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5 3光隔離器 光隔離器又稱光單向器 是一種光非互易傳輸?shù)墓鉄o(wú)源器件 在光纖通信系統(tǒng)中總是存在許多原因產(chǎn)生的反向光 光源所發(fā)出的信號(hào)光 以活動(dòng)連接器的形式耦合到光纖線路中去 活動(dòng)接頭處的光纖端面間隙會(huì)使約4 的反射光向著光源傳輸 這類反向光的存在 將導(dǎo)致光路系統(tǒng)間產(chǎn)生自耦合效應(yīng) 使激光器的工作變得不穩(wěn)定和產(chǎn)生反射噪聲 使光放大器增益發(fā)生變化和產(chǎn)生自激 造成整個(gè)光纖通信系統(tǒng)無(wú)法正常工作 1 光隔離器的基本功能 光隔離器的基本功能是實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的正向傳輸 同時(shí)抑制反向光 即具有不可逆性 通常情況下 光在各向同性或各向異性介質(zhì)中的光路是可逆的 因此 光隔離器的設(shè)計(jì)必須考慮如何打破其可逆性 目前的解決方法是利用磁光材料對(duì)光偏振態(tài)調(diào)整的非互易性實(shí)現(xiàn)光的不可逆?zhèn)鬏?2 5 3 1光隔離器的分類 光隔離器的品種很多 按其內(nèi)部結(jié)構(gòu)可分為塊狀型 光纖型和波導(dǎo)型 塊狀型結(jié)構(gòu)屬分立元件結(jié)構(gòu) 是指在光路結(jié)構(gòu)中 通過(guò)自聚集透鏡 偏振器和法拉第旋轉(zhuǎn)器等分立元件 將光纖間接耦合起來(lái) 此類器件在技術(shù)上已經(jīng)成熟 現(xiàn)在市場(chǎng)上的隔離器基本上都采用這種結(jié)構(gòu) 其缺點(diǎn)在于所用光學(xué)元件多 體積相對(duì)較大 3 光纖型是指在隔離器的光路結(jié)構(gòu)中將光纖端面作適當(dāng)?shù)募庸?如拋光 鍍膜等 其他材料的元件則不介入或較少介入光路 其特點(diǎn)為體積小 重量輕 抗機(jī)械振動(dòng)性能好 然而此類器件要用到特種光纖 且加工精度要求高 工藝復(fù)雜 價(jià)格昂貴 雖有應(yīng)用于系統(tǒng)的例子 但其性能指標(biāo)離實(shí)用化還有一定的距離 4 波導(dǎo)型的光隔離器屬集成光學(xué)器件 采用擴(kuò)散有Ti的鈮酸鋰等襯底材料 經(jīng)沉積 光刻 擴(kuò)散等波導(dǎo)工藝 制成磁光波導(dǎo) 再與其他元件及單模光纖耦合 形成光隔離器 它體積小 重量輕 熱穩(wěn)定性和機(jī)械穩(wěn)定性好 但由于波導(dǎo)制作技術(shù) 光纖和波導(dǎo)間的耦合技術(shù)還不成熟 其性能指標(biāo)與實(shí)際應(yīng)用的要求還有很大差距 5 光隔離器按其外部結(jié)構(gòu)可分為尾纖型 連接器端口型 也稱在線安裝型 和微型化型 前兩種也稱為在線型 可直接插入光纖網(wǎng)絡(luò)中 微型化光隔離器則常用于半導(dǎo)體激光器及其他器件中 隔離器按其性能可分為偏振靈敏型 也稱偏振相關(guān) 和偏振無(wú)關(guān)型 一般情況下 偏振靈敏型的光隔離器常做成微型化的 偏振無(wú)關(guān)型光隔離器則常做成在線型的 6 偏振相關(guān)光隔離器的結(jié)構(gòu)包括空間型和光纖型 由于不論入射是否為偏振光 經(jīng)過(guò)這種光隔離器后的出射光均為線偏振光 因而稱之為偏振相關(guān)光隔離器 主要用于DFB激光器中 7 偏振無(wú)關(guān)光隔離器是一種對(duì)輸入光偏振態(tài)依賴性很小 典型值0 2dB 的光隔離器 一般來(lái)說(shuō) 偏振無(wú)關(guān)光隔離器的典型結(jié)構(gòu) 工作原理都更復(fù)雜一些 它采用有角度的分離光束的原理來(lái)制成 可起到偏振無(wú)關(guān)的目的 8 5 3 2光隔離器的應(yīng)用1 激光器 目前DFB激光器單縱模輸出已達(dá)數(shù)十納瓦 其工作波長(zhǎng)的漂移小于1埃 度 但在高頻直接調(diào)制下 仍然發(fā)生光譜展寬現(xiàn)象 這種光譜的啁啾對(duì)長(zhǎng)跨距高比特率的傳輸極為不利 為了減少回波引起的啁啾 必須在激光器中加入光隔離器 a 尾纖式激光器 b 蝶式激光 9 2 光纖放大器 在長(zhǎng)距離光通信系統(tǒng)中 需要大量使用光纖放大器 為了使光纖放大器工作穩(wěn)定 必須在放大器的兩端使用隔離器來(lái)消除回返光的影響 圖5 9為一種摻鉺光纖放大器框圖 10 在千兆比特率的越洋海底光纜中 需要用到超過(guò)50個(gè)帶光隔離器的光纖放大器 隔離器的性能指標(biāo)將直接影響放大器的增益和噪聲 設(shè)計(jì)時(shí)常要求光隔離器的回波損耗 隔離度分別在50dB和40dB以上 11 3 光纖CATV網(wǎng) 在光纖CATV網(wǎng)中傳播多路徑信號(hào)的時(shí)候 必須使用高線性 小畸變 大輸出功率和低噪聲的DFB激光器 光器件上還必須裝上光隔離器 以保證反射信號(hào)得到足夠的衰減 由于模擬信號(hào)抗干擾能力較數(shù)字信號(hào)差 所以對(duì)隔離器的隔離度要求更高 常采用雙級(jí)光隔離器 CATV CommunityAntennaTelevision 12 圖5 10所示為光隔離器在CATV中的應(yīng)用 13 5 3 3光隔離器的實(shí)現(xiàn)原理 1 旋光現(xiàn)象和法拉第效應(yīng)平面偏振光通過(guò)物質(zhì)后振動(dòng)面發(fā)生旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象叫作旋光現(xiàn)象 能夠使平面偏振光的振動(dòng)面發(fā)生旋轉(zhuǎn)的物質(zhì)叫作旋光性物質(zhì) 例如石英 使它的光軸垂直于表面切取 當(dāng)入射的平面偏振光在石英晶體內(nèi)沿光軸方向傳播時(shí) 線偏振光的振動(dòng)方向會(huì)隨著光線的行進(jìn)而發(fā)生偏轉(zhuǎn) 14 迎面觀察通過(guò)晶體的光 振動(dòng)面按順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)的稱為右旋 逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)的稱為左旋 光的傳播方向改變時(shí) 旋光的方向也改變 如果通過(guò)晶片的偏振光從鏡面反射回來(lái)再通過(guò)同一晶片 則振動(dòng)面就恢復(fù)到原來(lái)的方位 15 FaradayEffect 在強(qiáng)磁場(chǎng)的作用下 有些物質(zhì)的光學(xué)性質(zhì)會(huì)發(fā)生變化 這就是磁光效應(yīng) 當(dāng)平面偏振光沿外加磁場(chǎng)方向通過(guò)介質(zhì)時(shí)偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn) 這種性質(zhì)叫作磁致旋光性 這個(gè)現(xiàn)象叫法拉第效應(yīng) 16 法拉第效應(yīng)是最為人們所熟悉和最有用的磁光效應(yīng) 具有磁光效應(yīng)的晶體稱為磁光晶體 磁致旋轉(zhuǎn)也有右旋和左旋 對(duì)于每一種給定的物質(zhì) 磁致旋轉(zhuǎn)的方向僅由磁場(chǎng)方向決定 和光線的傳播方向無(wú)關(guān) 這是磁致旋轉(zhuǎn)和天然旋光現(xiàn)象不同的地方 17 沿著順光線方向和逆光線方向觀察 天然旋光現(xiàn)象中光的旋轉(zhuǎn)方向是相反的 平面偏振光若兩次通過(guò)天然旋光物質(zhì) 一次沿某一方向另一次沿相反方向 結(jié)果振動(dòng)面并不旋轉(zhuǎn) 偏振光沿相反的方向兩次通過(guò)磁旋光物質(zhì)時(shí) 其旋轉(zhuǎn)角加倍 18 由于磁致旋光性產(chǎn)生的振動(dòng)面旋轉(zhuǎn)與光線傳播方向無(wú)關(guān) 利用這一點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)光隔離器的非互易性 一個(gè)隔離體的構(gòu)成主要有 1 起偏器或偏振分束器 由偏振片或雙折射晶體構(gòu)成 實(shí)現(xiàn)由自然光得到偏振光 2 磁光晶體制成的法拉第旋轉(zhuǎn)器 完成對(duì)光偏振態(tài)的非互易調(diào)整 3 檢偏器或偏振合束器 實(shí)現(xiàn)將光線會(huì)聚平行出射 19 2 偏振相關(guān)光隔離器 偏振相關(guān)光隔離器的結(jié)構(gòu)包括空間型和全光纖型 不論入射光是否為偏振光 經(jīng)過(guò)這種光隔離器后的出射光均為線偏振光 空間型偏振相關(guān)光隔離器可直接用于帶尾纖激光器 二極管泵浦固體激光器 位置傳感器等器件的空間光路中 分為大型和微型兩種 20 大型器件以非飽和旋轉(zhuǎn)器為特點(diǎn) 典型尺寸為1in 英寸 2 539999918厘米 2in 4in等 用于YAG激光器中 而另一種基于飽和旋轉(zhuǎn)器的微型隔離器尺寸很小 如3mm 1 9mm 這種隔離器可用于半導(dǎo)體激光器中 整個(gè)隔離器包括兩個(gè)起偏 檢偏 器和一個(gè)法拉第旋轉(zhuǎn)器 21 圖5 11偏振相關(guān)光隔離器典型結(jié)構(gòu) 22 23 偏振器置于法拉第旋轉(zhuǎn)器前后兩邊 其透光軸方向彼此呈45 關(guān)系 當(dāng)入射平行光經(jīng)過(guò)第一個(gè)起偏器P1時(shí) 變成線偏振光 然后經(jīng)法拉第旋轉(zhuǎn)器 其偏振面被旋轉(zhuǎn)45 剛好與第二個(gè)檢偏器P2的透光軸方向一致 于是光信號(hào)順利通過(guò)而進(jìn)入光路中 反過(guò)來(lái) 由光路引起的反射光首先進(jìn)入第二個(gè)偏振器P2 變成與第一個(gè)偏振器P1的透光軸方向呈45 夾角的線偏振光 再經(jīng)過(guò)法拉第旋轉(zhuǎn)器時(shí) 由于法拉第旋轉(zhuǎn)器效應(yīng)的非互易性 被法拉第旋轉(zhuǎn)器繼續(xù)旋轉(zhuǎn)45 其偏振面與P1透光軸的夾角變成了90 即與起偏器P1的偏振方向正交 而不能通過(guò)起偏器P1 起到了反向隔離的作用 24 使用微型化光隔離器來(lái)制作器件時(shí) 通常通過(guò)柱透鏡或球透鏡 將來(lái)自半導(dǎo)體激光器的光信號(hào)經(jīng)隔離器耦合到光纖中 這里面 常需要將器件中的分立元件傾斜于基座放置 或?qū)⒏綦x器傾斜安裝 以提高整個(gè)器件的回波損耗 否則 光學(xué)元件自身將引起一定的反射 25 3 偏振無(wú)關(guān)光隔離器 偏振無(wú)關(guān)光隔離器是一種對(duì)輸入光偏振態(tài)依賴很小的光隔離器 與偏振相關(guān)光隔離器相比 由于其輸出不為偏振光 所以更具實(shí)用性 26 1 Walk off型光隔離器原理這種結(jié)構(gòu)的偏振無(wú)關(guān)光隔離器的典型結(jié)構(gòu)之一如圖5 12所示 隔離體部分由三個(gè)平行偏振分束器P1 P2 P3和一個(gè)45 法拉第旋轉(zhuǎn)器FR構(gòu)成 且P1 P2 P3的厚度滿足 27 式中 LP1 LP2 LP3分別為相應(yīng)偏振分束器的厚度 28 29 30 31 P1與P2的光軸夾角為45 P2與P3的光軸夾角為90 輸入光信號(hào)經(jīng)自聚焦透鏡準(zhǔn)直成平行光束 入射到P1 入射光被分解為o光和e光 o光不發(fā)生偏折 以原來(lái)的方向出射 e光走離 以兩束平行線偏振光出射 這兩束線偏振光進(jìn)入法拉第旋轉(zhuǎn)器FR 振動(dòng)面被順時(shí)針旋轉(zhuǎn)45 由于P2與P1的光軸方向相差45 所以P1中的o光和e光進(jìn)入P2后仍為o光和e光 e光進(jìn)一步走離 只是走離方向與P1中的走離方向不同 進(jìn)入P3后 由于P3與P2的光軸垂直 所以 P2中的o光和e光在P3中分別為e光和o光 P3中的e光走離 從P3出射時(shí) 兩束線偏振光重新會(huì)聚 平行出射 被聚焦透鏡耦合進(jìn)入輸出光纖 32 反向光入射時(shí) 經(jīng)過(guò)將入射光分解為兩束線偏振光 再經(jīng)P2 由于P2和P3的光軸垂直 兩束線偏振光分別在P3和P2中走離原來(lái)的方向 進(jìn)入FR 由于它的非互易性 它們的振動(dòng)面被順時(shí)針旋轉(zhuǎn)45 這樣 在P2中的o光和e光在P1中分別為e光和o光 e光進(jìn)一步走離 出射光分光距離進(jìn)一步增加 而不會(huì)會(huì)聚在一起 故不會(huì)被自聚焦透鏡耦合進(jìn)輸入光纖 從而實(shí)現(xiàn)反向隔離 33 這種結(jié)構(gòu)中的偏振器采用平面結(jié)構(gòu) 所以不會(huì)增加偏振相關(guān)損耗 但由于偏振元件的增加 體積較大 光路比較長(zhǎng) 因而制成的器件整體體積大 同時(shí)因?yàn)樵黾恿斯鈱W(xué)元件 所以帶來(lái)了插入損耗的增加和組裝工藝的困難 Walk off型結(jié)構(gòu)的偏振無(wú)關(guān)光隔離器的主要缺陷是由于采用平行平板型偏振分束器 其反向光的分光距離取決于雙折射晶體的厚度 如果分光距離有限 則反向光會(huì)重新耦合進(jìn)光纖 直接影響隔離度 34 2 Wedge型光隔離器原理 隔離體由兩個(gè)光軸夾角為45 的楔型雙折射晶體和一個(gè)法拉第旋轉(zhuǎn)器構(gòu)成 35 首先分析光信號(hào)正向傳輸?shù)那闆r 經(jīng)過(guò)自聚焦透鏡射出的準(zhǔn)直光束 進(jìn)入楔型雙折射晶體P1后被分為o光和e光 其偏振方向相互垂直 傳播方向呈一夾角 當(dāng)它們經(jīng)過(guò)45 法拉第旋轉(zhuǎn)器時(shí) 出射的o光和e光的偏振面各自順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)45 由于第二個(gè)楔型雙折射晶體P2的光軸相對(duì)于第一個(gè)晶體光軸正好呈45 夾角 所以o光和e光被P2折射到一起 合成兩束間距很小的平行光束 并被斜面透鏡耦合到光纖纖心里面 因而正向光以極小損耗通過(guò)隔離器 正向光傳播的示意圖如圖5 14所示 36 正向光傳播的示意圖如圖5 14所示 37 38 由于法拉第旋轉(zhuǎn)器的非互易性 當(dāng)光束反向傳輸時(shí) 首先經(jīng)過(guò)晶體P2 分為偏振面與P1晶軸成45 角的o光和e光 由于這兩束線偏振光經(jīng)過(guò)45 法拉第旋轉(zhuǎn)器時(shí) 振動(dòng)面的旋轉(zhuǎn)方向由磁感應(yīng)強(qiáng)度B確定 而不受光線傳播方向的影響 所以 振動(dòng)面仍順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)45 相對(duì)于第一個(gè)晶體P1的光軸共轉(zhuǎn)過(guò)了90 整個(gè)逆光路相當(dāng)于經(jīng)過(guò)了一個(gè)渥氏棱鏡 出射的兩束線偏振光被P1進(jìn)一步分開(kāi)一個(gè)較大的角度 被斜面透鏡偏折 不能耦合進(jìn)光纖纖芯 從而達(dá)到反向隔離的目的 39 反向光傳播的示意圖如圖5 15所示 40 41 42 這種類型的光隔離器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 元件數(shù)目少 整