接收第二端口反射的光的位置。

8.按照权利要求7的光环行器，其中的第一、第二、和第三端口，每个包括各自耦合的光纤，以便把光发送至双折射分束和组合单元的输入面。

9.按照权利要求7的光环行器，还包括第四端口，与第一双折射分束和组合晶体的输入侧耦合，以便从第三端口接收光。

10.按照权利要求1的环行器，还包括

多根光纤，用平行化模块使之与双折射分束和组合单元输入侧的平行光束通路耦合，该平行化模块包括：

第一聚焦单元，从多根光纤的输出端接收输出光束，并有选定的第一聚焦率，以便引导输出光束与第一聚焦单元的轴相交，和

第二聚焦单元，与第一聚焦单元沿第一光轴相隔第一分开距离，并放在接收第一聚焦单元的光束的位置，第二聚焦单元有第二聚焦率，要选定该第一分开距离，使从第一聚焦单元接收的各光束平行化。

11.按照权利要求1的环行器，还包括线状阵列的光端口，与双折射分束和组合单元的输入面耦合。

12.按照权利要求11的环行器，其中第一阵列端口的各端口要对准，以便从相邻端口接收经过倒像反射镜耦合的光。

13.按照权利要求1的环行器，还包括多个端口，与第一双折射分束和组合单元的输入面耦合，并排列成规则的两维图形。

14.按照权利要求13的环行器，其中在同一行内各端口要对准，以便从同一行的相邻端口接收经过倒像反射镜耦合的光。

15.按照权利要求14的环行器，其中在两维阵列第一行的一端上的端口，在光学上耦合至第二行的相反端上的端口。

16.按照权利要求1的环行器，其中的倒像反射镜是一直角棱镜，把第一光束通路的光反射至第三光束通路，并把第二光束通路的光反射至第四光束通路。

17.按照权利要求1的环行器，其中的倒像反射镜包括一透镜和一反射表面，把第一光束通路的光反射至第三光束通路，并把第二光束通路的光反射至第四光束通路。

18.一种光环行器，包括：

一双折射分束和组合单元，把来自第一端口沿向前方向传播的光束，分解为相互正交偏振的第一和第二光路；

一倒像反射镜，用于反射沿第一光路向前行进的光，使之沿平行于第一光路的第三光路的反方向行进，还反射沿第二光路向前行进的光，使之沿平行于第二光路的第四光路的反方向行进；

第一非互易偏振旋转器，把沿第一、第二、第三、和第四光路传播的光的偏振方向，旋转约45°；和

一双折射平移单元，位于双折射分束和组合单元与倒像反射镜之间，包括置于第二光路和第三光路中的第一双折射平移单元，用于使在其上通过的具有第一偏振方向的光束产生横向位移，但使具有正交于第一偏振方向的第二偏振方向的光束透过而不产生横向位移；还包括置于第一光路和第四光路中的非双折射单元；

其中沿第三和第四通路传播的光，在双折射分束和组合单元中组合成单一输出通路，该单一输出通路耦合至第二端口。

19.按照权利要求18的光环行器，其中的双折射分束和组合单元，包括两个离散方向不同的双折射晶体，而非互易偏振旋转器包括两个Faraday旋转器，第一Faraday旋转器把在其上通过的光，按第一旋转方向旋转，第二Faraday旋转器把在其上通过的光，按与第一旋转方向相反的第二旋转方向旋转。

20.按照权利要求18的光环行器，其中在双折射平移单元中沿第三光路传播的光，以第一偏振方向偏振，而在双折射平移单元中沿第四光路传播的光，以第二偏振方向偏振。

21.按照权利要求18的光环行器，其中，双折射分束和组合单元包括一双折射晶体，非互易偏振旋转器包括一Faraday旋转器，并且第一、第二、第三、和第四光路通过该双折射晶体和该Faraday旋转器。

22.按照权利要求18的光环行器，其中通过第二端口进入环行器的光被传送至第三端口，第三端口与第一端口沿平行于双折射平移单元中横向位移方向分离。

23.按照权利要求18的光环行器，还包括第三端口和第四端口，第三端口与双折射分束和组合单元耦合，接收来自第二端口的光，第四端口与双折射分束和组合单元耦合，接收来自第三端口的光，其中第一端口和第三端口放在第一端口的行上，而第二端口与第四端口放在与第一端口的行平行的第二端口的行上。

24.一种光环行器，包括：

光束分束和组合装置，把沿向前方向传播的光束分解为两束正交偏振的光束，并把沿反方向传播的两束光束组合为单一输出光束；

旋转该两光束偏振方向的装置；

使该两光束中具有选定偏振方向的一束产生横向位移的装置；和

使该两光束颠倒并反射的装置。

25.一种使光束环行的方法，包括：

把沿向前方向传播的光束分解为两束正交偏振的光束；

旋转该两光束的偏振方向；

使该两光束中具有选定偏振方向的一束产生横向位移；

颠倒地反射该两光束；和

把沿反方向传播的两束光束组合为单一输出光束。

26.一种光环行器，包括：

一双折射分束和组合单元，把沿向前方向传播的光束分解为具有相互正交偏振的第一和第二光路；

一非互易偏振旋转器，把沿双折射分束和组合单元产生的第一和第二光路传播的光的偏振方向，旋转约45°；

一双折射平移单元，有上下两部分，第一光路通过下部分，而第二光路则通过上部分；和

一倒像反射镜，把经过下部分向前行进的光，向后反射通过上部分，还把经过上部分向前行进的光，向后反射通过下部分；

其中通过上部分向前传播的光和向后传播的光之一，作为非常光线通过双折射平移单元传播，而通过上部分向前传播的光和向后传播的另一束光，则作为寻常光线通过双折射平移单元传播。

27.按照权利要求26的光环行器，其中的双折射平移单元包括在上部分的双折射平移单元和在下部分的非双折射单元，且双折射平移单元的作用，是使以非常偏振在其上通过的光束产生横向位移，又使以寻常偏振在其上通过的光束透过而不产生横向位移。

28.一种光环行器，包括：

一双折射分束和组合单元，把沿单元输入轴传播的光，分解为正交偏振的第一和第二光路；

第一非互易偏振旋转器，把沿第一分束和组合单元产生的第一和第二光路传播的光的偏振方向，分别沿相反方向旋转约45°；

一双折射平移单元，沿第一和第二光路放置，使以第一偏振方向在其上通过的光束产生横向位移，但使有正交于第一偏振方向的第二偏振方向的光束透过而不产生横向位移；

第二非互易偏振旋转器，把沿平移单元产生的第一和第二光路传播的光的偏振方向，旋转约45°；和

一反射镜，把沿第一和第二光路传播的光，分别沿第一和第二光路的反方向反射。

29.按照权利要求28的光环行器，在该双折射分束和组合单元的输入侧，还包括第一、第二、和第三端口，第二端口放在接收第一端口的反射光的位置，而第三端口放在接收第二端口的反射光的位置。

30.按照权利要求29的光环行器，其中第一、第二、和第三端口，每一个都包括各自耦合的光纤，把光传送至该双折射分束和组合单元的输入面。

31.按照权利要求29的光环行器，还包括第四端口，耦合至第一双折射分束和组合晶体的输入侧，以接收第三端口的光。

32.按照权利要求29的光环行器，其中的反射镜是安排在第二非互易偏振旋转器后表面的反射面。

33.按照权利要求29的光环行器，还包括

多根光纤，在双折射分束和组合单元的输入侧，通过一平行化模块与平行光束通路耦合，该平行化模块有

第一聚焦单元，从多根光纤的输出端接收输出光束，并有选定的第一聚焦率，以便引导输出光束与第一聚焦单元的轴相交，和

第二聚焦单元，与第一聚焦单元沿第一光轴相隔第一分开距离，并放在接收第一聚焦单元的光束的位置，第二聚焦单元有第二聚焦率，要选定该第一分开距离，使从第一聚焦单元接收的各光束平行化。

34.按照权利要求29的光环行器，还包括端口阵列，形成通过双折射分束和组合单元的平行光束通路的直线排列。

35.按照权利要求34的光环行器，其中第一阵列端口的各端口被对准，以便从相邻端口接收经过反射单元耦合的光。

36.按照权利要求29的光环行器，还包括多个端口，与第一双折射分束和组合单元的输入面耦合，并排列成行与列，形成两维的阵列。

37.按照权利要求36的光环行器，其中在同一行的端口被对准，以便从同一行的相邻端口接收经过反射镜耦合的光。

38.按照权利要求36的光环行器，其中两维阵列一行末端上的端口，与另一行相反端的端口，在光学上耦合。

39.一种光环行器，包括：

第一和第二光耦合模块，每一耦合模块包括：

    第一聚焦单元，可在光学上与相应的第一和第二多根光纤的

输出端耦合，并有选定的第一聚焦率，以便引导相应的多根光纤

的光束与第一聚焦单元的光轴相交，和

    第二聚焦单元，与第一聚焦单元沿第一光轴相隔第一分开距

离，并放在接收第一聚焦单元的光束的位置，第二聚焦单元有第

二聚焦率，要选定该第一分开距离，使从第一聚焦单元接收的各

光束平行化；和

    一非互易模块，包括：

        第一双折射分束和组合单元，把沿第一光耦合模块第二聚

    焦单元的单元输入轴传播的输入光束，分解为正交偏振的第一

    和第二光路；

        第一非互易偏振旋转器，把沿第一双折射分束和组合单元

    产生的第一和第二光路传播的光的偏振方向，分别沿相反方向

    旋转约45°；

        一双折射平移单元，沿第一和第二光路放置，使以第一偏

    振方向在其上传播的光束产生横向位移，但使有正交于第一偏

    振方向的第二偏振方向的光束透过而不产生横向位移；

        第二非互易偏振旋转器，把沿平移单元产生的第一和第二

    光路传播的光的电场矢量，沿相反方向旋转约45°；和

        第二双折射分束和组合单元，把沿第一和第二光路传播的

    光束，组合成一输出光束，引导至第二光耦合模块的第二聚焦

    单元。

40.按照权利要求39的光环行器，还包括第一和第二端口阵列，各自在第一和第二光耦合模块的相应输入侧形成线状排列。

41.按照权利要求40的光环行器，其中第一和第二端口阵列是可缩放的。

42.按照权利要求39的光环行器，还包括第一和第二端口阵列，各自在第一和第二光耦合模块的相应输入侧形成两维排列。

43.按照权利要求42的光环行器，其中第一和第二端口阵列是可缩放的。

44.按照权利要求39的光环行器，还包括与第一和第二光耦合模块的端口耦合的光纤。

45.按照权利要求39的光环行器，其中第一非互易偏振旋转器包括第一和第二Faraday旋转器，分别用于旋转沿第一和第二光路传播的光的偏振方向。

46.按照权利要求39的光环行器，其中第二非互易偏振旋转器包括第三和第四Faraday旋转器，分别用于旋转沿第一和第二光路传播的光的偏振方向。

47.一种光环行器，包括：

一双折射分束和组合单元，把沿向前方向传播的光分解为相互正交偏振的第一和第二光路；

第一非互易偏振旋转器，把沿第一分束和组合单元产生的第一和第二光路传播的光的偏振方向，旋转约45°；

一双折射平移单元，有第一和第二部分，第一部分置于第一光束通路上，用于使以第一偏振方向通过其上传播的光束产生横向位移，但使有正交于第一偏振方向的第二偏振方向的光束透过而不产生横向位移，第二部分置于第二光束通路上且是非双折射的；和

一反射单元，用于反射沿第一光路向前传播的光，使之沿向后方向通过双折射平移单元的第二部分，还反射沿第二光路向前传播的光，使之向后传播，通过双折射平移单元的第一部分。

48.按照权利要求47的光环行器，其中沿第一光路向前传播的光，以寻常偏振通过双折射平移单元第一部分传播，而通过双折射平移单元第一部分向后传播的光，则以非常偏振传播。

49.按照权利要求47的光环行器，其中沿第一光路向前传播的光，以非常偏振通过双折射平移单元第一部分传播，而通过双折射平移单元第一部分向后传播的光，则以寻常偏振传播。

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