блок оптического вентиля и оптический усилитель, использующий такой оптический вентиль

Формула изобретения

1. Блок оптического вентиля для разделения и приема части падающего оптического сигнала и в то же время управления световым пучком для распространения только в одном направлении, причем указанный блок оптического вентиля содержит первое фокусирующее устройство для фокусировки падающего оптического сигнала, основную часть вентиля, включающую первое двулучепреломляющее устройство, которое имеет клиновидную форму, в котором первая поверхность падения формирует первый заданный угол с первой излучающей поверхностью, из которой излучается поляризованный свет, вращатель Фарадея для поворота поляризованного света, второе двулучепреломляющее устройство, которое имеет клиновидную форму, в котором вторая излучающая поверхность формирует второй заданный угол со второй поверхностью падения, второе фокусирующее устройство для фокусировки света, который передается через основную часть вентиля и излучается указанным вторым двулучепреломляющим устройством, отличающийся тем, что на поверхность падения первого двулучепреломляющего устройства нанесено покрытие для частичного отражения таким образом, что часть падающего оптического сигнала отражается как отраженный свет и оптическая ось указанного второго двулучепреломляющего устройства вращается в направлении, противоположном направлению поворота светового пучка вращателем Фарадея по отношению к оптической оси указанного первого двулучепреломляющего устройства, в котором указанный блок оптического вентиля дополнительно содержит фотоприемник, в котором поверхность, принимающая свет, перпендикулярна пути света, отраженного от указанной первой поверхности падения указанного первого двулучепреломляющего устройства для приема отраженного света с целью генерации тока сигнала детектирования в соответствии с принимаемым светом.

2. Блок оптического вентиля по п.1, отличающийся тем, что второй заданный угол равен 45°.

3. Блок оптического вентиля по п.1, отличающийся тем, что сфокусированный световой пучок из указанного первого фокусирующего устройства падает на указанную первую поверхность падения указанного первого двулучепреломляющего устройства под углом 3-12°.

4. Блок оптического вентиля по п.1, отличающийся тем, что указанное первое фокусирующее устройство, указанная основная часть вентиля, указанный фотоприемник и указанное второе фокусирующее устройство устанавливаются в фиксированных положениях и герметично запаяны в корпус.

5. Блок оптического вентиля по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит третье фокусирующее устройство для фокусировки отраженного светового пучка на указанную поверхность, принимающую световой пучок, указанного фотоприемника.

6. Блок оптического вентиля по п.5, отличающийся тем, что указанное первое фокусирующее устройство, указанная основная часть вентиля, указанный фотоприемник, указанное второе фокусирующее устройство и указанное третье фокусирующее устройство устанавливаются в фиксированных положениях и герметично запаяны в корпус.

7. Оптический усилитель, содержащий блок оптического вентиля для разделения и приема части падающего оптического сигнала и в то же время управления световым пучком для его распространения только в одном направлении, устройство накачки для генерации фотонов, требуемых для усиления падающего оптического сигнала, оптическое волокно для усиления падающего оптического сигнала за счет индуцированного излучения при использовании фотонов, генерированных указанным устройством накачки для получения выходного усиленного оптического сигнала, и соединительное устройство для присоединения указанного устройства накачки к указанному оптическому волокну, при этом указанный блок оптического вентиля содержит первое фокусирующее устройство для фокусировки падающего оптического сигнала, основную часть вентиля, включающую первое двулучепреломляющее устройство, которое имеет клиновидную форму, в котором первая поверхность падения формирует первый заданный угол с первой излучающей поверхностью, из которой излучается поляризованный свет, вращатель Фарадея для поворота поляризованного света на второй заданный угол, второе двулучепреломляющее устройство, которое имеет клиновидную форму, в котором вторая излучающая поверхность формирует второй заданный угол со второй поверхностью падения, второе фокусирующее устройство для фокусировки света, который передается через основную часть вентиля и излучается указанным вторым двулучепреломляющим устройством на оптический путь, отличающийся тем, что на поверхность падения первого двулучепреломляющего устройства нанесено покрытие для частичного отражения таким образом, что часть падающего оптического сигнала отражается как отраженный свет и оптическая ось указанного второго двулучепреломляющего устройства вращается в направлении, противоположном направлению поворота светового пучка вращателем Фарадея по отношению к оптической оси указанного первого двулучепреломляющего устройства, и в котором указанный блок оптического вентиля дополнительно содержит фотоприемник, в котором поверхность, принимающая свет, перпендикулярна пути света, отраженного от указанной первой поверхности падения указанного первого двулучепреломляющего устройства для приема отраженного света с целью генерации тока сигнала детектирования в соответствии с принимаемым светом.

8. Оптический усилитель по п.7, отличающийся тем, что указанное оптическое волокно легировано редкоземельным элементом.

9. Оптический усилитель по п.8, отличающийся тем, что указанное оптическое волокно является оптическим волокном, легированным эрбием.

10. Оптический усилитель по п.7, отличающийся тем, что в указанном блоке оптического вентиля второй заданный угол равен 45°.

11. Оптический усилитель по п.7, отличающийся тем, что в указанном блоке оптического вентиля фокусированный световой пучок из указанного первого фокусирующего устройства падает на указанную первую поверхность падения указанного первого двулучепреломляющего устройства под углом 3-12°.

12. Оптический усилитель по п.7, отличающийся тем, что в блоке оптического вентиля указанное первое фокусирующее устройство, указанная основная часть вентиля, указанный фотоприемник и указанное второе фокусирующее устройство располагаются в фиксированных положениях и герметично запаяны в корпус.

13. Оптический усилитель по п.7, отличающийся тем, что блок оптического вентиля дополнительно содержит третье фокусирующее устройство для фокусировки отраженного светового луча на указанную поверхность, принимающую световой луч, указанного фотоприемника.

14. Оптический усилитель по п.13, отличающийся тем, что в блоке оптического вентиля указанное первое фокусирующее устройство, указанная основная часть вентиля, указанный фотоприемник, указанное второе фокусирующее устройство и указанное третье фокусирующее устройство располагаются в фиксированных положениях и герметично запаяны в корпус.

15. Оптический усилитель, содержащий устройство накачки для генерации фотонов, требуемых для усиления падающего оптического сигнала, оптическое волокно для усиления падающего оптического сигнала за счет индуцированного излучения при использовании фотонов, генерированных указанным устройством накачки для получения выходного усиленного оптического сигнала, соединительное устройство для присоединения указанного устройства накачки к указанному оптическому волокну, блок оптического вентиля для разделения и приема части усиленного оптического сигнала, входящего через указанное соединительное устройство, и в то же время управления световым пучком для его распространения только в одном направлении, при этом указанный блок оптического вентиля содержит первое фокусирующее устройство для фокусировки падающего оптического сигнала, основную часть вентиля, включающую первое двулучепреломляющее устройство, которое имеет клиновидную форму, в котором первая поверхность падения формирует первый заданный угол с первой излучающей поверхностью, из которой излучается поляризованный свет, вращатель Фарадея для поворота поляризованного света на второй заданный угол, второе двулучепреломляющее устройство, которое имеет клиновидную форму, в котором вторая излучающая поверхность формирует второй заданный угол со второй поверхностью падения, второе фокусирующее устройство для фокусировки света, который передается через основную часть вентиля и излучается указанным вторым двулучепреломляющим устройством на оптический путь, при этом указанный блок оптического вентиля, отличающийся тем, что на поверхность падения первого двулучепреломляющего устройства нанесено покрытие для частичного отражения таким образом, что часть падающего оптического сигнала отражается как отраженный свет и оптическая ось указанного второго двулучепреломляющего устройства вращается в направлении, противоположном направлению поворота светового пучка вращателем Фарадея по отношению к оптической оси указанного первого двулучепреломляющего устройства, и в котором указанный блок оптического вентиля дополнительно содержит фотоприемник, в котором поверхность, принимающая свет, перпендикулярна пути света, отраженного от указанной первой поверхности падения указанного первого двулучепреломляющего устройства для приема отраженного света с целью генерации тока сигнала детектирования в соответствии с принимаемым светом.

16. Оптический усилитель по п.15, отличающийся тем, что указанное оптическое волокно легировано редкоземельным элементом.

17. Оптический усилитель по п.16, отличающийся тем, что указанное оптическое волокно является оптическим волокном, легированным эрбием.

18. Оптический усилитель по п.15, отличающийся тем, что в блоке оптического вентиля второй заданный угол равен 45°.

19. Оптический усилитель по п.15, отличающийся тем, что в указанном блоке оптического вентиля фокусированный световой пучок из указанного первого фокусирующего устройства падает на указанную поверхность падения указанного первого двулучепреломляющего устройства под углом 3-12°.

20. Оптический усилитель по п.15, отличающийся тем, что в блоке оптического вентиля первое фокусирующее устройство, указанная основная часть вентиля, указанный фотоприемник и указанное второе фокусирующее устройство устанавливаются в фиксированных положениях и герметично запаяны в корпус.

21. Оптический усилитель по п.15, отличающийся тем, что указанный блок оптического вентиля дополнительно содержит третье фокусирующее устройство для фокусировки отраженного светового пучка на указанную поверхность, принимающую световой пучок указанного фотоприемника.

22. Оптический усилитель по п.15, отличающийся тем, что в указанном блоке оптического вентиля указанное первое фокусирующее устройство, указанная основная часть вентиля, указанный фотоприемник, указанное второе фокусирующее устройство и указанное третье фокусирующее устройство устанавливаются в фиксированных положениях и герметично запаяны в корпус.

Описание изобретения к патенту

Область изобретения

Настоящее изобретение относится к блоку оптического вентиля и оптическому усилителю, использующему такой блок. Более конкретно, настоящее изобретение относится к блоку оптического вентиля, в котором оптический разделитель для разделения оптического сигнала, входящего через входное отверстие, фотоприемник для приема разделенного светового пучка и компенсатор для компенсации поляризационной модовой дисперсии собраны в отдельный элемент вместе с вентилем. Кроме того, настоящее изобретение относится к оптическому усилителю, использующему блок оптического вентиля.

Известный уровень техники

Оптическому волокну, используемому для оптической связи, свойственны характеристики более низких потерь при передаче в дополнение к большей ширине полосы пропускания по сравнению с другими передающими линиями, такими как медная проволока, коаксиальный кабель и т.п. Тем не менее, потерями при передаче по оптическому волокну нельзя полностью пренебречь, и, таким образом, оптический сигнал, который передается, должен периодически усиливаться для того, чтобы компенсировать ослабление сигнала. Такое усиление оптического сигнала осуществляется за счет использования промежуточных усилителей, вставляемых между волокнами.

В большинстве оптических систем связи, используемых в настоящее время, промежуточный усилитель составляется из детектора, электрического усилителя и полупроводникового лазера. В таком промежуточном усилителе детектор преобразует ослабленный оптический сигнал в электрический сигнал, усилитель усиливает преобразованный электрический сигнал, и полупроводниковый лазер управляется усиленным сигналом для передачи нового оптического сигнала на следующую ступень. Однако промежуточный усилитель имеет недостатки, состоящие в том, что увеличивается шум сигнала, и скорость преобразований между оптическим сигналом и электрическим сигналом ограничивается шириной полосы пропускания элементов, таких как фотоприемник и усилитель.

Таким образом, был разработан и используется чисто оптический усилитель для усиления оптического сигнала как такового. Кроме того, такой оптический усилитель используется не только для оптической связи, но также для усиления мощности низкоэнергетического оптического источника, компенсации разделения сигнала в сети кабельного телевидения или предварительного усиления по отношению к фотоприемнику.

Наиболее распространенным оптическим усилителем является волоконный усилитель, легированный эрбием (на который ниже даются ссылки как на "EDFA"), который дает высокое усиление в 40 дБ или выше, высокую выходную мощность и низкий коэффициент шума в диапазоне длин волн около 1,55 мкм.

Фиг. 1 представляет собой блок-схему типичного EDFA, здесь фиг. 1a показывает усилитель прямой волны и фиг. 1b показывает усилитель обратной волны.

Усилитель прямой волны фиг. 1a включает первую линзу 10 для фокусировки входного светового пучка, излучаемого из первого оптического волокна (не показано), фотоприемник 11 для приема интенсивности входного светового пучка, оптический разделитель 12 для присоединения фотоприемника 11 на канале передачи светового пучка, первый вентиль 14 для обеспечения прохождения оптического сигнала только в прямом направлении, лазерный диод 16 для генерирования оптического сигнала для накачки, соединитель 18 для присоединения лазерного диода 16 на канале передачи, легированное эрбием волокно (на которое ниже даются ссылки как на "EDFA") для усиления входного оптического сигнала за счет индуцированного излучения путем использования фотонов, генерированных при осуществлении операции накачки лазерного диода 16, второй вентиль 22 для обеспечения прохождения оптического сигнала только в прямом направлении, фотоприемник 24 для приема интенсивности выходного сигнала, оптический разделитель 26 для присоединения фотоприемника 24 на канале передачи, и вторую линзу 28 для фокусировки выходного светового пучка в выходной фокусированный световой пучок на второе оптическое волокно (не показано).

В усилителе прямой волны, имеющем такую конфигурацию, EDF 20 формируется за счет легирования эрбием сердцевины оптического волокна путем модифицированного метода осаждения из газовой фазы (CVD), использующего такой газ-источник, как трихлорид эрбия (ErCl₃), и имеет длину волны излучения 1,536 мкм.

Между тем, лазерный диод 16 генерирует лазерное излучение, имеющее длину волны 1,48 мкм или 980 нм, и направляет лазерное излучение на EDF 18. Лазерное излучение возбуждает электроны эрбия, вызывая инверсию распределения, поэтому из EDF 18 выходит лазерное излучение, имеющее длину волны 1,536 мкм.

Из двух вентилей 14 и 22 первый вентиль 14 предотвращает уменьшение эффективности усиления, которое может происходить при распространении светового пучка, усиленного в EDF 20, или светового пучка, спонтанно излучаемого в обратном направлении. Второй вентиль 22 предупреждает отражение оптического сигнала соединителем (не показан) на выходном отверстии и тому подобное попадание в EDF 20.

Усилитель обратной волны фиг. 1b имеет такую же конфигурацию, как усилитель прямой волны фиг. 1a, за исключением того, что лазерный диод накачки 17 подсоединяется с задней стороны EDF 21 с помощью соединителя 19.

Между тем, патент США N 4548478, выданный 22 октября 1985 года Masakata Shirasaki и озаглавленный "Оптическое устройство", описывает оптический вентиль.

Фиг. 2 иллюстрирует оптический вентиль, описанный Shirasaki, который используется в оптическом усилителе. Оптический усилитель, который аналогичен показанному на фиг. 1, включает первую линзу 31 для фокусировки входного светового пучка, излучаемого первым оптическим волокном (не показано), фотоприемник 32 для приема интенсивности входного светового пучка, оптический разделитель 34 для присоединения фотоприемника 32 на канале передачи, вентиль 36 для обеспечения распространения оптического сигнала только в одном направлении.

Оптический разделитель 34, который при использовании обеспечивается призмой или оптическим покрытием, разделяет оптический сигнал, принимаемый им, на выходной сигнал, часть которого направляется к фотоприемнику 32, и оставшаяся часть сигнала направляется к вентилю 36.

Вентиль 36, который был описан Shirasaki, состоит из двух клиновидных пластин 37 и 39, которые изготовлены из двулучепреломляющих материалов, таких как ректил (rectile) и кальцит, и 45^o вращателя Фарадея 38, расположенного между клиновидными пластинами 37 и 39.

Однако вентиль 36 дает поляризационную модовую дисперсию, возникающую из-за разницы в показателях преломления или скорости распространения световых пучков. Следовательно, дополнительно в состав усилителя включается компенсатор 40, показанный на фиг. 2, для компенсации поляризационной модовой дисперсии, который описан в европейской заявке на патент, опубликованной под номером 533398A1 и переданной AT & T Bell Laboratories.

Кроме того, традиционный оптический усилитель имеет так много составных частей, что его структура является сложной, и вносимые потери являются значительными. Также, как показано на фиг. 2, оптические волокна должны быть соединены во многих местах, таких как между оптическим разделителем 34 и фотоприемником 32, между оптическим разделителем 34 и вентилем 36, между вентилем 36 и компенсатором 40 и т.д. Следовательно, процесс изготовления является сложным, тем самым стоимость единицы продукции возрастает. Между тем, так как световой пучок падает на оптический разделитель под углом 45^o, в результате наблюдаются заметные потери, зависящие от поляризации.

Из уровня техники известны традиционные оптико-волоконные усилители, легированные редкоземельными элементами, или лазерные диодные усилители, описанные в патенте США 5245690, опубл. 14.09.1993 г. Известен оптический вентиль, который содержит вращатель Фарадея, размещенный между двумя двулучепреломляющими клиньями, и фокусирующее устройство для фокусирования входящих и выходящих оптических сигналов. Поверхность падения первого двулучепреломляющего клина, на которую падает свет, и излучающая поверхность второго двулучепреломляющего клина имеют клиновидную форму. Известен также оптический усилитель, использующий указанный оптический вентиль, а также устройство накачки, оптическое волокно, легированное эрбием, и соединительное устройство для подсоединения устройства накачки к оптическому сигналу, описанные в патенте FR 2678075, опубл. 21.12.1992 г. Описанный оптический усилитель является конструктивно сложным, т.к. имеет много составных частей, что вносит значительные потери.

Описание изобретения

Для решения описанных выше проблем одной целью настоящего изобретения является создание блока оптического вентиля, который является более надежным, проявляет улучшенные оптические характеристики и уменьшает стоимость единицы продукции.

Другой целью настоящего изобретения является создание упрощенного оптического усилителя, который использует описанный выше блок оптического вентиля, поэтому его структура и процесс изготовления упрощаются.

Для осуществления одной из целей, перечисленных выше, создается блок оптического вентиля для разделения и приема части падающего оптического сигнала и в то же время управления световым пучком так, чтобы он распространялся только в одном направлении, причем блок оптического вентиля содержит первое фокусирующее устройство для фокусировки падающего оптического сигнала: основную часть вентиля, включающую первое двулучепреломляющее устройство, которое имеет клиновидную форму, в котором первая поверхность падения формирует первый заданный угол с первой излучающей поверхностью, с которой излучается поляризованный свет, где на поверхность падения нанесено покрытие для частичного отражения таким образом, что часть падающего оптического сигнала отражается как отраженный свет, вращатель Фарадея для поворота поляризованного света на второй заданный угол и второе двулучепреломляющее устройство, которое имеет клиновидную форму, в котором вторая излучающая поверхность формирует второй заданный угол со второй поверхностью падения, где оптическая ось второго двулучепреломляющего устройства поворачивается в направлении, противоположном направлению поворота светового пучка вращателем Фарадея по отношению к оптической оси первого двулучепреломляющего устройства; фотоприемник, в котором поверхность, принимающая свет, перпендикулярна пути света, отраженного от первой поверхности падения первого двулучепреломляющего устройства, для приема отраженного света с целью генерации тока сигнала детектирования в соответствии с принимаемым светом, и второе фокусирующее устройство для фокусировки светового пучка, который передается через основную часть вентиля и излучается вторым двулучепреломляющим устройством.

Для осуществления другой из целей изобретения, перечисленных выше, создается оптический усилитель, содержащий блок оптического вентиля для разделения и приема части падающего оптического сигнала и в то же время управления световым пучком так, чтобы он распространялся только в одном направлении; устройство накачки для генерации фотонов, требуемых для усиления падающего оптического сигнала; специальное оптическое волокно для усиления падающего оптического сигнала за счет индуцированного излучения при использовании фотонов, генерируемых устройством накачки для получения выходного усиленного оптического сигнала; и соединительное устройство для подсоединения устройства накачки к специальному оптическому волокну. Блок вентиля содержит первое фокусирующее устройство для фокусировки падающего оптического сигнала, причем основная часть вентиля включает первое двулучепреломляющее устройство, которое имеет клиновидную форму, в котором первая поверхность падения формирует первый заданный угол с первой излучающей поверхностью, с которой излучается поляризованный свет, где на поверхность падения нанесено покрытие для частичного отражения так, чтобы часть падающего оптического сигнала отражалась как отраженный свет, вращатель Фарадея для поворота поляризованного света на второй заданный угол, и второе двулучепреломляющее устройство, которое имеет клиновидную форму, в котором вторая излучающая поверхность формирует второй заданный угол со второй поверхностью падения, где оптическая ось второго двулучепреломляющего устройства поворачивается в направлении, противоположном направлению поворота светового пучка вращателем Фарадея по отношению к оптической оси первого двулучепреломляющего устройства; фотоприемник, в котором поверхность, принимающая свет, перпендикулярна пути света, отраженного от первой поверхности падения первого двулучепреломляющего устройства, для приема отраженного света для генерирования тока сигнала детектирования в соответствии с принимаемым светом; и второе фокусирующее устройство для фокусировки света, который передается через основную часть оптического вентиля и излучается вторым двулучепреломляющим устройством на оптический путь.

Для осуществления еще одной цели изобретения из перечисленных выше, кроме того, создается оптический усилитель, содержащий устройство накачки для генерации фотонов, требуемых для усиления падающего оптического сигнала; специальное оптическое волокно для усиления падающего оптического сигнала за счет индуцированного излучения при использовании фотонов, генерируемых устройством накачки для получения выходного усиленного оптического сигнала; соединительное устройство для подсоединения устройства накачки к специальному оптическому волокну; и блок оптического вентиля для разделения и приема части усиленного оптического сигнала, входящего через соединительное устройство, и в то же время управления световым пучком так, чтобы он распространялся только в одном направлении. Блок вентиля содержит первое фокусирующее устройство для фокусировки усиленного оптического сигнала; причем основная часть вентиля включает первое двулучепреломляющее устройство, которое имеет клиновидную форму, в котором поверхность падения формирует первый заданный угол с первой излучающей поверхностью, с которой излучается поляризованный свет, где на поверхность падения нанесено покрытие для частичного отражения так, чтобы часть усиленного оптического сигнала отражалась как отраженный свет, вращатель Фарадея для поворота поляризованного света на второй заданный угол, и второе двулучепреломляющее устройство, которое имеет клиновидную форму, в котором вторая излучающая поверхность формирует второй заданный угол со второй поверхностью падения, где оптическая ось второго двулучепреломляющего устройства поворачивается в направлении, противоположном направлению поворота светового пучка вращателем Фарадея по отношению к оптической оси первого двулучепреломляющего устройства; фотоприемник, в котором поверхность, принимающая свет, перпендикулярна пути света, отраженного от первой поверхности падения первого двулучепреломляющего устройства, для приема отраженного света для генерирования тока сигнала детектирования в соответствии с принимаемым светом; и второе фокусирующее устройство для фокусировки света, который передается через основную часть оптического вентиля и излучается вторым двулучепреломляющим устройством на оптический путь.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 представляет собой блок-схему типичного легированного эрбием оптического усилителя (EDFA), где фиг. 1a показывает усилитель прямой волны, и фиг. 1b показывает усилитель обратной волны.

Фиг. 2 иллюстрирует традиционный оптический вентиль, используемый в оптическом усилителе.

Фиг. 3 представляет собой сечение блока вентиля в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг. 4 представляет собой вид в перспективе основной части оптического вентиля в блоке оптического вентиля в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг. 5 иллюстрирует оптический путь, вдоль которого световой пучок распространяется в прямом направлении в основной части оптического вентиля блока оптического вентиля в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг. 6 иллюстрирует оптический путь, вдоль которого световой пучок распространяется в обратном направлении в основной части оптического вентиля в блоке оптического вентиля в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг. 7 представляет собой вид в перспективе блока оптического вентиля в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг. 8 представляет собой блок-схему варианта реализации легированного эрбием волоконного усилителя (EDFA) в соответствии с настоящим изобретением.

Подробное описание изобретения

Со ссылкой на фиг. 3 блок оптического вентиля 50 включает первую линзу 51, основную часть вентиля, состоящую из первого двулучепреломляющего элемента 52, вращателя Фарадея 53 и второго двулучепреломляющего элемента 54, фотоприемника 55, расположенного в том направлении, в котором отражается принимаемый свет, вторую линзу 57 для фокусировки выходного светового пучка, третью линзу 58, расположенную перед фотоприемником 55.

Первая линза 51 фокусирует входной световой пучок, который излучается первым оптическим волокном (не показано) и направляет его на основную часть оптического вентиля.

Первый двулучепреломляющий элемент 52 основной части вентиля изготовлен из оптически анизотропного материала и разделяет падающий световой пучок на два различных преломленных световых пучка. Оптическая ось кристалла, составляющего первый двулучепреломляющий элемент 52, перпендикулярна оси x. Также элемент 52 имеет клиновидную форму, где поверхность падения 52a формирует заданный угол ₁ по отношению к излучающей поверхности 52b, как показано на фиг. 4. Между тем, на поверхность падения 52a нанесено покрытие так, что она является частично отражающей, и некоторая часть света, сфокусированного первой линзой 51 и падающего на основную часть оптического вентиля, отражается от поверхности 52a.

Второй двулучепреломляющий элемент 54 имеет клиновидную форму, где излучающая поверхность 54b формирует заданный угол ₂ по отношению к поверхности падения 54a. Также оптическая ось второго двулучепреломляющего элемента 54 поворачивается на угол 45^o в направлении, противоположном направлению, в котором световой пучок поворачивается под действием вращателя Фарадея 53 по отношению к оптической оси первого двулучепреломляющего элемента 52.

Вращатель Фарадея 53 поворачивает дважды преломленный световой пучок, который проходит через вращатель 53, на угол 45^o.

Фотоприемник 55 принимает свет, отраженный поверхностью падения 52a первого двулучепреломляющего элемента 52 и может быть сконструирован при использовании оптического диода. Между тем, третья линза 58 служит для увеличения эффективности приема фотоприемника 55 при фокусировке светового пучка, отраженного поверхностью падения 52a первого двулучепреломляющего элемента 52 на принимающую свет поверхность фотоприемника 55.

Вторая линза 57 фокусирует свет, излучаемый с излучающей поверхности 54b второго двулучепреломляющего элемента 54, поэтому большая часть отраженного света собирается во втором волокне (не показано).

Работа блока оптического вентиля 50 будет описана со ссылкой на фиг. 5 и 6. Фиг. 5 иллюстрирует оптический путь, вдоль которого распространяется световой пучок в прямом направлении в основной части оптического вентиля блока оптического вентиля в соответствии с настоящим изобретением, и фиг. 6 иллюстрирует оптический путь, вдоль которого распространяется световой пучок в обратном направлении в основной части оптического вентиля блока оптического вентиля в соответствии с настоящим изобретением.

Сначала оптический сигнал от источника света или оптического волокна попадает на поверхность падения 52a первого двулучепреломляющего элемента 52 под заданным углом через фокусирующую линзу (не показана). Угол падения, который предпочтительно является настолько малым, насколько это возможно, для минимизации потерь, зависящих от поляризации, в настоящем изобретении составляет приблизительно 3-12^o.

Так как на поверхность падения 52a первого двулучепреломляющего элемента 52 нанесено покрытие для частичного отражения, некоторая часть света, сфокусированного первой линзой 51 и попадающего на поверхность 52a, отражается от поверхности падения 52a и принимается фотоприемником 55. С другой стороны, большая часть сигналов падающего света передается через поверхность падения 52a для попадания в первый двулучепреломляющий элемент 52.

Как показано на фиг. 5, когда свет распространяется в прямом направлении, обыкновенный луч (Ro) в первом двулучепреломляющем элементе 52 преобразуется в необыкновенный луч (Re) во втором двулучепреломляющем элементе 54. Аналогично, необыкновенный луч (Re) в первом двулучепреломляющем элементе 52 преобразуется в обыкновенный луч (Ro) во втором двулучепреломляющем элементе 54. Замена обыкновенного и необыкновенного лучей Ro и Re происходит благодаря тому факту, что направление, в котором световой пучок поворачивается вращателем Фарадея 53, противоположно тому направлению, в котором изменяется оптическая ось второго двулучепреломляющего элемента 54 по отношению к первому двулучепреломляющему элементу 52, что приводит к эффекту поворота светового пучка на 90^o.

На фиг. 5 путь света I обозначает путь светового пучка, который показан как обыкновенный луч (Ro) в первом двулучепреломляющем элементе 52 и как необыкновенный луч (Re) во втором двулучепреломляющем элементе 54, и путь II обозначает путь светового пучка, который показан как необыкновенный луч (Re") в первом двулучепреломляющем элементе 52 и как обыкновенный луч (Ro") во втором двулучепреломляющем элементе 54.

Предполагая, что световой пучок является параллельным аксиальным лучом по отношению к оси x, соотношение между дается следующим уравнением (1).

где n_o и n_e обозначают показатели преломления для обыкновенного луча и необыкновенного луча соответственно.

Если величины ₁ и ₂ равны друг другу, величина ₄ равна величине в уравнении (1), которое предполагает, что световые пучки на путях I и II параллельны друг другу на излучающей поверхности 54b второго двулучепреломляющего элемента 54. Также уравнение (1) сокращается до следующего уравнения (2):

_i= (n_o+n_e-2)₁-₄ ...(2)

С другой стороны, как показано на фиг. 6, когда свет передается в обратном направлении, световой пучок поворачивается вращателем Фарадея так, что обыкновенный луч Ro во втором двулучепреломляющем элементе 54 сохраняет обыкновенный луч Ro в первом двулучепреломляющем элементе 52, и необыкновенный луч Re во втором двулучепреломляющем элементе 54 сохраняет необыкновенный луч Re в первом двулучепреломляющем элементе 52.

На фиг. 6 путь света III обозначает путь светового пучка, который является обыкновенным лучом Ro как в первом, так и во втором двулучепреломляющих элементах 52 и 54. Также путь IV обозначает путь светового пучка, который является необыкновенным лучом Re как в первом, так и во втором двулучепреломляющих элементах 52 и 54.

Если предположить, что световой пучок является параллельным аксиальным лучом по отношению к оси x, соотношение между определяется следующим уравнением (3):



Если величины ₁ и ₂ равны друг другу, уравнение (3) сокращается до следующего уравнения (4):

...(4)

Из уравнений (2) и (4) разность между _i и _i3 и разность между вычисляется из следующего уравнения (5):



Таким образом, угол _i падающего светового пучка, который передается в прямом направлении, отличается от углов излучения светового пучка в обратном направлении на поверхность падения 52a первого двулучепреломляющего элемента 52. Следовательно, световой пучок, передаваемый в обратном направлении, не может попасть в первое оптическое волокно, в то время, как световой пучок, который излучается первым оптическим волокном и передается в прямом направлении, распространяется во втором оптическом волокне через основную часть оптического вентиля.

Также, когда световой пучок передается в прямом направлении, поляризационная модовая дисперсия заметно уменьшается, так как обыкновенный и необыкновенный лучи Ro и Re заменяются в первом и во втором двулучепреломляющих элементах 52 и 54, и, таким образом, разность показателей преломления между первым и вторым двулучепреломляющими элементами 52 и 54, которые существуют для обыкновенного луча Ro и необыкновенного луча Re, автоматически компенсируется. Следовательно, отдельный компенсатор не является необходимым в блоке оптического вентиля в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг. 7 представляет собой вид в перспективе блока оптического вентиля в соответствии с настоящим изобретением. Как показано на фиг. 7, блок оптического вентиля в соответствии с настоящим изобретением может быть изготовлен за счет формовки внутри отдельного узла. Узел формованного блока оптического вентиля включает основной корпус 60, в который герметично заключен блок оптического вентиля, входное отверстие 61 для приема входного оптического сигнала, выходное отверстие 62 для излучения выходного оптического сигнала и отверстие приема сигнала 63, через которое протекает ток, размер которого изменяется в соответствии с оптическим сигналом, детектируемым фотодиодом.

В основном корпусе 60 основная часть оптического вентиля, первая линза 51, вторая линза 57, фотоприемник 55 и третья линза 58 располагаются в фиксированных положениях и герметизируются после калибровки их относительного расположения, поэтому их нельзя сдвигать по отношению друг к другу, и пыль или влага не проникают в блок оптического вентиля.

Так как свет передается непосредственно между составными частями, вместо того, чтобы передаваться через оптические волокна, нет необходимости наличия оптических волокон между основной частью оптического вентиля и фотоприемником 55. Кроме того, количество соединений волокон, которые требовались в нескольких местах в традиционном устройстве, значительно уменьшается.

Фиг. 8 представляет собой блок-схему варианта реализации легированного эрбием оптического усилителя (EDFA) в соответствии с настоящим изобретением.

Оптический усилитель 70 включает первый блок оптического вентиля 72 для разделения и приема части падающего светового пучка и обеспечения прохождения оптического сигнала только в прямом направлении, лазерный диод 76 для генерации оптического сигнала для накачки, соединитель 78 для подсоединения лазерного диода 16 на оптическом пути, легированное эрбием волокно (EDF) 80 для усиления оптического сигнала, переносимого световым пучком, через индуцированное излучение при использовании фотонов, генерированных при операции накачки лазерного диода 76, второй блок оптического вентиля 82 для разделения и приема части выходного светового пучка и в то же время обеспечения прохождения оптического сигнала только в прямом направлении.

Первый и второй блоки оптических вентилей 72 и 82 являются такими же, как описанные со ссылкой на фиг. 3 - 7. Также функции и работа других составных частей являются такими же, как в традиционном оптическом усилителе. Таким образом, подробное их описание будет опущено.

Как показано на фиг. 8, первый и второй блоки оптических вентилей 72 и 82 сами принимают интенсивность света и дают на выходе токи детектирования, которые являются пропорциональными интенсивности входного и выходного светового пучка соответственно, в то же время ограничивают прохождение светового пучка только в одном направлении.

В альтернативном варианте настоящего изобретения любой из первого и второго блоков оптического вентиля может быть опущен. Также может использоваться множество основных частей оптического вентиля при последовательном соединении друг с другом для улучшения оптических характеристик.

В еще одном альтернативном варианте реализации настоящего изобретения лазерный диод может проводить операцию накачки на задней стороне EDF, а не на передней его стороне.

Следовательно, нужно отметить, что описание вариантов реализации изобретения было предпринято просто для иллюстрации блока оптического вентиля и оптического усилителя в соответствии с настоящим изобретением, и рамки настоящего изобретения не ограничиваются конкретным блоком оптического вентиля и оптическим усилителем, которые представлены для иллюстрации.

Промышленная применимость

Блок оптического вентиля в соответствии с настоящим изобретением может быть использован для оптического усилителя и в других приложениях, где требуется распространение света в одном направлении. Также оптический усилитель в соответствии с настоящим изобретением используется для усиления мощности низкоэнергетических источников света, компенсации разделения сигнала в сети кабельного телевидения или предварительного усиления для оптического детектора, так же, как и для оптической связи.

Между тем, в соответствии с конструкцией блока оптического вентиля и оптического усилителя настоящего изобретения, как описано выше, число компонентов уменьшается, и их структура упрощается, так как оптический разделитель для разделения оптического сигнала и компенсатор для компенсации поляризационной модовой дисперсии сливаются в блоке оптического вентиля, и фотоприемник для приема разделенного светового пучка объединяется в отдельный узел вместе с оптическим вентилем. Кроме того, вносимые потери уменьшаются благодаря уменьшению количества компонентов.

Также, так как световой пучок передается непосредственно между компонентами вместо того, чтобы передаваться через оптические волокна, количество точек соединения оптических волокон уменьшается, процесс изготовления упрощается и стоимость единицы продукции снижается.

Кроме того, так как падающий световой пучок падает на оптический разделитель под малым углом, уменьшаются потери, зависящие от поляризации.

Следовательно, оптические характеристики блока оптического вентиля и оптического усилителя улучшаются, поэтому надежность изделия увеличивается.