04 光隔离器

隔离器学习剪辑张植俊俊[e-mail]目录原理种类参数指标原理首页2014-7-144原理——定义及原理互易器件：允许双向光通行，即输入光与输出光可以互换的无源器件。光隔离器：是一种光单向传输的非互易性器件，即光的单向器。光隔离器的用途：主要用在激光器或光放大器的后面，以防止来自连接器、熔接点、滤波器等的反射光影响激光器或放大器的稳定性。2014-7-145原理——单模光纤隔离器组成单模光纤隔离器的组成法拉第旋转器：用旋光材料制成法拉第旋转器，是通过它的光的偏振态旋转一定角度，且旋转方向与光传播方向无关。光隔离器的组成：起偏器、检偏器、法拉第旋转器三部分。各部分作用：起偏器允许垂直偏振光顺利通过；检偏器允许45o方向上的偏振光顺利通过；法拉第旋转器使通过它的光的偏振方向顺时针旋转45o单模光纤隔离器的特点：是隔离器的工作与入射光的偏振态有关，即必须是垂直偏振。2014-7-146原理——工作过程当入射光从左向右传输时，由于单模光纤传输光的偏振态与起偏器的透振方向一致，故入射光无损地通过起偏器。由于法拉第旋转器的作用，使光的偏振态旋转到45o方向上，由于检偏器的透振方向也在45o方向上，于是经过法拉第旋转器旋转45o后的光能顺利通过检偏器，这样，正向传输入射光无损地通过隔离器。当反射波向反方向传输时，由于检偏器的透振方向为45o，只允许45o方向的偏振光通过检偏器，其余偏振态的光全部被检偏器阻止。通过检偏器的光被法拉第旋转器再旋转45o，便成为水平偏振光，该偏振态光被起偏器阻止，这样就阻止了反方向光的传输。2014-7-147原理——单模光纤隔离器的工作原理2014-7-148原理——实用型光隔离器的结构下图是一个实用型的光隔离器。它是由两个空间分离偏振器、法拉第旋转器和一个半波片组成。空间分离偏振器(SWP)：让垂直分量直线通过，而水平分量偏折通过，且偏折方向和光传输方向无关。其作用是将入射的任意偏振态的光分解为水平和垂直的两个正交偏振分量，或者水平和垂直的两个正交偏振分量合成某一偏振光。法拉第旋转器：能使通过它的光的偏振方向顺时针旋转45o。半波片：可以把光的偏振态旋转45o，将从左向右传播光的偏振态顺时针旋转，反之逆时针旋转。隔离器的工作过程：先介绍各部件的功能，然后分别介绍正向传输和反向传输过程，注意反向不能传输的关键是水平偏振光只能偏折通过SWP而垂直偏振光只能直接通过SWP2014-7-149原理——实用型隔离器的原理图不具有旋光性的物质在磁场的作用下，偏振光通过改物质时其震动面将发生旋转。此现象称为磁致旋光效应，也称法拉第效应。法拉第效应的一个重要特性是：不管光的传播特性如何，迎着外加磁场的方向观察，偏振光按反时针旋转，其旋向是不可逆转的。这是制作光隔离器的基础特性。常用材料包括YIG晶体（钇铁石榴石）、高性能磁光晶体。典型的隔离器采用选光角度为45度的旋转器。法拉第旋转器原理——法拉第旋镜自然光、偏振光与偏振片自然光为横波其振动态为各向均匀振动二向色性偏振片：只允许与光轴平行振动态光通过塞璐璐基片上蒸镀一层硫酸奎宁晶粒原理——偏振原理双折射晶体Wedged片birefringentCrystalWedged入射光楔形单轴双折射晶体光轴o光光轴e光原理——双折射晶体Y向基模输出端展宽，不能完全混合PMD即PolarizationModeDispersion,偏振模色散；光纤为各项异性晶体，光束入射会产生双折射，光线传输基模由两个正交的极化模组成，在理想的光纤形状情况下，两个基模传输常数相同，PMD为0；实际上由于光纤本身截面不圆度等原因、弯曲扭转等原因，两个基模传输到达时间不同，产生输出端展宽现象，不能完全混合，从而产生偏振模色散。如右图示。单级偏振无关型光隔离器由于使用远非理想圆截面的单轴双折射晶体，PMD损失尤其明显，因此需要PMD补偿片进行补偿。双级由于原来的相位差再次经过双折射晶体而受到反向校正，不需要PMD片补偿。X向基模输入混合后输出原理——PMD补偿片PigtailSilicone硅胶Magnet磁铁O-Ring橡胶圈PigtailSleeve毛细管套CenterTube金属套管C-LensOuterHouse金属外壳封装Core中心件原理——结构图种类首页种类——综述1（使用方式）光隔离器的种类很多，按其构成材料可分为块状型、光纤型和波导型；按其外部结构可分为尾纤型、连接端口型和微型化型；按其偏振特性可分为偏振相关型和偏振无关型。E光O光E-beamE光O-beamO光DdE光O光E光O光种类——偏正无关光隔离器原理1种类——偏正无关光隔离器原理2一种与输入光的偏振态无关的隔离器然而在实际应用中，入射光的偏振态(偏振方向)是任意的，并且随时间变化，因此必须要求隔离器的工作与入射光的偏振态无关，于是隔离器的结构就变复杂了。一种小型的与入射光的偏振态无关的隔离器结构如图所示。种类——偏正无关光隔离器原理3具有任意偏振态的入射光首先通过一个空间分离偏振器(SWP，SpatialWalk-offPolarizer)。这个SWP的作用是将入射光分解为两个正交偏振分量，让垂直分量直线通过，水平分量偏折通过。两个分量都要通过法拉第旋转器，其偏振态都要旋转45°。法拉第旋转器后面跟随的是一块半波片(half-waveplate)。种类——偏正无关光隔离器原理4这个半波片的作用是将从左向右传播的光的偏振态顺时针旋转45°，将从右向左传播的光的偏振态逆时针旋转45°。因而法拉第旋转器与半波片的组合可以使垂直偏振光变为水平偏振光，反之亦然。种类——偏正无关光隔离器原理5最后两个分量的光在输出端由另一个SWP合在一起输出。另一方面，如果存在反射光在反方向上传输，半波片和法拉第旋转器的旋转方向正好相反，当两个分量的光通过这两个器件时，其旋转效果相互抵消，偏振态维持不变，在输入端不能被SWP再组合在一起，于是就起到隔离作用。自然偏振光入射功率损耗50％!与起偏方向垂直的偏振光入射损耗100％！.随机偏振光入射带来严重的偏振噪声!种类——偏振相关型光隔离器1偏振相关型光隔离器由起偏器、检偏器和旋光器三部分组成PolarizerAnalyzerFaradayRotatorPolarizerAnalyzerFaradayRotatorForwardtransmission种类——偏正相关光隔离器原理2种类——偏正相关光隔离器原理3偏振相关型隔离器的工作原理Analyzer检偏器FaradayRotator(Garnet)旋光片Polarizer起偏器CylindricalMagnet磁环MOFIHousing金属外壳MOFICap起偏器套种类——偏正相关光隔离器结构图4PMD片划线必须在光路外原理——Core示意图参数指标首页参数指标——综述1（使用方式）插入损耗和隔离度是隔离器的两个主要参数，对正向入射光的插入损耗其值越小越好，对反向反射光的隔离度其值越大越好，目前插入损耗的典型值约为1dB，隔离度的典型值的大致范围为40～50dB。1、InsertionLoss：插入损耗2、ReturnLoss：回波损耗3、Isolation：反向隔离度，表征隔离期对反向传输光的衰减能力4、PolarizationDependentLoss:PDL偏振相关损耗，是指当输入光偏振态发生变化而其他参数不变时，器件插入损耗的最大变化量5、PolarizationModeDispersion：偏振模色散，是指通过器件的信号光不同偏振态之间的相位延迟。参数——插入损耗和隔离度(1)插入损耗是指增加光隔离器而产生的附加损耗，定义为该无源器件的输入和输出端口的光功率之比，即：式中：为输出端口的光功率，为输入端口的光功率。该器件的性能要求对正向入射光的插入损耗是越小越好。(2)隔离度是指光隔离器的正向入射光对反向反射光的隔离能力。定义为：正向入射光信号的功率值与反向反射光信号的功率值的比的分贝数，表示为：式中：表示正向入射光的功率，表示反向反射光的光功率。该器件的性能要求对反向反射光的隔离度值越大越好。10lg(/)()iioLPPdBoPiP10lg(/)()riIPPdBiPrP