光纤环形器

一、定义

        光环形器是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，按数字顺序从下一端口以很小的损耗输出，从1端口输入信号，信号只能从2端口输出，同样，从2端口输入的信号只能从3端口输出，以此类推，故称作环行器。

二、特点

        1. 单向通光，非互易性。

        2. 高隔离度、低插入损耗。

        3. 高稳定性和可靠性。

三、说明

1、原理简介

        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≥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3个端口形成了一个连续的通道。严格地讲，若端口3输入的光可以由端1输出，称为环行器，若端口3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，我们也将它们统称为环行器。

图1 光环形器结构示意图

        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 光环形器光路图以及偏振变化

        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2(a)所示。由端口1输入的光经双折射晶体1后变成偏振方向相互垂直的两束光，它们经法拉第旋转器后，偏振方向向右旋转45°，再通过半波片后（偏振态与快轴程22.5°），偏振方向再向右转动45°，这两束光通过半波片后，偏振方向变成互相垂直，分别沿z和y方向，最后由分束/合束镜2合成一束光由端口2输出。

        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2(b)所示。由端口2输入的光经双折射晶体2后变成偏振方向相互垂直且的两束光，它们经半波片后，偏振方向向左偏转45°，再通过法拉第旋转器后，光束偏振态向右偏转45°，偏振方向变回原来入射状态，然后由分束/合束镜1将两束光再次分开，再经由三角棱镜与PBS棱镜将两束光合束从端口3输出。(注：法拉第旋转器具有非互易性，正向传输和反向传输时偏振态的旋转方向一致；而波片具有互易性，正向传输和反向传输时偏振态的旋转方向相反。)

        光环形器的技术指标包括插入损耗、隔离度、串扰、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。光环形器的串扰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实际接收到的功率以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。

1.光纤放大器

图1 环形器在光纤放大器中的应用

光纤放大器(Optical Fiber Amplifier，简写OFA)是指运用于光纤通信线路中，实现信号放大的一种新型全光放大器，属于传感器类元件。根据它在光纤线路中的位置和作用，一般分为中继放大、前置放大和功率放大三种。同传统的半导体激光放大器(SOA)相比较，OFA不需要经过光电转换、电光转换和信号再生等复杂过程，可直接对信号进行全光放大，具有很好的"透明性"，特别适用于长途光通信的中继放大。可以说，OFA为实现全光通信奠定了一项技术基础。掺铒光纤放大器（EDFA）主要是由一段掺铒光纤（长约10-30m）和泵浦光源组成。其工作原理是：掺铒光纤在泵浦光源（波长980 nm或1480 nm）的作用下产生受激辐射，而且所辐射的光随着输入光信号的变化而变化，这就相当于对输入光信号进行了放大。

通过环形器的单向通光非互易性作用，加上一面反射镜可使光信号在同一个放大器中实现两次放大的效果，极大的提升EDFA的使用效率。

2. 光纤传输系统

图2 单一波长双向同步通信系统示意图

将光学环行器应用到光收发模块中, 可实现在一根光纤中利用同一波长的双向传输。图2所示的是一单波长双向同步通信系统, 连接收发器和传输光纤的光学环行器将输出和接收的光信号分离, 实现了仅用一个信道的全双工（full-duplex）传输。(注：全双工通信允许数据同时在两个方向上传输，即有两个信道，因此允许同时进行双向传输。)