光纤通信中多端口闭路光环行器的设计

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摘要：本文提出了一种应用于光纤通信中的多端口闭路光环行器的设计方案。闭路光环行器在双向通信、光上下路及色散补偿系统中具有重要作用。本文针对环行器的端口为奇数或偶数分别采用了两种不同的设计方案，端口数目可针对实际应用需要而设计，本文对其实现原理及相关参数进行了分析验证。
1.引言与背景
光环行器在波分复用网络中基于光纤光栅（FBG）的应用中具有重要作用，诸如基于多端口环行器与光纤光栅的光上下路(OADM)系统[1][2]，可重构和双向传输光上下路[3]，以及基于光环行器与光纤光栅组合的色散补偿系统[4]等；此外，光环行器与光放大器组合应用也有相关实验报道[5][6]。然而现有的大部分光环行器都无法实现闭路功能，也即对于一个n端口的环行器，能将端口1输入的光束由端口2输出，端口2输入光从端口3输出，直至端口（n-1）输入至端口n输出，但从端口n输入光束则无法获得输出，而闭路光环行器则可让端口n输入光束由端口1输出，从而实现光束的完全循环功能。图1描述了有n个端口的闭路光环行器的通光功能。闭路光环行器在双向传输及循环色散补偿系统中具有重要作用，图2为其典型应用之一，在该方案中，FBG1反射由端口1输入的光信号，对之进行色散补偿，而对于从端口3输入的光束则透明传输；FBG2的功能刚好与FBG1相反。采用此方案，由端口1及端口3输入的信号都能无阻塞地传送至对面且获得所需的色散补偿。
本文中我们提出了一种设计闭路环行器的新方法，采用该方法设计的环行器的端口数目可以根据需要而任意设计，根据端口数目为奇数及偶数我们设计了两种组装方案，并相应分析了相关的实现原理及装配结构。分析表明该方案有效实现光的闭路环行功能，并具有优良的光学参数性能。
2.结构与原理
图3（a）、（b）分别对应于我们所提出的偶数端口及奇数端口环行器的结构设计示意图。一个典型的偏振无关光环行器通常由三个功能块组成，依次是分/合光模块(D&M)、平行与垂直旋转模块(P&O)以及环行导光模块(BCC)组成[8]。其中，分/合光模块在输入端将一束光分成偏振态相互垂直的两束线偏振光，而在接收端则将两束偏振态垂直的线偏振光合成为一束光输出；平行与垂直旋转模块将两束偏振态垂直的线偏振光旋转为偏振态相互平行的线偏振光，或将两束偏振态相互平行的光束旋转为偏振态垂直的线偏振光，但不改变光束的传播方向；环行导光模块则根据光束输入时的位置、方向及偏振态的区别而实现各个输入光束环行传输功能。在我们的设计结构中，分/合光模块由双折射晶体构成，一般采用具有较大双折射系数的材料如钒酸钇或金红石晶体组装，也可采用渥拉斯顿棱镜或PBS等替代；平行与垂直旋转模块采用两片光轴夹角为45度的半波片(WP)外加一片法拉第旋光片(FR)构成，两片半波片能将两束偏振态垂直的线偏振光旋成偏振态相互平行，或者将两束偏振态平行的线偏振光旋成偏振态垂直的光束，而法拉第旋光片由于其旋光方向与光束传播方向无关，由此提供非互易性以实现往返光束的偏振态不同；环行导光模块在两种设计中结构有所不同，在偶数端口设计中由一个双折射晶体(BC)及一个偏振光分束器(PBS)构成，而在奇数端口器件设计中环行导光模块由一个双折射晶体、一个半波片以及两个斜角片(WG)组成，如图3（a）及（b）所示。
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。
参考文献
[1]JunghoKimandByounghoLee.BidirectionalWavelengthAdd–DropMultiplexerUsingMultiportOpticalCirculatorsandFiberBraggGratings,IEEEPhotonicsTechnologyLetters,Vol.12,No.12,May.2000.
[2]KazuhiroOdaandHiromuTova.AnOpticalFDM-Add/DropMultiplexingRingNetworkUtilizingFiberFabry-PerotFiltersandOpticalCirculator,IEEEPhotonicsTechnologyLetters,Vol.5,No.7,Jul.1993.
[3]AnVuTran,etal.ReconfigurableMultichannelOpticalAdd–DropMultiplexersIncorporatingEight-PortOpticalCirculatorsandFiberBraggGratings,IEEEPhotonicsTechnologyLetters,Vol.13,No.10,Oct.2001.
[4]Shigematsu,etal.Chromaticdispersioncompensatorandchromaticdispersioncompensatingopticalcommunicationsystem,USPatentNumber:5701188,Dec.23,1997.
[5]S.Nishi,K.Aida,andK.Nakagawa,Highlyefficientconfigurationoferbium-dopedfiberamplifier,ECOC’90,MoG4.3(Amsterdam,TheNetherlands),1990.
[6]Y.SatoandK.Aoyama,OTDRinopticaltransmissionsystemsusingEr-dopedfiberamplifierscontainingopticalcirculators,IEEEPhotonicTechnologyLetters,vol.3,no.11,pp.1001-1002,1991.
[7]AndrewNiallRobinson,Bidirectionaldispersioncompensationsystem,USPatentNumber:6157477,Dec.5,2000.
[8]MasafumiKoga,etal.High-IsolationPolarization-InsensitiveOpticalCirculatorforAdvancedOpticalCommunicationSystems,JournalofLightwaveTechnology,Vol.10,No.9,Sep.1992.
[9]W.J.CarlsenandP.Melman,BirefringentOpticalMultiplexerWithFlattenedBandpass,U.S.Patent4685773,Aug.11,1987.
[10]Y.HuangandP.Xie,“OpticalPolarizationBeamCombiner/Splitter,”U.S.Patent6282025B1,Aug.28,2001.