多端口闭路光环行器的设计

为了对环行器中的光路传输及偏振态转变作一详细说明，我们采用简化模型进行分析，如图4为简化的偶数端口环行器，对应为4端口的设计结构；图5为3端口设计，对应于简化的奇数端口环行器。其余的结构都可以在此简化模型的基础上扩展而获得。由图4可知，光束通过D&M模块（双折射晶体）后分开为偏振态相互垂直的两束线偏振光，之后通过P&O模块成为偏振态平行的两束光，经过BCC模块后，根据其偏振态、传输方向及位置的不同而获得不同的输出方位。由图4（b）可知，D&M模块对往返光进行可逆变化。而P&O模块则不然，对沿z轴正向传输的偏振态垂直的两束线偏振光，经过P&O后变成平行于z轴的的线偏振光，而对于逆z轴正向传输的偏振态垂直的两束光，出射后则成为平行于x轴的线偏振光。BCC模块根据入射光的位置、方向及偏振态而改变光束状态，如图4（b），对于沿z轴正向传输的偏振方向平行于z轴的光束，其出射位置及偏振态不变，而对于逆z轴正向传输的偏振方向平行于x轴的光束，出射偏振态不变，但出射位置则与入射点不同，由此而实现光路循环功能。对于3端口的设计而言，与四端口环行器光路结构的主要区别在于BCC模块的不同，如图5（a）所示，3端口设计的BCC由一个双折射晶体、一个半波片（WP）及两个斜角片（WG）组成，这里的两个斜角片是为了实现光路反转，也即端口3至端口1信号的连同，半波片的光轴与x轴成45度角，目的在于将光束偏振态旋转90度以便使两束分开的线偏振光经D&M模块后合成一束光并耦合至端口1中。

环行器的光学性能主要体现在其接入损耗（IL）、偏振相关损耗（PDL），隔离度(IS)以及回波损耗（RL）和串扰（CT）等参数方面。其中IL及PDL主要来源于光路中各元器件的材料损伤、反射、变形，以及准直器与光束的耦合损耗等方面；隔离度性能下降主要由FR、WP的温度及波长相关特性所导致，此外FR及各晶体材料的消光比(ER)参数及加工时的误差也会在一定程度上导致隔离度减小；RL主要来源于各通光端面的反射光，通过在各个通光面上镀上增透膜（AR）可以极大改善该参数；CT主要由双光纤准直器的各端面反射所引起，此外各通光面所反射的回传光也会在一定程度上增大串扰。

由于IS是衡量环行器性能的最重要参数之一，我们对此作一理论分析，采用琼斯矩阵法，我们对光路中所经过的元器件的琼斯矩阵连乘，并作用到输入光束上，如（1）式所示，所得即为光束输出结果，如（2）式求模平方并取对数可得按dB表示的输出隔离度参数。取典型参数，将每个BC考虑为消光比为65dB的偏振片，FR的45度旋光波长为1550nm，其温度及波长相关系数为0.07度/nm和0.063度/℃，可求得其隔离度随波长的变化特性如图6所示，由图可知，在1505～1595nm范围内，我们所设计的器件隔离度大于45dB。实际制作时由于各元器件的的缺陷等因素导致性能不如理论分析结果，在70nm波长范围内隔离度能够大于40dB。

3. 结论

本文提出了多端口闭路环行器的设计方案。根据端口数为奇数及偶数，我们提出了两种设计结构，分析了相应的实现原理及光路结构，并对参数性能作了理论分析。由分析结果可知，该设计能实现任意端口数目的光路循环功能，对于光通信网络中的往返双路传输、OADM及色散补偿等应用具有重要意义。