光隔離器根本原理

1、光隔離器的根本原理光隔離器又稱(chēng)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)中總是存在很多緣由產(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。一光隔離器的類(lèi)型光隔離器按其外部構(gòu)造可分為型、連接器端口型(也稱(chēng)在線安裝型)和微型化型自由空間隔離器。前兩種也稱(chēng)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。自由空間隔離器.隔離器按其性能可分為偏振靈敏型( 也稱(chēng)偏振相關(guān)) 和偏振無(wú)關(guān)型。一般狀況下, 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

2、的。偏振無(wú)相關(guān)光隔離器的構(gòu)造包括空間型和光纖型。由于不管入射是否為偏振光, 經(jīng)過(guò)這種光隔離器后的出射光均為線偏振光, 因而稱(chēng)之為偏振無(wú)相關(guān)光隔離器, 主要用于 DFB 激光器中。偏振無(wú)關(guān)光隔離器是一種對(duì)輸入光偏振態(tài)依靠性很小( 典型值 0. 2dB) 的光隔離器。一般來(lái)說(shuō), 偏振無(wú)關(guān)光隔離器的典型構(gòu)造、工作原理都更簡(jiǎn)單一些。它承受有角度的分別光束的原理來(lái)制成, 可起到偏振無(wú)關(guān)的目的。依據(jù)光纖類(lèi)型分為保偏隔離器和一般隔離器。由于通過(guò)偏振相關(guān)型光纖隔離器的光功率依靠于輸入光的偏振態(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舊是偏振無(wú)關(guān)型的。保偏

3、光纖：保偏光纖傳輸線偏振光，偏振光在光纖中傳輸?shù)臅r(shí)候，其偏振態(tài)在很長(zhǎng)一端光纖內(nèi)幾乎保持不變的光纖。廣泛用于航天、航空、航海、工業(yè)制造技術(shù)及通信等國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域。在以光學(xué)相干檢測(cè)為根底的干預(yù)型光纖傳感器中，使用保偏光纖能夠保證線偏振方向不變，提高相干信躁比，以實(shí)現(xiàn)對(duì)物理量的高精度測(cè)量。保偏光纖的使用：保偏光纖作為一種特種光纖，主要應(yīng)用于光纖陀螺，光纖水聽(tīng)器等傳感器和 DWDM、EDFA 等光纖通信系統(tǒng)。由于光纖陀螺及光纖水聽(tīng)器等可用于軍用慣導(dǎo)和聲吶，屬于高科技產(chǎn)品，而保偏光纖又是其核心部件，因而保偏光纖始終被西方興旺國(guó)家列入對(duì)我禁運(yùn)的清單。保偏光纖的類(lèi)型：熊貓型、橢圓型、領(lǐng)結(jié)型和類(lèi)矩形工作波

4、長(zhǎng)980 nm980 nm1310 nm1310 nm1310 nm模場(chǎng)直徑6.6um 6.6um 9.3um 9.3um5.5um拍長(zhǎng)2.8mm2.8mm3.8mm3.8mm3.0mm包層/涂覆層直徑125/400um125/245um125/400um125/245um125/245um1.7 保偏光纖的規(guī)格1400-1490 nm9.8um(1455nm)4.2mm125/400um1400-1490 nm9.8um(1455nm)4.2mm125/245um1550 nm10.5um4.5mm125/400um1550 nm10.5um4.5mm125/245um模場(chǎng)直徑：模場(chǎng)直徑(M

5、FD-Mode Field Diameter)，用來(lái)表征在光纖的纖芯區(qū)域基模光平行于光軸直線傳播的光線代表傳播中的基模的分布狀態(tài)?；Ｔ诶w芯區(qū)域軸心線處光強(qiáng)最大，并隨著偏離軸心線的距離增大而漸漸減弱。模場(chǎng)直徑的大小與所使用的波長(zhǎng)有關(guān)系，隨著波長(zhǎng)的增加模場(chǎng)直徑增大。1310nm 典型值：9.20.5m，1550nm典型值：10.51.0m。拍長(zhǎng)定義：兩個(gè)偏振重量間功率的周期交換，這個(gè)周期就稱(chēng)為拍長(zhǎng)。拍長(zhǎng)波長(zhǎng)/B偏振狀態(tài)沿光纖長(zhǎng)度方向從線偏振光橢圓偏振光線偏振光一個(gè)演化周期出長(zhǎng)度即為拍長(zhǎng)二偏振無(wú)關(guān)光纖隔離器的典型構(gòu)造一種較為簡(jiǎn)潔的構(gòu)造如圖所示。這種構(gòu)造只用到四個(gè)主要元件：磁環(huán)Magnetic Tu

6、be、法拉第旋轉(zhuǎn)器Faraday Rotator、兩片 LiNbO3 楔角片LN Wedge，協(xié)作一對(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。三 根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狀況。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，由于其次個(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

7、到一起，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。這種狀況下，輸入的光功率只有很小一局部被損耗掉，這種損耗稱(chēng)之為隔離器的插入損耗。圖中“+”表示 e 光向此方向偏折反向傳輸如(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，偏振方向仍舊向同一個(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)入其次個(gè)楔角片P1后成了e 光和o 光。由于折射率的差異，這兩束光在 P1 中再也不行能合成一束平行光，而是向不同的方向折射，e 光和o

8、光被進(jìn)一步分開(kāi)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，從而到達(dá)了反向隔 離的目的。此時(shí)的傳輸損耗稱(chēng)之為隔離度。3.4 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。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，法拉第旋轉(zhuǎn)

9、器的消光比越高、反射率越低、吸取系數(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， o 光和e 光不能完全會(huì)聚,從而造成附加損耗。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)反向傳輸光的衰減力量。影響隔離器隔離度的因素很多，具體爭(zhēng)辯如下。隔離度與偏振器距法拉第旋轉(zhuǎn)器距離的關(guān)系隔離度與光學(xué)元件外表反射率的關(guān)系隔離器中光學(xué)元件外表反射率越大，隔離器的反向隔離度就越差。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。隔離度與

10、晶軸相對(duì)角度的關(guān)系隔離度是越大越好。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),由于回波強(qiáng),隔離度將受到很大的影響。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。光隔離器的回波損耗主要來(lái)自它的準(zhǔn)直光路即準(zhǔn)直器局部，經(jīng)理論計(jì)算當(dāng)斜面傾角在8時(shí)，回波損耗大于 65dB。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

11、可能引起偏振的元件，不行能實(shí)現(xiàn) PDL 為零，一般可承受 PDL 小于 0.2dB。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)，由于光源譜線有肯定帶寬，也會(huì)引起肯定色散。在高速光通訊系統(tǒng)中，PMD 就格外重要了。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輸，即是 PMD，其主要來(lái)源是用以分別和會(huì)聚 o 光、e 光的雙折射晶體。它可由兩束線偏振光的光程差L近似得到。偏振模色散： PMD 主要受e 光和o 光折射率差的影響。四實(shí)際應(yīng)用用

12、在 WDM 系統(tǒng)和 EDFA 上。EDFA 主要由鉺摻雜光纖EDF、泵浦光源、WDM 耦合器、隔離器等部件組成，構(gòu)造如圖 錯(cuò)誤!文檔中沒(méi)有指定樣式的文字。-1 所示。1 2n.隔離器WDM耦合器 鉺摻雜光纖隔離器1 2n.PinPout泵浦激光器圖 錯(cuò)誤!文檔中沒(méi)有指定樣式的文字。-1摻鉺光纖放大器的組成五：名詞解釋?zhuān)浩窆?，光學(xué)名詞。光是一種電磁波，電磁波是橫波。而振動(dòng)方向和光波前進(jìn)方向構(gòu)成的平面叫做振動(dòng)面，光的振動(dòng)面只限于某一固定方向的，叫做平面偏振光或線偏振光。偏振光是指光矢量的振動(dòng)方向不變，或具有某種規(guī)章地變化的光波。依據(jù)其性質(zhì),偏振光又可分為平面偏振光線 偏光、圓偏振光和 橢圓偏振光

13、 、局部偏振光幾種。假設(shè)光波電矢量的振動(dòng)方向只局限在一確定的平面內(nèi)，則這種偏振光稱(chēng)為平面偏振光，假設(shè)軌跡在傳播過(guò)程中為始終線，故又稱(chēng)線偏振光。自然光： 通常光源發(fā)出的光，它的振動(dòng)面 不只限于一個(gè)固定方向 而是在各個(gè)方向上均勻分布的。起偏器： 自然光通過(guò)偏振片后成為 線偏振光 ,線偏振光的振動(dòng)方向與偏振片的偏振化方向全都 .在這里偏振片起著 起偏器 的作用. 檢偏器用來(lái)檢驗(yàn)?zāi)骋皇馐欠衿窆?方法:轉(zhuǎn)動(dòng)偏振片 ,觀看透射光強(qiáng)度的變化 :自然光:透射光強(qiáng)度不發(fā)生變化偏振光:透射光強(qiáng)度發(fā)生變化偏振光通過(guò)偏振片后 ,在轉(zhuǎn)動(dòng)偏振片的過(guò)程中 ,透射光強(qiáng)度發(fā)生變化.在這里偏振片起著檢偏器的作用 .橫波：是波

14、動(dòng)的一種波動(dòng)分為橫波和 縱波。橫波的特點(diǎn)是 質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與 波的傳播方向相互垂直。 在橫波中 波長(zhǎng)通常是指相鄰兩個(gè)波峰或波谷之間的距離。 電磁波、光波就是橫波。偏振片 (polarizer) ：可以使自然光變成 偏振光的光學(xué)元件偏振光的原理：偏振光 Polarization通常光源發(fā)出的光，它的振動(dòng)面不只限于一個(gè)固定方向而是在各個(gè)方向上均勻分布的。這種光叫做自然光。光的偏振 性是光的橫波性的最直接，最有力的證據(jù)，光的偏振現(xiàn)象可以借助于試驗(yàn)裝置進(jìn)展觀看， P1、P2 是兩塊同樣的 偏振片。通過(guò)一片偏振片 p1 直接觀看自然光如燈光或陽(yáng)光，透過(guò)偏振片的光雖然變成了偏振光，但由于人的眼睛沒(méi)有區(qū)分偏

15、振光的力量，故無(wú)法覺(jué)察。 假設(shè)我們把偏振片 P1 的方位固定，而把偏振片 P2 緩慢地轉(zhuǎn)動(dòng)，就可覺(jué)察透射光的強(qiáng)度隨著P2 轉(zhuǎn)動(dòng)而消滅周期性的變化，而且每轉(zhuǎn)過(guò)90就會(huì)重復(fù)消滅發(fā)光強(qiáng)度從最大漸漸減弱到最暗；連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)P2 則光強(qiáng)又從接近于零漸漸增加到最大。由此可知，通過(guò)P1 的透射光與原來(lái)的 入射光性質(zhì)是有所不同的 ，這說(shuō)明經(jīng) P1 的透射光的振動(dòng)對(duì)傳播方向不具有對(duì)稱(chēng)性。自然光經(jīng)過(guò)偏振片后，轉(zhuǎn)變成為具有肯定振動(dòng)方向的光。這是 由于偏振片中存在著某種特征性的方向，叫做偏振化方向，偏振片只允許平行于偏振化方向的振動(dòng)通過(guò)，同時(shí)吸取垂直于該方向振動(dòng)的光。 通過(guò)偏振片的透射光，它的振動(dòng)限制在某一振動(dòng)方向上,我們把第一個(gè)偏振片 P1 叫做“起偏器”，它的作用是把自然光變成偏振光，但是人的眼睛不能區(qū)分偏振光。必需依靠其次片偏振片 P2 去檢查。旋轉(zhuǎn) P2，當(dāng)它的偏振化方向與偏振光的偏振面平行時(shí)，偏振光可順當(dāng)通過(guò)， 這時(shí)在 P2 的后面有較亮的光。 當(dāng) P2 的偏振方向與偏振光的偏振面垂直時(shí)，偏振光不能通過(guò)，在 P2 后面也變暗。其次個(gè)偏振片幫助我們區(qū)分出偏振光， 因此它也稱(chēng)為