光环形器的基本原理

光环行器通常为四端环行器，可实现光传输从端口1→2→3→4→1的功能。四端光环行器的原理如图9.10.1所示，由一对偏振光分束器、全反射棱镜、45°石英旋转器、45°法拉第旋转器组成。单模光纤通过自聚焦透镜耦合到偏振光分束器，图中显示了光束从端口1到端口2的传输过程。

图9.10.1　四端口光环行器结构

从端口1入射的非偏振光（或任意方向的偏振光）被偏振光分束器分解为两束独立传播的线偏振光，其中一束光经全反射棱镜反射后，两束光均经45°石英旋转器（互易）和45°法拉第旋转器（非互易）旋转90°，另一束光经全反射棱镜反射后，由偏振光分束器再将两束光合成为一束从端口2输出，与光纤的耦合由自聚焦透镜实现。从端口2入射的光经偏振光分束器分束后，由于法拉第旋转器的非互易效应，则总旋转角为0°，因而偏振光分束器将两束光合成至端口3输出。同样，可以推知端口3至端口4、端口4至端口1的传输过程。

考虑在四端环行器中从光纤i到光纤j的耦合，其中i为1～4之间的一个整数，j＝1＋k。设对于k＝i的耦合为正向，则将从光纤i到光纤j的能量衰减称为“插入损耗”，将k＝i＋1或k＝i＋2时的能量衰减称为“隔离度”，k＝i＋3时的能量衰减称为“回波损耗”。

影响隔离度的主要因素有：①分束器的消光比较低；②旋转器的旋转角有误差；③旋转器的退偏振；④元件表面的反射。k＝i＋2时隔离度降低主要由因素①～③引起；因素④则影响k＝i＋1时的隔离度，各因素与端口之间的关系对隔离度的影响如图9.10.2所示。减小这些因素的影响，才可获得高的隔离度。所以光环行器对元件的要求非常严格，若要获得40dB以上的隔离度，分束器和旋转器的消光比必须达到50dB以上，每个元件表面的反射率必须小于－50dB，并且旋转器误差必须小于0.40°。

图9.10.2　各因素与端口之间的关系对隔离度的影响

增加隔离度的另一种方法是改善环行器结构。这种方法并不减少这些因素，但可降低这些因素对隔离度的影响。尽管偏振光分束器的消光比较低，在每个端口加上一块双折射片，可使隔离度得到增加。要实现高隔离度的环行器，因素②是最关键的，降低因素②影响的方法不仅要能提高额定波长的隔离度，还要能提高隔离度的温度和波长特性。既然退偏振意味着当光在旋转器中传播时出现垂直方向上的不需要的偏振态，所以因素③的影响与因素②的影响相同，也就是说，处理因素②的方法也有助于处理因素③。对于因素④，采用倾斜表面是一种相当有效的方法。