光隔离器

5.3光隔离器•光隔离器又称光单向器,是一种光非互易传输的光无源器件。•在光纤通信系统中总是存在许多原因产生的反向光。•光源所发出的信号光,以活动连接器的形式耦合到光纤线路中去,活动接头处的光纤端面间隙会使约4%的反射光向着光源传输。•这类反向光的存在,将导致光路系统间产生自耦合效应,使激光器的工作变得不稳定和产生反射噪声,使光放大器增益发生变化和产生自激,造成整个光纤通信系统无法正常工作。光隔离器的基本功能•光隔离器的基本功能是实现光信号的正向传输,同时抑制反向光,即具有不可逆性。•通常情况下,光在各向同性或各向异性介质中的光路是可逆的,因此,光隔离器的设计必须考虑如何打破其可逆性。•目前的解决方法是利用磁光材料对光偏振态调整的非互易性实现光的不可逆传输。5.3.1光隔离器的分类•光隔离器的品种很多,按其内部结构可分为块状型、光纤型和波导型。•块状型结构属分立元件结构,是指在光路结构中,通过自聚集透镜、偏振器和法拉第旋转器等分立元件,将光纤间接耦合起来。•此类器件在技术上已经成熟,现在市场上的隔离器基本上都采用这种结构。•其缺点在于所用光学元件多、体积相对较大。•光纤型是指在隔离器的光路结构中将光纤端面作适当的加工,如抛光、镀膜等,其他材料的元件则不介入或较少介入光路。•其特点为体积小、重量轻、抗机械振动性能好。•然而此类器件要用到特种光纤,且加工精度要求高、工艺复杂、价格昂贵。虽有应用于系统的例子,但其性能指标离实用化还有一定的距离。•波导型的光隔离器属集成光学器件,采用扩散有Ti的铌酸锂等衬底材料,经沉积、光刻、扩散等波导工艺,制成磁光波导,再与其他元件及单模光纤耦合,形成光隔离器。•它体积小、重量轻、热稳定性和机械稳定性好,但由于波导制作技术、光纤和波导间的耦合技术还不成熟,其性能指标与实际应用的要求还有很大差距。•光隔离器按其外部结构可分为尾纤型、连接器端口型(也称在线安装型)和微型化型。•前两种也称为在线型,可直接插入光纤网络中。微型化光隔离器则常用于半导体激光器及其他器件中。•隔离器按其性能可分为偏振灵敏型(也称偏振相关)和偏振无关型。一般情况下,偏振灵敏型的光隔离器常做成微型化的,偏振无关型光隔离器则常做成在线型的。•偏振相关光隔离器的结构包括空间型和光纤型。由于不论入射是否为偏振光,经过这种光隔离器后的出射光均为线偏振光,因而称之为偏振相关光隔离器,主要用于DFB激光器中。•偏振无关光隔离器是一种对输入光偏振态依赖性很小(典型值0.2dB)的光隔离器。一般来说,偏振无关光隔离器的典型结构、工作原理都更复杂一些。它采用有角度的分离光束的原理来制成,可起到偏振无关的目的。5.3.2光隔离器的应用1.激光器•目前DFB激光器单纵模输出已达数十纳瓦,其工作波长的漂移小于1埃/度,但在高频直接调制下,仍然发生光谱展宽现象,这种光谱的啁啾对长跨距高比特率的传输极为不利。为了减少回波引起的啁啾,必须在激光器中加入光隔离器。(a)尾纤式激光器;(b)蝶式激光2.光纤放大器•在长距离光通信系统中,需要大量使用光纤放大器。为了使光纤放大器工作稳定,必须在放大器的两端使用隔离器来消除回返光的影响。•图5.9为一种掺铒光纤放大器框图。•在千兆比特率的越洋海底光缆中,需要用到超过50个带光隔离器的光纤放大器。•隔离器的性能指标将直接影响放大器的增益和噪声,设计时常要求光隔离器的回波损耗、隔离度分别在50dB和40dB以上。3.光纤CATV网•在光纤CATV网中传播多路径信号的时候,必须使用高线性、小畸变、大输出功率和低噪声的DFB激光器,光器件上还必须装上光隔离器,以保证反射信号得到足够的衰减。•由于模拟信号抗干扰能力较数字信号差,所以对隔离器的隔离度要求更高,常采用双级光隔离器。•CATV:CommunityAntennaTelevision•图5.10所示为光隔离器在CATV中的应用。5.3.3光隔离器的实现原理•1.旋光现象和法拉第效应•平面偏振光通过物质后振动面发生旋转的现象叫作旋光现象,能够使平面偏振光的振动面发生旋转的物质叫作旋光性物质。•例如石英,使它的光轴垂直于表面切取,当入射的平面偏振光在石英晶体内沿光轴方向传播时,线偏振光的振动方向会随着光线的行进而发生偏转。•迎面观察通过晶体的光,振动面按顺时针方向旋转的称为右旋,逆时针方向旋转的称为左旋。•光的传播方向改变时,旋光的方向也改变,如果通过晶片的偏振光从镜面反射回来再通过同一晶片,则振动面就恢复到原来的方位。FaradayEffect•在强磁场的作用下,有些物质的光学性质会发生变化,这就是磁光效应。•当平面偏振光沿外加磁场方向通过介质时偏振面发生旋转,这种性质叫作磁致旋光性,这个现象叫法拉第效应。•法拉第效应是最为人们所熟悉和最有用的磁光效应,具有磁光效应的晶体称为磁光晶体。•磁致旋转也有右旋和左旋,对于每一种给定的物质,磁致旋转的方向仅由磁场方向决定,和光线的传播方向无关,这是磁致旋转和天然旋光现象不同的地方。•沿着顺光线方向和逆光线方向观察,天然旋光现象中光的旋转方向是相反的,平面偏振光若两次通过天然旋光物质,一次沿某一方向另一次沿相反方向,结果振动面并不旋转.•偏振光沿相反的方向两次通过磁旋光物质时,其旋转角加倍。•由于磁致旋光性产生的振动面旋转与光线传播方向无关,利用这一点来实现光隔离器的非互易性。•一个隔离体的构成主要有:•1.起偏器或偏振分束器,由偏振片或双折射晶体构成,实现由自然光得到偏振光;•2.磁光晶体制成的法拉第旋转器,完成对光偏振态的非互易调整;•3.检偏器或偏振合束器,实现将光线会聚平行出射。2.偏振相关光隔离器•偏振相关光隔离器的结构包括空间型和全光纤型,•不论入射光是否为偏振光,经过这种光隔离器后的出射光均为线偏振光。•空间型偏振相关光隔离器可直接用于带尾纤激光器、二极管泵浦固体激光器、位置传感器等器件的空间光路中,分为大型和微型两种。•大型器件以非饱和旋转器为特点,典型尺寸为1in(英寸=2.539999918厘米)、2in、4in等,用于YAG激光器中。•而另一种基于饱和旋转器的微型隔离器尺寸很小,如3mm×1.9mm,这种隔离器可用于半导体激光器中。•整个隔离器包括两个起偏(检偏)器和一个法拉第旋转器。•图5.11偏振相关光隔离器典型结构•偏振器置于法拉第旋转器前后两边,其透光轴方向彼此呈45°关系,当入射平行光经过第一个起偏器P1时,变成线偏振光,然后经法拉第旋转器,其偏振面被旋转45°,刚好与第二个检偏器P2的透光轴方向一致,于是光信号顺利通过而进入光路中。•反过来,由光路引起的反射光首先进入第二个偏振器P2,变成与第一个偏振器P1的透光轴方向呈45°夹角的线偏振光,再经过法拉第旋转器时,由于法拉第旋转器效应的非互易性,被法拉第旋转器继续旋转45°,其偏振面与P1透光轴的夹角变成了90°,即与起偏器P1的偏振方向正交,而不能通过起偏器P1,起到了反向隔离的作用。•使用微型化光隔离器来制作器件时,通常通过柱透镜或球透镜,将来自半导体激光器的光信号经隔离器耦合到光纤中。•这里面,常需要将器件中的分立元件倾斜于基座放置,或将隔离器倾斜安装,以提高整个器件的回波损耗,否则,光学元件自身将引起一定的反射。3.偏振无关光隔离器•偏振无关光隔离器是一种对输入光偏振态依赖很小的光隔离器,与偏振相关光隔离器相比,由于其输出不为偏振光,所以更具实用性。•1)Walk-off型光隔离器原理•这种结构的偏振无关光隔离器的典型结构之一如图5.12所示。•隔离体部分由三个平行偏振分束器P1、P2、P3和一个45°法拉第旋转器FR构成,且P1、P2、P3的厚度满足式中,LP1、LP2、LP3分别为相应偏振分束器的厚度。13.5223211pppLLL•P1与P2的光轴夹角为45°,P2与P3的光轴夹角为90°。输入光信号经自聚焦透镜准直成平行光束,入射到P1,入射光被分解为o光和e光,o光不发生偏折,以原来的方向出射,e光走离,以两束平行线偏振光出射,这两束线偏振光进入法拉第旋转器FR,振动面被顺时针旋转45°,由于P2与P1的光轴方向相差45°,所以P1中的o光和e光进入P2后仍为o光和e光,e光进一步走离,只是走离方向与P1中的走离方向不同。•进入P3后,由于P3与P2的光轴垂直,所以,P2中的o光和e光在P3中分别为e光和o光,P3中的e光走离。从P3出射时,两束线偏振光重新会聚,平行出射,被聚焦透镜耦合进入输出光纤。•反向光入射时,经过将入射光分解为两束线偏振光,再经P2,由于P2和P3的光轴垂直,两束线偏振光分别在P3和P2中走离原来的方向,进入FR。由于它的非互易性,它们的振动面被顺时针旋转45°,这样,在P2中的o光和e光在P1中分别为e光和o光,e光进一步走离,出射光分光距离进一步增加,而不会会聚在一起,故不会被自聚焦透镜耦合进输入光纤,从而实现反向隔离。•这种结构中的偏振器采用平面结构,所以不会增加偏振相关损耗。但由于偏振元件的增加,体积较大,光路比较长,因而制成的器件整体体积大,同时因为增加了光学元件,所以带来了插入损耗的增加和组装工艺的困难。•Walk-off型结构的偏振无关光隔离器的主要缺陷是由于采用平行平板型偏振分束器,其反向光的分光距离取决于双折射晶体的厚度,如果分光距离有限,则反向光会重新耦合进光纤,直接影响隔离度。2)Wedge型光隔离器原理•隔离体由两个光轴夹角为45°的楔型双折射晶体和一个法拉第旋转器构成。•首先分析光信号正向传输的情况,经过自聚焦透镜射出的准直光束,进入楔型双折射晶体P1后被分为o光和e光,其偏振方向相互垂直,传播方向呈一夹角,当它们经过45°法拉第旋转器时,出射的o光和e光的偏振面各自顺时针方向旋转45°。•由于第二个楔型双折射晶体P2的光轴相对于第一个晶体光轴正好呈45°夹角,所以o光和e光被P2折射到一起,合成两束间距很小的平行光束,并被斜面透镜耦合到光纤纤心里面,因而正向光以极小损耗通过隔离器,正向光传播的示意图如图5.14所示。正向光传播的示意图如图5.14所示。•由于法拉第旋转器的非互易性,当光束反向传输时,首先经过晶体P2,分为偏振面与P1晶轴成45°角的o光和e光,由于这两束线偏振光经过45°法拉第旋转器时,振动面的旋转方向由磁感应强度B确定,而不受光线传播方向的影响,所以,振动面仍顺时针方向旋转45°,相对于第一个晶体P1的光轴共转过了90°,整个逆光路相当于经过了一个渥氏棱镜,出射的两束线偏振光被P1进一步分开一个较大的角度,被斜面透镜偏折,不能耦合进光纤纤芯,从而达到反向隔离的目的,反向光传播的示意图如图5.15所示。•这种类型的光隔离器结构简单,元件数目少,整个器件体积小,插入损耗小,是目前应用最广泛、最普及的偏振无关光隔离器结构。•但却因斜面和双折射棱镜的使用,输出光为两束间距很小的平行光束,没有会聚在一起,存在平行位移W,而且由于传输路径不同,o光和e光之间会有光程差,因此这种结构的偏振无关光隔离器存在偏振模色散。•楔形系统光隔离器优点：结构简单调试方便不足：“平行位移”“偏振模色散”改进：两级结构2)两级结构光隔离器原理