1. 引言與背景

光環行器在波分復用網絡中基于光纖光柵（FBG）的應用中具有重要作用，諸如基于多端口環行器

本文中我們提出了一種設計閉路環行器的新方法，采用該方法設計的環行器的端口數目可以根據需要而任意設計，根據端口數目為奇數及偶數我們設計了兩種組裝方案，并相應分析了相關的實現原理及裝配結構。分析表明該方案有效實現光的閉路環行功能，并具有優良的光學參數性能。

2. 結構與原理

圖3（a）、（b）分別對應于我們所提出的偶數端口及奇數端口環行器的結構設計示意圖。一個典型的偏振無關光環行器通常由三個功能塊組成，依次是分/合光模塊(D&M)、平行與垂直旋轉模塊(P&O)以及環行導光模塊(BCC)組成[8]。其中，分/合光模塊在輸入端將一束光分成偏振態相互垂直的兩束線偏振光，而在接收端則將兩束偏振態垂直的線偏振光合成為一束光輸出；平行與垂直旋轉模塊將兩束偏振態垂直的線偏振光旋轉為偏振態相互平行的線偏振光，或將兩束偏振態相互平行的光束旋轉為偏振態垂直的線偏振光，但不改變光束的傳播方向；環行導光模塊則根據光束輸入時的位置、方向及偏振態的區別而實現各個輸入光束環行傳輸功能。在我們的設計結構中，分/合光模塊由雙折射晶體構成，一般采用具有較大雙折射系數的材料如釩酸釔或金紅石晶體組裝，也可采用渥拉斯頓棱鏡或PBS等替代；平行與垂直旋轉模塊采用兩片光軸夾角為45度的半波片(WP)外加一片法拉第旋光片(FR)構成，兩片半波片能將兩束偏振態垂直的線偏振光旋成偏振態相互平行，或者將兩束偏振態平行的線偏振光旋成偏振態垂直的光束，而法拉第旋光片由于其旋光方向與光束傳播方向無關，由此提供非互易性以實現往返光束的偏振態不同；環行導光模塊在兩種設計中結構有所不同，在偶數端口設計中由一個雙折射晶體(BC)及一個偏振光分束器(PBS)構成，而在奇數端口器件設計中環行導光模塊由一個雙折射晶體、一個半波片以及兩個斜角片(WG)組成，如圖3（a）及（b）所示。

為了對環行器中的光路傳輸及偏振態轉變作一詳細說明，我們采用簡化模型進行分析，如圖4為簡化的偶數端口環行器，對應為4端口的設計結構；圖5為3端口設計，對應于簡化的奇數端口環行器。其余的結構都可以在此簡化模型的基礎上擴展而獲得。由圖4可知，光束通過D&M模塊（雙折射晶體）后分開為偏振態相互垂直的兩束線偏振光，之后通過P&O模塊成為偏振態平行的兩束光，經過BCC模塊后，根據其偏振態、傳輸方向及位置的不同而獲得不同的輸出方位。由圖4（b）可知，D&M模塊對往返光進行可逆變化。而P&O模塊則不然，對沿z軸正向傳輸的偏振態垂直的兩束線偏振光，經過P&O后變成平行于z軸的的線偏振光，而對于逆z軸正向傳輸的偏振態垂直的兩束光，出射后則成為平行于x軸的線偏振光。BCC模塊根據入射光的位置、方向及偏振態而改變光束狀態，如圖4（b），對于沿z軸正向傳輸的偏振方向平行于z軸的光束，其出射位置及偏振態不變，而對于逆z軸正向傳輸的偏振方向平行于x軸的光束，出射偏振態不變，但出射位置則與入射點不同，由此而實現光路循環功能。對于3端口的設計而言，與四端口環行器光路結構的主要區別在于BCC模塊的不同，如圖5（a）所示，3端口設計的BCC由一個雙折射晶體、一個半波片（WP）及兩個斜角片（WG）組成，這里的兩個斜角片是為了實現光路反轉，也即端口3至端口1信號的連同，半波片的光軸與x軸成45度角，目的在于將光束偏振態旋轉90度以便使兩束分開的線偏振光經D&M模塊后合成一束光并耦合至端口1中。

環行器的光學性能主要體現在其接入損耗（IL）、偏振相關損耗（PDL），隔離度(IS)以及回波損耗（RL）和串擾（CT）等參數方面。其中IL及PDL主要來源于光路中各元器件的材料損傷、反射、變形，以及準直器與光束的耦合損耗等方面；隔離度性能下降主要由FR、WP的溫度及波長相關特性所導致，此外FR及各晶體材料的消光比(ER)參數及加工時的誤差也會在一定程度上導致隔離度減小；RL主要來源于各通光端面的反射光，通過在各個通光面上鍍上增透膜（AR）可以極大改善該參數；CT主要由雙光纖準直器的各端面反射所引起，此外各通光面所反射的回傳光也會在一定程度上增大串擾。

由于IS是衡量環行器性能的最重要參數之一，我們對此作一理論分析，采用瓊斯矩陣法，我們對光路中所經過的元器件的瓊斯矩陣連乘，并作用到輸入光束上，如（1）式所示，所得即為光束輸出結果，如（2）式求模平方并取對數可得按dB表示的輸出隔離度參數。取典型參數，將每個BC考慮為消光比為65dB的偏振片，FR的45度旋光波長為1550nm，其溫度及波長相關系數為0.07度/nm和0.063度/℃，可求得其隔離度隨波長的變化特性如圖6所示，由圖可知，在1505～1595nm范圍內，我們所設計的器件隔離度大于45dB。實際制作時由于各元器件的的缺陷等因素導致性能不如理論分析結果，在70nm波長范圍內隔離度能夠大于40dB。

3. 結論

本文提出了多端口閉路環行器的設計方案。根據端口數為奇數及偶數，我們提出了兩種設計結構，分析了相應的實現原理及光路結構，并對參數性能作了理論分析。由分析結果可知，該設計能實現任意端口數目的光路循環功能，對于光通信網絡中的往返雙路傳輸、OADM及色散補償等應用具有重要意義。