摘要：本文提出了一種應(yīng)用于光纖通信中的多端口閉路光環(huán)行器的設(shè)計(jì)方案。閉路光環(huán)行器在雙向通信、光上下路及色散補(bǔ)償系統(tǒng)中具有重要作用。本文針對(duì)環(huán)行器的端口為奇數(shù)或偶數(shù)分別采用了兩種不同的設(shè)計(jì)方案，端口數(shù)目可針對(duì)實(shí)際應(yīng)用需要而設(shè)計(jì)，本文對(duì)其實(shí)現(xiàn)原理及相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了分析驗(yàn)證。
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)行器與光纖光柵的光上下路(OADM)系統(tǒng)[1] [2]，可重構(gòu)和雙向傳輸光上下路[3]，以及基于光環(huán)行器與光纖光柵組合的色散補(bǔ)償系統(tǒng)[4]等；此外，光環(huán)行器與光放大器組合應(yīng)用也有相關(guān)實(shí)驗(yàn)報(bào)道[5] [6]。然而現(xiàn)有的大部分光環(huán)行器都無(wú)法實(shí)現(xiàn)閉路功能，也即對(duì)于一個(gè)n端口的環(huán)行器，能將端口1輸入的光束由端口2輸出，端口2輸入光從端口3輸出，直至端口（n-1）輸入至端口n輸出，但從端口n輸入光束則無(wú)法獲得輸出，而閉路光環(huán)行器則可讓端口n輸入光束由端口1輸出，從而實(shí)現(xiàn)光束的完全循環(huán)功能。圖1描述了有n個(gè)端口的閉路光環(huán)行器的通光功能。閉路光環(huán)行器在雙向傳輸及循環(huán)色散補(bǔ)償系統(tǒng)中具有重要作用，圖2為其典型應(yīng)用之一，在該方案中，F(xiàn)BG 1 反射由端口1輸入的光信號(hào)，對(duì)之進(jìn)行色散補(bǔ)償，而對(duì)于從端口3輸入的光束則透明傳輸；FBG 2 的功能剛好與FBG 1 相反。采用此方案，由端口1及端口3輸入的信號(hào)都能無(wú)阻塞地傳送至對(duì)面且獲得所需的色散補(bǔ)償。
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)�兩束偏振態(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(shuō)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(guò)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(guò)P&O模塊成為偏振態(tài)平行的兩束光，經(jīng)過(guò)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�振態(tài)垂直的兩束線偏振光，經(jīng)過(guò)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�振態(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�振方向平行于z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�振方向平行于x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。