光环行器

一种多端口的具有非互易特性的光器件。光信号由任一端口输入时，都能按图示的数字顺序从下一端口以很小的损耗输出，而该端口通向所有其他端口的损耗都很大，成为不相通端口。要求环行器相通端口间的插入损耗小（例如1至2dB），不相通端口间的隔离度大（例如30dB）。

中文名：光环行器

外文名：opticalcirculator

类别：物理

发明人：刘志明;王石;李世芳;王文辉

专利代理机构：上海市华诚律师事务所

应用学科：光纤通信技术

1、简介

光环行器是一种多端口非互易光学器件，它的典型结构有N（N大于等于3）个端口，如图1所示，当光由端口1输入时，光几乎毫无损失地由端口2输出，其它端口处几乎没有光输出。

当光由端口2输入时，光几乎毫无损失地由端口3输出，其它端口处几乎没有光输出，以此类推。这N个端口形成了一个连续的通道。严格地讲，若端口N输入的光可以由端口1输出，称为环行器，若端口N输入的光不可以由端口1输出，称为准环行器；通常人们并不在名称上做严格区分，一般都称为环行器。光环形器的非互易性使其成为双向通信中的重要器件，它可以完成正反向传输光的分离任务。光环形器在光通信中单纤双向通信、上/下话路、合波/分波及色散补偿等领域有广泛的应用。图2为光环形器用于单纤双向通信的例子。

图1光环行器示意图

光环行器的实现方案很多，分透射式和反射式两大类，下面结合一种透射式光环行器介绍光环行器的原理。

图2光纤环行器用于单纤双向通信示意图

图3为一种光环行器的结构示意图在两个正交平面上的投影。这是一个有4个端口的光环行器，为了提高光的耦合效率，每个端口均有光纤准直器。环行器由分束/合束镜1、偏振旋转镜1、光束变换器、偏振旋转镜2、分束/合束镜2组成。

图3透射式光环行器结构示意图

其中，分束/合束镜为双折射平行平板，它将任意状态的输入光分解成两束偏振方向垂直的偏振分量，如图4所示。

假设双折射平行平板的光轴平行于纸面，当一束任意偏振方向的光束照射在该平板上，其垂直于纸面的偏振分量将直接通过平板，平行于纸面的偏振分量将横向平移，通常将这两个分量光束所在的平面称为走离平面，将这两个光束的分离量称为走离量，将偏振方向平行于光轴的光束的位移方向称为走离方向。这两个分束/合束镜的走离方向相同，走离量相等。偏振旋转镜沿光束走离方向分成两部分，将来自分束/合束镜的两束光变成偏振方向相同的光束，并将发往分束/合束镜的两束光变成偏振方向垂直的光束，偏振旋转镜的每一部分都为90°非互易旋转器，由45°法拉第旋转器和一个λ/2波片组成。90°非互易旋转器的一种结构如图5所示。

图4分束/合束镜

图590°非互易旋转器的一种结构

图6（a）是一束偏振光沿z方向通过该旋转器时偏振态的变化情况；图6（b）是一束偏振光沿-z方向通过该旋转器时偏振态的变化情况。显然正方向通过的光的偏振方向旋转了90°，反方向通过的光的偏振方向不变。光束变换器为双折射晶体平行平板。在该环行器中，光由端口1到端口2过程中光束偏振态和位置的变换情况如图7（a）所示。由端口1输入的光经分束/合束镜1后变成偏振方向垂直且沿y方向分离的两束光，它们经偏振旋转镜1后，偏振方向都变成沿y方向，再通过光束变换器后，光束偏振态和位置不发生变化，这两束光通过偏振旋转器2后，偏振方向变成互相垂直，分别沿x和y方向，最后由分束/合束镜2合成一束光由端口2输出。

图6偏振光通过旋转器时偏振太的变化

图7环形器中光束偏振态和位置的变换

在该环行器中，光由端口2到端口3过程中光束偏振态和位置的变换情况如图7（b）所示。由端口2输入的光经分束/合束镜2后变成偏振方向垂直且沿y方向分离的两束光，它们经偏振旋转镜2后，偏振方向都变成沿x方向，再通过光束变换器后，光束偏振态不发生变化，但在x方向却发生位置变化，这两束光通过偏振旋转器1后，偏振方向变成互相垂直，分别沿x和y方向，最后由分束/合束镜1合成一束光由端口3输出。在该环行器中，光由端口3到端口4过程中光束偏振态和位置的变换情况如图7（c）所示。由端口3输入的光经分束/合束镜1后变成与偏振方向垂直且沿y方向分离的两束光，它们经偏振旋转镜1后，偏振方向都变成沿y方向，再通过光束变换器后，光束偏振态和位置不发生变化，这两束光通过偏振旋转器2后，偏振方向变成互相垂直，分别沿x和y方向，最后由分束/合束镜2合成一束光由端口4输出。

光环形器的技术指标包括插入损耗、隔离度、串音、偏振相关损耗、偏振模色散及回波损耗等。光环形器的插入损耗、隔离度、偏振相关损耗、偏振模色散的定义与光隔离器的基本相同，只不过对环形器而言，均指具体的两个相邻端口之间的指标，如端口1、2之间的或端口2、3之间的插入损耗、PDL、PMD等。光环形器的串音指两个不相邻端口之间理论上不能接收到光信号但实际中由于种种原因而接收到的功率以dB表示的相对值，如端口1输入信号时，在端口3接收到的功率相对于输入功率的dB值。

2、结构原理

光环行器的结构原理如图所示。

图8光环行器原理图

基本上是由法拉弟旋转器和两侧的两个偏振棱镜组成。偏振光通过法拉弟旋转器时，在外磁场作用下，其偏振面可旋转45°。只要将两个偏振棱镜的光轴相互设置成适当的角度，就可使相通光路插入损耗很低而不相通光路隔离度很大。

也可以利用单模光纤在外界磁场作用下，产生法拉弟旋转效应的特性构成光环行器。

与偏振无关的光环行器其插入损耗及隔离度与入射光的偏振状态无关。