光隔離器的功能和基本原理

1、光隔離器的功能和基本原理光隔離器的功能是讓正向傳輸?shù)墓馔ㄟ^而隔離反向傳輸?shù)墓?，從而防止反射光影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，與電子器件中的二極管功能類似。光隔離器按偏振相關性分為兩種：偏振相關型和偏振無關型，前者又稱為自由空間型（Freespace），因兩端無光纖輸入輸出；后者又稱為在線型（in-Line），因兩端有光纖輸入輸出。自由空間型光隔離器一般用于半導體激光器中，因為半導體激光器發(fā)出的光具有極高的線性度，因而可以采用這種偏振相關的光隔離器而享有低成本的優(yōu)勢；在通信線路或者EDFA中，一般采用在線型光隔離器，因為線路上的光偏振特性非常不穩(wěn)定，要求器件有較小的偏振相關損耗。光隔離器利用的基本原理是偏振光

2、的馬呂斯定律和法拉第（Farady）磁光效應，自由空間型光隔離器的基本結構和原理如下圖所示，由一個磁環(huán)、一個法拉第旋光片和兩個偏振片組成，兩個偏振片的光軸成45°夾角。正向入射的線偏振光，其偏振方向沿偏振片1的透光軸方向，經(jīng)過法拉第旋光片時逆時針旋轉45°至偏振片2的透光軸方向，順利透射；反向入射的線偏振光，其偏振方向沿偏振片2的透光軸方向，經(jīng)法拉第旋光片時仍逆時針旋轉45°至與偏振片1的透光軸垂直，被隔離而無透射光。自由空間型光隔離器相對簡單,裝配時偏振片和旋光片均傾斜一定角度（比如4°）以減少表面反射光，搭建測試架構時注意測試的可重復性，其他不贅述。

3、下面詳細介紹在線式光隔離器的發(fā)展情況。-F1最早的在線式光隔離器是用Displacer晶體與法拉第旋光片組合制作的，因體積大和成本高而被Wedge型光隔離器取代；在線式光隔離器因采用雙折射晶體而引入PMD，因此相應出現(xiàn)PMD補償型Wedge隔離器；某些應用場合對隔離度提出更高要求，因此出現(xiàn)雙級光隔離器，在更寬的帶寬內(nèi)獲得更高隔離度。下面依次介紹這些在線式光隔離器的結構和原理。1）Displacer型光隔離器Displacer型光隔離器結構和光路如下圖所示，由兩個準直器、兩個Displacer晶體，一個半波片、一個法拉第旋光片和一個磁環(huán)（圖中未畫出）組成。正向光從準直器1入射在Displacer

4、1上,被分成o光和e光傳輸，經(jīng)過半波片和法拉第旋光片后，逆時針旋轉45+45=90，發(fā)生o光與e光的轉換，經(jīng)Displaced合成一束耦合進入準直器2；反向光從準直器2入射在Displaced上，被分成o光和e光傳輸，經(jīng)過法拉第旋光片和半波片后,逆時針旋轉45-45=0，未發(fā)生。光和e光的轉換，經(jīng)Displaced后兩束光均偏離準直器1而被隔離。Displacer型光隔離器的缺點是，為了滿足隔離度要求，反向光路中的兩束光需偏移較大距離，可參考圖2（a），而雙折射特性較好的釩酸釔Displacer晶體，其長度與偏移量的比值也只能做到10:1,這就要求Displacer晶體體積非常大，造成器件體積

5、大和成本高昂。2）Wedge型光隔離器Wedge型光隔離器的結構和光路如下圖所示，由兩個準直器（圖中未畫出）、一個磁環(huán)、一個法拉第旋光片和兩個楔形雙折射晶體組成，兩個楔角片的光軸成45°夾角。來自輸入準直器的正向光被Wedge1分成o光和e光分別傳輸，經(jīng)過旋光片時偏振方向逆時針（迎著正向光傳播方向觀察，以下同）旋轉45°，進入Wedge2時未發(fā)生。光與e光的轉換，因此兩束光在兩個楔角偏中的偏振態(tài)分別是。一。和e-e，兩個楔角片的組合對正向光相當于一個平行平板，正向光通過后方向不變，耦合進入輸出準直器；來自輸出準直器的反向光被Wedge2分成o光和e光分別傳輸，經(jīng)過旋光片時偏

6、振方向仍逆時針旋轉45°,進入wedgel時發(fā)生o光和e光的轉換，因此兩束光在兩個楔角片中的偏振態(tài)是oe和e-o，兩個楔角片的組合對反向光相當于一個渥拉斯頓棱鏡，反向光通過后偏離原方向，不能耦合進入輸入準直器。由;怙：/i注意正向光分成兩束通過后，相對于入射光發(fā)生橫向位移Offset,兩束光分開一定距離Walkoff，兩束光在楔角片中的的折射率不同，因而引入PMD。封裝設計時應對Offset加以考慮；Walkoff一般約為10um，會引入少許PDL，但關系不大；對于PMD,視需要進行補償，PMD補償方法是在后面增加一個雙折射晶體平板，其光軸與Wedge2的光軸垂直，厚度經(jīng)光路追跡計算

7、后得到，此不贅述。與Displacer型光隔離器相比，Wedge型光隔離器對反向光的隔離機制大為不同，前者使反向光相對于輸入準直器發(fā)生橫向位移，后者使反向光相對于輸入準直器發(fā)生角度偏離，從圖2(a)和(c)可以看到，后者的隔離效果更好。Wedge晶體的截面積只要對通過的光斑保證有效孔徑，厚度只要便于裝配即可，因此Wedge型光隔離器的晶體體積小，因此器件體積小而且成本低，已經(jīng)取代Displacer型。3) 雙級光隔離器下圖所示為雙級光隔離器方案一，兩個單級光隔離器芯串接起來，各楔角片的光軸方向亦如圖所示，正向光在第一級和第二級中分別為o光和e光，因此兩級產(chǎn)生的PMD相互補償，這種方案的缺點是對

8、裝配精度要求非常之高，否則隔離度指標比單級光隔離器還差，后面將會有詳細分析。下圖是雙級光隔離器方案二，兩個如前圖所示的單級光隔離器相對旋轉45。串接，這種方案的缺點是在旋轉時很難同時將隔離度和PMD調(diào)至最佳狀態(tài)，因此兩級先分別進行PMD補償，再相對旋轉組裝，這樣能做出合格的雙級光隔離器，但仍因工藝復雜而導致良率不高和效率低下。下圖是雙級光隔離器方案三，與方案一相比，唯一的差別是前后兩級楔角片的角度不同，下面我們通過分析方案一以了解方案三的改變。首先我們來了解雙級光隔離器能獲得比單級光隔離器更高隔離度的原因，前面提到Wedge型光隔離器使反向光偏離準直器一個角度以達到隔離目的，對5°角

9、的釩酸釔楔角片和13°角的鈮酸鋰楔角片，反向光被偏移的角度約為1°,從圖2(e)可以看到，單考慮此偏角，單級光隔離器的隔離度就可以遠超過60dB。真正制約其隔離度的原因是法拉第旋光片的消光比和波長相關性，前者約為40-50dB，后者約為-0.068°/nm，因此單級光隔離器的峰值隔離度約為40-50dB，在30nm帶寬內(nèi)的隔離度30dB。雙級光隔離器使反向光偏移更大角度，但屬錦上添花，真正起作用的是兩級串接克服旋光片的消光比和波長相關性制約。我們接下來考察方案一，反向光在P22中開始分成兩路傳播，在各楔角片中的的偏振態(tài)為。feoe和efoef。，相當于通過兩個渥拉

10、斯頓棱鏡，因此偏離角度約為單級光隔離器的兩倍。以上假設各楔角片的光軸處于理想方向，現(xiàn)在我們假設楔角片P12和P21的光軸并非完全垂直，其夾角為90°-A，那么從P21進入P12的兩路光將各分為兩路傳播，因此除以上偏振態(tài)的兩路光，另外兩路光的偏振態(tài)為ofeefo和eooe，這兩束光的強度為sin(A)?？紤]后兩路光的偏振態(tài)，P12和P21組合對其相當于一個平行平板，P11和P22組合對其相當于另一個平行平板，因此這兩路光通過之后方向不變，或者解釋為前后兩級相當于兩個倒裝的渥拉斯頓棱鏡,被第二級偏離的光束，又被第一級折回，如圖24所示。這兩路光直接耦合進入輸入端準直器，成為制約隔離度的主

11、要原因。分別取A=0.1°和0.2°，得到隔離度為55dB和49dB,可見對裝配精度要求之高。方案三對兩級中的楔角片取不同角度，被第二級偏離的光束，并不會被第一級完全折回，因為偏折角與楔角大小近似成正比。方案三的核心在于了解到，P12與P21光軸非嚴格垂直對隔離度的影響至關重要，對此提出了解決辦法，采用相應的裝配工藝，可以制作出高隔離度的雙級光隔離器，并因裝配容差大而提咼效率。光環(huán)形器的端口功能光環(huán)形器的端口功能如圖25所示，光沿箭頭方向傳播，反向則被隔離。一個普通三端口光環(huán)形器的原理如圖27所示，注意Displacerl和Displacer3使e光水平偏移，而Displa

12、ced使e光垂直偏移。為便于理解其光路，圖26中描述了一個法拉第旋光片與半波片組成的旋光單元功能，正向光偏振方向旋轉90°，反向光偏振方向不變。在實際的光環(huán)形器方案中，一般在Displaced與旋光單元2之間插入一個Wedge對或者屋脊棱鏡，與雙光纖準直器進行耦合，如圖28所示oWedge對與雙光纖準直器耦合代替兩個單光纖準直器，可以減小晶體體積，從而降低器件體積和成本oWedge對選擇圖中插入位置，是因為雙光纖準直器與Wedge對的耦合需要一定間距，這樣插入可以縮短整個器件長度。注意圖28中紅色光線從Displaced出射時的偏轉方向是由Wedge對產(chǎn)生的，圖中Wedge對與Dis

13、placed間距太小，不便畫出，可參見圖29的PBC。另外，兩個準直器的軸線不在同一直線上，封裝設計時應加以考慮。如果將圖28中的Displaced和Wedge對用圖14中的Displacer型Wedge對代替，則得到改進型的光環(huán)形器，減少了一個元件，因而提高可靠性和降低成本。如¥.咧把器的爲丨1弋期2$法抄謂旋比鬥汁波丿屠戚的龍III-遲吒洛及偏肛懇呢氏獻左隹ti'打訛|-比烙息怕愎態(tài)亜便圏商.杵逋喘口朮環(huán)雜耀加理幽偏振光合束器偏振光合束器（PBC）的功能是將兩束偏振方向正交的線偏振光合成一束，一個典型應用場合是，在Raman光纖放大器中，增益取決于信號光與泵浦光的偏振態(tài)關

14、系，也就是說增益是偏振相關的，因此將兩束正交的泵浦光合束以進行泵浦可以改善增益的偏振相關性。普通PBC結構如圖29所示，雙光纖準直器與Displacer晶體和Wedge對的組合進行耦合，輸出端用單光纖準直器。Wedge對也可以用屋脊棱鏡取代。29.fVidFEC斛枸將圖29中的Displacer晶體和Wedge對用圖14中的Displacer型Wedge對代替，則得到改進型的PBC,減少了一個元件，因而提高可靠性和降低成本。130.膠向隔獄的陽匚將Displacer型Wedge對的兩片楔角片分開，中間插入法拉第旋光片，并且取第二片楔角片的光軸方向為45°,則為一個反向隔離的PBC，如

15、圖30所示，注意對比圖30與圖14的晶體光軸方向。反向隔離的PBC兼有PBC和光隔離器功能，兩束偏振光可以合為一束，而反之則被隔離。光纖連接器的原理和應用作為最基本的光無源器件，光纖連接器的應用最為廣泛，其種類也非常繁多，有FC、SC、ST、LC、MU、E2000,等等，本文拋開這些種類分別，對廣受關注的端面三項值和重復性問題作一些探討。光纖連接器的基本原理是利用某種機械結構，使兩個拋光的光纖端面精確對準并緊密接觸。從圖2（b）可知，兩根光纖之間的對接耦合，對徑向錯位非常敏感,因此要求固定光纖的陶瓷插芯外徑具有非常高的圓度，內(nèi)孔具有非常高的同心度，內(nèi)孔徑尺寸非常精確。為了保證兩根光纖的緊密接觸

16、，要求陶瓷插芯端面研磨成球面而非平面，這樣有助于其中心的光纖相互接觸，另外光纖連接器對接時，借助彈簧施加一定壓力，使陶瓷插芯的球端面發(fā)生輕微變形以保證兩光纖端面的緊密接觸，如圖15所示。需要說明的是，光纖連接器就是靠這種緊密接觸來避免菲涅爾反射，而不在端面鍍增透膜。試想如果在端面鍍增透膜，經(jīng)多次插拔之后，膜層必然破壞脫落。S15粵尤纖謹住常Nlii的討擅精皆帖況光纖連接器依端面形狀分為PC（PhysicalContact）和APC（AngledPhysicalContact）兩種，其中APC連接器的端面一般研磨成8°傾角。對于PC型連接器，其端面三項值為端面曲率半徑（1025mm）、

17、球面頂點偏心（50um）、光纖內(nèi)縮/突出量（+/-50nm）；對APC型連接器，除PC型連接器的三項值外（端面曲率半徑要求為515mm），對端面角度亦提出要求（+/-0.3。），制定這些要求的目的都是為了保證光纖的精確對接和緊密接觸，并考慮長期可靠性。增加研磨壓力和使用較軟的研磨墊，會得到較小的球面曲率半徑；提高研磨機的穩(wěn)定性和使用較軟的研磨墊，可以減小球面頂點偏心；降低研磨機轉速和使用較小研磨顆粒,可以減小光纖內(nèi)縮/突出量，這些都為從事光纖連接器研磨工藝的人員所熟知，此不贅述。PC型連接器的端面三項值比較容易達到，本文重點討論APC型連接器的端面三項值和角度問題，以及連接器的互換性問題。1.

18、APC型光纖連接器的端面特性APC光纖連接器的光纖內(nèi)縮/突出量與PC連接器并無差異，并且容易達到要求，我們將重點討論球面曲率半徑、頂點偏心、傾斜角度之間的關系，以及它們與研磨設備和工藝之間的關系，指出問題的解決方向。APC型光纖連接器的球面頂點偏心存在三種模式，如圖16所示。其中（a）為一個標準的8°角APC連接頭，在用干涉儀測試時，通過夾具將陶瓷插芯傾斜8°角，球面上相對于干涉儀參考平板的最低點位于端面中心。（b）為一種普通的偏心模式，球面上相對于參考平板的最低點偏離端面中心，這種偏心模式由研磨機不穩(wěn)定和研磨參數(shù)等各種因素引起，可通過改進研磨機和研磨參數(shù)來減小。（c）為由

19、研磨角度誤差引起的偏心，圖示為一個大于8°角的APC連接頭，測試時也是將插芯傾斜8°角，雖然球面沒有誤差，但因傾斜而使最低點偏離端面中心。（d）為由于定位插銷方位誤差引起的偏心，每種光纖連接器都有一種定位方式來指示端面斜角的方向，此處抽象為一個定位插銷，用干涉儀測試時定位插銷插入夾具的卡槽中，如果定位插銷存在方位誤差，則會因此引起偏心。對第三種偏心模式用（e）中的立體圖來描述，其中原點取為a）中的E點，當定位插銷插入夾具的卡槽中時，球心從0點旋轉至0'點，球面最低點也因此從A點旋轉至A'點。需要說明的是，在描述以上三種偏心模式時均以干涉儀測試方法作參考，并不是說我們的分析是以測試為導向的，而是以應用為導向，因為干涉儀測試方法與實際應用相符合。建立偏心模式的模型之后，稍作處理就可得到后兩種偏心模式的量化公式，而第一種偏心模式為隨機量，可通過改善影響因素來降低，前面已經(jīng)述及。Apexoffset二R.AApexoffset3心R.sin(8).6其中R為端面曲率半徑，A為端面角度誤差，6為定位插銷方位誤差角。我們作一些計算來看看偏心值有多大，取R=10mm,A=0.1°,6=l°，得到Apexoffset=17.5um,Apexoffset二24.3um。