（光学专业论文）新型高功率光纤隔离器的设计与实验.pdf

摘要 摘要 光隔离器是一种只允许光单向传输的光无源器件，它被用于阻止激光器、光 放大器等发光器件在工作中从光路返回来的光。随着光通信技术的发展，光隔离 器向着高功率、体积小、成本低、无偏振模色散的方向发展。 本文研制了一种新型高功率光纤隔离器，论文的主要内容及创新如下： 1 介绍了高功率光隔离器的发展现状和趋势，对几种偏振无关的光隔离器 进行了分析和比较，阐述了光隔离器的结构和工作原理。在此基础上设计了一种 新型结构的光纤偏振无关高功率光隔离器，对光隔离器组件分别作了介绍、分析 与计算，研究了这种光隔离器的制作方法和工艺。 2 对所研制的光隔离器主要性能参数作了理论分析，介绍了主要性能参数 的测试方法，对研制的器件进行- j n 试。测试结果表明，该隔离器在功率为4 5 w 时工作性能良好。此时，测得插入损耗为0 7 d b ，k a ：2 0 n m 带宽范围内平均隔离 度2 5 d b ，最大隔离度3 0 d b ，偏振相关损耗小于o 2 d b ，偏振模色散小j 二0 1 p s 。 本文的创新在于：( 1 ) 通过对c 1 e n s 、g 1 e n s 和a 1 e n s 的分析计算，选用 c 1 e n s 作为准直器的准直透镜，并且对其传光特性从理论上进行了分析，c 1 e n s 折射率均匀，且适合于长距离工作，是高功率器件的最佳选择。( 2 ) 通过对现有 的磁旋光材料进行分析比较，采用铽镓石榴石( t g g ) 晶体，t g g 晶体在1 0 6 4 n m 波段有着大的法拉第旋转系数，较小的光损失、较大的光损伤阈值、更高的热导 性以及良好的机械性能，也是制作高功率器件的良好材料。 关键词：光隔离器，偏振无关，球面透镜，铽镓石榴石 a b s t r a c t a b s t r a c t o p t i c a li s o l a t o r si sao p t i c a lp a s s i v ed e v i c ea l l o w e ds i g n a l st op r o p a g a t ei na f o r w a r dd i r e c t i o n i ti sg e n e r a l l yu s e dt op r e v e n tu n w a n t e db a c kr e f l e c t i o n sf r o m b e i n gt r a n s m i t t e db a c kt oas i g n a l ss o u r c es u c ha sl a s e r sa n do p t i c a la m p l i f i e r s 。w i t h t h ed e v e l o p m e n to fo p t i c a lc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , t h ed i r e c t i o n so fc o m p a c t c o n f i g u r a t i o na n dl o wc o s to fo p t i c a li s o l a t o r sw i t h o u tp o l a r i z a t i o nm o d ed i s p e r s i o n a r ee x p e c t e d t h ep a p e ri sm a i n l yb a s e do nd e v e l o p i n gah i g h - p o w e ro p t i c a lf i b e ri s o l a t o r s t h eb r i e fd e s c r i p t i o no ft h ed i s s e r t a t i o na n ds o m ei n n o v a t i v ep l a c e sa r ep r e s e n t e da s f o l l o w s 1 i ti si n t r o d u c e dt h ed e v e l o p m e n ta n dt e n d e n c yo ft h eh i g h p o w e ro p t i c a lf i b e r i s o l a t o r sa n dc o n t r a s t e ds e v e r a l o p t i c a l i s o l a t o r sw i t h o u tp o l a r i z a t i o n m o d e ， a f t e r w a r d st h ep r i n c i p l ea n dc o n f o r m a t i o no fo p t i c a li s o l a t o r si se x p o u n d e d a n dt h e n ， w ed e s i g nan e ws t r u c t u r eo fh i g h p o w e ro p t i c a li s o l a t o rw i t h o u tp o l a r i z a t i o nm o d e t h eo p t i c a li s o l a t o rc o m p o n e n tw e r ei n t r o d u c e d ，a n a l y z e da n dc a l c u l a t e d 2 i ti sa n a l y z e dt h ei m p o r t a n tp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r so fo p t i c a li s o l a t o r s t h e o r e t i c a l l y , a n ds h o w e dt h et e s tm e t h o do ft h em a i np e r f o r m a n c ep a r a m e t e r s t h e t e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h ei s o l a t o rw o r k sw e l li nt h ep o w e ro f4 5 w jt h ei n s e r t i o nl o s si s 0 7 d b ，t h ea v e r a g ei s o l a t i o ni s2 5 d b ，t h eh i g h e s ta v e r a g ei s o l a t i o ni s3 0 d b ，t h e p o l a r i z a t i o nd e p e n d e n tl o s si sl e s st h a n0 2 d b ，a n dt h ep o l a r i z a t i o nm o d ed i s p e r s i o ni s l e s st h a n0 1 p s t h ei n n o v a t i o ni s ：( 1 ) a f t e ra n a l y z i n ga n dc a l c u l a t i n gt h ec l e n s ，g l e n sa n d a l e n s ，s e l e c tc l e n sa sac o l l i m a t o rc o l l i m a t i n gl e n sa n da n a l y z et h eo p t i c a l c h a r a c t e r i s t i c so ft h e i rm a s st h e o r e t i c a l l y b e c a u s eo fi t su n i f o r m i t yr e f r a c t i v ei n d e x ， c l e n si ss u i t a b l ef o rl o n gd i s t a n c ew o r ka n di st h eb e s tc h o i c ef o rh i g h p o w e rd e v i c e s ( 2 ) d u r i n ga n a l y z i n ga n dc o m p a r i n gs o m ek i n d so fm a g n e t o - o p t i cm a t e r i a l s ，u s e t e r b i u mg a l l i u mg a r n e ta sm a g n e t oo p t i c a lc r y s t a l s ，w h i c hh a sab i g g e rf a r a d a y r o t a t i o nc o e f f i c i e n ti n10 6 4 n m ，l o w e rl i g h tl o s s ，l a r g e ro p t i c a ld a m a g et h r e s h o l d ， h i g h e rt h e r m a lc o n d u c t i v i t ) ，a n db e t t e rm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s s oi ti sag o o dm a t e r i a l i nh i g hp o w e rd e v i c e s k e yw o r d s ：o p t i c a li s o l a t o r , p o l a r i z a t i o n i n d e p e n d e n t ， s p h e r i c a ll e n s ，t e r b i u mg a l l i u mg a m e 西北大学学位论文知识产权声明书 本人完全了解西北大学关于收集、保存、使用学位论文的规定。学 校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人 允许论文被查阅和借阅。本人授权西北大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所等机构 将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库或其它相关数据库。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名： 隆：聋 指导教师签名： l 塾圭鱼兰：! ? o ，o 年石月，z 日 弘f9 年多月，7 日 西北大学学位论文独创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢 的地方外，本论文不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得西北大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 商辛 f 1 刀o 年f 月iz 日 第一章绪论 1 1 光隔离器概念 第一章绪论 随着光通信技术向高速、大容量方向发展，光路中反射光对光路造成伤害已 经成为一个必须解决的重要问题。由此出现了一种只允许光线沿光路正向传输的 非互易无源器件光隔离器，它的作用是阻止光路中由于各种原因产生的后向 传输光对光源以及光路系统产生不良影响【m 】。例如，在半导体激光器和光传输 系统之间安装一个光隔离器，可以在很大程度上减少反射光对光源的光谱输出功 率稳定性产生的不良影响。在高速直接调制、直接检测光纤通信系统中，后向传 输光会产生附加噪声，使系统的性能劣化【j ，这需要光隔离器来消除。在光纤 放大器中的掺杂光纤的两端装上光隔离器，可以提高光纤放大器的工作稳定性， 如果没有它，后向反射光将进入信号源中，引起信号源的剧烈波动。在相干光长 距离光纤通信系统中，每隔一段距离安装一个光隔离器，可以减少受激布里渊散 射引起的功率损失。因此，光隔离器在光通信系统中具有重要的作用【5 l 。 光隔离器主要利用磁光晶体的法拉第效应来实现的。 1 8 4 5 年，法拉第发现原来不具有旋光性的物剧6 ，在磁场的作用下，偏振光 通过该物质时其振动面将发生旋转，这种现象叫磁致旋光效应，也称法拉第效应。 法拉第首先对这个现象进行了定量的描述，后来维尔德对其现象又进行了全 面的研究，最后通过试验总结出：对于给定的磁光材料，光振动面旋转的角度口 与磁感应强度b 和光在该物质中通过的距离的乘积成币比，有 口= 班圮 ( 1 1 ) 式中，v 为材料的特性常数，称维尔德( v e r d e t ) 常数，单位：分高斯厘米。 偏振方向的旋转只与磁场强度的方向有关，而与光传播的方向无关。 在法拉第旋转效应中，磁场对磁光材料产生作用，是导致磁致旋光现象的原 因，所以磁光材料引起的光偏振旋转的方向取决于外加磁场的方向，与光的传播 方向无关。迎着光看去，当线偏振光沿磁力线方向通过介质时，其振动面向右旋 转；当偏振光沿磁力线反方向通过磁光介质时，其振动面则向左旋转。旋转角0 的大小受磁光材料的旋磁特性、长度、工作波长及磁场强度的影响。材料越长、 磁场强度越大、工作波长越短，旋转角目将越大。另外，旋转角0 的大小还受环 新型岛功率光纤隔离器的设计与实验 境温度的影响，对大多数晶体来说，温度增加将导致旋转角减小7 1 。 目前广泛采用的磁光材料有钇铁石榴石( y i g ) 、铋铁石榴石( s i c ) 、铽镓石 榴石( t g g ) 等。它们具有良好的磁光效应。 光隔离器按偏振相关性分为两种：偏振相关型和偏振无关型，前者又称为自 由空间型( f r e e s p a c e ) ，因两端无光纤输入输出；后者又称为在线型( i n l i n e ) ， 因两端有光纤输入输出。 1 2 光隔离器的应用【8 】 1 2 1 激光器 目前d f b 单纵模输出激光器已达几十n w ，其工作波长的漂移小于1 埃度。 但在高频直接调制的情况下，激光器输出仍然会发生光谱展宽现象，这种光谱的 啁啾声对长跨距离比特率的传输极为不利。因此采用在激光器中加入光隔离器这 种方式来减小回波引起的啁啾声。图1 1 为两种带有光隔离器的激光器：尾纤式 激光器和蝶式激光器。 l d ( a ) 尾纤式激光器( b ) 蝶式激光器 图1 1 两种带光隔离器的激光器 1 2 2 光纤放大器 在光纤通信系统中，想要使得光信号在长距离下高质量的传输，首先要克服 的就是光纤对信号的衰减问题。传统的方法使在光纤传输系统中，每隔一定放入 距离就增加一个再生中继器来加强光信号。但是这种光电光转换模式的再生中 继器会使得通信设备过于复杂，导致整个系统的可靠性和稳定性都无法提高，特 别是在多条通道的光纤通信系统中显得更为突出。光纤放大器是光通信发展史上 个重要的里程碑，尤其足输出光在1 5 5 0 n m 波段附近掺饵离子的全光纤放大器 ( e d f a ) ，更是备受人们的青睐。 e d f a 是迄今为止技术最成熟、性能最完美、应用最广泛的光放大器。在 e d f a 诞生之前，已经有利用半导体技术研制出的半导体光放大器( s oa ) 和利 2 第四章岛功率光纤隔离器的实验测试j 讨论 用光线中非线性效应研制出的光放大器( 如光纤拉曼放大器) 。到了2 0 世纪8 0 年代中期，这几项技术已经成熟。但由于自身某种缺陷的存在，它们在光纤通信 中的应用并不能达到令人满意的效果。 e d f a 的高增益、低噪声、对偏振不敏感等优点都是其他几种激光器所无法 比拟的。能放大不同调制方式和速率的信号，具有几十纳米的放大带宽，由于 e d f a 这些无与伦比的特性和半导体泵浦源的使用，e d f a 给1 5 5 0 n m 窗口的光 纤通信带来了一场革命。 图1 2 是偏振相关光隔离器在激光器以及偏振无关隔离器在双向掺饵光纤放 大器系统中的应用的结构示意图。图中l d 发出的信号光通过自由空| 日j 隔离器将 激光变为偏振光，同时隔离从系统中返回l d 的杂散光，然后通过一个t a p 器件 分流出一部分光作为监控光。其余光进入隔离器l ，将系统中的信号光在器件上 反射回的杂散光全部隔离掉，然后信号光和泵浦光( 9 8 0 r i m 或1 4 8 0 n m ) 用波分 复用器一起耦合入掺饵光纤进行放大。同时在饵光纤右侧的泵浦光也通过波分复 用器反向输入饵光纤，使得两个泵浦同时工作。然后信号光经过隔离器2 和t a p 器件2 ，t a p 2 将功率分流输出到监控器2 中进行监控和反馈。同时信号光进入到 系统中。 掺饵 f s i t a p l隔离器1w d m光纤 w d m 隔离器2t a p 2 口日 信巴输 l j 光源 泵箔监硅器i 桑浦 监蒋器2 图1 2 掺饵光纤放大器 1 2 3 光纤c a t v 网 通常情况下，在收看电视时，无线电波的多路径会造成电视图像出现重影现 象，信号过弱会使画面出现大面积的“雪花”，而且电磁波干扰的存在也会造成 电视画面质量的下降；另一方面，卫星电视还需要配备相匹配的卫星电视接收器 和f m a m 转换器。因此，c a t v 受到了绝大多数用户的欢迎，发展极为迅速。 目前发达国家的c a t v 网络已经占了整个电视用户总数的一半以上。多路径信号 在光纤c a t v 网中传播的时候，必须使用大输出功率、小畸变、高线性和低噪声 的d f b 激光器，在光器件上还必须有光隔离器的存在，以保证将反射信号衰减 到足够小。较数字信号来说，由于模拟信号抗干扰能力差，因此对隔离器的隔离 新型高功率光纤隔离器的设计与实验 度要求更高，于是通常采用双级隔离器来使得模拟信号达到较好的抗干扰能力。 图1 3 为光隔离器在c a t v 网中的应用。 双级p d 口日 l d e d f a 掺饵光纤放大器 用户 p d 偏振相关光隔离器 图1 3 光隔离器在c a t v 网中的应用 1 3 国内外光隔离器的发展现状 在国外，光七十年代开始隔离器在即被列为重点开发项目；到了八十年代， 对隔离器的开发进一步加快，主要集中于两个方面：一是研制出高性能偏振相关 微型化光隔离器，以便与d f b l d 光源耦合出高质量的激光；二是研制出高性能 在线式偏振无关光隔离器，主要用于e d f a 光纤放大器等线路中。等到进入了九 十年代之后，差频的特点是器件工作波长系列化( 从最为直到近红外波长) 、高 指标、小型化、产业化引。 近几年，很多科研部门都投入了大量的人力、物力和财力进行这方面的研究， 目前已取得突破新进展，并形成产品，各项指标及体积的小型化已基本达到国际 水平，对产品开发的整体化和系列化方面也有较大的成绩，正在向产业化和高性 能方向发展。从研制方面来说，光隔离器的已经取得很大成果，器件的基础理论 研究、测试方法和应用都有相当的基础，我国曾经参与修订的国际标准t e c 2 0 2 1 纤维光学隔离器总规范，被国际i e c 组织认可和好评，并于1 9 9 4 年正式颁布， 这件事情足以表明了我国在这一领域的基础与水平。 九十年代以后，光隔离器在各项技术指标、小型化和实用化等方面有很大的 发展，现在主要加强研究的方面有一下几点： 1 带宽工作特性的研究。迄今为止国内外市场上的产品在插入损耗小于 0 5 d b ，并且隔离度大于4 0 d b 的条件下，中心波长在1 5 5 0 n m 波段的工作带宽仅 有+ 1 5 n m _ 斗3 0 眦l ，但是对于宽带波分复用和宽带高速大容量通信等就需要有更 宽的工作频带来提高其工作性能，因此需要将隔离器的带宽扩展n + 5 0 n m 以上。 2 低色散特性研究。器件材料和光路应使光信号色散小。 4 第四章高功率光纤隔离器的实验测试j 讨论 3 大范围的温度特性的研究。在室温( 2 5 摄氏度) 条件下，光隔离器性能 达到最佳状态。虽然规定带宽指标下的工作温度范围为0 5 0 摄氏度，但在实际 使用的过程中，环境的温度差往往会有很大的变化。因此，需要提供在宽温度范 围内环境下工作的隔离器。 4 新理论方向、新结构、新原理的探索。十多年来光隔离器理论方面进展 不大，没有大的理论突破和新的结构创意，因此还有待于深入探索的问题。 随着单模光纤通信网络的进一步发展，尤其是c a t v 网、光纤放大器，g b s 级高速光通信的技术及光信息处理相干光通信的进一步推广，光隔离器也正向着 微型化、高性能、多功能、集成化、低价格等方向发展。特别在光隔离器的设计 过程中，设计者已经开始考虑使其具有更多的功能，包括双波功能、多波功能和 附加部件等。目前国外市场上已经出现了多功能产品出现：双波光隔离器、带隔 离器的光线准直器、耦合器组件等。 国外从上世纪7 0 年代开始将光通信用光隔离器列为重点开发项目，8 0 年代 已进入实用化阶段。我国从8 0 年代开始研制开发工作，到现在已经取得突破性 进展，低功率光隔离器的主要技术指标已达到国际水平，并已批量化生产用于实 际系统中。能承受1 w 以上的公司主要是深圳兴博科技有限公司和深圳光越科技 有限公司的产品。深圳兴博科技的产品主要在1 0 6 4 n m 波段，最大可承受功率只 能达到3 w 。深圳光越科技的光隔离器在1 0 6 4 n m 波段功率最高可达到2 0 w ，在 1 3 1 0 n m 到1 5 5 0 n m 最高可达到1 0 w 。暂时还没有能承受2 0 w 以上光功率的产品。 目前，国内外研制光隔离器的公司较多，国外的光隔离器产品以美国的 j d s u 、o p l i n k 、e o t 和t h o r l a b s 等公司比较具有代表性。j d s u 公司的一系列光 隔离器产品的性能指标已接近理论极限，并且研制出外径为3 0 m m 的小型化光 隔离器产品，o p l i n k 公司则研制出了一系列多通道光隔离器产品。e o t 的产品 工作波段在1 0 3 0 1 0 8 0 n m 范围内，最大功率可以达到3 0 w 。t h o r l a b s 的光纤隔离 器，波段在7 8 0 n m 、9 8 0 n m 、1 0 6 4 n m 、1 3 1 0 n m 和1 5 5 0 n m ，波长范围是+ 1 5 n m ， 可以承受的平均功率为2 5 w ，峰值功率为1 0 k w ；自由空间隔离器在4 0 5 n m 、 6 3 3 n m 、7 8 0 r i m 、8 5 0 n m 功率可达到1 0 w ，在1 0 6 4 n m 可达到1 0 0 w ，在1 3 1 0 n m 可达到2 w ，在1 5 5 0 n m 可达到4 0 w 1 1 4 。2 7 1 。 随着光通信技术的发展，希望光隔离器向高功率、无偏振模色散、体积小、 成本低的方向发展，为此，我们提出并研制了一种新型高功率光纤光隔离器。 新型高功率光纤隔离器的设计与实验 1 4 本课题的研究意义及主要内容 通过对几种常用的光隔离器原理进行介绍，通过比较寻求一种新型的高功率 光纤隔离器的制作方法。文章中对光纤隔离器的几个构建可用材料进行了详细的 分析，通过对比选择出最佳的可用于高功率的光线隔离器的材料，为高功率隔离 器的制作奠定了理论基础。因而本文的研究内容具有非常重要的研究价值。 论文的内容安排如下： 第l 章：介绍了光隔离器的概念，光隔离器的应用和国内外隔离器的发展现 状，并对本论文构架做安排。 第2 章：对几种常用的光隔离器原理进行描述，并分析其优缺点。 第3 章：提出了一种新型偏振无关高功率光纤隔离器，对其结构进行了详细 设计与理论计算，对原理作了详细阐述，分别对其组件作了介绍、分析与计算。 第4 章：对提出的高功率光纤隔离器的主要性能参数进行分析介绍，并通过 实验测试，给出了实验结果。 总结与展望：对本文工作进行了总结与展望，并对下一步的工作提出了一些 设想。 6 第四章高功率光纤隔离器的实验测试j 讨论 第二章几种常用的光隔离器介绍 2 1 自由空间偏振相关光隔离器 自由空间型光隔离器一般用于半导体激光器中，因为半导体激光器发出的光 具有极高的线性度，因而可以采用这种偏振相关的光隔离器而享有低成本的优 势。 永磁铁 图2 1 偏振相关光隔离器的基本结构 偏振相关光隔离器的基本结构由一个4 5 。非互易法拉第旋转器和两个互为 4 5 。放置的g l a n t h o m p s o n 棱镜组成。如图2 。1 所示，沿轴向磁化的圆形环永久 磁铁和置于其中的磁光材料构成一个4 5 。法拉第旋转器；起偏器与检偏器的通 光方向也成4 5 。角。当一束光沿正方向传输时，任意光一束光经过起偏镜，再 经过4 5 。法拉第旋转器后可以根据根据马吕斯定理【2 8 l 对光束特性进行研究。通 过法拉第旋转器后光束强度将有以下变化： i = l o e 吨c o s 2 ( 砟l ) ( 2 1 ) 式中为起偏器和检偏器之间的夹角：i o 为输入强度：l 为磁光材料样品长 度；口为磁光材料的吸收系数：屏为法拉第旋转系数( 单位长度的法拉第旋转角) 。 当光束正向传输时，可以得出正向传输光的输出光强度为 i f = l o e 一8 c o s 20 。= i o e 一4 。 ( 2 2 ) 有反射光存在时，得到反向光的输出强度 i ，= i o e 砒c o s 29 0 。= 0 ( 2 3 ) 从式( 2 2 ) 和( 2 3 ) 可见，正向光顺利通过，反向光被阻止从而达到光束正向 导通、反向隔离的目的。偏振相关光隔离器的中心元件是4 5 。法拉第旋转器，它 可用块状磁光单晶制造，也可用磁光薄膜制造。目前，块状光隔离器的研制已达 产业化的水平。 7 新型高功率光纤隔离器的设计与实验 但偏振相关隔离器也有着固有的缺陷，由于设计结构的原因，当偏振无关光 束通过起偏器时，只有一个方向偏振的光可以通过，其他方向的均被阻挡，因此 导致对光源光能量的利用率太低，通用性不强，只能在特定的情况下使用。 2 2 平行平板型偏振无关光隔离器 这种隔离度的基本结构有多种，其中之一如图2 2 所示【2 9 1 。隔离体部分由 三个平行偏振分束器p 卜p 2 、p 3 和一个4 5 。法拉第旋转器构成，且l v l = 4 2l p 2 = 2l p 3 ，其中l p 卜l p 2 和l p 3 分别为相应偏振片p i 、p 2 、p 3 的厚度。光轴的关系 满足p i 与p 2 的光轴夹角4 5 。，p 2 与p 3 的光轴夹角9 0 。在这种结构中，为不 增加偏振相关损耗，偏振器均采用平面结构。但由于偏振元件的增加，光路比较 长，体积较大，会使得制成的器件整体体积大，而且在增加了光学元件的同时， 也会带来插入损耗的增加，使得组装工艺的难度增加等问题。 f r ，臣虱眩， o 罢 。i ， - - - - 囟 骂匕e 匕匕l 一 = l 匕匕匕l 拦 图2 2 平j r 平极型偏振无关光隔离器 当光束正向传输的时候，光信号从g r i n 中射出，以高斯光束的形式在空间 传输，光正向传播时，入射光经p i 后，光束被分为偏振方向相互垂直、传播方 向相同的o 光和e 光，o 光保持原来的位置，而e 光向下偏移，与。光分开距离 x ：经过f r 后，光矢量均沿顺时针方向旋转4 5 。：再经过p 2 ，o 光保持原来的 高度，e 光向上平移距离x 2 ，最后经过时o 光和e 光互换，仍旧是o 光不变，e 光向下平移x 2 ，最终合成偏振无关光束输出。 光线反向传输时，光通过g r i n 后，再经过p 3 ，此时o 光保持原来的高度位置， e 光在原来位置的基础上向上偏移距离x 2 ；再经过p 2 ，由于p 2 和p 3 光轴夹角相互 垂直，o 光和e 光互换，o 光保持原来位置，e 光向下平移x 2 ，经过f r 时，两光束 均有4 5 。逆时针旋转( 顺着光的正向传输方向看) ，最后经过p l 时o 光保持原来位 第四章高功率光纤隔离器的实验测试j 讨论 置，e 光向上平移x 2 ，从而实现了光束的反向隔离。 平行平板型结构的偏振无关光隔离器存在着固有的缺陷。首先，由于偏振分 束器采用平行平板，其反向光的分光距离由双折射晶体的厚度决定，如果晶体太 薄，则会导致分光距离有限，反向光会重新耦合进光纤，直接影响隔离度；其次， 平行的端面在端面处会产生较大的回波损耗；再次，半波片的应用使隔离器的工 作波长和工作带宽受限。 2 3 楔型单级偏振无关隔离器 在通信线路或者掺铒光纤激光器( e d f a ) 中，一般采用在线型光隔离器， 因为线路上的光偏振特性非常不稳定，要求器件有较小的偏振相关损耗。 最早的在线式光隔离器是用双折射晶体与石榴石晶体组合制作的，后因体积 大和成本高而被楔型光隔离器取代；在线式光隔离器因采用双折射晶体而引入 p m d ，因此相应出现p m d 补偿型楔隔离器。 g r i n 王 p l f r 因 | li _ j g 刚n z 卜一 因 图2 3 楔型偏振无关光隔离器结构图 楔型单级偏振无关隔离器的原理和结构如图2 3 所示1 3 0 3 1 1 。其中p i 与p 2 是 以光轴夹角为4 5 。放置的楔型双折射晶体，f r 是4 5 。的非互易磁致法拉第旋光 器。 f r p l 因p 2 磋 l 。 因 图2 4 楔型偏振无关光隔离器正向光路图 光束正向传输时，自输入光纤来的入射光被光纤准直器耦合为准直平行光， 9 新型高功率光纤隔离器的设计与实验 通过p l 后光束被分为两束具有不同的折射方向与偏振方向的线性偏振光，当它 们经过4 5 。法拉第旋转器时，由p l 出射的o 光和e 光的振动面各自向同一个方 向旋转4 5 。夹角，所以o 光和e 光被通过p 2 后又被折射到一起，合成两束间距 j l a d , 的平行光，并被斜面透镜耦合到输出光纤里。根据这个过程，来自输入光纤 的光信号被高效地传送给输出光纤而几乎不依赖于输入光的偏振状态。 f r p il i 卜 o 光 上 e 光 因 图2 5 楔型偏振无关光隔离器反向光路图 当光束反向传输时，由于法拉第效应的非互易性，光束通过p 2 后根据偏振 态的不同分成两束，经过法拉第旋转器时再分别进行旋转。光束到达p l 斜面上 时与正向传输时的对应的偏振相互旋转了9 0 0 ，相当于经过一个渥拉斯顿棱镜， 出射的两束线偏振光被p l 进一步分开一个较大的角度，被斜面透镜偏折，而不 能耦合进输入光纤，从而达到反向隔离的目的。 2 4 楔双级偏振无关光隔离器 楔型双级偏振无关光隔离器结构由两个单级偏振无关的楔形隔离器构成，如 图2 6 所示f 3 2 3 4 1 。其中p l 与p 2 、p 3 与p 4 之间都是以光轴夹角为4 5 。放置的楔型 双折射晶体，p 2 与p 3 的光轴之间夹角是9 0 。，f r i 和f r 2 都是4 5 。法拉第旋光 片。 】 p 1 2p 2 l 图2 6 两级光隔离器结构框图 l o p 2 2 z 卜 堕 一级 f 一 一n川nu懒 第阴章高功率光纤隔离器的实验测试j i f 论 p l lf r lp | 2p 2 lf r 2p 2 2 f f 髅 潜 彩 i 级 i i 级 图2 7 两级光隔离器正向光传播示意图 光信号正向传输时，经过准直器射出的平行光束，通过p l 后分为。光和e 光， 其偏振方向互相垂直，传播方向呈一夹角，经过f r l 时，o 光和e 光的振动面各自 向同一个方向旋转4 5 。夹角，被p 2 折射到一起，合成两束间距很小的平行光，经 过i i 级时，o 光和e 光相对于p 3 分别成了e 光和。光，实现了i 级和i i 级中。光和e 光 的相互转换，从而i 级中产生的光程差和平行位移在i i 级中得到了反向补偿，消 除了平行位移和偏振模色散。根据这个过程，来自输入光纤的光信号被高效的传 送给输出光纤而几乎不依赖于输入光的偏振状态。 i 级 u 级 图2 8 两级光隔离器反向光传播示意图 当光束反向传输时，从右端入射的反射光经过i i 级后，出射的。光和e 光是 发散的，由于法拉第效应的非互易性，由p 3 反向出射的。光和e 光与入射p 4 时 相比发生了相互转换。因为p 2 和p 3 的主光轴相互垂直，故p 3 中的。光和e 光反 向进入p 2 后又发生了一次相互转换，经过f r l 反向进入p l 后，两束偏振光分量 。光和e 光再次互换，被进一步发散分离，从而实现更高的反向隔离。 楔型双级偏振无关光隔离器具有很高的反向隔离度，可以消除偏振模色散。 2 5 波导型磁光隔离器 波导型光隔离器入射光和出射光之间夹角为0 。或9 0 。，构造如图2 9 所示。 磁场方向与光正向传播方向在f r 4 5 。旋转器处一致；在c m 4 5 。旋转器处与光 新型高功率光纤隔离器的设计与实验 传播方向垂直；且两块模式选择器一定要平行放置。当一束偏振光正向传播时， 经过f r 4 5 。旋转器产生法拉第效应，光向右旋转4 5 。( 顺着光束传播方向看) 。 再经过c m 4 5 。旋转器产生c o t t o n m o r o n 效应，使得光束又向左旋转4 5 。因此 如果入射光为t e 光时，则出射光仍为t e 光，于是实现偏振光的正向导通。而当 光束反向传播时，t e 光先经过c m 4 5 0 旋转器向左旋转4 5 。( 顺着光束传播方向 看) ，再经过f r 4 5 。旋转器时光向再向左旋转4 5 。，此时偏振光已变成t m 光， 被模式选择器截止从而实现光的单向传播。 1 、4 模式选择器2f r 一4 5 。旋转器3c m 4 5 。旋转器 图2 9 波导型光隔离器 目前波导型集成光隔离器还处于实验室研究阶段，有两个关键性问题尚待解 决：如何为f r 4 5 。旋转器和c m 4 5 。旋转器这两个相邻的光学器件提供互相 垂直的磁场；各器件之间耦合技术尚待进一步提高，目前耦合损耗很大。 现在有一些磁光晶体材料都具有有较强的c o t t o n m o t t o n 效应和f a r a d y 效应， 而且是在没有外加磁场而仅仅依靠薄膜自身磁化的情况下产生的。于是在研制波 导型光隔离器时，我们可以得到三点重要启示：这表明外加磁场并不是光隔离 器不可或缺的部分，在适当情况下省略外加磁场可以大大缩小光隔离器的尺寸。 c m 4 5 。旋转器和f r 4 5 。旋转器可以用同一块单晶薄膜制成，这样能消除两 个旋转器产生的多个界面，降低器件端面的光损耗。可以使用c m 4 5 。旋转器 和f r 4 5 。旋转器都靠自身磁化所产生的磁场来实现各自的功能。用激光加热一 块掺杂的石榴石晶体的一端，在温度达到居里点时让这部分石榴石沿垂直薄膜的 方向磁化，这部分就成为f r 4 5 。旋转器，然后用同样的方法使另一端沿平行于 薄膜的方向磁化，成为c m 4 5 。旋转器，用这种方法便可解决c o t t o n m o r t o n 场和 f a r a d y 场的匹配问题。 1 2 第四章高功率光纤隔离器的实验测试与讨论 2 6 磁光晶体球形光隔离器 磁光晶体球形光隔离器结构采用球形磁光晶体替代柱状磁光晶体，晶体采用 这种结构不但能作为非互易法拉第旋转器件，为隔离器提供偏振方向角为4 5 。的 旋转，而且还可以作为透镜，将光从发射光纤准直器耦合到接收光纤中传播( 见 图2 1 0 ) 。 薄膜偏振器 光纤接头 薄膜偏振器 光纤接头 图2 1 0 磁光晶体球形光隔离器结构示意图 偏振器采用堆积型薄膜偏振器，比一般的光隔离器少两片透镜。薄膜偏振器 比一般的偏振器件小得多，而且特性较好，有利于器件的小型化以及性能的提高。 由于透镜耦合问题引起的低于0 5 d b ，因此当球透镜直径相对于光纤纤芯直径足 够大时，耦合损耗会随着光纤半径的减小而缓慢下降。菲涅尔反射主要发生在空 气( 折射率为1 ) 和y i g 晶体( 折射率为2 2 1 5 ) 之间，通过增透膜技术可以将反 射损耗大大削减。晶体的吸收损耗可以通过选择具有优良特性的材料获得。此外， 新型磁光晶体法拉第旋转角的饱和磁场远远低丁y i g 晶体的饱和磁场，有利于器 件性能的改善和体积的减小。因此，磁光晶体球型光隔离器的有效长度可以降至 0 5 r a m 以下，插入损耗低于1 d b 。 2 7 主要性能参数分析【3 5 - 删 通常情况下，一个产品的性能好坏会通过一系列的性能参数体现出来，插入 损耗( i l ) 、隔离度( i s o ) 、回波损耗、偏振相关损耗、偏振模色散是衡量隔离 器的重要的性能参数。下面对这几个性能参数进行分析测试。 2 7 。1 插入损耗分析 设p ，为从隔离器的正向端入射的光功率，乃为输出光功率，插入损耗儿定 义为： l l = 一1 0 1 9 ( p i p 窃( 2 4 、 对于这种结构的隔离器，影响插入损耗的因素有固有吸收、端面反射、双折射晶 l3 新型高功率光纤隔离器的设计与实验 体和法拉第旋转器的消光比、角度误差以及球面透镜的耦合损耗等。 ( 1 ) 材料的固有吸收和端面反射 首先分析一下隔离器的关键部分。双折射晶体、法拉第旋转器、半波片对近 红外光都有一定的材料固有吸收和端面反射。材料的固有吸收则通过选择等级高 的材料来减少，端面反射损耗可以通过镀增透膜来减少。增透后的一对双折射晶 体y v 0 4 的吸收损耗可达到0 1 d b 以下，法拉第旋转器晶体的损耗可达0 1 d b 以 下，半波片由很薄的石英组成，它的损耗可以控制在0 1 d b 以下。所以，通过选 材和增透，一只隔离器的关键部分的损耗可以达到0 3 d b 以下。 ( 2 ) 晶体的消光比引起的损耗 w 0 4 晶体的消光比引起的损耗。此时设法拉第旋转器、半波片是理想的， 入射光p l 经双折射晶体后得p 。和p 。，但由于y v 0 4 晶体的消光比砟0 ，p o 中 含平行分量p o ，p 。中含垂直分量p 。不能耦合进输出光纤，仍设 ( 。) = ( p , ) = r e ，则由乞引起的损耗为： 1 l ，= - 1 0 1 9 揣= - 1 0 1 9 c 击， 泣5 ， 实钡0 = 2 。5 5 1 0 一，i l 。= 1 1l 1 0 一。 法拉第旋转器的消光比引起的损耗。此时设y v 0 4 晶体和半波片是理想 的，f r 的消光比为( p o 。p o ) = ( 。) = r f ，则由此引起的损耗见f 为： 毕删g 赫= - - 1 0 1 9 c 击， 6 ， 在1 0 一。1 0 5 之f a - i ，则儿f 在1 0 。4 1 0 。5 d b 之间。由此可见，虽然消光比对隔离 度影响较大，但对插入损耗几乎不产生影响。 ( 3 ) 角度偏差产生的损耗 如前面所分析的，当光正向传输时，f r 和半波片分别转角4 5 。，但由于以 和以，：的存在，使总的角度偏差目= j a o f a o 加i ，从双折射晶体出来的e o 和 e 经f r 的半波片后，( 只+ p 。) s i n 2a 0 被损失掉，( 只+ 只) c o s 2a 0 进入输出光纤， 由a 0 引起的损耗为： 、 儿。= 一t 。- g 量兰群= 一- 。，g c 。s 2 9 c 2 7 ， 1 4 第1 r 【i 章商功率光纤隔离器的实验测试j 讨论 其中，幺，：是由半波片的主轴与y v 0 4 晶体的主轴之间的夹角( 理想情况 下为2 2 5 。) 误差引起，以主要由加工误差引起。当法拉第旋转器加工时确定 后，在调整半波片与w 0 4 晶体之间的相对位置时应使与符号相反，数值上尽量 相等。例如，若啡= l 。，则应调整使以，2 = l 。，由式( 2 7 ) 知，此时它们 对插入损耗的影响可以忽略。但若仍使易，：= l 。，它们对插入损耗的影响仍可 以忽略，但此时隔离度不能超过3 0 d b 。从以上分析可知，角度偏差的绝对值虽 然都是1 。，但得出的结果差别很大。 ( 4 ) 耦合损耗 综上所述，可以看出，高功率偏振无关光隔离器的关键部分的插入损耗是比 较小的，但是经c 1 e n s 耦合后，从光纤到光纤的损耗就比较大了，这主要是来自 于c 1 e n s 的耦合损耗，对1 0 6 4 t m 波段，一对准直耦合球面透镜光纤到光纤的 损耗可以做到0 2 d b 以下。另外，单个y v 0 4 晶体两端面的平行度、法拉第旋转 片两端面的平行度以及两个y v 0 4 晶体光轴的平行度等，都会给隔离度和插入损 耗带来影响。 2 7 2 隔离度分析 隔离度表征隔离器对反向传输光的隔离能力，是光信号反向通过光隔离器时 产生的功率损耗值。设p l 为从隔离器的反向端输入的光功率，p 2 为从其币向端 接收到的光功率，则隔离度i s o 定义为： i s o = - 10 1 9 ( p t p 2 ) ( 2 8 ) 影响隔离度的因素有y v 0 4 晶体和法拉第旋转器的消光比，法拉第旋转器和 半波片的旋转角度误差以及剩余反射等。 ( 1 ) 消光比对隔离度的影响 0 ) w 0 4 晶体。当从p ，端入射到隔离器时，由于双折射晶体有一定的消光比， 使得o 光不完全是o 光，e 光不完全是e 光。则。光中的e 光部分和e 光中的。 光部分能由光纤头接收，降低了隔离度，此时设法拉第旋转器和半波片都是理想 嵌。即。国沪吁t 心沪r c 聪 妲- - - - 1 0 1 9 揣= 1 0 1 9 亿9 ， y v 0 4 晶体的消光比k 在1 0 巧量级，实测为2 5 5 1 0 一，则i s 0 = 4 5 9 d b 。 法拉第旋转器。此时设y v 0 4 晶体和半波片是理想的，由于法拉第旋转片 新型高功率光纤隔离器的设计与实验 的消光比不为零，双折射晶体2 出来的p 。和b 两束光经半波片和法拉第旋转片 后，户口分成了p o 和p d ”，只分成了戌，和r ”，r ”和n ”要耦合进光纤头中， 从而