光纖通信中多端口閉路光環(huán)行器的設計

摘要：本文提出了一種應用于光纖通信中的多端口閉路光環(huán)行器的設計方案。閉路光環(huán)行器在雙向通信、光上下路及色散補償系統(tǒng)中具有重要作用。本文針對環(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計方案，端口數(shù)目可針對實際應用需要而設計，本文對其實現(xiàn)原理及相關參數(shù)進行了分析驗證。
1. 引言與背景
光環(huán)行器在波分復用網(wǎng)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(huán)行器與光纖光柵的光上下路(OADM)系統(tǒng)[1] [2]，可重構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償系統(tǒng)[4]等；此外，光環(huán)行器與光放大器組合應用也有相關實驗報道[5] [6]。然而現(xiàn)有的大部分光環(huán)行器都無法實現(xiàn)閉路功能，也即對于一個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，從而實現(xiàn)光束的完全循環(huán)功能。圖1描述了有n個端口的閉路光環(huán)行器的通光功能。閉路光環(huán)行器在雙向傳輸及循環(huán)色散補償系統(tǒng)中具有重要作用，圖2為其典型應用之一，在該方案中，F(xiàn)BG 1 反射由端口1輸入的光信號，對之進行色散補償，而對于從端口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輸入的信號都能無阻塞地傳送至對面且獲得所需的色散補償。
本文中我們提出了一種設計閉路環(huán)行器的新方法，采用該方法設計的環(huán)行器的端口數(shù)目可以根據(jù)需要而任意設計，根據(jù)端口數(shù)目為奇數(shù)及偶數(shù)我們設計了兩種組裝方案，并相應分析了相關的實現(xiàn)原理及裝配結構。分析表明該方案有效實現(xiàn)光的閉路環(huán)行功能，并具有優(yōu)良的光學參數(shù)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(shù)端口及奇數(shù)端口環(huán)行器的結構設計示意圖。一個典型的偏振無關光環(huán)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(huán)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(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；平行與垂直旋轉模塊將兩束偏振態(tài)垂直的線偏振光旋轉為偏振態(tài)相互平行的線偏振光，或將兩束偏振態(tài)相互平行的光束旋轉為偏振態(tài)垂直的線偏振光，但不改變光束的傳播方向；環(huán)行導光模塊則根據(jù)光束輸入時的位置、方向及偏振態(tài)的區(qū)別而實現(xiàn)各個輸入光束環(huán)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(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(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關，由此提供非互易性以實現(xiàn)往返光束的偏振態(tài)不同；環(huán)行導光模塊在兩種設計中結構有所不同，在偶數(shù)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(shù)端口器件設計中環(huán)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(huán)行器中的光路傳輸及偏振態(tài)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(shù)端口環(huán)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(shù)端口環(huán)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(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?shù)钠�振態(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不同，由此而實現(xiàn)光路循環(huán)功能。對于3端口的設計而言，與四端口環(huán)行器光路結構的主要區(qū)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(xiàn)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(tài)旋轉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。