光環(huán)形器

中文名 光環(huán)行器

外文名 opticalcirculator

類 別 物理

發(fā)明人 劉志明;王石;李世芳;王文輝

專利代理機(jī)構(gòu) 上海市華誠律師事務(wù)所

應(yīng)用學(xué)科 光纖通信技術(shù)

目錄

1 簡介
2 結(jié)構(gòu)原理
 

簡介
光環(huán)行器是一種多端口非互易光學(xué)器件，它的典型結(jié)構(gòu)有N（N大于等于3）個端口，如圖 1所示，當(dāng)光由端口1輸入時，光幾乎毫無損失地由端口 2輸出，其它端口處幾乎沒有光輸出。

圖1 光環(huán)行器示意圖

當(dāng)光由端口2輸入時，光幾乎毫無損失地由端口 3輸出，其它端口處幾乎沒有光輸出，以此類推。 這N個端口形成了一個連續(xù)的通道。嚴(yán)格地講，若端口 N輸入的光可以由端口 1輸出，稱為環(huán)行 器，若端口N輸入的光不可以由端口 1輸出，稱為準(zhǔn)環(huán)行器；通常人們并不在名稱上做嚴(yán)格區(qū) 分，一般都稱為環(huán)行器。 光環(huán)形器的非互易性使其成為雙向通信中的重要器件，它可以完成正反向傳輸光的分離任 務(wù)。光環(huán)形器在光通信中單纖雙向通信、上/下話路、合波/分波及色散補(bǔ)償?shù)阮I(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。圖2為光環(huán)形器用于單纖雙向通信的例子。
光環(huán)行器的實(shí)現(xiàn)方案很多，分透射式和反射式兩大類，下面結(jié)合一種透射式光環(huán)行器介紹 光環(huán)行器的原理。

圖2 光纖環(huán)行器用于單纖雙向通信示意圖

圖3為一種光環(huán)行器的結(jié)構(gòu)示意圖在兩個正交平面上的投影。這是一個有4個端口的光環(huán)行器， 為了提高光的耦合效率，每個端口均有光纖準(zhǔn)直器。環(huán)行器由分束/合束鏡1、偏振旋轉(zhuǎn)鏡1、 光束變換器、偏振旋轉(zhuǎn)鏡2、分束/合束鏡2組成。

圖3 透射式光環(huán)行器結(jié)構(gòu)示意圖

其中，分束/合束鏡為雙折射平行平板，它將任意狀態(tài)的輸入光分解成兩束偏振方向垂直的偏 振分量，如圖4所示。

圖4 分束/合束鏡

假設(shè)雙折射平行平板的光軸平行于紙面，當(dāng)一束任意偏振方向的光束照射在該平板上，其垂直 于紙面的偏振分量將直接通過平板，平行于紙面的偏振分量將橫向平移，通常將這兩個分量光 束所在的平面稱為走離平面，將這兩個光束的分離量稱為走離量，將偏振方向平行于光軸的光束的位移方向稱為走離方向。這兩個分束/合束鏡的走離方向相同，走離量相等。偏振旋轉(zhuǎn)鏡 沿光束走離方向分成兩部分， 將來自分束/合束鏡的兩束光變成偏振方向相同的光束，并將發(fā) 往分束/合束鏡的兩束光變成偏振方向垂直的光束，偏振旋轉(zhuǎn)鏡的每一部分都為90°非互易旋 轉(zhuǎn)器，由45°法拉第旋轉(zhuǎn)器和一個λ /2波片組成。90°非互易旋轉(zhuǎn)器的一種結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 90°非互易旋轉(zhuǎn)器的一種結(jié)構(gòu)

圖6（a）是一束偏振光沿z方向通過該旋轉(zhuǎn)器時偏振態(tài)的變化情況；圖6（ b）是一束偏振 光沿-z方向通過該旋轉(zhuǎn)器時偏振態(tài)的變化情況。

圖6 偏振光通過旋轉(zhuǎn)器時偏振太的變化

顯然正方向通過的光的偏振方向旋轉(zhuǎn)了 90°， 反方向通過的光的偏振方向不變。光束變換器為雙折射晶體平行平板。 在該環(huán)行器中，光由端口 1到端口 2過程中光束偏振態(tài)和位置的變換情況如圖7（ a）所示。 由端口 1輸入的光經(jīng)分束/合束鏡1后變成偏振方向垂直且沿y方向分離的兩束光，它們經(jīng)偏振旋 轉(zhuǎn)鏡1后，偏振方向都變成沿y方向，再通過光束變換器后，光束偏振態(tài)和位置不發(fā)生變化，這兩束光通過偏振旋轉(zhuǎn)器2后，偏振方向變成互相垂直，分別沿x和y方向，最后由分束/合束鏡2 合成一束光由端口 2輸出。

圖7 環(huán)形器中光束偏振態(tài)和位置的變換

在該環(huán)行器中，光由端口 2到端口 3過程中光束偏振態(tài)和位置的變換情況如圖7（ b）所示。 由端口 2輸入的光經(jīng)分束/合束鏡2后變成偏振方向垂直且沿y方向分離的兩束光，它們經(jīng)偏振旋 轉(zhuǎn)鏡2后，偏振方向都變成沿x方向，再通過光束變換器后，光束偏振態(tài)不發(fā)生變化，但在x方 向卻發(fā)生位置變化，這兩束光通過偏振旋轉(zhuǎn)器1后，偏振方向變成互相垂直，分別沿x和y方向， 最后由分束/合束鏡1合成一束光由端口 3輸出。 在該環(huán)行器中，光由端口 3到端口 4過程中光束偏振態(tài)和位置的變換情況如圖7（ c）所示。 由端口 3輸入的光經(jīng)分束/合束鏡1后變成與偏振方向垂直且沿y方向分離的兩束光，它們經(jīng)偏振 旋轉(zhuǎn)鏡1后，偏振方向都變成沿y方向，再通過光束變換器后，光束偏振態(tài)和位置不發(fā)生變化，這兩束光通過偏振旋轉(zhuǎn)器2后，偏振方向變成互相垂直，分別沿x和y方向，最后由分束/合束鏡 2合成一束光由端口 4輸出。

光環(huán)形器的技術(shù)指標(biāo)包括插入損耗、隔離度、串音、偏振相關(guān)損耗、偏振模色散及回波損耗等。光環(huán)形器的插入損耗、隔離度、偏振相關(guān)損耗、偏振模色散的定義與光隔離器的基本相 同，只不過對環(huán)形器而言，均指具體的兩個相鄰端口之間的指標(biāo)，如端口 1、 2之間的或端口 2、 3之間的插入損耗、 PDL、 PMD等。光環(huán)形器的串音指兩個不相鄰端口之間理論上不能接收到光 信號但實(shí)際中由于種種原因而接收到的功率以dB表示的相對值，如端口 1輸入信號時，在端口 3 接收到的功率相對于輸入功率的dB值。

結(jié)構(gòu)原理

光環(huán)行器的結(jié)構(gòu)原理如圖所示。

圖 8 光環(huán)行器原理圖

基本上是由法拉弟旋轉(zhuǎn)器和兩側(cè)的兩個偏振棱鏡組成。偏振光通過法拉弟旋轉(zhuǎn)器時，在外磁場作用下，其偏振面可旋轉(zhuǎn)45°。只要將兩個偏振棱鏡的光軸相互設(shè)置成適當(dāng)?shù)慕嵌?，就可使相通光路插入損耗很低而不相通光路隔離度很大。
也可以利用單模光纖在外界磁場作用下，產(chǎn)生法拉弟旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的特性構(gòu)成光環(huán)行器。
與偏振無關(guān)的光環(huán)行器其插入損耗及隔離度與入射光的偏振狀態(tài)無關(guān)。