CN105891956A - 反射型光环形器阵列 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种反射型光环形器阵列，引入大角度偏振分量器件使多路光信号的两个偏振态在空间上完全分离，分别进行处理。本发明将光环形器拓展到两维阵列的同时，避免引入复杂的波片阵列或双折射晶体阵列，消除了偏振消光比下降带来的串扰问题。两维列阵的实现，极大提高了集成度，也大幅降低了单个光环形器的成本。

Description

反射型光环形器阵列

技术领域

本发明属于光通信、光传感和光信息处理领域，涉及集成多个反射型光环形器于一体，使之小型化、低成本化。

背景技术

一般光环形器有三个端口，称为第一端口、第二端口和第三端口，它的基本功能是实现光信号从第一端口到第二端口的传输，第二端口来的信号不能回到第一端口，但可以实现第二端口到第三端口的传输。光环形器是光通信、光传感和光信息处理领域的基础器件，在这些领域已得到了非常重要的应用。在光通信领域，光环形器的使用，还可以使普通双口光收发模块实现单光纤双向传输，在旧网(双口双光纤)升级到单纤双向传输时是必不可少的器件。

然而，现有技术提供的商用光环形器，不仅器件体积偏大，而且三个端口分别从光环形器的两侧接入，在实际使用时需要盘光纤，器件整体过大，阻碍了它的广泛应用。另一方面，目前商用光环形器价格偏高，也使其应用受限。

在现有技术中，美国专利5909310提供了一个较为典型的光环形器，图1表示该方案中光信号从第一端口到第二端口传播的原理。从光环形器(100)的第一端口(101)输入的光信号经第一个准直透镜(104)准直后，通过第一个双折射晶体(106)分解成位置分离，偏振态互相垂直的两个光束(116a和116b)，在通过第一组半波片(113a和113b)和第一个法拉第旋转器(108)的偏振处理，两个光束的偏振态变为一致(图中圆点“·”)，并经过两个光轴(115a和115b)相互垂直的契形双折射晶体(110和111)的方向偏转作用，光束角度有所改变，进一步经第二组半波片(114a和114b)和第二个法拉第旋转器(109)的偏振处理，两个光束的偏振态又变为相互垂直(图中圆点“·”和竖线“|”)，并经第二个双折射晶体(107)合束，通过第二个准直透镜(105)聚焦到第二端口(102)输出。图1中还包含了一个位置补偿片(112)以减少光束与中心轴的偏差。

反向传输时，即从第二端口(102)输入的光信号，通过第二个准直透镜(105)后再通过第二个双折射晶体(107)分束，及第二个法拉第旋转器(109)和第二组半波片(114a和114b)的偏振旋转作用，成为偏振态一致的两个光束，由于法拉第旋转器(109)的非互易性，两个反向传输的光束偏振态为竖线“|”而非圆点“·”，这两个光束在反向经过契形双折射晶体(110和111)时，由于偏振态与正向传播时的偏振态垂直，因此契形双折射晶体(110和111)对反向光束的角度偏振作用与正向时相反，再经随后的第一个法拉第旋转器(108)和第一组半波片(113a和113b)的偏振旋转作用，及第一个双折射晶体(106)的偏振合束作用，合并后的光束不能沿原路返回到第一端口(101)，而是到第三端口(103)。

上述现有技术是具有典型代表性的光环形器方案，基本思想是利用契形双折射晶体(110和111)使光束在正向和反向时偏振角度不一致，并通过准直透镜(104和105)将光束角度转化为出射光束位置(即端口的位置)。该方案使用的光学元件较多，体积和成本难以进一步降低。另一方面，如前所述，光环形器的三个端口分别从光环形器的两侧引出，难以进一步缩小体积。该方案也不能实现阵列化，难以利用阵列化所带来的成本分摊。

在现有技术中，美国专利5471340提供了一个反射型的光环形器，如图2所示。三个端口(201、202和203)位于光环形器(200)的同侧，从第一端口(201)输入的光信号经第一个双折射晶体(204)的偏振分束作用分解为偏振态垂直的两个光束，再经半波片(205)和法拉第旋转器(206)的作用，使这两个光束分别以寻常光线和非寻常光线通过第二个双折射晶体(207)。1/4波片(208)和反射镜(209)使得反射光束的偏振态旋转90度，两个光束分别以非寻常光线和寻常光线经过第二个双折射晶体(207)，因此两个光束在正向和反向通过第二个双折射晶体(207)后位置偏离相同，再经其后的法拉第旋转器(206)和半波片(205)的偏振旋转作用，以及第一个双折射晶体(204)的偏振合束作用，合并为单一光束从第二端口输出。同理可推第二端口输入的光信号将从第三端口输出，很容易理解如果在第三端口后增加更多的端口(第四端口、第五端口...)，这些端口将组成新的光环形器。

需要指出的是，图2所示的现有技术方案中，半波片(205)和第二个双折射晶体(207)中的一个需要有两部分组成，两部分的光轴方向不同。

可以看到，上述反射型光环形器方案可以实现一维阵列化，从而使器件体积和成本都得以分摊。但上述方案扩展到二维阵列端口时，需要两种光轴方向不同的波片阵列，或者两种光轴方向不同的双折射晶体阵列，这两种元件工程上都很难实现。此外上述方案扩展到二维阵列端口时，存在严重的窜扰问题，这是由于法拉第旋转器(206)旋转角度对波长和温度具有一定的依赖性，波片(205和208)以及双折射晶体(204和207)在装配过程中也存在光轴方向对准误差，导致光学系统的偏振消光比在-24dB左右，这些残余的光束会进入到邻近的端口，形成端口间的串扰，串扰水平与偏振消光比一致(-24dB左右)，是不可接受的。

现有技术从性能、体积和成本方面不能满足光通信对集成化和低成本光环形器的需求，需要采用二维阵列进一步提高光环形器的集成度以缩小体积和降低成本。

发明内容

为适应光通信器件特别是光环形器集成化、小型化、低成本的需求，本发明提供了一种低成本、结构紧凑的反射型光环形器阵列。

基本思路是以下几点：采用反射型使所有端口从一侧接入；可扩展到二维阵列，以利用二维阵列的高集成度优势；采用大角度的偏振分束合束器将两个偏振态的多路光信号在空间上完全分离，以使串扰信号不能进入到输入输出端。

特别强调的是，需要将多路光信号作为一个整体进行分离，由于多路光信号整体具有较大尺寸(几个毫米)，现有技术普遍使用的位移型双折射晶体要达到数毫米的整体分离距离，其长度需要数厘米，其尺寸和成本不可接受。故本发明采用多层介质薄膜型或亚波长金属光栅型的偏振分束合束器，以在较小的空间范围内将多路(特别是两维阵列)光信号的两个偏振态整体分离。

如图3所示，本发明提供的反射型光环形器阵列(300)，包含：

1.一个输入输出端(301)，包含有至少三个端口，用于输入和输出多路光信号；

2.一个偏振分束合束器(303)；

3.第一非互易偏振旋转器(304a)；

4.第一位移双折射晶体(305a)；

5.第一偏振反射器(306a)；

6.第二非互易偏振旋转器(304b)；

7.第二位移双折射晶体(305b)；

8.第二偏振反射器(306b)；

所述输入输出端(301)包含至少一组端口，每组端口包含至少三个端口，每组端口内的多个端口按等间距排列，具有相同的端口周期和端口周期方向。

从输入输出端(301)第一组端口的第一端口(311)输入的光信号(307)，经由所述偏振分束合束器(303)分解为偏振方向垂直的第一和第二偏振态光信号(308a和308b)，分别沿空间上完全分离的第一和第二路径传播，通过所述第一和第二非互易偏振旋转器(304a和304b)，再通过所述第一和第二位移双折射晶体(305a和305b)至所述第一和第二偏振反射器(306a和306b)，经由第一和第二偏振反射器(306a和306b)反射后，偏振态相对反射前旋转90度，再反向通过所述第一和第二位移双折射晶体(305a和305b)以及第一和第二非互易偏振旋转器(304a和304b)，成为第三和第四偏振态光信号(309a和309b)，并进一步到达所述偏振分束合束器(303)。由于第一和第二非互易偏振旋转器(304a和304b)的非互易性，反射回的第三和第四偏振态光信号(309a和309b)分别与第一和第二偏振态光信号(308a和308b)的偏振态一致，因而通过所述偏振分束合束器(303)的偏振合束作用，合并为方向相同的出射光线到达所述输入输出端(301)。

所述第一偏振态光信号传播方向与端口周期方向组成第一基准平面(图3中X-Z平面)，所述第二偏振态光信号传播方向与端口周期方向组成第二基准平面(图3中仍旧为X-Z平面，由偏振分束合束器的90度反射导致)。

所述第一和第二位移双折射晶体(305a和305b)在光信号传播方向上具有相同的长度，其光轴(310a和310b)在所述第一和第二基准平面内，并与光信号传播方向成一定角度(不为0度和90度)，使得第三和第四偏振态光信号(309a和309b)到达所述输入输出端(301)时，与所述输入输出端(301)的端口周期(314)方向相同，大小相等，从而使第三和第四偏振态光信号(309a和309b)在位置上进一步合并，从与第一端口(311)临近的第二端口(312)输出。

同理可推从第二端口(312)输入的光信号将从第三端口(313)输出，很容易理解如果在第三端口后增加更多的端口(第四端口、第五端口...)，这些端口将组成更多的光环形器，形成一维光环形器阵列。

同理亦可推得，在与第一和第二偏振态光信号(308a和308b)所在平面(图中X-Z平面)垂直的方向上(图中Y轴)安排更多的端口组，每个端口组都形成一维光环形器阵列，所有端口组则形成二维光环形器阵列，大大提高了集成度。

进一步，本还发明提供了具有一个转向反射镜的反射型光环形器阵列，转向反射镜放置于所述偏振分束合束器之后第一或第二路径上，使得两个偏振态的光信号具有相同的传播方向，进一步缩小体积，并使两条路径上具有相同参数的光学元件合并。为补偿由于所述转向反射镜带来的额外光程，有两个光程补偿方案：

光程补偿方案一：在另一路径上增加一个光程补偿元件，其优选位置在所述第一或第二偏振反射器所包含的反射镜前。

光程补偿方案二：用一个直角楞镜反射镜和一个1/2波片代替所述第一和第二偏振反射镜，所述1/2波片只在第一或第二路径上。直角楞镜反射镜的作用是使第一和第二路径上的光信号位置互换，使得第一和第二偏振态信号分别沿顺时针和逆时针走过一个相同的路径，因此具有相同的光程。

下面对本发明提供的反射型光环形器阵列作进一步的说明。

所述输入输出端具有一维或二维的阵列结构，其排列方式如图4a所示，采用与图3相同的坐标，变换视角，多个端口在X-Y平面内排列，并分成L1、L2...Ln共n个端口组，每个端口组内的多个端口在X方向上呈等间距排列，周期为T。在与端口等间距排列垂直的方向上(Y方向)没有特殊要求，可等间距亦可不等间距。

端口输入到偏振分束合束器上的多路光信号，需要具有一定的准直特性，使之通过图3所示的光学系统返回到输入输出端时仍旧能得到较高的耦合效率。优选的方式如图4b所示，输入输出端(400)是由一个光纤阵列(401)和一个透镜阵列(402)组成，且具有与图4a相同的排列方式，使透镜阵列(402)的每一个透镜与光纤阵列(401)的每一根光纤一一对应，且相对位置相同，这样就可以得到一个各光信号平行的准直光信号阵列。在优选的方式下，使准直光信号阵列各光信号与透镜阵列(402)所在平面的法线平行。

透镜阵列包含有一个基底，基底的光学厚度(物理厚度d除以基底材料折射率n)与透镜的焦距接近，与焦距略有偏差，使得准直光束的束腰在图3所示的反射镜处(306a和306b)，光学系统有最小的耦合损耗。透镜阵列的透镜可以是球面和非球面凸透镜，也可以是自聚焦透镜，而凸透镜表面的凸起形貌有助于减少反射回波，非球面有助于减少像差，因此透镜阵列的优选方式是有具有非球面形貌的凸透镜阵列。

经输入输出端一个输入的光信号含有两个相互垂直的偏振态，为说明方便图3和图5中分别用竖线“|”和圆点“·”表示两个偏振方向。所述的偏振分束合束器其基本功能是将输入的多路光信号的两个偏振态在空间上完全分离，以便后续光学元件的分别处理，它同时也能将反射回的两组偏振态光学信号合束后输出到输入输出端。

图5a和图5b表示所述偏振分束合束器的两种优选形式。图5a表示采用多层介质薄膜型的偏振分束合束器(501a)，由两个三角体贴合而成，三角体的贴合面镀有多层介质薄膜，能够实现对一个偏振反射，对垂直偏振透射的功能。图5b表示采用亚波长光栅型的偏振分束合束器(501b)，由基底上通过微细加工工艺形成亚波长光栅而成，由于在大角度下工作，亚波长光栅的优选形式是亚波长金属光栅，亦可实现对一个偏振反射，对垂直偏振透射的功能。

入射光信号(502a和502b)的两个偏振态在所述偏振分束合束器(501a和501b)上分离。透射后的第一偏振态光信号(503a和503b)，被后续光学元件反射并保持偏振态不变，反射回的光信号(506a和506b)在偏振分束合束器(501a和501b)继续透射至输入输出端。同理，反射后的第二偏振态光信号(504a和504b)，经过如图3所表示的后续光学元件的处理，被反射并保持偏振态不变，反射回的光信号(505a和505b)在偏振分束合束器(501a和501b)也继续反射至输入输出端。由于后续光学元件的位移偏离作用，通过偏振分束合束器(501a和501b)合束的出射光信号(507a和507b)产生一个位移偏离，从与输入端口临近的端口输出。

所述第一和第二非互易偏振旋转器(304a和304b)能够对入射的某一偏振态旋转一个特定的角度，如0度、45度或90度，称为旋转角度。当以与旋转后的偏振态垂直的偏振态反向通过所述第一和第二非互易偏振旋转器后，偏振态维持与入射时的偏振态一致。图6a、图6b、图6c分别对应旋转角度为0度、45度或90度的情形(沿着光线第一次通过所述第一和第二非互易偏振旋转器的方向观察)。为保持非互易性，所述第一和第二非互易偏振旋转器(304a和304b)含有一个45度法拉第旋转器(601a、601b和601c)，含有一个半波片(图6a中的602a和图6c中的602c)，也可以不含有半波片(图6b)。为了说明方便，图6a、图6b、图6c用横线“一”、竖线“|”、左撇线“/”和右撇线“\”分别表示偏振方向为0度、90度、-45度和45度的偏振方向，描述两次通过第一和第二非互易偏振旋转器的偏振态变化。

图6a中，入射光信号(603a)具有0度偏振方向，通过45度法拉第旋转器(601a)后的光信号(604a)，偏振方向顺时针旋转45度，再通过光轴(609a)为67.5度的半波片(602a)后，光信号(605a)的偏振方向旋转为0度；当90度偏振方向的反向光信号(606a)反向通过半波片(602a)后，反向光信号(607a)偏振方向旋转为-45度。进一步通过45度法拉第旋转器(601a)后，反向光信号(608a)的偏振方向为0度，与入射光信号(603a)的偏振方向一致。

图6b中，入射光信号(603b)具有0度偏振方向，通过45度法拉第旋转器(601b)后的光信号(605b)，偏振方向顺时针旋转45度，当偏振方向为-45度的反向光信号(606b)反向通过45度法拉第旋转器(601b)后，反向光信号(608b)的偏振方向为0度，与入射光信号(603b)的偏振方向一致。

图6c中，入射光信号(603c)具有0度偏振方向，通过45度法拉第旋转器(601c)后的光信号(604c)，偏振方向顺时针旋转45度，再通过光轴(609c)为22.5度的半波片(602c)后，光信号(605c)的偏振方向旋转为90度；当0度偏振方向的反向光信号(606c)反向通过半波片(602c)后，反向光信号(607c)偏振方向旋转为-45度。进一步通过45度法拉第旋转器(601c)后，反向光信号(608c)的偏振方向为0度，与入射光信号(603a)的偏振方向一致。

45度法拉第旋转器(601a、601b和601c)需要一个磁场(610a、610b和610c)以维持法拉第效应，该磁场可以是外部磁体提供的磁场，也可以是法拉第旋转器材料内建磁场。

图6a、图6b和图6c中45度法拉第旋转器(601a、610b和601c)磁场方向沿着光信号传播方向，也可反向，对偏振方向的作用分别对应顺时针和逆时针旋转45度；半波片(602a和602c)的光轴(609a和609c)可取+/-22.5度和+/-67.5度中的任一种；入射光信号(603a、603b和603c)的偏振态可以取0度和90度中的任一种；45度法拉第旋转器(601a和601c)与半波片(602a和602c)的位置也可互换。

所述第一和第二位移双折射晶体(305a和305b)，为通光面平行的双折射晶体，相对于寻常光线为普通光学玻璃，相对于非寻常光线将使之产生一个位移，位移量的大小和方向取决于双折射晶体(305a和305b)的长度和其光轴(310a和310b)的方向，如前所述光轴(310a和310b)在对应的基准平面内，并依据图6a、图6b和图6c中第一次通过第一和第二非互易偏振旋转器后光信号(605a、605b和605c)的偏振方向而定，使得正反两次通过第一和第二位移双折射晶体后出射光信号产生的位移方向(相对于输入输出端的XY排列平面)相同；在本发明中，第一和第二位移双折射晶体(305a和305b)还具有相同的长度，使得出射光信号的两个偏振态分量的位移方向和大小都相同，且与输入输出端的排列周期T一致。

众所周知，如图7a所示，为使双折射晶体(701a)产生一定的位移(703a)，其光轴(702a)需与入射光线(704)方向成一定角度，入射光线也必须是非寻常光线。产生的位移处在光信号传播方向(704)与光轴(702a)组成的平面内。最常用的双折射晶体是铌酸锂和钒酸钇晶体，对于钒酸钇晶体的情形，最佳角度约为45度，此时位移(703)的大小约为钒酸钇晶体长度L的十分之一，结合图4的周期T，可以推算出钒酸钇晶体长度L约为T的十倍，即L＝10T。

也可以沿着光传播方向看，如图7b所示，此时非寻常光线在双折射晶体(701b)上产生的位移(703b)与光轴的投影(702b)平行。

需要特别指出的是，针对图6b所示的配置(非互易偏振旋转器不含有半波片)，光信号通过所述第一或第二非互易偏振旋转器后，偏振方向为45度，如图7c所示，此时第一和第二位移双折射晶体需由两个子双折射晶体(704和705)组成，由于迎着光信号传播方向观察，两个子双折射晶体(704和705)在图上是重叠的，其光轴分别以光传播方向为对称轴旋转45度(706)和-45度(707)，子双折射晶体的长度为产生的位移量(708和709)为由于两个位移量有90度角，合成的位移量(703c)为T。

如图8a所示，所述第一和第二偏振反射器(800a)由一个反射镜(801a)和1/4波片(802a)组成。1/4波片(802a)的光轴与入射其上的光信号(803a)的偏振方向成45度角，入射光信号(803a)通过1/4波片(802a)后变为圆偏振光，被反射镜(801a)反射后再次通过1/4波片(802a)，两次通过1/4波片(802a)的效果与通过一个半波片一样，使出射光信号(804a)的偏振方向产生90度的旋转。

也可以用一个45度法拉第旋转器代替1/4波片(802a)，两次通过45度法拉第旋转器的效果使出射光信号(804a)相对入射光信号(803a)的偏振方向旋转90度。

反射镜可采用高反射的多层介质薄膜，也可采用高反射的金属膜，如金膜或铝膜。

如图8b所示，所述第一和第二偏振反射器(800b)也可由一个回溯反射镜(801b)和半波片(802b)组成。半波片(802b)只位于两条路径中的一个，其光轴与入射其上的光信号(图中803b)的偏振方向成45度角。回溯反射镜(801b)使入射光信号反向，角度不变。入射光信号(803b)通过半波片(802b)后偏振态旋转90度，被回溯反射镜(801b)两次反射后出射。由于半波片只作用一次，出射光信号(804b)的偏振方向产生90度的旋转。

回溯反射镜(801b)可采用图8b所示的全内反射的直角楞镜，也可采用两个互成90度角的平面反射镜。

下面进一步分析本发明提供的反射型光环行器抗串扰能力。本发明及所有现有技术提供的光环形器，都需要用到45度法拉第旋转器，但其旋转角度不总是为45度，对于特定的波长λ和特定的使用温度t，旋转角度与45度有一定偏差，记为Δθ，有如下关系：

Δθ＝a·(λ-λ₀)+b·(t-t₀) (1)

上述(1)式中，λ₀和t₀为精确45度旋转时的中心波长和中心温度。a是波长相关系数，b是温度相关系数，在波长单位为纳米，温度单位为摄氏度的情形下，a约为0.07度/纳米，b约为0.06度/摄氏度。在波长与中心波长偏差20纳米，使用温度与中心温度相差40摄氏度的情况下，Δθ为3.8度。由Δθ产生的偏振消光比(PER-Polarization Extinguish Ratio)由下式给出：

PER＝10·log10(sin²(Δθ)) (2)

由此可推算出45度法拉第旋转器产生的偏振消光比PER为-23.6dB，结合图9分析这部分残余的光信号在本发明提供的光学系统中的行为。从输入输出端(901)一个端口(912)输入的光信号(907)在偏振分束合束器(903)上分解为偏振态相互垂直的两个偏振态光信号，为简化起见，图9只分析了透射的第一偏振态光信号(图中竖线“|”)，透射的第一偏振态光信号(908)进一步通过所述第一非互易偏振旋转器(904，包含有一个45度法拉第旋转器)，偏振态旋转90度，图中圆点“·”表示，这部分光信号通过第一位移双折射晶体(905)后，将从第一偏振反射器(906)反射回来，进一步反向通过第一位移双折射晶体(905)和第一非互易偏振旋转器(904)后，反射回的光信号(909)与透射的第一偏振态光信号(908)的偏振态相同，进一步透射经过偏振分束合束器(903)到达相邻的端口(913)。除了该偏振态的光信号外，45度法拉第旋转器还产生约-23.6dB的垂直偏振态光信号(图中竖线“|”)，该偏振态光信号(914)以非寻常光线经过所述的第一位移双折射晶体(905)，根据光轴(910)的方向，这部分光信号将产生相反的位移，进一步被第一偏振反射器(906)反射回来，偏振态旋转90度，以寻常光线再次经过所述的第一位移双折射晶体(905)，并再次通过第一非互易偏振旋转器(904)，以偏振态为圆点“·”的光信号(915)到达所述的偏振分束合束器(903)，这部分光信号不能透射经过偏振分束合束器(903)到达邻近的端口(911)，而被反射出光学系统。

以上虽只分析了在偏振分束合束器上透射的第一偏振态光信号，结论对反射的第二偏振态光信号同样成立。该结论对半波片、位移双折射晶体、1/4波片的光轴角度对位误差带来的偏振消光比下降同样成立。

进一步地，本发明提供的反射型光环行器阵列，在偏振分束合束器后的第一或第二偏振光信号传播路径上引入一个转向反射镜，使第一和第二偏振光信号传播方向一致，以进一步减少体积，并使部分光学性能相同的元件合并，减少装配元件的数量。以图10a和图10b为例，在偏振分束合束器的反射路径上引入转向反射镜(1005a和1005b)，图10a针对转向反射镜为一个全内反射棱镜的情形，图10b针对转向反射镜为一个45度放置的平面反射镜的情形。

转向反射镜(1005a和1005b)使入射光信号(1001a和1001b)在偏振分束合束器(1003a和1003b)分离的第一和第二偏振态光信号成为传播方向一致的两个光信号(1002a和1004a，1002b和1004b)，入射到后续的光学元件(图中省略)，被同方向的第一和第二偏振反射器(1006a和1007a，1006b和1007b)反射。

需要指出的是，由于转向反射镜(1005a和1005b)的引入，第二偏振态光信号(1004a和1004b)相比第一偏振态光信号(1002a和1002b)将多走一个额外的光程，如果这部分光程得不到补偿，第一和第二偏振态光信号之间将产生非常严重的偏振模式色散，是不可接受的。如下所述，本发明还提供了一个光程补偿元件，以消除由于转向反射镜引入带来的偏振模式色散。

一般而言，光程补偿元件只要其光程与所需补偿光程相同即可，设待补偿的光程是由厚度为d1，折射率为n1的光学材料产生的，待补偿光程为n1·d1；设光程补偿元件的厚度为d2，折射率为n2，产生的补偿光程为n2·d2；很自然有如下关系成立：

n₁·d₁＝n₂·d₂ (3)

上述(3)式给光程补偿元件的材料和长度的选取带来一定的自由度，不一定与待补偿光学元件的折射率和和长度相同，只要两者的乘积相等即可。但考虑到光学元件在成像系统中的等效光学厚度表达式由d1/n1决定，为使光学系统有最佳的耦合效率，还必须满足如下关系：

$\frac{d_1}{n_1}=\frac{d_2}{n_2}---\left(4\right)$

能同时满足上述(3)式和(4)式的唯一解是n1＝n2和d1＝d2，最直接的方案是光程补偿元件采用与待补偿光学元件材料和长度都相同的元件。

对于准直光信号具有较大束腰的情况下(如束腰半径大于100微米)，满足(3)式而不满足(4)不会对光学系统耦合效率产生较大影响。但对本发明提供的阵列型光环行器而言，输入输出端使用的透镜列阵一般具有较短的焦距，以使准直后的每路光信号的束腰较小(束腰半径小于70微米)，以利集成度的提高。不满足(4)式将带来较大的耦合损耗。故本发明提供的光程补偿元件(1008a和1008b)与转向反射镜(1005a和1005b)具有相同的折射率(相同的光学材料)以及相同的厚度。

如转向发射镜是由BK7构成的全内反射棱镜(1005a)，则光程补偿元件(1008a)是相同厚度的BK7平行平板玻璃；如转向发射镜是一个平面反射镜(1005b)，则光程补偿元件是相同厚度的空气层(1008b)。

原则上光程补偿元件可以放在偏振分束合束器后与所述第一或第二偏振反射器前的任何位置，最优的位置是在所述第一或第二偏振反射器前，或所述第一或第二偏振反射器中所包含的反射镜前，使得所述反射镜之前的两个路径上的部分光学元件可以合并为一个整体。

在使用了转向反射镜的情况下，本发明还提供了如图10c所示的具有光程补偿的光环型器阵列。采用了图8b所示的偏振反射器，由一个回溯反射镜(1008c)和一个半波片(1007c)构成。入射光信号(1001c)在偏振分束合束器(1003c)分解并通过转向反射镜(1005c)后，成为传播方向一致(平行)的第一和第二偏振光信号(1002c和1004c)，通过后续的非互易偏振旋转器和位移双折射晶体(图中省略)，被偏振反射器(1006c)反射，偏振态各自旋转90度的同时，第一和第二偏振光信号位置互换，分别沿第二和第一路经返回，并走过相等的光程，不产生额外的光程差。

由以上分析可以看出，本发明提供的反射型光环形器列阵，拓展到两维列阵同时，避免引入复杂的波片阵列或双折射晶体阵列，消除了偏振消光比下降带来的串扰问题。两维列阵的实现，极大提高了集成度，也大幅降低了单个环形器的成本。

附图说明

图1现有三端口光环行器原理图

图2现有反射型光环行器原理图

图3本发明提供的反射型光环行器阵列原理图

图4a本发明提供的输入输出端的排列方式

图4b本发明提供的反射型光环行器阵列所包含的输入输出端，包含一个光纤阵列和一个透镜阵列

图5a本发明提供的反射型光环行器阵列所包含的偏振分束合束器，由多层介质薄膜立方体构成

图5b本发明提供的反射型光环行器阵列所包含的偏振分束合束器，由亚波长金属光栅构成

图6a本发明提供的反射型光环行器阵列所包含的第一或第二非互易偏振旋转器，由一个半波片和一个45度法拉第旋转器组成，旋转角度为0度

图6b本发明提供的反射型光环行器阵列所包含的第一或第二非互易偏振旋转器，由一个45度法拉第旋转器组成，旋转角度为45度

图6c本发明提供的反射型光环行器阵列所包含的第一或第二非互易偏振旋转器，由一个半波片和一个45度法拉第旋转器组成，旋转角度为90度

图7a本发明提供的反射型光环行器阵列所包含的第一或第二位移双折射晶体，侧视图

图7b本发明提供的反射型光环行器阵列所包含的第一或第二位移双折射晶体，迎着光信号传播方向观察

图7c本发明提供的反射型光环行器阵列所包含的第一或第二位移双折射晶体，由两个子双折射晶体组成

图8a本发明提供的反射型光环行器阵列所包含的第一或第二偏振反射器，由一个1/4半波片和一个反射镜组成

图8b本发明提供的反射型光环行器阵列所包含的第一或第二偏振反射器，由一个半波片和一个回溯反射镜组成

图9本发明提供的反射型光环行器阵列，其抗串扰原理分析

图10a本发明提供的反射型光环行器阵列所包含的转向反射镜和光程补偿元件，转向反射镜为一个全内反射棱镜，光程补偿元件为同等材料和厚度的平行平板玻璃

图10b本发明提供的反射型光环行器阵列所包含的转向反射镜和光程补偿元件，转向反射镜为一个平面反射镜，光程补偿元件为同等厚度的空气

图10c本发明提供的反射型光环行器阵列所包含的转向反射镜和偏振反射器，偏振反射器由一个半波片和一个回溯反射镜组成

图11本发明提供的反射型光环行器阵列的实施例1

图12本发明提供的反射型光环行器阵列的实施例2

图13本发明提供的反射型光环行器阵列的实施例3

图14本发明提供的反射型光环行器阵列的实施例4

图15本发明提供的反射型光环行器阵列的实施例5

图16本发明提供的反射型光环行器阵列的实施例6

具体实施方式

[实施例1]

如图11所示，本发明提供的反射型光环行器阵列的一个实施例(1100)，包含：

1.一个输入输出端(1101)，由一个光纤阵列(1107)和一个透镜阵列(1102)组成；

2.一个多层介质薄膜型偏振分束合束器(1103)；

3.第一非互易偏振旋转器(1104a)，由第一半波片(1108a)和第一45度法拉第旋转器(1109a)组成；

4.第一位移双折射晶体(1105a)，具有第一光轴(1110a)；

5.第一偏振反射器(1106a)，由第一1/4波片(1111a)和第一反射镜(1112a)组成；

6.第二非互易偏振旋转器(1104b)，由第二半波片(1108b)和第二45度法拉第旋转器组成(1109b)；

7.第二位移双折射晶体(1105b)，具有第二光轴(1110b)；

8.第二偏振反射器(1106b)，由第二1/4波片(1111b)和第二反射镜(1112b)组成。

所述光纤阵列(1107)的每根光纤与和透镜阵列(1102)的每个透镜一一对应，在X-Y平面沿X方向等间距排列，排列周期为T，T可以有一定范围，在本实施例中取T＝0.25mm。透镜阵列(1102)使经光纤阵列(1107)输入的多个光信号准直，准直的光信号方向与X-Y平面垂直(即沿Z方向)，形成准直的多个端口。

所述第一和第二非互易偏振旋转器(1104a和1104b)，包含的第一和第二半波片(1108a和1108b)与第一和第二45度法拉第旋转器(1109a和1109b)的配置由图6c描述，使第一次通过的光信号偏振态旋转90度；

所述第一和第二位移双折射晶体(1105a和1105b)由钒酸钇晶体组成，在光信号传播方向上具有相同的长度L，长度L约为10倍前述周期T，在T取0.25mm的情况下，长度为2.5mm。第一和第二位移双折射晶体(1105a和1105b)的光轴(1110a和1110b)在X-Y平面内，并与X方向成45度角。

所述第一和第二偏振反射器(1106a和1106b)，包含的第一和第二1/4波片(1111a和1111b)与第一和第二反射镜(1112a和1112b)的配置由图8描述，使反射的光信号偏振态旋转90度；

从输入输出端(1101)任一端口输入的光信号，经由所述多层介质薄膜型偏振分束合束器(1103)分解为偏振方向垂直的第一和第二偏振态光信号，分别沿具有大分离角度的透射和反射路径传播，通过所述第一和第二非互易偏振旋转器(1104a和1104b)，再通过所述第一和第二位移双折射晶体(1105a和1105b)至所述第一和第二偏振反射器(1106a和1106b)，经由第一和第二偏振反射器(1106a和1106b)反射后，偏振态相对反射前旋转90度，再反向通过所述第一和第二位移双折射晶体(1105a和1105b)以及第一和第二非互易偏振旋转器(1104a和1104b)，成为第三和第四偏振态信号，并进一步到达所述偏振分束合束器(1103)。由于第一和第二非互易偏振旋转器(1104a和1104b)的非互易性，反射回的第三和第四偏振态信号分别与第一和第二偏振态光信号的偏振态一致，因而通过所述偏振分束合束器(1103)的偏振合束作用，合并为方向和位置相同的出射光线到达输入端口的邻近端口输出。

[实施例2]

如图12所示，本发明提供的反射型光环行器阵列的一个实施例(1200)，包含：

1.一个输入输出端(1201)，由一个光纤阵列和一个透镜阵列组成；

2.一个多层介质薄膜型偏振分束合束器(1203)；

3.一个非互易偏振旋转器(1204)，由第一半波片(1208a)、第二半波片(1208b)和一个45度法拉第旋转器(1209)组成；

4.一个位移双折射晶体(1205)，具有光轴(1210)；

5.一个偏振反射器(1206)，由一个1/4波片(1211)、第一反射镜(1212a)、第二反射镜(1212b)和一个光程补偿元件(1214)组成；

6.一个全内反射棱镜型转向反射镜(1213)；

本实施例与实施例1类似，与实施例1相比，增加了一个转向反射镜(1213)使第二偏振态光信号转向90度，使第一与第二偏振态光信号具有相同的传播方向，并在第一反射镜(1212a)前增加一个光程补偿元件(1214)，其厚度和材料与转向反射镜相同(转向反射镜的厚度可看作光信号在其内部所走过的路径之和)。

第一和第二半波片的光轴分别与输入输出端(1201)的端口周期方向(图中X轴)分别成22.5度和-22.5度，或者67.5度和-67.5度，以使第一和第二偏振态光信号通过后，偏振态一致。这样后续的光学元件将看到一致的偏振态，从而使部分光学元件合并为单一元件，如图中的45度法拉第旋转器(1209)、位移双折射晶体(1205)和1/4波片(1211)都可看成实施例1中的两片合并而成。

将光程补偿元件(1214)放在第一反射镜(1212a)前，保证了两条路径的光程相同，以及成像等效光学厚度也相同，并使它前面的部分光学元件的合并得以实现。基于同样的理由，第一和第二反射镜(1212a和1212b)在光信号传播方向上有错位，不能合并。

[实施例3]

如图13a和图13b所示，本发明提供的反射型光环行器阵列的一个实施例(1300)，包含：

1.一个输入输出端(1301)，由一个光纤阵列和一个透镜阵列组成；

2.一个多层介质薄膜型偏振分束合束器(1303)；

3.一个非互易偏振旋转器(1304)，由一个半波片(1308)和一个45度法拉第旋转器(1309)组成；

4.第一位移双折射晶体(1305a)，具有第一光轴(1310a)；

5.第二位移双折射晶体(1305b)，具有第二光轴(1310b)；

5.一个偏振反射器(1306)，由一个1/4波片(1311)、第一反射镜(1312a)、第二反射镜(1312b)和一个光程补偿元件(1314，空气段)组成；

6.一个平面镜型转向反射镜(1313)；

本实施例与实施例2类似，与实施例2相比，用平面镜型转向反射镜(1313)代替了全内反射型转向反射镜，对应地，用空气段(1314)作为光程补偿元件。此外，输入输出端(1301)的端口周期方向改变为图中Y轴。

将实施例2中的第一和第二半波片合并为一个整体，成为单一的半波片(1308)，其光轴与输入输出端(1301)的端口周期方向(图中Y轴)成22.5度或-22.5度或67.5度或-67.5度，以使第一和第二偏振态光信号通过后，偏振态相互垂直，并与Y轴成45度或-45度，这样进一步通过45度法拉第旋转器(1309)后，偏振态与Y轴成0度或90度。

第一和第二位移双折射晶体(1305a和1305b)的第一和第二光轴(1310a和1310b)取向分别如图13b中的子图(1)和子图(2)表示，注意视角变换，第一和第二光轴在Y-Z平面内，并与传播方向(Z轴)分别成45度或-45度，这样相互垂直的第一和第二偏振态光信号正反两次通过第一和第二位移双折射晶体(1305a和1305b)后产生的位移量大小相同，方向沿Y轴，与端口周期方向相同。

与实施例2类似，45度法拉第旋转器(1309)、1/4波片(1311)都可看成实施例1中的两片合并而成。

光程补偿元件(1314)是一段空气，放在第一反射镜(1312a)前，保证了两条路径的光程相同，以及成像等效光学厚度也相同，并使它前面的部分光学元件的合并得以实现。与实施例2类似，第一和第二反射镜(1312a和1312b)在光信号传播方向上有错位，不能合并。

[实施例4]

如图14a和图14b所示，本发明提供的反射型光环行器阵列的一个实施例(1400)，包含：

1.一个输入输出端(1401)，由一个光纤阵列和一个透镜阵列组成；

2.一个亚波长金属光栅型偏振分束合束器(1403)；

3.第一非互易偏振旋转器(1404a)，由第一45度法拉第旋转器(1404a)组成；

3.第二非互易偏振旋转器(1404b)，由第二45度法拉第旋转器(1404b)组成；

4.第一位移双折射晶体(1405a)，由第一和第二子双折射晶体(1415a和1416a)组成；

5.第二位移双折射晶体(1405b)，由第三和第四子双折射晶体(1415b和1416b)组成；

5.第一偏振反射器(1406a)，由第一1/4波片(1411a)、第一反射镜(1412a)组成；

6.第二偏振反射器(1406b)，由第二1/4波片(1411b)、第二反射镜(1412b)组成；

本实施例与实施例1相比，偏振分束合束器(1403)采用了亚波长金属光栅型(用多层介质薄膜型也是可以的)。移除了两个半波片，但将第一和第二位移双折射晶体(1405a和1405b)拆分成两对子双折射晶体。

本实施例中输入输出端的端口周期T方向取为Y轴，使第一和第二45度法拉第旋转器(1404a和1404b)的旋转方向相反。通过-Z轴和X轴观察第一和第二路径时，第一和第二偏振态光信号将具有相同的偏振态，使第一和第二位移双折射晶体(1405a和1405b)，第一和第二偏振反射器(1406a和1406b)光学上完全等价，因此分析其中一个路径光信号的行为就可以了。

如图14b，与前述图7所描述的子双折射晶体工作原理相同。注意视角的变换，迎着光信号传播方向观察，第一和第二子双折射晶体(1415a和1416a)在图上是重叠的，其光轴分别以光传播方向为对称轴旋转45度(1406)和-45度(1407)，互相垂直。子双折射晶体的长度为当第一偏振态光信号以非寻常光线第一次通过第一子双折射晶体(1415a)后，产生第一位移量(1408)，接下来它将以寻常光通过第二子双折射晶体(1416a)，不产生位移量；被第一偏振反射器(1406a)反射后，偏振态旋转90度，以非寻常光线反向通过第二子双折射晶体(1416a)，产生第二位移量(1409)，接下来它将以寻常光线第二次通过第一子双折射晶体(1415a)，不产生位移量；第一和第二位移量(1408和1409)的大小为由于两个位移量有90度角，合成的位移量(1403c)为T，并沿着Y轴，与端口周期T大小和方向相同。

[实施例5]

如图15所示，本发明提供的反射型光环行器阵列的一个实施例(1500)，包含：

1.一个输入输出端(1501)，由一个光纤阵列和一个透镜阵列组成；

2.一个多层介质薄膜型偏振分束合束器(1503)；

3.一个非互易偏振旋转器(1504)，由第一半波片(1508a)、第二半波片(1508b)和一个45度法拉第旋转器(1509)组成；

4.一个位移双折射晶体(1505)，具有光轴(1510)；

5.一个偏振反射器(1506)，由一个半波片(1511)和一个回溯反射镜(1512)组成；

6.一个全内反射棱镜型转向反射镜(1513)；

本实施例与实施例2类似，与实施例2相比，用一个回溯反射镜(1512)和一个只在第一或第二路经上存在的半波片(1511)代替实施例2中的偏振反射器(1206)，其它元件相同。

[实施例6]

如图16a和图16b所示，本发明提供的反射型光环行器阵列的一个实施例(1600)，包含：

1.一个输入输出端(1601)，由一个光纤阵列和一个透镜阵列组成；

2.一个多层介质薄膜型偏振分束合束器(1603)；

3.一个非互易偏振旋转器(1604)，由一个半波片(1608)和一个45度法拉第旋转器(1609)组成；

4.第一位移双折射晶体(1605a)，具有第一光轴(1610a)；

5.第二位移双折射晶体(1605b)，具有第二光轴(1610b)；

5.一个偏振反射器(1606)，由一个半波片(1611)和一个回溯反射镜(1612)组成；

6.一个平面镜型转向反射镜(1613)；

本实施例与实施例3类似，与实施例3相比，用一个回溯反射镜(1612)和一个只在第一或第二路经上存在的半波片(1611)代替实施例3中的偏振反射器(1606)，其它元件相同。

与实施例3相同，第一和第二位移双折射晶体(1605a和1605b)的第一和第二光轴(1610a和1610b)取向分别如图16b中的子图(1)和子图(2)表示，注意视角变换，第一和第二光轴在Y-Z平面内，并与传播方向(Z轴)分别成45度或-45度，这样相互垂直的第一和第二偏振态光信号正反两次通过第一和第二位移双折射晶体(1605a和1605b)后产生的位移量大小相同，方向沿Y轴，与端口周期方向相同。

Claims (40)

1.一种反射型光环形器阵列，其特征在于，包含有：

一个输入输出端，用于输入和输出多路光信号；

一个偏振分束合束器，可在空间上完全分离多路光信号的两个偏振态；

第一非互易偏振旋转器；

第一位移双折射晶体，具有第一光轴；

第一偏振反射器；

第二非互易偏振旋转器；

第二位移双折射晶体，具有第二光轴；

第二偏振反射器。

所述输入输出端包含至少一个端口组，每个端口组包含至少三个端口，每个端口组内的多个端口按等间距排列，各个端口组具有相同的端口周期及端口周期方向。

所述第一和第二偏振反射器可反射光信号，并使反射后的光信号偏振态旋转90度。

从所述输入输出端输入的多路光信号，经由所述偏振分束合束器分解为偏振方向垂直的第一和第二偏振态光信号，分别沿在空间上完全分离的第一和第二路径传播。所述第一偏振态光信号传播方向与端口周期方向组成第一基准平面，所述第二偏振态光信号传播方向与端口周期方向组成第二基准平面。

所述第一偏振态光信号沿第一路径依次通过所述第一非互易偏振旋转器、第一位移双折射晶体至所述第一偏振反射器，经其反射后，偏振态相对反射前旋转90度，再反向通过所述第一位移双折射晶体、第一非互易偏振旋转器后，成为第三偏振态光信号，与第一偏振态光信号的偏振态一致，到达所述偏振分束合束器。

所述第二偏振态光信号沿第二路径依次通过所述第二非互易偏振旋转器、第二位移双折射晶体至所述第二偏振反射器，经其反射后，偏振态相对反射前旋转90度，再反向通过所述第二位移双折射晶体、第二非互易偏振旋转器后，成为第四偏振态光信号，与第二偏振态光信号的偏振态一致，到达所述偏振分束合束器，并与返回的第三偏振态光信号合并为方向相同的光信号到达所述输入输出端输出。

所述第一和第二位移双折射晶体的长度及第一和第二光轴方向的安排使得第三和第四偏振态光信号到达所述输入输出端时，具有与所述输入输出端的端口周期方向相同、大小相等的位移量，在位置上也合并。

2.根据权利要求1所述的一种反射型光环形器阵列，其特征在于，所述偏振分束合束器将两个相互垂直的偏振态在角度上分离，分离角度大于20度。

3.根据权利要求2所述的一种反射型光环形器阵列，其特征在于，所述偏振分束合束器是多层介质薄膜型、亚波长金属光栅型中的一种，所述分离角度为90度。

4.根据权利要求2所述的一种反射型光环形器阵列，其特征在于，所述输入输出端由一个光纤阵列和一个透镜阵列组成，所述透镜阵列中的每个透镜与所述光纤阵列中的每根光纤一一对应，输入的多路光信号形成角度一致的准直光信号阵列。

5.根据权利要求4所述的一种反射型光环形器阵列，其特征在于，所述的准直光信号阵列的方向与所述透镜阵列所在平面的法线平行。

6.根据权利要求2所述的一种反射型光环形器阵列，其特征在于，所述第一或第二非互易偏振旋转器包含有一个45度法拉第旋转器。

7.根据权利要求6所述的一种反射型光环形器阵列，其特征在于，所述第一或第二非互易偏振旋转器还包含有一个外部磁体，提供所述45度法拉第旋转器所需磁场。

8.根据权利要求6所述的一种反射型光环形器阵列，其特征在于，所述45度法拉第旋转器具有内建磁场。

9.根据权利要求6所述的一种反射型光环形器阵列，其特征在于，所述第一和第二位移双折射晶体分别由通光面平行、长度相等的两个子双折射晶体组成，两个子双折射晶体的光轴在以所述第一或第二偏振态光信号传播方向为法线的平面内的投影与所述端口周期方向分别成45度和-45度角。

10.根据权利要求9所述的一种反射型光环形器阵列，其特征在于，所述子双折射晶体由钒酸钇晶体构成，长度为所述端口周期的倍。

11.根据权利要求6所述的一种反射型光环形器阵列，其特征在于，所述第一或第二非互易偏振旋转器还包含有一个半波片。

12.根据权利要求11所述的一种反射型光环形器阵列，其特征在于，所述半波片的光轴与所述第一或第二光信号偏振方向的角度为22.5度或67.5度。

13.根据权利要求2所述的一种反射型光环形器阵列，其特征在于，所述第一或第二位移双折射晶体，由通光面平行的双折射材料组成，所述第一和第二光轴分别在所述第一和第二基准平面内。

14.根据权利要求13所述的一种反射型光环形器阵列，其特征在于，所述第一或第二位移双折射晶体由钒酸钇晶体构成，所述第一或第二光轴与所述第一或第二偏振态光信号传播方向的角度为45度或-45度，所述钒酸钇晶体的长度为所述端口周期的10倍。

15.根据权利要求2所述的一种反射型光环形器阵列，其特征在于，所述第一或第二偏振反射器由一个1/4波片和一个反射镜组成。

16.根据权利要求15所述的一种反射型光环形器阵列，其特征在于，所述1/4波片的光轴与所述第一或第二偏振态光信号传播至所述第一或第二偏振反射器前的偏振方向成45度角。

17.根据权利要求2所述的一种反射型光环形器阵列，其特征在于，所述第一或第二偏振反射器由一个45度法拉第旋转器和一个反射镜组成。

18.根据权利要求1-17所述的任一种反射型光环形器阵列，其特征在于，在所述偏振分束合束器后的第一或第二路径上还包含一个转向反射镜，使第一或第二偏振态光信号的传播方向改变，使得第一和第二偏振态光信号的传播方向一致，形成单一光信号传播方向，并保持在空间上完全分离。所述第一基准平面和第二基准平面重合，组成单一基准平面。同时，在没有所述转向反射镜的第二或第一路径上，包含有一个光程补偿元件，以使第一和第二路径上传播的光信号有相等的光程。

19.根据权利要求18所述的一种反射型光环形器阵列，其特征在于，所述偏振分束合束器将两个相互垂直的偏振态分离的角度为90度，所述转向反射镜也使光信号转向90度。

20.根据权利要求18所述的一种反射型光环形器阵列，其特征在于，所述转向反射镜是一个 平面反射镜，所述光程补偿元件是一段空气。

21.根据权利要求18所述的一种反射型光环形器阵列，其特征在于，所述转向反射镜是一个全内反射棱镜，所述光程补偿元件是一个与所述全内反射棱镜等效光学厚度和构成材料相同的平行平板玻璃。

22.根据权利要求18所述的一种反射型光环形器阵列，其特征在于，光程补偿元件位于所述第一或第二偏振反射器中包含的1/4波片与反射镜之间。

23.根据权利要求18所述的一种反射型光环形器阵列，其特征在于，所述第一和第二非互易偏振旋转器中包含的半波片光轴方向分别为22.5度和-22.5度，或者67.5度和-67.5度，使第一和第二偏振态光信号通过所述第一和第二非互易偏振旋转器后，偏振态一致。同时所述第一和第二非互易偏振旋转器中包含的45度法拉第旋转器具有相同的偏振旋转方向，合并为一个整体；所述第一和第二位移双折射晶体具有相同的光轴方向，合并为一个整体；所述第一和第二偏振反射器中的1/4波片具有相同的光轴方向，合并为一个整体。

24.根据权利要求18所述的一种反射型光环形器阵列，其特征在于，所述第一和第二非互易偏振旋转器光学性能完全相同，合并为一个整体；所述第一和第二位移双折射晶体的第一和第二光轴在所述单一基准平面内，并与所述单一光信号传播方向分别成45度和-45度。所述第一和第二偏振反射器中的1/4波片具有相同的光轴方向，合并为一个整体。

25.根据权利要求18所述的一种反射型光环形器阵列，其特征在于，所述第一和第二非互易偏振旋转器中的半波片具有相同的光轴方向，合并为一个整体，光轴方向为22.5度、-22.5度、67.5度或-67.5度；所述第一和第二非互易偏振旋转器中的45度法拉第旋转器具有相反的偏振旋转方向，使第一和第二偏振态光信号通过所述第一和第二非互易偏振旋转器后，偏振态一致。所述第一和第二位移双折射晶体具有相同的光轴方向，合并为一个整体；所述第一和第二偏振反射器中的1/4波片具有相同的光轴方向，合并为一个整体。

26.一种反射型光环形器阵列，其特征在于，包含有：

一个输入输出端，用于输入和输出多路光信号；

一个偏振分束合束器，可在空间上完全分离多路光信号的两个偏振态；

一个转向反射镜；

第一非互易偏振旋转器；

第一位移双折射晶体，具有第一光轴；

第二非互易偏振旋转器；

第二位移双折射晶体，具有第二光轴；

一个偏振反射器。

所述输入输出端包含至少一个端口组，每个端口组包含至少三个端口，每个端口组内的多个端口按等间距排列，各个端口组具有相同的端口周期和端口周期方向。

从所述输入输出端输入的多路光信号，经由所述偏振分束合束器分解为偏振方向垂直的第一和第二偏振态光信号，分别沿在空间上完全分离的第一和第二路径传播。

所述转向反射镜放置于所述偏振分束合束器的第一或第二路径上，使第一和第二偏振态光信号具有相同的传播方向，形成单一光信号传播方向，并与端口周期方向组成一个基准平面。

所述偏振反射器可反射光信号，并使反射后的光信号偏振态旋转90度，并使第一或第二路径上的光信号位置互换。

所述第一偏振态光信号沿第一路径依次通过所述第一非互易偏振旋转器、第一位移双折射晶体至所述偏振反射器，经其反射后，偏振态相对反射前旋转90度，再反向通过所述第二位移双折射晶体、第二非互易偏振旋转器后，成为第三偏振态光信号，与第二偏振态光信号的偏振态一致，到达所述偏振分束合束器。

所述第二偏振态光信号沿第二路径依次通过所述第二非互易偏振旋转器、第二位移双折射晶体至所述偏振反射器，经其反射后，偏振态相对反射前旋转90度，再反向通过所述第一位移双折射晶体、第一非互易偏振旋转器后，成为第四偏振态光信号，与第一偏振态光信号的偏振态一致，到达所述偏振分束合束器，并与返回的第三偏振态光信号合并为方向相同的光信号到达所述输入输出端输出。

所述第一和第二位移双折射晶体的长度及第一和第二光轴方向的安排使得第三和第四偏振态光信号到达所述输入输出端时，具有与所述输入输出端的端口周期方向相同、大小相等的位移量，在位置上也合并。

27.根据权利要求26所述的一种反射型光环形器阵列，其特征在于，所述偏振分束合束器将两个相互垂直的偏振态在角度上分离，分离角度大于20度。

28.根据权利要求27所述的一种反射型光环形器阵列，其特征在于，所述偏振分束合束器是多层介质薄膜型、亚波长金属光栅型中的一种，所述分离角度为90度。

29.根据权利要求27所述的一种反射型光环形器阵列，其特征在于，所述输入输出端由一个光纤阵列和一个透镜阵列组成，所述透镜阵列中的每个透镜与所述光纤阵列中的每根光纤一一对应，输入的多路光信号形成角度一致的准直光信号阵列。

30.根据权利要求29所述的一种反射型光环形器阵列，其特征在于，所述的准直光信号阵列的方向与所述透镜阵列所在平面的法线平行。

31.根据权利要求27所述的一种反射型光环形器阵列，其特征在于，所述的偏振反射器由一个45度半波片和一个回溯反射镜组成，所述45度半波片只位于所述第一或第二路经上。所述45度半波片的光轴与第一或第二偏振态光信号传播至所述偏振反射器前的偏振方向成45度角。

32.根据权利要求31所述的一种反射型光环形器阵列，其特征在于，所述回溯反射镜是由一个全内反射直角棱镜或两个互为直角的平面反射镜组成。

33.根据权利要求27所述的一种反射型光环形器阵列，其特征在于，所述的转向反射镜是一个全内反射棱镜或一个平面反射镜。

34.根据权利要求27所述的一种反射型光环形器阵列，其特征在于，所述第一或第二非互易偏振旋转器包含有一个45度法拉第旋转器和一个半波片。

35.根据权利要求34所述的一种反射型光环形器阵列，其特征在于，所述第一或第二非互易偏振旋转器还包含有一个外部磁体，提供所述45度法拉第旋转器所需磁场。

36.根据权利要求34所述的一种反射型光环形器阵列，其特征在于，所述45度法拉第旋转器具有内建磁场。

37.根据权利要求27所述的一种反射型光环形器阵列，其特征在于，所述第一或第二位移双 折射晶体，由通光面平行的双折射材料组成，所述第一和第二光轴在所述基准平面内。

38.根据权利要求37所述的一种反射型光环形器阵列，其特征在于，所述第一或第二位移双折射晶体由钒酸钇晶体构成，所述第一或第二光轴与所述单一光信号传播方向的角度为45度或-45度，所述钒酸钇晶体的长度为所述端口周期的10倍。

39.根据权利要求26至38所述的任一种反射型光环形器阵列，其特征在于，所述第一和第二非互易偏振旋转器中包含的半波片光轴方向分别为22.5度和-22.5度，或者67.5度和-67.5度，使第一和第二偏振态光信号通过所述第一和第二非互易偏振旋转器后，偏振态一致。同时所述第一和第二非互易偏振旋转器中包含的45度法拉第旋转器具有相同的偏振旋转方向，合并为一个整体；所述第一和第二位移双折射晶体具有相同的光轴方向，合并为一个整体。

40.根据权利要求26至38所述的任一种反射型光环形器阵列，其特征在于，所述第一和第二非互易偏振旋转器中的半波片具有相同的光轴方向，合并为一个整体，光轴方向为22.5度、-22.5度、67.5度或-67.5度；所述第一和第二非互易偏振旋转器中的45度法拉第旋转器具有相反的偏振旋转方向，使第一和第二偏振态光信号通过所述第一和第二非互易偏振旋转器后，偏振态一致。所述第一和第二位移双折射晶体具有相同的光轴方向，合并为一个整体。