光隔離器的基本原理

1、光隔離器的基本原理偏振無(wú)關(guān)光纖隔離器(Polarization Insensitive Fiber Isolator光纖隔離器根據(jù)偏振特性可分為偏振無(wú)關(guān)型(Polarization Insensitive和偏振相關(guān)型(Polarization Sensitive兩種。由于通過(guò)偏振相關(guān)型光纖隔離器的光功率依賴于輸入光的偏振態(tài),因此要求使用保偏光纖作尾纖。這種光纖隔離器將主要用于相干光通信系統(tǒng)。目前光纖隔離器用的最多的仍然是偏振無(wú)關(guān)型的,我們也只對(duì)此類光纖隔離器做分析。1偏振無(wú)關(guān)光纖隔離器的典型結(jié)構(gòu)一種較為簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)如圖1所示。這種結(jié)構(gòu)只用到四個(gè)主要元件:磁環(huán)(Magnetic Tube、法拉第旋

2、轉(zhuǎn)器(Faraday Rotator、兩片LiNbO3 楔角片(LN Wedge,配合一對(duì)光纖準(zhǔn)直器(Fiber Collimator,可以做成一種在線式(In-line的光纖隔離器。2 基本工作原理下面具體分析光纖隔離器中光信號(hào)正向和反向傳輸?shù)膬煞N情況。2.1 正向傳輸如(圖2所示,從準(zhǔn)直器出射的平行光束,進(jìn)入第一個(gè)楔角片P1后,光束被分為o光和e光,其偏振方向相互垂直,傳播方向成一夾角。當(dāng)他們經(jīng)過(guò)45°法拉第旋轉(zhuǎn)器時(shí),出射的o光和e光的偏振面各自向同一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)45°,由于第二個(gè)LN楔角片P2的晶軸相對(duì)于第一個(gè)楔角片正好呈45°夾角,所以o光和e光被折射到一起

3、,合成兩束間距很小的平行光,然后被另一個(gè)準(zhǔn)直器耦合到光纖纖芯里去。這種情況下,輸入的光功率只有很小一部分被損耗掉,這種損耗稱之為隔離器的插入損耗。(圖中“+”表示e光向此方向偏折2.2 反向傳輸如(圖3所示,當(dāng)一束平行光反向傳輸時(shí),首先經(jīng)過(guò)P2晶體,分為偏振方向與P1的晶軸各呈45°夾角的o光和e光。由于法拉第效應(yīng)的非互易性,o光和e光通過(guò)法拉第旋轉(zhuǎn)器后,偏振方向仍然向同一個(gè)方向(圖中為逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)45°,這樣,原先的o光和e光在進(jìn)入第二個(gè)楔角片(P1后成了e光和o光。由于折射率的差別,這兩束光在P1中再也不可能合成一束平行光,而是向不同的方向折射,e光和o光被進(jìn)一步分開

4、一個(gè)更大的角度,即使經(jīng)過(guò)自聚焦透鏡的耦合,也不能進(jìn)到光纖纖芯中去,從而達(dá)到了反向隔離的目的。此時(shí)的傳輸損耗稱之為隔離度。3 技術(shù)參數(shù)對(duì)于光纖隔離器,主要的技術(shù)指標(biāo)有插入損耗(Insertion Loss、反向隔離度(Isolation、回波損耗(Return Loss、偏振相關(guān)損耗(Polarization Dependent Loss、偏振模色散(Polarization Mode Dispersion等,以下將作一一說(shuō)明。3.1 插入損耗(Insertion Loss在偏振無(wú)關(guān)光纖隔離器中,插入損耗主要包括光纖準(zhǔn)直器、法拉第旋轉(zhuǎn)器和雙折射晶體等的損耗,由光纖準(zhǔn)直器造成的插入損耗的詳細(xì)分析請(qǐng)

5、參見準(zhǔn)直器原理。隔離器芯主要由法拉第旋轉(zhuǎn)器和兩片LN楔角片組成。法拉第旋轉(zhuǎn)器的消光比越高、反射率越低、吸收系數(shù)越小,插入損耗就越小,一般法拉第旋轉(zhuǎn)器的損耗約為0.020.06dB。由(圖2可知,一束平行光經(jīng)過(guò)隔離器芯后,會(huì)分成o、e兩束平行光。由于雙折射晶體的固有特性,no¹ne, o光和e光不能完全會(huì)聚,從而造成附加損耗。3.2 反向隔離度(Isolation反向隔離度是隔離器最重要的指標(biāo)之一,它表征隔離器對(duì)反向傳輸光的衰減能力。影響隔離器隔離度的因素很多,具體討論如下。(1隔離度與偏振器距法拉第旋轉(zhuǎn)器距離的關(guān)系(2隔離度與光學(xué)元件表面反射率的關(guān)系隔離器中光學(xué)元件表面反射率越大,隔

6、離器的反向隔離度就越差。實(shí)際工藝中必須使R小于0.25%,才能保證Iso大于40dB。(3隔離度與偏振器楔角、間距的關(guān)系雙折射晶體為釩酸釔(YVO4的光隔離器,當(dāng)其楔角小于2°時(shí),隔離度隨角度的增大而迅速增大,當(dāng)楔角大于2°時(shí),變化就小多了,大約穩(wěn)定在43.8dB左右。不同材料構(gòu)成的光隔離器,其隔離度隨楔角而變化是不一樣的。光隔離度隨間距的增大而變化的幅度不大,因?yàn)楦綦x度主要取決于反向輸出光與光軸之間的夾角。(4隔離度與晶軸相對(duì)角度的關(guān)系兩個(gè)偏振器及旋光器晶軸相對(duì)角度對(duì)隔離度的影響是最大的,當(dāng)角度相差大于0.3度則隔離度將不能大于40dB。其他的因素還有很多,主要是兩個(gè)偏振

7、器的消光比,晶體厚度等等,要使隔離度大于40dB 以上,還必須使:R1和R2相等,小于0.25%;分束器晶軸間夾角誤差小于0. 57°等。此外,由于在法拉第效應(yīng)中,=VBL,V不僅是波長(zhǎng)的函數(shù),也是溫度的函數(shù),所以法拉第旋轉(zhuǎn)角也會(huì)隨溫度變化,這也是因素之一。3.3 回波損耗光隔離器的回波損耗RL是指正向入射到隔離器中的光功率和沿輸入路徑返回隔離器輸入端口的光功率之比,這是一個(gè)重要的指標(biāo),因?yàn)榛夭◤?qiáng),隔離度將受到很大的影響。隔離器的回波損耗由各元件和空氣折射率失配并形成反射引起。通常平面元件引起的回波損耗在14dB左右,通過(guò)增透膜和斜面拋光等可以使回波損耗到60dB以上。光隔離器的回波

8、損耗主要來(lái)自它的準(zhǔn)直光路(即準(zhǔn)直器部分,經(jīng)理論計(jì)算當(dāng)斜面傾角在8°時(shí),回波損耗大于65dB。準(zhǔn)直器的回波損耗在準(zhǔn)直器原理中已經(jīng)分析,請(qǐng)參看準(zhǔn)直器原理。3.4 偏振相關(guān)損耗PDLPDL與插損不同,它是指當(dāng)輸入光偏振態(tài)發(fā)生變化而其它參數(shù)不變時(shí),器件插入損耗的最大變化量,是衡量器件插入損耗受偏振態(tài)影響程度的指標(biāo)。對(duì)于偏振無(wú)關(guān)光隔離器,由于器件中存在著一些可能引起偏振的元件,不可能實(shí)現(xiàn)PDL為零,一般可接受PDL小于0.2dB。3.5 偏振模色散PMD偏振模色散PMD是指通過(guò)器件的信號(hào)光不同偏振態(tài)之的相位延遲。在光無(wú)源器件中,不同偏振模式具有不同的傳播軌跡和不同的傳播速度,產(chǎn)生相應(yīng)的偏振模色散。同時(shí),由于光源譜線有一定帶寬,也會(huì)引起一定色散。在高速光通訊系統(tǒng)中,PMD就非常重要了。在偏振無(wú)關(guān)光隔離器中,雙折射晶體產(chǎn)生的兩束線偏振光以不同的相速和群速傳