1. 引言與背景

光環(huán)行器在波分復(fù)用網(wǎng)絡(luò)中基于光纖光柵（FBG）的應(yīng)用中具有重要作用，諸如基于多端口環(huán)行器

本文中我們提出了一種設(shè)計(jì)閉路環(huán)行器的新方法，采用該方法設(shè)計(jì)的環(huán)行器的端口數(shù)目可以根據(jù)需要而任意設(shè)計(jì)，根據(jù)端口數(shù)目為奇數(shù)及偶數(shù)我們?cè)O(shè)計(jì)了兩種組裝方案，并相應(yīng)分析了相關(guān)的實(shí)現(xiàn)原理及裝配結(jié)構(gòu)。分析表明該方案有效實(shí)現(xiàn)光的閉路環(huán)行功能，并具有優(yōu)良的光學(xué)參數(shù)性能。

2. 結(jié)構(gòu)與原理

圖3（a）、（b）分別對(duì)應(yīng)于我們所提出的偶數(shù)端口及奇數(shù)端口環(huán)行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖。一個(gè)典型的偏振無(wú)關(guān)光環(huán)行器通常由三個(gè)功能塊組成，依次是分/合光模塊(D&M)、平行與垂直旋轉(zhuǎn)模塊(P&O)以及環(huán)行導(dǎo)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(tài)相互垂直的兩束線偏振光，而在接收端則將兩束偏振態(tài)垂直的線偏振光合成為一束光輸出；平行與垂直旋轉(zhuǎn)模塊將兩束偏振態(tài)垂直的線偏振光旋轉(zhuǎn)為偏振態(tài)相互平行的線偏振光，或?qū)墒駪B(tài)相互平行的光束旋轉(zhuǎn)為偏振態(tài)垂直的線偏振光，但不改變光束的傳播方向；環(huán)行導(dǎo)光模塊則根據(jù)光束輸入時(shí)的位置、方向及偏振態(tài)的區(qū)別而實(shí)現(xiàn)各個(gè)輸入光束環(huán)行傳輸功能。在我們的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)中，分/合光模塊由雙折射晶體構(gòu)成，一般采用具有較大雙折射系數(shù)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(zhuǎn)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(gòu)成，兩片半波片能將兩束偏振態(tài)垂直的線偏振光旋成偏振態(tài)相互平行，或者將兩束偏振態(tài)平行的線偏振光旋成偏振態(tài)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(wú)關(guān)，由此提供非互易性以實(shí)現(xiàn)往返光束的偏振態(tài)不同；環(huán)行導(dǎo)光模塊在兩種設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)有所不同，在偶數(shù)端口設(shè)計(jì)中由一個(gè)雙折射晶體(BC)及一個(gè)偏振光分束器(PBS)構(gòu)成，而在奇數(shù)端口器件設(shè)計(jì)中環(huán)行導(dǎo)光模塊由一個(gè)雙折射晶體、一個(gè)半波片以及兩個(gè)斜角片(WG)組成，如圖3（a）及（b）所示。

為了對(duì)環(huán)行器中的光路傳輸及偏振態(tài)轉(zhuǎn)變作一詳細(xì)說明，我們采用簡(jiǎn)化模型進(jìn)行分析，如圖4為簡(jiǎn)化的偶數(shù)端口環(huán)行器，對(duì)應(yīng)為4端口的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)；圖5為3端口設(shè)計(jì)，對(duì)應(yīng)于簡(jiǎn)化的奇數(shù)端口環(huán)行器。其余的結(jié)構(gòu)都可以在此簡(jiǎn)化模型的基礎(chǔ)上擴(kuò)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(tài)相互垂直的兩束線偏振光，之后通過P&O模塊成為偏振態(tài)平行的兩束光，經(jīng)過BCC模塊后，根據(jù)其偏振態(tài)、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(duì)往返光進(jìn)行可逆變化。而P&O模塊則不然，對(duì)沿z軸正向傳輸?shù)钠駪B(tài)垂直的兩束線偏振光，經(jīng)過P&O后變成平行于z軸的的線偏振光，而對(duì)于逆z軸正向傳輸?shù)钠駪B(tài)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(jù)入射光的位置、方向及偏振態(tài)而改變光束狀態(tài)，如圖4（b），對(duì)于沿z軸正向傳輸?shù)钠穹较蚱叫杏趜軸的光束，其出射位置及偏振態(tài)不變，而對(duì)于逆z軸正向傳輸?shù)钠穹较蚱叫杏趚軸的光束，出射偏振態(tài)不變，但出射位置則與入射點(diǎn)不同，由此而實(shí)現(xiàn)光路循環(huán)功能。對(duì)于3端口的設(shè)計(jì)而言，與四端口環(huán)行器光路結(jié)構(gòu)的主要區(qū)別在于BCC模塊的不同，如圖5（a）所示，3端口設(shè)計(jì)的BCC由一個(gè)雙折射晶體、一個(gè)半波片（WP）及兩個(gè)斜角片（WG）組成，這里的兩個(gè)斜角片是為了實(shí)現(xiàn)光路反轉(zhuǎn)，也即端口3至端口1信號(hào)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(tài)旋轉(zhuǎn)90度以便使兩束分開的線偏振光經(jīng)D&M模塊后合成一束光并耦合至端口1中。

環(huán)行器的光學(xué)性能主要體現(xiàn)在其接入損耗（IL）、偏振相關(guān)損耗（PDL），隔離度(IS)以及回波損耗（RL）和串?dāng)_（CT）等參數(shù)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(zhǔn)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(zhǎng)相關(guān)特性所導(dǎo)致，此外FR及各晶體材料的消光比(ER)參數(shù)及加工時(shí)的誤差也會(huì)在一定程度上導(dǎo)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(gè)通光面上鍍上增透膜（AR）可以極大改善該參數(shù)；CT主要由雙光纖準(zhǔn)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(huì)在一定程度上增大串?dāng)_。

由于IS是衡量環(huán)行器性能的最重要參數(shù)之一，我們對(duì)此作一理論分析，采用瓊斯矩陣法，我們對(duì)光路中所經(jīng)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(jié)果，如（2）式求模平方并取對(duì)數(shù)可得按dB表示的輸出隔離度參數(shù)。取典型參數(shù)，將每個(gè)BC考慮為消光比為65dB的偏振片，F(xiàn)R的45度旋光波長(zhǎng)為1550nm，其溫度及波長(zhǎng)相關(guān)系數(shù)為0.07度/nm和0.063度/℃，可求得其隔離度隨波長(zhǎng)的變化特性如圖6所示，由圖可知，在1505～1595nm范圍內(nèi)，我們所設(shè)計(jì)的器件隔離度大于45dB。實(shí)際制作時(shí)由于各元器件的的缺陷等因素導(dǎo)致性能不如理論分析結(jié)果，在70nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)隔離度能夠大于40dB。

3. 結(jié)論

本文提出了多端口閉路環(huán)行器的設(shè)計(jì)方案。根據(jù)端口數(shù)為奇數(shù)及偶數(shù)，我們提出了兩種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，分析了相應(yīng)的實(shí)現(xiàn)原理及光路結(jié)構(gòu)，并對(duì)參數(shù)性能作了理論分析。由分析結(jié)果可知，該設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)任意端口數(shù)目的光路循環(huán)功能，對(duì)于光通信網(wǎng)絡(luò)中的往返雙路傳輸、OADM及色散補(bǔ)償?shù)葢?yīng)用具有重要意義。