第六章 晶體光學器件

1、.第6章 晶體光學器件雙折射晶體在光無源器件中有著廣泛的應用，可以制成光隔離器、光環(huán)行器、偏振 光合束器和光學梳狀濾波器等多種光器件。光學梳狀濾波器同時隸屬波分復用器件的范 疇，將在第七章介紹。本章重點介紹基于雙折射晶體的光隔離器、光環(huán)行器和偏振光合 束器。6.1 晶體光學基礎光無源器件中常用的雙折射晶體一般是單軸的，此處從應用的角度，先對單軸晶體 的光學特性作一些簡單的介紹。6.1.1 單軸晶體中的雙折射現象在各向同性介質中，光能量的傳播方向（即光線方向 s）與光波的傳播方向（即波 法線方向 k）總是保持一致的。而在各向異性的雙折射晶體中，存在兩種光波：一種是尋常光（o 光），其光線方向與波

2、法線方向保持一致；另一種是非尋常光（e 光），其光 線方向偏離波法線方向。一般情況下，o 光與 e 光在雙折射晶體中的折射率不一樣，因 此傳播速度也不相同。在雙折射晶體中，存在一些特殊的方向，沿此方向傳輸的光波，o 光與 e 光的光線 完全重合，并且傳播速度也完全相同，或者說只有 o 光而沒有 e 光，這些特殊方向稱為 晶體的光軸。單軸晶體只存在一個光軸，其折射率橢球如圖 6.1 所示，o 光折射率小于 e 光折射 率的晶體稱為正單軸晶體，其折射率橢球為橄欖狀的長橢球形；o 光折射率大于 e 光折 射率的晶體稱為負單軸晶體，其折射率橢球為飛碟狀的扁橢球形。精品.圖 6.1 單軸晶體的折射率橢球

3、折射率橢球的物理意義可由圖 6.2 解釋，圖中所示為正單軸晶體，o 光和 e 光的波 法線分別為 k 和 k ，過原點并垂直波法線作折射率橢球之截面，對 o 光和 e 光各得到o e一個橢圓形截面，每個橢圓均有長軸和短軸兩條軸線，對 o 光取位于水平面內的軸線長 度 n 為其折射率，對 e 光則取非位于水平面內的軸線長度 n 為其折射率。o 2圖 6.2 正單軸晶體中的光波與折射率如圖 6.2 所示，當波法線與光軸方向一致時，所得截面是一個位于水平面內的圓形，精品.只有一個軸線長度精品2e.n ，因此只有 o 光而沒有 e 光。當波法線垂直光軸時，所得截面是一個位于豎直平 o面內的橢圓，長軸和

4、短軸分別為 n 和 n ，因此 o 光和 e 光的光線在空間上仍然重合，e o但是傳播速度不同，產生位相差。一般情況下，波法線與光軸成夾角 ，所得橢圓截面的長軸和短軸分別為 n 和 n ，o 光波法線 k 與 e 光波法線 k 分開一定角度，o 光的光2 o o e線 s 與波法線 k 方向一致，e 光的光線 s 與波法線 k 之間存在離散角 。在正單軸晶 o o e e體中，e 光的光線比波法線更靠近光軸，而負單軸晶體中的情況正好相反。o 光與 e 光波法線之間的夾角取決于入射光波在晶體界面上的折射情況，而 e 光的 折射率 n 和離散角 均取決于其波法線 k 與光軸的夾角 ，如式（6.1）

5、和式（6.2）。e en =2nnoon 2 sin 2 q+n 2 cos 2 o eq（6.1）tana =1 -nn2 o tan qn 21 + o tann 2e2q（6.2）在正單軸晶體中，n 0，表示 e 光的光線比波法線更遠離o e光軸方向；在負單軸晶體中，0，表示 e 光的光線比波法線更靠近光軸方向。雙折射晶體中，e 光的折射率與其傳播方向有關，因此傳播速度也與方向相關。根 據圖 6.1 中的折射率橢球，可以繪制相應的波面橢球，如圖 6.3 所示。波面代表光波的 等相位面，o 光與 e 光的波面橢球在光軸方向內切，正單軸晶體的 e 光波面橢球內切于 o 光波面橢球，表示 e

6、光傳播速度慢于 o 光，負單軸晶體反之。精品.圖 6.3 單軸晶體中的波面圖 6.4 中以惠更斯作圖法繪出了光在空氣單軸晶體界面上的各種折射情況，圖中 的半圓和半橢圓分別代表 o 光和 e 光的波面。當光軸垂直于界面且光波正入射時，只有 o 光。當光軸與界面平行且光波垂直入射時，出現 o 光和 e 光兩種光波，二者傳播方向 保持一致，而傳播速度不同，產生相位差。當光軸與界面法線成任意角度 且光波垂 直入射時，e 光的波法線仍與 o 光波法線重合，但是 e 光的光線出現離散角 。一般情 況是，光軸與界面法線成任意角度 且光波斜入射，此時 e 光波法線偏離 o 光波法線， 并且 e 光的光線與波法

7、線存在離散角 。精品.圖 6.4 正單軸晶體中的光折射在各向同性介質中，光線方向總是與波法線一致，因此可以直接以折反射定律來分 析光線的傳播情況。在各向異性的雙折射晶體中，e 光的波法線遵守折反射定律，而光 線不再遵守此定律，因此必須先通過折反射定律得到 e 光的波法線方向，再根據離散角 得到光線方向，最終得到的光線與光軸夾角為 +，注意當 n n 時 n 時o e o e0。斜入射情況下，e 光波法線偏離 o 光波法線，這是因為二者折射率不同，造成折射 角不同。6.1.2 半波片當波矢垂直光軸傳輸時，如圖 6.4 中的第二種情況，o 光與 e 光在空間上沒有發(fā)生 分離，但是傳播速度不一樣，產

8、生相位差，如式（6.3）。利用單軸晶體的這個特性，可 以制成波片，如圖 6.5 所示，晶體的光軸平行于表面。d=2pln -n do e（6.3）圖 6.5 雙折射晶體波片o 光偏振方向垂直于光軸，e 光偏振方向平行于光軸，二者在波片中的傳播速度不 同。習慣上在波片上定義快軸和慢軸兩個方向，偏振方向沿快軸的光束傳播速度較快， 而偏振方向沿慢軸的光束傳播速度較慢。在正單軸晶體制成波片中，o 光比 e 光傳播速 度快，因此快軸沿光軸的正交方向；在負單軸晶體制成的波片中，快軸沿光軸方向。精品.快軸與 x 軸成 角，產生位相差為 的波片，其傳輸矩陣如式（6.4）。t =cosd2d d 1 - j t

9、an cos 2a -j tan2 2d d -j tan sin 2a 1 + j tan2 2sin 2acos 2a（6.4）當光程差 d=( m +1/ 2) 陣如式（6.5）。l，即相位差 d=(2 m +1)p時，我們稱之為半波片，傳輸矩t =cos 2asin 2asin 2a-cos 2a（6.5）偏振方向與 x 軸成 角的線偏振光，可用瓊斯矢量描述，如式（6.6），它與半波 片快軸所成角度為 -。e =cos jsin j（6.6）通過半波片之后，其瓊斯矢量變化如式（6.7）。e=t e =cos(2a-j sin (2a-j)（6.7）瓊斯矢量（6.7）所代表的仍然是一束線

10、偏振光，其偏振方向與 x 軸成 2- 角， 它與半波片快軸所成角度為 -，與入射線偏振光對稱分布于快軸的兩側，如圖 6.6 所示。精品.圖 6.6 線偏振光通過半波片前后的偏振態(tài)從以上那個分析可知，當入射線偏振光的偏振方向與波片快軸夾角為 時，通過 之后，偏振方向旋轉 2 角度，對稱變換到快軸的另一側，如圖 6.7 所示。圖 6.7 半波片的旋光功能6.1.3 旋光片+半波片線偏振光通過某些介質時，其偏振方向發(fā)生偏轉，并且偏轉角度隨傳播距離的增加 而增加，這些介質被稱為旋光介質。在強磁場的作用下，有些本來不具有旋光特性的介 質，也能產生旋光作用，稱為磁致旋光效應或者法拉第效應。單位長度介質長生

11、的旋光 角度，稱為這種物質的旋光本領，或者旋光系數。自然界的天然物質，其旋光本領非常 有限，往往需要很長的介質才能產生所需的旋光角度，而人工旋光材料可以獲得大得多 的旋光系數，得到廣泛應用。磁致旋光有一個特點，就是在磁場方向確定的情況下，無論光波沿正向還是反向通 過旋光材料，其光矢量（即偏振方向）的旋轉方向是不變的，這種特性被稱為非互易性。光通信器件中常用的是 45 角法拉第旋光片，在光環(huán)形器中，往往將一個旋光片與 一個半波片配合使用，如圖 6.8 所示。水平偏振的正向光首先通過旋光片，光矢量順時 針旋轉 45，與半波片的快軸成 22.5 夾角，通過半波片之后，光矢量再順時針旋轉 45， 成為

12、豎直偏振光。豎直偏振的反向光首先通過旋光片，光矢量逆時針旋轉 45，通過旋 光片時再順時針旋轉 45，出射時仍為豎直偏振光。精品.圖 6.8 旋光片+半波片的旋光功能因此，“旋光片+半波片”結構的作用是，對正向光的偏振方向旋轉 90，對反向光 的偏振方向無影響。6.1.4 位移晶體位移晶體是光通信器件中常用的一種光學原件，其功能是將一束自然光或者隨機偏 振光，分成相互平行且偏振方向正交的兩束光。位移晶體通常以單軸晶體制作，外形為 長方體，光軸方向與入射面法線成角度 ，如圖 6.9 所示。圖中光波為正入射，對應 圖 6.4 中的第三種情況，e 光波法線與 o 光波法線方向一致，而 e 光光線以離

13、散角 偏離。圖 6.9 位移晶體結構晶體長度 l 與兩束光分開距離 d 的比值，是評價位移晶體分光能力的重要指標，分 光能力取決于離散角 ，如式（6.8）。l : d =1: tan a（6.8）由式（6.2）經過簡單的數學處理得到，當 e 光的波法線與光軸夾角 滿足式（6.9） 時，離散角達到最大值，如式（6.10）。qcn=arctan eno（精品 .6.9）amax=arctan1 n 2 neo-nnoe（6.10）由式（6.10）可知，o 光與 e 光折射率差越大的晶體，其發(fā)散角越大。位移晶體常 用的材料是釩酸釔（ yvo ），它是一種正單軸晶體，對應 1.55m 波長的折射率為4

14、n =1.9447，n =2.1486，折射率差為 n=0.2039。將 yvo 的折射率參數代入式（6.8-6.10） o e 4和式（6.1），得到當 =47.85 時，n =2.0492， =5.7，ld=101，這是 yvo 晶體c 2 max 4能達到的最大分光能力。在光環(huán)形器和光學梳狀濾波器等器件中，常常將兩個位移晶體配對使用，如圖 6.10 所示，第一個位移晶體將入射的隨機偏振光分成 p 光和 s 光，經過其他光學元件的處理 之后，完成某種器件功能，再由第二個位移晶體重新合為一束輸出，注意其他光學元件 中包含 o 光e 光和 e 光o 光的變換功能。圖 6.10 兩個位移晶體配對

15、使用情況我們注意到，圖 6.10 中的光路并不對稱，輸入輸出光束不在元件的中軸線上，這 個器件封裝帶來困難。我們可以對位移晶體進行改進，如圖 6.11 所示，晶體的輸入輸 出端面為相互平行的斜面，斜面角度為 。圖 6.11 改進的位移晶體結構精品.水平入射的光束經前端面折射之后，o 光和 e 光的光線對稱分開，經后端面折射之 后，恢復到水平方向。為了將 o 光和 e 光的光線對稱分開，斜角 需特別設計，由于 一般較小，我們可以用近軸光線作近似分析。經過前端面的折射之后，o 光和 e 光波 法線方向（與水平線的夾角）分別如式（ 6.11 ）和式（ 6.12），考慮到離散角 ，emax光的光線方向

16、如式（6.13），o 光和 e 光的光線對稱分開，即 r =r ，得到晶體端面斜角os es 如式（6.14）。r =r ( n -1)g / n ok es oo（6.11）r ( n -1)g ek 2/ n2（6.12）r aesmax-( n -1)g2/ n2（6.13）gamax2 -1/ n -1/ no2（6.14）以 yvo 晶體為例，根據式（ 6.11-6.14）得到端面斜角為 =5.71，光軸方向為 4= -r =44.93，晶體長度 l 則根據分光距離 d 按照 l c ekd=101 來確定。兩個改進的位移晶體配對使用情況如圖 6.12 所示，光路完全對稱，輸入輸出光

17、束 均位于元件的中軸線上。圖 6.12 兩個改進的位移晶體配對使用情況需要注意的是，式（6.2）和式（6.10）計算的離散角，指的是 e 光的光線與波法 線之間的夾角。而在實際應用中，關心的是 e 光光線與 o 光光線之間的夾角。在圖 6.9 所示的位移晶體中，二者是一致的；而在圖 6.11 所示的改進型位移晶體中，由于 e 光 波法線與 o 光波法線的分離，二者產生差異；當端面斜角精品. 較小時，二者差異不大。6.1.5 wollaston 棱鏡wollaston 棱鏡在光通信器件領域通常被稱為 wedge 對，它由兩個光軸相互垂直的 雙折射楔角片膠合而成，可以將一束自然光或者隨機偏振光，分

18、成偏振方向正交的兩束 光，兩束光成一定夾角，如圖 6.13 所示。wollaston 棱鏡分光的原理是在兩個楔角片 的界面發(fā)生折射時，兩束光的偏振態(tài)變化分別為 o 光e 光和 e 光o 光，相應的折射 率變化分別為 n n 和 n n ，入射角相同而折射角不同。輸出的兩束光夾角為2 f ，當o e e o楔角片的斜角 較小時，可以用式（6.15）來近似。farcsin n -n tano ej（6.15）圖 6.13 wollaston 棱鏡wollaston 棱鏡可以和雙光纖準直器進行匹配，將雙光纖準直器輸出的兩束成一定 夾角的正交線偏振光，變成平行光輸出，如圖 6.14 所示，這種匹配耦合

19、結構在光環(huán)形 器和偏振光合束器中有重要的應用。精品.圖 6.14 wollaston 棱鏡與雙光纖準直器的匹配耦合wollaston 棱鏡還有一種變型結構，將兩個楔角片分別旋轉 180，再將直角面膠合 在一起，如圖 6.15 所示。這種變型結構同樣可以實現分光功能能夠，只是光路的對稱 性稍差。該結構在光隔離器中有重要應用。圖 6.15 wollaston 棱鏡的變型6.1.6 位移型 wedge 對wollaston 棱鏡與位移晶體配合使用，可以將兩束成一定夾角的正交偏振光合成一 束，如圖 6.16 所示，該結構左側以一個雙光纖準直器輸入，右側以一個單光纖準直器 輸出，即構成一個偏振光合束器。

20、圖 6.16 wollaston 棱鏡與位移晶體配合使用情況圖 6.16 所示結構中，兩束輸入光相對于輸出光并不對稱，兩端用于耦合的準直器 需作偏心設計，這給光路調試和器件封裝帶來麻煩。我們注意到，圖 6.16 中的第二個楔角片和位移晶體的光軸位于同一平面內，如果 將二者合并為一個位移型楔角片，如圖 6.17 所示，兩楔角片的光軸仍然相互垂直，光 波在二者界面上發(fā)生 o 光e 光或者 e 光o 光的轉換，因此該結構仍具有 wollaston 棱鏡的功能，可對兩束正交偏振態(tài)的線偏振光進行偏轉。由于在第二個楔角片中發(fā)生 o精品.光與 e 光的離散，該結構同時具有精品.位移晶體的功能，因此稱之為位移

21、型 wedge 對。位移型 wedge 對可以完全代替圖 6.16 中的 wollaston 棱鏡與位移晶體匹配結構， 但是仍然沒有解決光路對稱問題。圖 6.17 位移型 wedge 對我們注意到，圖 6.17 中的位移型 wedge 對，其輸入輸出端面均為直角面，如果將 二者改為斜面，則增加了兩個自由參數，有望設計出對稱的光路。由于兩個楔角片光軸 相互垂直的基本結構沒有改變，這種改進的位移型 wedge 對仍具有 wollaston 棱鏡的特 性。改進的位移型 wedge 對結構如圖 6.18 所示，待設計的元件參數有輸入輸出端面斜 角 和 ，中間界面斜角 ，兩楔角片薄端厚度 d 和 d ，

22、寬度 w 和第二個楔角片的1 2光軸方向 （為了獲得最大離散角 ，光軸與 e 光波法線夾角應為 ）。設計目標max c是使角度 f =f =f（ f 1 2 cc為雙光纖準直器輸出光夾角之半）以便與雙光纖準直器匹配，使高度 h =h 以保證兩束光交點 q 位于軸線上，兩光束交叉點 q 的位置 l 則需要根據實 1 2 c際的器件要求來確定。圖 6.18 改進的位移型 wedge 對精品121.圖 6.18 中的參數需要通過從右至左的精確光線追跡來確定，由于 、 均為 小角度，我們可以通過近軸光線追跡，得到目標參數f、f 、h 、h 、l 與元件參數 、1 2 c、d 、d 之間的近似關系如式（

23、6.16-6.21）。1 2f -(n -1)a +( n -n )j+( n -1)g 1 o 2 o 2f ( n -1)a +( n -n )j-( n -1)g 2 e e o of +f ( n -n )(j+a)+( n -n )(j+g 1 2 e o 2 o)（6.16）（6.17）（6.18）h d a1 2max-( n -1)( d +d )g e 1 2/ ne（6.19）h ( n -1)( d +d )g 2 o 1 2/ no（6.20）l cd a2 max( n -n )(j+a)+(n -n )(j+g e o 2 o)（6.21）各元件參數與目標參數之間相

24、互交叉影響，關系非常復雜，我們仍然可以從中找到 某些規(guī)律，對精確光線追跡過程起指導作用。從式（6.19-6.20）可以看到，高度 h 和 h 之間的漲落關系取決于角度 ，也就是1 2說，可以通過調整 使 h =h 。1 2從式（6.16-6.17）可以看到，角度 f和 f 之間的漲落關系取決于角度 和 ，1 2由于調整 會同時影響 h 和 h ，因此可以通過調整 使 f =1 2f 。2從式（6.18）可以看到，兩束光夾角 f +f受角度 影響最大，可以通過調整 1 2來使 f +f與雙光纖準直器的輸出光夾角 2f 1 2c匹配。從式（6.21）可以看到，在角度 、 確定的情況下，交叉點 q

25、的位置 l 取c決于第二個楔角片的厚度 d ，因此可以通過調整 d 來得到需要的 l 。式（6.19-6.20）2 2 c顯示 h 和 h 與 d 相關，實際上，h 和 h 之間的漲落關系主要取決于 ，調整 d 只會影1 2 2 1 2 2響其和值 h +h 。1 2精品1212.根據以上分析，在精確光線追跡過程中，可以遵循以下步驟：1) 參數初值設定：角度 =0、=0、 j =2f /( n +n -2 n ) （當 =0、=0 時，c e 2 o根據式（6.18）得到），在便于操作的前提下，楔角片厚度 d 應取盡量小的值， d 取比1 2d 稍大的任意值，比如取 d =0.2mm，d =0

26、.3mm；通過精確的光線追跡，計算參數f 、f 、 1 1 2h 、h 、l 。1 2 c2) 調整 ，使 h =h ，調整時 的取值范圍可參考式（6.19-6.20）。1 23) 調整 ，使 f =f ，調整時 的取值范圍可參考式（6.16-6.17）。1 24) 調整 ，使 f +f =2f ，調整時 的取值范圍可參考式（6.18）。1 2 c5) 調整 d ，使 l 等于實際器件要求的值，調整時 d 的取值范圍可參考式（6.21）。2 c 2由于參數之間的交叉影響，在后續(xù)的元件參數調整過程中，前面得到的目標參數往 往隨之改變。以最后一步得到的元件參數作為初值，按照以上步驟進行循環(huán)設計，就

27、會 越來越接近目標參數。一般經過 23 次循環(huán)設計，就可以達到設計目標。確定元件參數 、d 、d 之后，就可以根據光線追跡過程中得到的 e 光波1 2法線方向和最大離散角條件，計算第二個楔角片的光軸方向 。列舉一組設計實例，元件參數：=4.58、=7.04、=5.16、d =0.2mm、d =2.8mm、1 2w=1mm、=45.21，得到目標參數：f =f =1.84 o、l =4.2mm（h =h 為設計過程中的限c 1 2制條件，其具體值不是我們的設計目標）。位移型 wedge 對在光環(huán)形器和偏振光合束器等器件中有重要的應用。以上介紹了晶體光學的基礎知識，以及晶體光學器件中常用的元件，以

28、此為基礎， 下面開始介紹各種晶體光學器件的工作原理、器件結構和設計方法。6.2 光隔離器光隔離器分偏振相關型和偏振無關型兩種，前者以偏振片和法拉第旋光片制作，后 者以雙折射晶體和法拉第旋光片制作。偏振相關型光隔離器中沒有用到雙折射晶體，從 本書的結構考慮，仍然放在此處介紹。精品.6.2.1 偏振相關型光隔離器偏振相關型光隔離器的輸入輸出端均無光纖耦合，光束完全在自由空間傳輸，因此 又稱為自由空間型（freespace）光隔離器。1)偏振相關型單級光隔離器偏振相關型光隔離器的結構如圖 6.19 所示，它由兩個偏振片、一個法拉第旋光片和一個磁環(huán)構成，兩個偏振片的透光軸成 45夾角，旋光片和磁環(huán)構成

29、一個非互易結 構，無論正向還是反向偏振光通過時，光矢量均順時針旋轉 45（從左往右看）。正向 入射光的光矢量與偏振片 1 的透光軸方向平行，順時針旋轉 45之后，與偏振片 2 的 透光軸方向平行，順利通過；反向入射光的光矢量與偏振片 2 的透光軸平行，順時針旋 轉 45之后，與偏振片 1 的透光軸方向垂直，因此被隔離。圖 6.19 偏振相關型光隔離器結構如果一個偏振片的透光軸與邊緣平行，另一個與邊緣成 45角，則需要加工兩種規(guī) 格的偏振片，而在圖 6.19 中，兩個偏振片的透光軸均與其邊緣成 22.5角，這樣就只 需要加工一種規(guī)格的偏振片，兩片背對背排列，透光軸之間的夾角就是 45。減少元件

30、的規(guī)格種類，可以給器件的生產管理帶來便利，在器件的設計階段中，要盡量給予考慮。偏振相關型光隔離器一般應用于對穩(wěn)定性要求極高的 dwdm 光源（dfb 或者 dbr 型 半導體激光器）中，以減小光纖系統中的反射光對光源的干擾。由于這些光源發(fā)出的光精品.具有極高的線偏振度，因此可以采用這種成本相對低廉的偏振相關型光隔離器。 偏振片和旋光片均傾斜放置，這是為了防止其表面反射光（表面均鍍增透膜，但是仍然存在 0.1%0.2%的反射）回到光源中，影響光源的穩(wěn)定性。一般傾斜 4角，即可 滿足對回波損耗的要求。2)偏振相關型雙級光隔離器受限于材料的消光比，單級光隔離器的峰值隔離度在 40db 左右，在中心波

31、長15nm的帶寬內，隔離度在 30db 左右。在某些應用場合，要求更高的隔離度，可以采用雙級 光隔離器，峰值隔離度可達到 55db 以上，在中心波長15nm 的帶寬內，隔離度可達到 45db 以上。偏振相關型雙級光隔離器的結構如圖 6.20 所示，它由三個偏振片、兩個法拉第旋 光片、一個元件支架和一個磁環(huán)構成，元件支架一般采用金屬材料，通過線切割工藝制 作，偏振片和旋光片以一定的傾斜角度排放其中并以膠水固定，再一起塞入磁環(huán)之中。 圖中同時示出了正向光和反向光的偏振態(tài)變化情況，需要特別說明的是反向光路，入射 在偏振片 p 上的光波，其光矢量與 p 的透光軸正交，因此被隔離，考慮到材料的消光2 2

32、比，仍然有少部分的漏光沿 p 的透光軸方向通過，通過旋光片 r 之后，其光矢量與偏2 1振片 p 的透光軸正交，被再次隔離，因此隔離度較單級光隔離器大大提高。13)圖 6.20 偏振相關型雙級光隔離器結構偏振相關型光隔離器的隔離度分析精品rpsin fcos f sin 2 fp.隔離度是光隔離器的最重要指標，主要受裝配誤差和材料的消光比影響，裝配誤差 會造成偏振片透光軸之間的夾角偏離 45，降低隔離度，但是可以通過適當的檢測和調 試工藝使之最小化。材料消光比則決定了光隔離器能達到的最高隔離度，并且單級和雙 級光隔離器的制約因素稍有相同，下面分別進行分析。一束線偏振光入射在法拉第旋光晶體上，絕

33、大部分光的光矢量將被旋轉 角，但是由于旋光晶體的雙折射效應和二向色性等因素，總會有少部分光的光矢量位于其正交 方向，這兩部分光功率之比為法拉第旋光晶體的對比度 d ，以對數表示為消光比 e 。比r r如消光比為 40db 的旋光片，對比度為 100001?？紤]旋光晶體的消光比，法拉第旋光 片的功能可以用瓊斯矩陣描述，如式（6.22）。r =cos qsin q-sin q+dcos q rsin q-cos qcos qsin q（6.22）其中 d 為場的對比度， d = d rr2， e =-10 lg d 。r r偏振片的功能是，理論上，只有光矢量平行于其透光軸的光波能夠通過，光矢量與

34、透光軸正交的光波被阻止。而實際上，由于材料的消光比有限，光矢量與透光軸正交的 光波并不能完全被阻止，仍有少量通過。比如消光比為 50db 的偏振片，兩部分光功率 之比為 1000001?？紤]材料的消光比，偏振片的功能可以用瓊斯矩陣描述，如式 （6.23）。cos 2 f sin fcos f p = +d sin-sin2 ffcosf-sin fcos f cos 2 f（6.23）其中 f 為透光軸與橫坐標的夾角，d 為場的對比度， d = dpp2， e =-10 lg d 。p p對于單級光隔離器，反向入射光的光矢量與偏振片 2 的透光軸平行，可用瓊斯矩陣 描述，如式（6.24）。e

35、=incos f2sin f2（6.24）反向光依次通過偏振片 2、旋光片和偏振片 1，輸出光的瓊斯矢量如式（6.25），光 強度如式（6.26）。精品112inr.eoutcos f=p rp e =d +dsin f1pcos(f -90 o) 1sin(f -90 o) 1（6.25）iout= eout2=d +drp（6.26）法拉第旋光片的消光比一般 40db ，典型值在 45db 左右；偏振片的消光比一 般50db，典型值在 55db 左右。因此從式（6.26）可以看出，單級光隔離器的隔離度主 要受限于法拉第旋光片的消光比。對于雙級光隔離器，反向入射光的光矢量與偏振片 3 的透光

36、軸平行，可用瓊斯矩陣 描述，如式（6.27）。e =incos f3sin f3（6.27）反向光依次通過偏振片 3、旋光片 2、偏振片 2、旋光片 1 和偏振片 1，輸出光的瓊 斯矢量如式（6.28），光強度如式（6.29）。eout=p r p r p e1 1 2 2 3in=-dp01+d2r01-d drp10-d dr2p10（6.28）iout= eout2=d +dp2r+d d +d d r p r2p（6.29）取法拉第旋光片的消光比為 e =45db，則對比度為 d =10r r-4.5，可視為一階小量；偏振片的消光比為 e =55db，則對比度為 d =10p p-5.

37、5，亦可視為一階小量。式（6.29）中的第一項為一階小量，第二和第三項為二階小量，第三項為三階小量，隔離度主要受一階小量 的影響，其他三項可以忽略。由此可知，雙級光隔離器的隔離度主要受限于偏振片的消 光比，如果偏振片的消光比為 55db，則隔離度最高只能達到 55db，而不是單級光隔離 器的兩倍。以上結論也可以直觀的解釋，式（6.29）中的第一項反向泄漏光，其光矢量變化如 圖 6.21 所示（圖中未考慮元件的插入損耗），除偏振片 p 提供一道屏障之外，其他元2件均順利通過，因此精品.其功率為 d p 。 p in圖 6.21 從偏振片透光軸正交方向通過的反向泄漏光需要說明的是，在以上矩陣運算過

38、程中，我們沒有把式（6.25）和式（6.28）中所 得到的列向量合并，而是先計算出每個列向量的模平方再相加，從而得到輸出光強。對 此的物理解釋是，各列向量分別代表一束線偏振光，這些線偏振光在空間上重疊但相位 不同，如果合并之后再計算模平方，表示考慮了各束光的偏振干涉，而我們在處理過程 中并沒有考慮各束光之間的相位關系，不能直接相加。6.2.2 偏振無關型光隔離器在大部分應用場合，要求光隔離器能夠讓任意偏振態(tài)的正向光通過，而反向光被隔 離，也就是說，光隔離器的插入損耗應該是偏振無關的。1)位移型偏振無關光隔離器光隔離器是利用線偏振光的光矢量在旋光材料中的非互易變化來工作的，因此偏振元件和旋光元件

39、是光隔離器中的兩個必要組成部分。偏振片會對與其透光軸不平行的光 波產生原理性的損耗，使光隔離器的插入損耗與入射光偏振態(tài)相關。最早的偏振無關型 光隔離器以位移型雙折射晶體作為偏振元件，以“旋光片+半波片”結構作為旋光元件， 如圖 6.22 所示。位移晶體相當于具有兩個透光軸的偏振片，因此不會對正向光產生原 理性的損耗。精品.圖 6.22 基于位移晶體的偏振無關型光隔離器在 6.1.3 部分提到，“旋光片+半波片”結構對正向光的光矢量旋轉 90，而對反向 光的光矢量無影響。因此在圖 6.22 所示的光隔離器中，正向光的偏振態(tài)變化為 o 光e 光和 e 光o 光，輸出準直器在相應位置接收；反向光的偏

40、振態(tài)變化為 o 光o 光和 e 光e 光，偏離輸入準直器的接收位置，因此被隔離。這種光隔離器是利用反向光的橫向位移來實現隔離的，從圖 2.7 中可以看到，光纖 準直器的耦合損耗對橫向位移不敏感，要實現 40db 的隔離度，橫向位移須大于 0.6mm， 而根據 6.1.4 部分的分析結論，如果采用 yvo 晶體，要實現 0.6mm 的橫向位移，晶體4長度須大于 6mm。因此這種光隔離器方案有兩個明顯的缺點，其一是輸入輸出準直器的 軸線不重合，錯位量大于 0.6mm，不利于器件封裝；其二是 yvo 晶體材料昂貴，造成器4件成本太高。2)wedge 型偏振無關光隔離器從圖 2.9 可以看到，光纖準直

41、器的耦合損耗對角向失配非常敏感，0.5 的角向失配可引起 55db 的耦合損耗。因此如果通過偏角來隔離反向光，其效果遠勝于位移型光 隔離器。目前的光隔離器都是采用圖 6.23 所示結構，它由兩個光纖準直器和一個隔離器型 構成，隔離器芯結構如圖 6.24 所示，由兩個雙折射楔角片、一個法拉第旋光片和一個 磁環(huán)構成，兩個楔角片的光軸夾角為 45，旋光片的旋光角也是 45。精品.圖 6.23 基于雙折射楔角片的偏振無關型光隔離器圖 6.24 基于雙折射楔角片的光隔離器芯正向光在隔離器型中的偏振態(tài)變化為 o 光o 光和 e 光e 光，因此整個隔離器芯 對其相當于一個平行平板，光束發(fā)生一定的橫向位移，方

42、向不變，被輸出準直器接收。 反向光的偏振態(tài)變化為 o 光e 光和 e 光o 光，整個隔離器芯對其相當于一個變型的 wollaston 棱鏡，兩束光分別向上和向下偏移，因此不能耦合到輸入準直器中，達到隔 離效果。圖 6.24 中的兩個楔角片，光軸與邊緣的夾角為 22.5，這樣就只要加工一種規(guī)格 的楔角片，裝配時只需相對翻轉 180 即可。兩個楔角片均斜面朝外如一個變型的 wollaston 棱鏡，而非直角面朝外如一個 wollaston 棱鏡（這樣正向光就不會產生橫移 了），這是為了避免直角面反射光對隔離度的影響。由于不需要較大的折射率差來實現光束的橫移，wedge 型光隔離器可以采用價格相 對

43、低廉的 linbo 晶體，這是一種負單軸晶體，對應 1.55m 的折射率分別為 n =2.21123 o和 n =2.1381，折射率差為 n=0.0731，大約為 yvo 晶體的 1/3。楔角片的斜角一般為 e 413，根據式（ 6.15）得到反向光偏角為 f0.95 o，這個偏角使輸入準直器接收時的耦精品.合損耗超過 100db，因此制約 wedge 型光隔離器的隔離度的因素是旋光片的消光比，與 偏振相關型單級光隔離器類似。精品3).wedge 型雙級光隔離器為適應某些對隔離度要求極高的應用場合， wedge 型光隔離器也可以做成雙級結構，常用的方案是，將兩個單級隔離器芯置于一個磁環(huán)中，二

44、者相對旋轉 45，如圖 6.25 所示。第一個隔離器芯中的偏振片 2 與第二個隔離器芯中的偏振片 1，二者光軸相互垂 直，因此正向光在四個楔角片中的偏振態(tài)變化為 o 光o 光e 光e 光和 e 光e 光o 光o 光，也就是說，正向光在兩級之間實現了 o 光e 光和 e 光o 光的切換，偏振 模色散（polarization mode dispersion，pmd）相互補償。圖 6.25 雙級光隔離器方案一反向光偏角jdsu 公司提出了另外一種雙級光隔離器方案，如圖 6.26 所示，四個楔角片整齊排 列，其光軸方向如圖 6.27 所示。正向光在四個楔角片中的偏振態(tài)變化為 o 光o 光e 光e 光

45、和 e 光e 光o 光o 光，兩級之間的 pmd 相互補償；反向光的偏振態(tài)為 o 光e 光o 光e 光和 e 光o 光e 光o 光，偏離角度為單級光隔離器的兩倍。精品.圖 6.26 雙級光隔離器方案二圖 6.27 楔角片光軸方向上述第二種方案，對裝配精度要求非常高，特別是楔角片 p 與 p 的光軸須嚴格相2 3互垂直，容差只有 900.1（稍后的隔離度分析部分將會給出理論依據），否則其隔 離度將明顯降低，甚至低于單級光隔離器。這樣的裝配精度在實際的生產工藝中，特別 是批量生產工藝中，中很難做到。針對第二種方案工藝容差過小的缺點，圖 6.28 所示的第三種方案中提出了改進措 施，就是兩級隔離器芯

46、中的楔角片采用不同的楔角（ ），而各楔角片的光軸方向1 2仍與第二種方案相同，如圖 6.27 所示。該方案使裝配容差大大提高，稍后的隔離度分 析部分將會給出理論依據。精品.4)圖 6.28 雙級光隔離器方案三wedge 型光隔離器的隔離度分析wedge 型單級光隔離器中，在第一個楔角片中以 o 光（e 光）傳輸的光束，在第二個楔角片中以 o 光（e 光）傳輸的分量（根據馬呂斯定律分解），相當于通過了一個平 行平板，光束的傳輸方向不變，順利耦合到接收光纖準直器中；在第二個楔角片中以 e 光（o 光）傳輸的分量，相當于通過了一個 wollaston 棱鏡，光束因發(fā)生偏角而不能被 光纖準直器接收。因

47、此可以將 wedge 型光隔離器與偏振相關型光隔離器類比，后者為傳 輸的光矢量提供一條通道，即“透光軸 1透光軸 2”，而前者提供兩條通道，即“光軸 1光軸 2”（相當于 e 光e 光）和“光軸 1 正交方向光軸 2 正交方向”（相當于 o 光o 光），因此解決了偏振相關性問題。需要說明的是，wedge 型光隔離器中的兩條通 道是等效的，入射在第一個楔角片上的隨機偏振光束，分解為 o 光和 e 光，其中的 e 光沿第一條通道傳輸的透過率，與 o 光沿第二條通道傳輸的透過率是相同的，因此只需 分析其中一條通道即可。因此可以用一個與偏振片完全相同的瓊斯矩陣來描述其傳輸特 性，透光軸取光軸方向或者其

48、正交方向。對 wedge 型單級光隔離器，分析過程與偏振相關型單級光隔離器完全相同，得到式（6.26）所示的結論（ dp在此代表晶體的對比度），由于晶體的消光比遠高于法拉第旋光片，其隔離度主要受限于旋光片的消光比。對 wedge 型雙級光隔離器，分析過程與偏振相關型雙級光隔離器稍有不同。在圖 6.26 所示的雙級光隔離器方案二中，如果光束在四個楔角片中的偏振態(tài)為 o 光o 光e 光e 光，則第一、第二兩個楔角片構成一個平行平板，第三、第四兩個楔角片構成一 個平行平板，光束方向不變；如果光束在四個楔角片中的偏振態(tài)為 o 光e 光e 光o 光，則第二、第三兩個楔角片構成一個平行平板，第一、第四兩個楔角片構成一個平行精品.平板，光束方向仍然不變。注意以上第二種情況，前后兩級均使光束發(fā)生偏角，但是因 為偏角相反而相互抵消，沒有起到隔離作用。精品.因此，在 wedge 型雙級光隔離器中，光矢量存在六條通道：o 光o 光o 光o 光，o 光o 光e 光e 光，o 光e 光e 光o 光，e 光e 光e 光e 光，e 光e 光o 光o 光，e 光o 光o 光e 光，其中后三條通道分別與前三條通道等效，因 此只需對前三條