光環行器

一種多連線埠的具有非互易特性的光器件。光信號由任一連線埠輸入時，都能按圖示的數字順序從下一連線埠以很小的損耗輸出，而該連線埠通向所有其他連線埠的損耗都很大，成為不相通連線埠。要求環行器相通連線埠間的插入損耗小（例如1至2dB），不相通連線埠間的隔離度大（例如30dB）。

基本介紹

• 中文名：光環行器
• 外文名：opticalcirculator
• 類別：物理
• 發明人：劉志明;王石;李世芳;王文輝
• 專利代理機構：上海市華誠律師事務所
• 套用學科：光纖通信技術

簡介

光環行器是一種多連線埠非互易光學器件，它的典型結構有N（N大於等於3）個連線埠，如圖 1所示，當光由連線埠1輸入時，光幾乎毫無損失地由連線埠 2輸出，其它連線埠處幾乎沒有光輸出。

當光由連線埠2輸入時，光幾乎毫無損失地由連線埠 3輸出，其它連線埠處幾乎沒有光輸出，以此類推。 這N個連線埠形成了一個連續的通道。嚴格地講，若連線埠 N輸入的光可以由連線埠 1輸出，稱為環行 器，若連線埠N輸入的光不可以由連線埠 1輸出，稱為準環行器；通常人們並不在名稱上做嚴格區 分，一般都稱為環行器。 光環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。光環形器在光通信中單纖雙向通信、上/下話路、合波/分波及色散補償等領域有廣泛的套用。圖2為光環形器用於單纖雙向通信的例子。

圖1 光環行器示意圖

光環行器的實現方案很多，分透射式和反射式兩大類，下面結合一種透射式光環行器介紹 光環行器的原理。

圖2 光纖環行器用於單纖雙向通信示意圖

圖3為一種光環行器的結構示意圖在兩個正交平面上的投影。這是一個有4個連線埠的光環行器， 為了提高光的耦合效率，每個連線埠均有光纖準直器。環行器由分束/合束鏡1、偏振旋轉鏡1、 光束變換器、偏振旋轉鏡2、分束/合束鏡2組成。

圖3 透射式光環行器結構示意圖

其中，分束/合束鏡為雙折射平行平板，它將任意狀態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。

假設雙折射平行平板的光軸平行於紙面，當一束任意偏振方向的光束照射在該平板上，其垂直 於紙面的偏振分量將直接通過平板，平行於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，將偏振方向平行於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，並將發 往分束/合束鏡的兩束光變成偏振方向垂直的光束，偏振旋轉鏡的每一部分都為90°非互易旋 轉器，由45°法拉第旋轉器和一個λ /2波片組成。90°非互易旋轉器的一種結構如圖5所示。

圖4 分束/合束鏡

圖5 90°非互易旋轉器的一種結構

圖6（a）是一束偏振光沿z方向通過該旋轉器時偏振態的變化情況；圖6（ b）是一束偏振 光沿-z方向通過該旋轉器時偏振態的變化情況。顯然正方向通過的光的偏振方向旋轉了 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。 在該環行器中，光由連線埠 1到連線埠 2過程中光束偏振態和位置的變換情況如圖7（ a）所示。 由連線埠 1輸入的光經分束/合束鏡1後變成偏振方向垂直且沿y方向分離的兩束光，它們經偏振旋 轉鏡1後，偏振方向都變成沿y方向，再通過光束變換器後，光束偏振態和位置不發生變化，這兩束光通過偏振旋轉器2後，偏振方向變成互相垂直，分別沿x和y方向，最後由分束/合束鏡2 合成一束光由連線埠 2輸出。

圖6 偏振光通過旋轉器時偏振太的變化

圖7 環形器中光束偏振態和位置的變換

在該環行器中，光由連線埠 2到連線埠 3過程中光束偏振態和位置的變換情況如圖7（ b）所示。 由連線埠 2輸入的光經分束/合束鏡2後變成偏振方向垂直且沿y方向分離的兩束光，它們經偏振旋 轉鏡2後，偏振方向都變成沿x方向，再通過光束變換器後，光束偏振態不發生變化，但在x方 向卻發生位置變化，這兩束光通過偏振旋轉器1後，偏振方向變成互相垂直，分別沿x和y方向， 最後由分束/合束鏡1合成一束光由連線埠 3輸出。 在該環行器中，光由連線埠 3到連線埠 4過程中光束偏振態和位置的變換情況如圖7（ c）所示。 由連線埠 3輸入的光經分束/合束鏡1後變成與偏振方向垂直且沿y方向分離的兩束光，它們經偏振 旋轉鏡1後，偏振方向都變成沿y方向，再通過光束變換器後，光束偏振態和位置不發生變化，這兩束光通過偏振旋轉器2後，偏振方向變成互相垂直，分別沿x和y方向，最後由分束/合束鏡 2合成一束光由連線埠 4輸出。

光環形器的技術指標包括插入損耗、隔離度、串音、偏振相關損耗、偏振模色散及回波損耗等。光環形器的插入損耗、隔離度、偏振相關損耗、偏振模色散的定義與光隔離器的基本相 同，只不過對環形器而言，均指具體的兩個相鄰連線埠之間的指標，如連線埠 1、 2之間的或連線埠 2、 3之間的插入損耗、 PDL、 PMD等。光環形器的串音指兩個不相鄰連線埠之間理論上不能接收到光 信號但實際中由於種種原因而接收到的功率以dB表示的相對值，如連線埠 1輸入信號時，在連線埠 3 接收到的功率相對於輸入功率的dB值。

結構原理

光環行器的結構原理如圖所示。

圖 8 光環行器原理圖

基本上是由法拉弟旋轉器和兩側的兩個偏振稜鏡組成。偏振光通過法拉弟旋轉器時，在外磁場作用下，其偏振面可旋轉45°。只要將兩個偏振稜鏡的光軸相互設定成適當的角度，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，產生法拉弟旋轉效應的特性構成光環行器。

與偏振無關的光環行器其插入損耗及隔離度與入射光的偏振狀態無關。

專利

申請專利號	CN02159892.4
專利申請日	2002.12.24
名稱	光環行器
公開（公告）號	CN1455275
公開（公告）日	2003.11.12
類別	物理
頒證日
優先權	2002.4.29 US 10/135，862
申請（專利權）	光聯通訊技術有限公司
地址	美國加利福尼亞洲
發明（設計）人	劉志明;王石;李世芳;王文輝
國際申請
國際公布
進入國家日期
專利代理機構	上海市華誠律師事務所
代理人	徐申民