一種偏振分束器的製作方法

2023-05-10 00:31:01

專利名稱：一種偏振分束器的製作方法
技術領域：
本發明涉及光學技術領域，尤其涉及一種偏振分束器。
技術背景
在使用偏振編碼的BB84協議下的自由空間量子密鑰分配實驗中，需要將一路包 含0度偏振、90度偏振、45度偏振以及135度偏振或者0度偏振、90度偏振、左旋圓偏振以 及右旋圓偏振四個偏振態的光束，分成上述四種偏振態的四路光束，即分成四路光束，每路 光具有一種偏振態。
現在普遍採用如圖1所示的偏振分束器完成分束。該偏振分束器由一個立方體偏 振無關分束器100，一個1/2波片101，兩個立方體偏振分束器102構成。當含有上述四個偏 振態的光104垂直入射到偏振無關分束器100後被均勻的分為兩路，經過一段空氣介質傳 播後，一路光垂直入射到立方體偏振分束器102上，得到以正交方向傳輸的0度和90度方 向偏振的兩束光108和107 ；另外一路光在經過一個1/2波片之後，偏振方向旋轉了 45度， 再經過一個立方體偏振分束器102後得到以正交方向傳輸的45度和135度方向偏振的兩 束光105和106。最後由接入的探測器103來探測各個偏振方向的光束的光強。
上述圖1所示的偏振分束器是將各個分離的器件組合裝配起來，依據安裝調整的 要求，各個器件之間有一定間隔，因此偏振分束器的體積較大，而且光束在傳輸過程中經過 若干次空氣與介質的界面，在引入反射損耗的同時增加偏振分束器中的雜散光。發明內容
有鑑於此，本發明提供一種偏振分束器，以解決現有偏振分束器各個器件分離裝 配造成體積較大，以及由於器件分離導致光束在傳輸過程中引入反射損耗的同時增加雜散 光的問題。本發明所提供的一種偏振分束器的具體方案如下
一種偏振分束器，包括一個偏振無關光分束稜鏡和兩個偏振光分束稜鏡，所述一 個偏振光分束稜鏡的光束入射面與所述偏振無關光分束稜鏡的反射輸出面膠合，另一個偏 振光分束稜鏡的光束入射面與所述偏振無關光分束稜鏡的透射輸出面膠合。
優選地，所述偏振光分束稜鏡為0度與90度偏振光分束稜鏡，且所述一個0度與 90度偏振光分束稜鏡的光束入射面與所述偏振無關光分束稜鏡的反射輸出面按照0度夾 角膠合，另一個O度與90度偏振光分束稜鏡的光束入射面與所述偏振無關光分束稜鏡的透 射輸出面按照45度夾角膠合。
優選地，與所述偏振無關光分束稜鏡的反射輸出面膠合的偏振光分束稜鏡為0度 與90度偏振光分束稜鏡，所述0度與90度偏振光分束稜鏡的光束入射面與所述偏振無關 光分束稜鏡的反射輸出面按照0度夾角膠合；
與所述偏振無關光分束稜鏡的透射輸出面膠合的偏振光分束稜鏡為左旋圓偏振 光與右旋圓偏振光分束稜鏡。
優選地，所述偏振無關光分束稜鏡和所述0度與90度偏振光分束稜鏡分別包括一個上光學玻璃稜鏡和一個下光學玻璃稜鏡，所述下光學玻璃稜鏡與所述上光學玻璃稜鏡膠I=I O
優選地，所述偏振無關光分束稜鏡和所述0度與90度偏振光分束稜鏡分別包括一 個上光學玻璃稜鏡和一個下光學玻璃稜鏡，所述下光學玻璃稜鏡與所述上光學玻璃稜鏡膠 合；
所述左旋圓偏振光與右旋圓偏振光分束稜鏡包括一個1/4波片、一個上光學玻 璃稜鏡和一個下光學玻璃稜鏡，所述下光學玻璃稜鏡與所述上光學玻璃稜鏡膠合組成線偏 振分束稜鏡，所述1/4波片的光束入射面與所述偏振無關光分束稜鏡的透射輸出面按照0 度夾角膠合，光束輸出面與所述線偏振分束稜鏡的入射面膠合，且所述1/4波片的快軸與 所述線偏振分束稜鏡的偏振光振動方向成45度夾角。
優選地，所述下光學玻璃稜鏡為直角三角形下光學玻璃稜鏡，所述上光學玻璃稜 鏡為平行四邊形上光學玻璃稜鏡，所述直角三角形下光學玻璃稜鏡的斜面與所述平行四邊 形上光學玻璃稜鏡的一面膠合。
優選地，所述直角三角形下光學玻璃稜鏡為等腰直角三角形下光學玻璃稜鏡。
優選地，與所述斜面膠合的平行四邊形上光學玻璃稜鏡的一面的尺寸與所述斜面 的尺寸相同。
優選地，所述平行四邊形上光學玻璃稜鏡與所述直角三角形下光學玻璃稜鏡的斜 面相膠合的一面或所述直角三角形下光學玻璃稜鏡的斜面鍍有膜。
優選地，所述偏振無關光分束稜鏡鍍有偏振無關分束膜；
所述偏振光分束稜鏡鍍有偏振分束膜。
從上述的技術方案可以看出，兩個偏振光分束稜鏡分別與偏振無關光分束稜鏡膠 合為一個偏振分束器。包含有四個偏振態的光束經過偏振分束器後被分為四路光束，且每 路光束含有一個偏振態。由於偏振分束器由偏振光分束稜鏡與偏振無關光分束稜鏡膠合而 成，結構緊湊，體積較小，解決了現有偏振分束器中各個器件分離裝配所導致的體積較大的 問題。同時由於本發明所提供的偏振分束器中器件膠合，避免光束在傳輸過程中經過若干 次空氣與介質的界面，進而降低了反射損耗，減少了雜散光。


為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現 有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本 發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以 根據這些附圖獲得其他的附圖。
圖1為現有偏振分束器的結構示意圖2為本發明實施例提供的偏振分束器的結構示意圖3為圖2所示偏振分束器的光路圖4為圖2所示偏振分束器中偏振無關光分束稜鏡和偏振光分束稜鏡的結構示意 圖5為圖2所示的偏振分束器中偏振無關光分束稜鏡和偏振光分束稜鏡的另一種 結構示意圖；4
圖6為圖2所示的偏振分束器中偏振無關光分束稜鏡和偏振光分束稜鏡的再一種 結構示意圖7為本發明實施例提供的偏振分束器的另一種結構示意圖8為圖7所示的偏振分束器中左旋圓偏振光與右旋圓偏振光分束稜鏡的結構示 意圖。
具體實施方式
下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完 整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於 本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他 實施例，都屬於本發明保護的範圍。
一個實施例
申請人經研究發現，現有的偏振分束器由於各個器件分離裝配，使整個分束器體 積較大。同時，由於分離裝配，光束傳輸時經過分離器件之間的空氣界面，進而增加了反射 損耗以及雜散光。
為了解決上述問題，本發明實施例提供一種偏振分束器，該偏振分束器的結構示 意圖如圖2所示，包括偏振無關光分束稜鏡200、偏振光分束稜鏡201以及偏振光分束稜 鏡202。偏振光分束稜鏡201的光束入射面205與偏振無關光分束稜鏡200的反射輸出面 209a膠合，偏振光分束稜鏡202的光束入射面206與偏振無關光分束稜鏡200的透射輸出 面209b膠合。
偏振無關光分束稜鏡200的表面鍍有偏振無關分束膜，使得透射光束和反射光束 的功率比按50% 50%分配，同時保證該稜鏡對0度偏振和90度偏振的透射光的相移相 同，而對於該稜鏡中0度偏振和90度偏振的反射光的相移差異不作要求，其中透射光束是 指透射輸出面209b輸出的光束，而反射光束為反射輸出面209a輸出的光束。
偏振光分束稜鏡201和偏振光分束稜鏡202的表面均鍍有偏振分束膜，以實現把 偏振態相互正交的光分別沿兩個相互垂直的方向輸出。其中
偏振光分束稜鏡201為0度與90度偏振光分束稜鏡，其光束入射面205四邊與偏 振無關光分束稜鏡200的反射輸出面209a四邊平行，且偏振光分束稜鏡201中與入射面 205垂直的上表面207平行於偏振無關光分束稜鏡200的底面208，以將入射光分成具有0 度和90度偏振態的分路光束。
偏振光分束稜鏡202為0度與90度偏振光分束稜鏡，其光束入射面206四邊相對 於偏振光分束稜鏡201光束入射面205四邊，按照正入射光束入射面205的朝向沿順時針 方向偏轉45度，與偏振無關光分束稜鏡200的透射輸出面209b膠合，以將入射光分成具有 45度和135度偏振態的分路光束。
綜上，一路具有四個偏振態的光束經過偏振光分束稜鏡201以及偏振光分束稜鏡 202後即可分成四路光束，且每路光束具有一個偏振態。
本發明實施例提供的偏振分束器的光路圖如圖3所示。含有0度偏振、90度偏振、 45度偏振以及135度偏振四個偏振態的光束104從入射面204射入偏振無關光分束稜鏡 200，經過斜面210後輸出透射光束。透射光束入射到與偏振無關光分束稜鏡200按照45度膠合的偏振光分束稜鏡202，透射光束經過偏振光分束稜鏡202後，輸出為兩路分別具有 135度偏振態的光束105以及具有45度偏振態的光束106。
光束104經過斜面210反射後射到斜面203上，再經過斜面203全發射輸出反射 光束。反射光束經過偏振無關光分束稜鏡200的斜面203全內反射，入射到與偏振無關光 分束稜鏡200按照0度膠合的偏振光分束稜鏡201，偏振光分束稜鏡201將入射光分成兩路 輸出，其中一路為0度偏振態的光束108，另一路為90度偏振態的光束107。
至此，如圖2所示的偏振分束器完成將一路包含0度偏振、90度偏振、45度偏振以 及135度偏振光束分成分別含有0度偏振態、90度偏振態、45度偏振態以及135度偏振態 的四路光束。
由圖3可以看出，四路光束互相平行，且四路光束之間分開的距離可以由偏振無 關光分束稜鏡200、偏振光分束稜鏡201以及偏振光分束稜鏡202的大小調整，例如偏振 光分束稜鏡201以及偏振光分束稜鏡202的大小確定時，調整偏振無關光分束稜鏡的反射 輸出面209b豎邊的長度，當該長度增加時，圖3中光束105與光束107之間分開的距離大。
偏振無關光分束稜鏡200、0度與90度偏振光分束稜鏡201以及0度與90度偏振 光分束稜鏡202的構成部件示意圖如圖4所示，分別包括一個上光學玻璃稜鏡300和一個 下光學玻璃稜鏡301。下光學玻璃稜鏡301是直角三角形下光學玻璃稜鏡301，上光學玻璃 稜鏡300是平行四邊形上光學玻璃稜鏡300。直角三角形下光學玻璃稜鏡301的斜面302 與平行四邊形上光學玻璃稜鏡的一面303膠合，且斜面302與面303的尺寸相同，以避免面 303尺寸大時造成的浪費，而面303尺寸小所導致光的不完全接收。斜面302或面303鍍有 膜，來實現特定的分束功能，即使得透射光束和反射光束的功率比按50% 50%分配。優 選地，直角三角形下光學玻璃稜鏡301是等腰直角三角形下光學玻璃稜鏡301，上光學玻璃 稜鏡300是內角為45度和135度的平行四邊形上光學玻璃稜鏡300。下光學玻璃稜鏡301 選為等腰直角三角形下光學玻璃稜鏡301是為了儘可能減少玻璃稜鏡的用料。
圖4所示的構成部件所構成的偏振無關光分束稜鏡200、0度與90度偏振光分束 稜鏡201以及0度與90度偏振光分束稜鏡202為一個梯形稜鏡，以保證透射光束和反射光 束能平行輸出。因此，本發明實施例提供的偏振分束器中的偏振無關光分束稜鏡200、0度 與90度偏振光分束稜鏡201以及0度與90度偏振光分束稜鏡202還可以採用其他的部件 組成。如圖4所示的下光學玻璃稜鏡301可以選為如圖5所示的非直角三稜鏡，只要保證 三稜鏡和平行四邊形稜鏡膠合以後兩個稜鏡的輸出平面在同一平面上即可。當然，還可以 採用如圖6所示的結構，三個直角三角形光學玻璃稜鏡構成梯形稜鏡，同樣可以保證光束 分成相互平行的透射光束和反射光束。需要注意的是圖6的兩個膠合面中，只在斜面膠合 面上鍍有偏振無關分束膜或偏振分束膜，直角膠合面只需膠合無需鍍膜。
從上述的技術方案可以看出，兩個偏振光分束稜鏡201和202與偏振無關光分束 稜鏡200膠合為一個偏振分束器。包含有四個偏振態的光束經過偏振分束器後被分為四路 光束，且每路光束含有一個偏振態。由於偏振分束器由偏振光分束稜鏡201和偏振光分束 稜鏡202與偏振無關光分束稜鏡膠合200而成，結構緊湊，體積較小，解決了現有偏振分束 器中各個器件分離裝配所導致的體積較大的問題。同時由於本發明所提供的偏振分束器中 器件膠合，避免光束在傳輸過程中經過若干次空氣與介質的界面，進而降低了反射損耗，減 少了雜散光。此外，現有的偏振分束器分離裝配，為了獲取較好的分束效果，需要反覆的調整各個器件的位置和角度。而本發明實施例所提供的偏振分束器中各個器件膠合為一個整 體，因此調整偏振分束器的位置和角度即可獲得較好的分束效果。
又一個實施例
光束除了 0度偏振、90度偏振、45度偏振以及145度偏振四個偏振態之外，還具有 另一種四偏振態，即0度偏振、90度偏振、左旋圓偏振以及右旋圓偏振，因此，當光束具有0 度偏振、90度偏振、左旋圓偏振以及右旋圓偏振四種偏振態時，為了將此四種偏振態分離， 需要使用與圖2所示的偏振分束器不相同的偏振分束器。
請參閱圖7，圖7是本發明實施例所提供的偏振分束器的另一種結構示意圖，該偏 振分束器用於將具有0度偏振、90度偏振、左旋圓偏振以及右旋圓偏振四偏振態的光束分 離成分別具有一種偏振態的四路光束。
圖7所示的偏振分束器包括偏振無關光分束稜鏡400、偏振光分束稜鏡401和偏 振光分束稜鏡402。其中
偏振光分束稜鏡401為0度與90度偏振光分束稜鏡401，其與偏振無關光分束稜 鏡400的膠合方式與圖2所示的偏振分束器中偏振光分束稜鏡201與偏振無關光分束稜鏡 200的膠合方式相同，以分離0度偏振態和90度偏振態的光束。此外，本發明實施例提供的 偏振分束器中偏振無關光分束稜鏡400和偏振光分束稜鏡401的結構分別與圖2所示的偏 振分束器中偏振無關光分束稜鏡200和偏振光分束稜鏡201的結構相同，包括一個上光學 玻璃稜鏡和一個下光學玻璃稜鏡，下光學玻璃稜鏡與上光學玻璃稜鏡膠合，對此本實施例 不再加以詳細闡述。
偏振光分束稜鏡402為左旋圓偏振光與右旋圓偏振光分束稜鏡402，以分離左旋 圓偏振態和右旋圓偏振態的光束。偏振光分束稜鏡402包括一個1/4波片403、一個上光 學玻璃稜鏡404和一個下光學玻璃稜鏡405。其中1/4波片403的光束入射面406與偏振 無關光分束稜鏡400的透射輸出面407b按照0度夾角膠合，即如圖7所示1/4波片403的 快軸f平行於透射輸出面407b的豎邊，慢軸s平行於透射輸出面407b的橫邊；或者快軸f 平行於透射輸出面407b的橫邊，慢軸s平行於透射輸出面407b的豎邊。1/4波片403的光 束輸出面408與線偏振分束稜鏡的光束入射面409膠合，膠合角度為1/4波片403的快軸 與偏振分束稜鏡的兩個輸出偏振光的振動方向成45度夾角。
偏振光分束稜鏡402的結構示意圖請參與圖8，下光學玻璃稜鏡405與上光學玻璃 稜鏡404膠合組成線偏振分束稜鏡；1/4波片403的光束輸出面408與線偏振分束稜鏡的 入射面409按照45度夾角膠合，即1/4波片403的快軸f和慢軸s各與線偏振分束稜鏡的 兩個輸出偏振光的振動方向成45度夾角，其中兩個輸出偏振光的振動方向為圖8中兩個 雙線箭頭的指示方向。下光學玻璃稜鏡405與上光學玻璃稜鏡404的結構分別與上一個實 施例中所描述的下光學玻璃稜鏡301與上光學玻璃稜鏡300的結構相同，對此不再加以闡 述。
含有0度偏振態、90度偏振態、左旋圓偏振態以及右旋圓偏振態四個偏振態光束 時，光束經過偏振無關光分束稜鏡400後被分為兩路光束，一路透射光束入射到與偏振無 關光分束稜鏡400的透射輸出面407b膠合的左旋圓偏振光與右旋圓偏振光分束稜鏡402， 透射光束經過左旋圓偏振光與右旋圓偏振光分束稜鏡402後，輸出兩路光束，且一路光束 含有左旋圓偏振態，另一路光束含有右旋圓偏振態。另一路反射光束入射到與偏振無關光分束稜鏡400的反射輸出面407b按照0度膠合的0度與90度偏振光分束稜鏡401，0度與 90度偏振光分束稜鏡401將入射光分成兩路輸出，其中一路為含有0度偏振態的光束，另一 路為90度偏振態的光束。此偏振分束器可以實現將一路包含0度偏振、90度偏振、左旋圓 偏振以及右旋圓偏振四個偏振態的光束分成四路光束，每路光束分別含有一種偏振態。
應用上述技術方案，偏振光分束稜鏡與偏振無關光分束稜鏡膠合成一個整體，結 構緊湊，體積較小，解決了現有偏振分束器中各個器件分離裝配所導致的體積較大的問題。 同時由於本發明所提供的偏振分束器中器件膠合為一個整體，避免光束在傳輸過程中經過 若干次空氣與介質的界面，進而降低了反射損耗，減少了雜散光。此外，為了獲取較好的分 束效果，調整偏振分束器的位置和角度即可，而不需要逐一調整各個器件。
本說明書中各個實施例採用遞進的方式描述，每個實施例重點說明的都是與其他 實施例的不同之處，各個實施例之間相同相似部分互相參見即可。對於實施例公開的裝置 而言，由於其與實施例公開的方法相對應，所以描述的比較簡單，相關之處參見方法部分說 明即可。
專業人員還可以進一步意識到，結合本文中所公開的實施例描述的各示例的單元 及算法步驟，能夠以電子硬體、計算機軟體或者二者的結合來實現，為了清楚地說明硬體和 軟體的可互換性，在上述說明中已經按照功能一般性地描述了各示例的組成及步驟。這些 功能究竟以硬體還是軟體方式來執行，取決於技術方案的特定應用和設計約束條件。專業 技術人員可以對每個特定的應用來使用不同方法來實現所描述的功能，但是這種實現不應 認為超出本發明的範圍。
對所公開的實施例的上述說明，使本領域專業技術人員能夠實現或使用本發明。 對這些實施例的多種修改對本領域的專業技術人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的 一般原理可以在不脫離本發明的精神或範圍的情況下，在其它實施例中實現。因此，本發明 將不會被限制於本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一 致的最寬的範圍。
權利要求
1.一種偏振分束器，其特徵在於，包括一個偏振無關光分束稜鏡和兩個偏振光分束 稜鏡，所述一個偏振光分束稜鏡的光束入射面與所述偏振無關光分束稜鏡的反射輸出面膠 合，另一個偏振光分束稜鏡的光束入射面與所述偏振無關光分束稜鏡的透射輸出面膠合。
2.根據權利要求1所述的偏振分束器，其特徵在於，所述偏振光分束稜鏡為0度與90 度偏振光分束稜鏡，且所述一個0度與90度偏振光分束稜鏡的光束入射面與所述偏振無關 光分束稜鏡的反射輸出面按照0度夾角膠合，另一個0度與90度偏振光分束稜鏡的光束入 射面與所述偏振無關光分束稜鏡的透射輸出面按照45度夾角膠合。
3.根據權利要求1所述的偏振分束器，其特徵在於，與所述偏振無關光分束稜鏡的反 射輸出面膠合的偏振光分束稜鏡為0度與90度偏振光分束稜鏡，所述0度與90度偏振光 分束稜鏡的光束入射面與所述偏振無關光分束稜鏡的反射輸出面按照0度夾角膠合；與所述偏振無關光分束稜鏡的透射輸出面膠合的偏振光分束稜鏡為左旋圓偏振光與 右旋圓偏振光分束稜鏡。
4.根據權利要求2所述的偏振分束器，其特徵在於，所述偏振無關光分束稜鏡和所述 0度與90度偏振光分束稜鏡分別包括一個上光學玻璃稜鏡和一個下光學玻璃稜鏡，所述下 光學玻璃稜鏡與所述上光學玻璃稜鏡膠合。
5.根據權利要求3所述的偏振分束器，其特徵在於，所述偏振無關光分束稜鏡和所述 0度與90度偏振光分束稜鏡分別包括一個上光學玻璃稜鏡和一個下光學玻璃稜鏡，所述下 光學玻璃稜鏡與所述上光學玻璃稜鏡膠合；所述左旋圓偏振光與右旋圓偏振光分束稜鏡包括一個1/4波片、一個上光學玻璃稜 鏡和一個下光學玻璃稜鏡，所述下光學玻璃稜鏡與所述上光學玻璃稜鏡膠合組成線偏振分 束稜鏡，所述1/4波片的光束入射面與所述偏振無關光分束稜鏡的透射輸出面按照0度夾 角膠合，光束輸出面與所述線偏振分束稜鏡的入射面膠合，且所述1/4波片的快軸與所述 線偏振分束稜鏡的偏振光振動方向成45度夾角。
6.根據權利要求4或5所述的偏振分束器，其特徵在於，所述下光學玻璃稜鏡為直角三 角形下光學玻璃稜鏡，所述上光學玻璃稜鏡為平行四邊形上光學玻璃稜鏡，所述直角三角 形下光學玻璃稜鏡的斜面與所述平行四邊形上光學玻璃稜鏡的一面膠合。
7.根據權利要求6所述的偏振分束器，其特徵在於，所述直角三角形下光學玻璃稜鏡 為等腰直角三角形下光學玻璃稜鏡。
8.根據權利要求6所述的偏振分束器，其特徵在於，與所述斜面膠合的平行四邊形上 光學玻璃稜鏡的一面的尺寸與所述斜面的尺寸相同。
9.根據權利要求6所述的偏振分束器，其特徵在於，所述平行四邊形上光學玻璃稜鏡 與所述直角三角形下光學玻璃稜鏡的斜面相膠合的一面或所述直角三角形下光學玻璃稜 鏡的斜面鍍有膜。
10.根據權利要求1至3任意一項所述的偏振分束器，其特徵在於，所述偏振無關光分 束稜鏡鍍有偏振無關分束膜；所述偏振光分束稜鏡鍍有偏振分束膜。
全文摘要
本發明公開了一種偏振分束器，包括一個偏振無關光分束稜鏡和兩個偏振光分束稜鏡，所述一個偏振光分束稜鏡的光束入射面與所述偏振無關光分束稜鏡的反射輸出面膠合，另一個偏振光分束稜鏡的光束入射面與所述偏振無關光分束稜鏡的透射輸出面膠合。從上述的技術方案可以看出，由於偏振分束器由偏振光分束稜鏡與偏振無關光分束稜鏡膠合而成，結構緊湊，體積較小，解決了現有偏振分束器中各個器件分離裝配所導致的體積較大的問題。同時由於本發明所提供的偏振分束器中器件膠合，避免光束在傳輸過程中經過若干次空氣與介質的界面，進而降低了反射損耗，減少了雜散光。
文檔編號G02B27/28GK102043256SQ201010553099
公開日2011年5月4日 申請日期2010年11月19日 優先權日2010年10月18日
發明者吳建榮, 朱冰, 高爽 申請人:中國科學技術大學