光隔离器汇编

1、光隔离器的基本功能光隔离器的基本功能 光隔离器的基本功能是光隔离器的基本功能是实现光信号的正向传实现光信号的正向传输输, 同时抑制反向光同时抑制反向光, 即具有不可逆性即具有不可逆性。 通常情况下通常情况下, 光在各向同性或各向异性介质中光在各向同性或各向异性介质中的光路是可逆的的光路是可逆的, 因此因此, 光隔离器的设计必须光隔离器的设计必须考虑如何考虑如何打破其可逆性打破其可逆性。 目前的解决方法是目前的解决方法是利用利用磁光材料磁光材料对光偏振态对光偏振态调整的非互易性调整的非互易性实现光的不可逆传输。实现光的不可逆传输。 5.3.1光隔离器的分类光隔离器的分类 光隔离器的品种很多光隔离

2、器的品种很多, 按其按其内部结构内部结构可分为可分为块状型、光纤型和波导型块状型、光纤型和波导型。 块状型块状型结构属分立元件结构结构属分立元件结构, 是指在光路结是指在光路结构中构中, 通过自聚集透镜、偏振器和法拉第旋通过自聚集透镜、偏振器和法拉第旋转器等分立元件转器等分立元件, 将光纤间接耦合起来。将光纤间接耦合起来。 此类器件在技术上已经成熟此类器件在技术上已经成熟, 现在市场上的现在市场上的隔离器基本上都采用这种结构。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。其缺点在于所用光学元件多、体积相对较大。 光纤型光纤型是指在隔离器的光路结构中将光纤端是指在隔离器的

3、光路结构中将光纤端面作适当的加工面作适当的加工, 如抛光、镀膜等如抛光、镀膜等, 其他材料其他材料的元件则不介入或较少介入光路。的元件则不介入或较少介入光路。 其特点为体积小、重量轻、抗机械振动性能其特点为体积小、重量轻、抗机械振动性能好。好。 然而此类器件要用到特种光纤然而此类器件要用到特种光纤, 且加工精度且加工精度要求高、工艺复杂、价格昂贵。虽有应用于要求高、工艺复杂、价格昂贵。虽有应用于系统的例子系统的例子, 但其性能指标离实用化还有一但其性能指标离实用化还有一定的距离。定的距离。 波导型波导型的光隔离器属集成光学器件的光隔离器属集成光学器件, 采用扩采用扩 散有散有Ti 的铌酸锂等衬

4、底材料的铌酸锂等衬底材料, 经沉积、光刻、经沉积、光刻、扩散等波导工艺扩散等波导工艺, 制成磁光波导制成磁光波导, 再与其他再与其他元件及单模光纤耦合元件及单模光纤耦合, 形成光隔离器。形成光隔离器。 它体积小、重量轻、热稳定性和机械稳定它体积小、重量轻、热稳定性和机械稳定性好性好, 但由于波导制作技术、光纤和波导间但由于波导制作技术、光纤和波导间的耦合技术还不成熟的耦合技术还不成熟, 其性能指标与实际应其性能指标与实际应用的要求还有很大差距。用的要求还有很大差距。 光隔离器按其光隔离器按其外部结构外部结构可分为可分为尾纤型尾纤型、连接连接器端口型器端口型(也称在线安装型也称在线安装型)和和微

5、型化型微型化型。 前两种也称为前两种也称为在线型在线型, 可直接插入光纤网络中。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微型化光隔离器则常用于半导体激光器及其他器件中。他器件中。 隔离器按其隔离器按其性能性能可分为可分为偏振灵敏型偏振灵敏型( 也称偏振也称偏振相关相关) 和和偏振无关型偏振无关型。一般情况下。一般情况下, 偏振灵敏偏振灵敏型的光隔离器常做成微型化的型的光隔离器常做成微型化的, 偏振无关型光偏振无关型光隔离器则常做成在线型的隔离器则常做成在线型的。 偏振相关偏振相关光隔离器的结构包括光隔离器的结构包括空间型和空间型和光纤型光纤型。由于不论入射是否为偏振光。由于

6、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经过这种光隔离器后的出射光均为线偏振光振光, 因而称之为偏振相关光隔离器因而称之为偏振相关光隔离器, 主主要用于要用于DFB 激光器激光器中。中。 偏振无关偏振无关光隔离器是一种对输入光偏光隔离器是一种对输入光偏振态依赖性很小振态依赖性很小( 典型值典型值 0. 2dB) 的光的光隔离器。一般来说隔离器。一般来说, 偏振无关光隔离器偏振无关光隔离器的典型结构、工作原理都更复杂一些。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它采用有角度的分离光束的原理来制成成, 可起到偏振无关的目的。可起到偏振无关的目的。5.3.

7、2 光隔离器的应用光隔离器的应用1. 激光器激光器 目前目前 DFB DFB 激光器单纵模输出已达数十纳瓦激光器单纵模输出已达数十纳瓦, , 其工其工作波长的漂移小于作波长的漂移小于1 1埃埃/ /度度, , 但在但在高频直接调制下高频直接调制下, , 仍然发生光谱展宽现象仍然发生光谱展宽现象, , 这种光谱的啁啾对长跨距这种光谱的啁啾对长跨距高比特率的传输极为不利。高比特率的传输极为不利。 为了减少回波引起的为了减少回波引起的啁啾啁啾, , 必须在激光器中加入光隔离器。必须在激光器中加入光隔离器。2. 光纤放大器光纤放大器 在长距离光通信系统中在长距离光通信系统中, 需要大量使用光纤需要大量

8、使用光纤放大器。放大器。为了使光纤放大器工作稳定为了使光纤放大器工作稳定, 必须必须在放大器的两端使用隔离器来消除回返光在放大器的两端使用隔离器来消除回返光的影响。的影响。 图图5. 9为一种掺铒光纤放大器框图。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在千兆比特率的越洋海底光缆中, 需要用到需要用到超过超过50 个带光隔离器的光纤放大器。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隔离器的性能指标将直接影响放大器的增益和噪声益和噪声, 设计时常要求光隔离器的回波损设计时常要求光隔离器的回波损耗、隔离度分别在耗、隔离度分别在 50dB 和和40dB 以上。以上

9、。 3. 光纤光纤CATV 网网 在光纤在光纤CATV网中传播多路径信号的时候网中传播多路径信号的时候, 必须使必须使用高线性、小畸变、大输出功率和低噪声的用高线性、小畸变、大输出功率和低噪声的DFB 激光器激光器, 光器件上还必须装上光隔离器光器件上还必须装上光隔离器, 以保证反以保证反射信号得到足够的衰减。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由于模拟信号抗干扰能力较数字信号差, 所以对隔所以对隔离器的隔离度要求更高离器的隔离度要求更高, 常采用双级光隔离器。常采用双级光隔离器。CATV : Community Antenna Television 图图5. 10所示为

10、光隔离器在所示为光隔离器在 CATV 中的应用。中的应用。5.3.3 光隔离器的实现原理光隔离器的实现原理 1. 旋光现象和法拉第效应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平面偏振光通过物质后振动面发生旋转的现象叫作象叫作旋光现象旋光现象, 能够使平面偏振光的振动能够使平面偏振光的振动面发生旋转的物质叫作面发生旋转的物质叫作旋光性物质旋光性物质。 例如石英例如石英, 使它的光轴垂直于表面切取使它的光轴垂直于表面切取, 当入当入射的平面偏振光在石英晶体内沿光轴方向传射的平面偏振光在石英晶体内沿光轴方向传播时播时, 线偏振光的振动方向会随着光线的行线偏振光的振动方向会随着光线

11、的行进而发生偏转。进而发生偏转。 迎面观察通过晶体的光迎面观察通过晶体的光, 振动面按顺时针方振动面按顺时针方向旋转的称为右旋向旋转的称为右旋, 逆时针方向旋转的称为逆时针方向旋转的称为左旋。左旋。 光的传播方向改变时光的传播方向改变时, 旋光的方向也改变旋光的方向也改变, 如果通过晶片的偏振光从镜面反射回来再如果通过晶片的偏振光从镜面反射回来再通过同一晶片通过同一晶片, 则则振动面就恢复到原来的方振动面就恢复到原来的方位位。Faraday Effect 在强磁场的作用下在强磁场的作用下, 有些物质的光学性质会发生变化有些物质的光学性质会发生变化, 这就是这就是磁光效应磁光效应。 当平面偏振光

12、沿外加磁场方向通过介质时偏振面发生旋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转, 这种性质叫作这种性质叫作磁致旋光性磁致旋光性, 这个现象叫这个现象叫法拉第效应法拉第效应。 法拉第效应是最为人们所熟悉和最有用的法拉第效应是最为人们所熟悉和最有用的磁光效应磁光效应, 具有磁光效应的晶体称为磁光晶具有磁光效应的晶体称为磁光晶体。体。 磁致旋转也磁致旋转也 有右旋和左旋有右旋和左旋, 对于每一种给定对于每一种给定的物质的物质, 磁致旋转的方向仅由磁场方向决定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和光线的传播方向无关, 这是磁致旋转和天这是磁致旋转和天然旋光现象不同的地方。然

13、旋光现象不同的地方。 沿着顺光线方向和逆光线方向观察沿着顺光线方向和逆光线方向观察, 天然旋光天然旋光现象中光的旋转方向是相反的现象中光的旋转方向是相反的, 平面偏振光若平面偏振光若两次通过两次通过天然旋光物质天然旋光物质, 一次沿某一方向另一一次沿某一方向另一次沿相反方向次沿相反方向, 结果振动面并不旋转结果振动面并不旋转. 偏振光沿相反的方向两次通过偏振光沿相反的方向两次通过磁旋光物质磁旋光物质时时, 其旋转角加倍其旋转角加倍。 由于磁致旋光性产生的振动面旋转与光线传由于磁致旋光性产生的振动面旋转与光线传播方向无关播方向无关, 利用这一点来利用这一点来 实现光隔离器的实现光隔离器的非互易性

14、。非互易性。 一个隔离体的构成主要有一个隔离体的构成主要有: 1.起偏器或偏振分束器起偏器或偏振分束器, 由偏振片或双折射晶由偏振片或双折射晶体构成体构成, 实现由自然光得到偏振光实现由自然光得到偏振光; 2.磁光晶体制成的磁光晶体制成的法拉第旋转器法拉第旋转器, 完成对光偏完成对光偏 振态的非互易调整振态的非互易调整; 3.检偏器或偏振合束器检偏器或偏振合束器, 实现将光线会聚平行实现将光线会聚平行出射出射。2. 偏振偏振相关相关光隔离器光隔离器 偏振相关光隔离器的结构包括偏振相关光隔离器的结构包括空间型空间型和和全光全光纤型纤型, 不论入射光是否为偏振光不论入射光是否为偏振光, 经过这种光

15、隔离经过这种光隔离器后的出射光均为线偏振光。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器等器件的空间光路中, 分为大型和微型两分为大型和微型两种。种。 大型器件以非饱和旋转器为特点大型器件以非饱和旋转器为特点, 典型尺寸为典型尺寸为 1 in(英寸英寸= 2.539999918 厘米厘米 ) 、2 in、4 in 等等, 用于用于YAG 激光器激光器中。中。 而另一种基于饱和旋转器的微型隔离器尺寸很而另一种基于饱和旋转器的微型隔离器尺寸很

16、小小, 如如3mm1. 9mm, 这种隔离器可用于这种隔离器可用于半导半导体激光器体激光器中。中。 整个隔离器包括两个起偏整个隔离器包括两个起偏( 检偏检偏) 器和一个法拉器和一个法拉第旋转器。第旋转器。 图图5.11 偏振相关光隔离器典型结构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偏振器置于法拉第旋转器前后两边, , 其透光轴方向彼此呈其透光轴方向彼此呈4545关系关系, , 当入射平行光经过第一当入射平行光经过第一 个起偏器个起偏器P1P1时时, , 变成线变成线偏振光偏振光, , 然后经法拉第旋转器然后经法拉第旋转器, , 其偏振面被旋转其偏振面被旋转4545, , 刚好

17、刚好与第二个检偏器与第二个检偏器P2P2的透光轴方向一致的透光轴方向一致, , 于是光信号顺利通过于是光信号顺利通过而进入光路中。而进入光路中。 反过来反过来, , 由光路引起的反射光首先进入第二个偏振器由光路引起的反射光首先进入第二个偏振器 P2 , P2 , 变成与第一个偏振器变成与第一个偏振器 P1 P1 的透光轴方向呈的透光轴方向呈 4545夹角的线偏夹角的线偏振光振光, , 再经过法拉第旋转器时再经过法拉第旋转器时, , 由于法拉第旋转器效应的非由于法拉第旋转器效应的非互易性互易性, , 被法拉第旋转器继续旋转被法拉第旋转器继续旋转 4545, , 其偏振面与其偏振面与P1 P1 透

18、透光轴的夹角变成了光轴的夹角变成了9090, , 即与起偏器即与起偏器 P1 P1 的偏振方向正交的偏振方向正交, , 而不能通过起偏器而不能通过起偏器 P1 , P1 , 起到了反向隔离的作用。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使用微型化光隔离器来制作器件时, 通常通通常通过柱透镜或球透镜过柱透镜或球透镜, 将来自半导体激光器的将来自半导体激光器的光信号经隔离器耦合到光纤中。光信号经隔离器耦合到光纤中。 这里面这里面, 常需要将器件中的分立元件倾斜于常需要将器件中的分立元件倾斜于基座放置基座放置, 或将隔离器倾斜安装或将隔离器倾斜安装, 以提高整以提高整个器件的回波损耗个

19、器件的回波损耗, 否则否则, 光学元件自身将光学元件自身将引起一定的反射。引起一定的反射。 3. 偏振无关光隔离器偏振无关光隔离器 偏振无关偏振无关光隔离器是一种对输入光偏振态依赖光隔离器是一种对输入光偏振态依赖很小的光隔离器很小的光隔离器, 与偏振相关光隔离器相比与偏振相关光隔离器相比, 由由于其输出不为偏振光于其输出不为偏振光, 所以所以更具实用性更具实用性。 1) Walk-off 型光隔离器原理型光隔离器原理 这种结构的偏振无关光隔离器的典型结构这种结构的偏振无关光隔离器的典型结构之一如图之一如图5. 12所示。所示。 隔离体部分由三个平行偏振分束器隔离体部分由三个平行偏振分束器P1、

20、P2、P3和一个和一个45法拉第旋转器法拉第旋转器FR构成构成, 且且P1 、P2 、P3 的厚度满足的厚度满足 13. 5223211pppLLL P1P1与与P2P2的光轴夹角为的光轴夹角为4545, P2, P2与与P3 P3 的光轴夹角为的光轴夹角为 9090。输入光。输入光信号经自聚焦透镜准直成平行光束信号经自聚焦透镜准直成平行光束, , 入射到入射到 P1 , P1 , 入射光被分解入射光被分解为为o o光和光和e e光光, o, o光不发生偏折光不发生偏折, , 以原来的方向出射以原来的方向出射, e, e光走离光走离, , 以以两束平行线偏振光出射两束平行线偏振光出射, , 这

21、两束线偏振光进入法拉第旋转器这两束线偏振光进入法拉第旋转器FR, FR, 振动面被顺时针旋转振动面被顺时针旋转4545, , 由于由于P2P2与与 P1P1的光轴方向相差的光轴方向相差4545, , 所以所以P1P1中的中的o o光和光和e e光进入光进入P2P2后仍为后仍为o o光和光和e e光光, e, e光进一步走离光进一步走离, , 只是走离方向与只是走离方向与P1P1中的走离方向不同。中的走离方向不同。 进入进入P3P3 后后, 由于由于P3P3与与P2 P2 的光轴垂直的光轴垂直, , 所以所以, P2 , P2 中的中的o o光和光和e e光在光在P3P3中分别为中分别为e e光

22、和光和o o光光, P3, P3中的中的e e 光走离。从光走离。从P3 P3 出射时出射时, , 两束线两束线偏振光重新会聚偏振光重新会聚, , 平行出射平行出射, , 被聚焦透镜耦合进入输出光纤。被聚焦透镜耦合进入输出光纤。 反向光入射时反向光入射时, , 经过将入射光分解为两束线偏振光经过将入射光分解为两束线偏振光, , 再经再经P2 , P2 , 由于由于P2 P2 和和P3 P3 的光轴垂直的光轴垂直, , 两束线偏振光分别在两束线偏振光分别在 P3 P3 和和P2 P2 中走离原来的方向中走离原来的方向, , 进入进入FRFR。由于它的非互易性。由于它的非互易性, , 它们的振它们

23、的振动面被顺时针旋转动面被顺时针旋转 4545, , 这样这样, , 在在 P2 P2 中的中的o o光和光和e e光在光在P1P1中分别为中分别为e e光和光和o o光光, e, e光进一步走离光进一步走离, , 出射光分光距离进一步出射光分光距离进一步增加增加, , 而不会会聚在一起而不会会聚在一起, , 故不会被自聚焦透镜耦合进输入故不会被自聚焦透镜耦合进输入光纤光纤, , 从而实现反向隔离。从而实现反向隔离。 这种结构中的偏振器采用平面结构这种结构中的偏振器采用平面结构, 所以不会所以不会增加偏振相关损耗。但由于偏振元件的增加增加偏振相关损耗。但由于偏振元件的增加, 体积较大体积较大,

24、 光路比较长光路比较长, 因而制成的器件整体因而制成的器件整体体积大体积大, 同时因为增加了光学元件同时因为增加了光学元件, 所以带来所以带来了插入损耗的增加和组装工艺的困难。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型结构的偏振无关光隔离器的主要主要缺陷缺陷是由于采用是由于采用平行平板型偏振分束器平行平板型偏振分束器, 其反其反向光的分光距离取决于双折射晶体的厚度向光的分光距离取决于双折射晶体的厚度, 如如果分光距离有限果分光距离有限, 则反向光会重新耦合进光纤则反向光会重新耦合进光纤, 直接影响隔离度。直接影响隔离度。 2) Wedge 型光隔离器原理

25、型光隔离器原理 隔离体由两个光轴夹角为隔离体由两个光轴夹角为45的楔型双折射的楔型双折射晶体和一个法拉第旋转器构成。晶体和一个法拉第旋转器构成。 首先分析光信号首先分析光信号正向传输正向传输的情况的情况, , 经过自聚焦透镜经过自聚焦透镜射出的准直光束射出的准直光束, , 进入楔型双折射晶体进入楔型双折射晶体 P1 P1 后被分后被分为为 o o 光和光和e e 光光, , 其偏振方向相互垂直其偏振方向相互垂直, , 传播方向呈传播方向呈一夹角一夹角, , 当它们经过当它们经过4545法拉第旋转器时法拉第旋转器时, , 出射的出射的o o 光和光和e e 光的偏振面各自顺时针方向旋转光的偏振面

26、各自顺时针方向旋转 4545。 由于第二个楔型双折射晶体由于第二个楔型双折射晶体 P2 P2 的光轴相对于第一的光轴相对于第一个晶体光轴正好呈个晶体光轴正好呈4545夹角夹角, , 所以所以o o光和光和e e 光被光被P2P2折折射到一起射到一起, , 合成两束间距很小的平行合成两束间距很小的平行 光束光束, , 并被斜并被斜面透镜耦合到光纤纤心里面面透镜耦合到光纤纤心里面, , 因而正向光以极小损因而正向光以极小损耗通过隔离器耗通过隔离器, , 正向光传播的示意图如图正向光传播的示意图如图5.145.14所示。所示。正向光传播的示意图如图正向光传播的示意图如图5. 14所示所示。 由于法拉第旋转器的非互易性由于法拉第旋转器的非互易