光隔离器根本原理

1、光隔离器的根本原理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很多缘由产生的反向光。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。一光隔离器的类型光隔离器按其外部构造可分为型、连接器端口型(也称在线安装型)和微型化型自由空间隔离器。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。自由空间隔离器.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。一般状况下, 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

2、的。偏振无相关光隔离器的构造包括空间型和光纤型。由于不管入射是否为偏振光, 经过这种光隔离器后的出射光均为线偏振光, 因而称之为偏振无相关光隔离器, 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靠性很小( 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构造、工作原理都更简单一些。它承受有角度的分别光束的原理来制成, 可起到偏振无关的目的。依据光纤类型分为保偏隔离器和一般隔离器。由于通过偏振相关型光纤隔离器的光功率依靠于输入光的偏振态，因此要求使用保偏光纤作尾纤。这种光纤隔离器将主要用于相干光通信系统。目前光纤隔离器用的最多的仍旧是偏振无关型的。保偏

3、光纤：保偏光纤传输线偏振光，偏振光在光纤中传输的时候，其偏振态在很长一端光纤内几乎保持不变的光纤。广泛用于航天、航空、航海、工业制造技术及通信等国民经济的各个领域。在以光学相干检测为根底的干预型光纤传感器中，使用保偏光纤能够保证线偏振方向不变，提高相干信躁比，以实现对物理量的高精度测量。保偏光纤的使用：保偏光纤作为一种特种光纤，主要应用于光纤陀螺，光纤水听器等传感器和 DWDM、EDFA 等光纤通信系统。由于光纤陀螺及光纤水听器等可用于军用惯导和声呐，属于高科技产品，而保偏光纤又是其核心部件，因而保偏光纤始终被西方兴旺国家列入对我禁运的清单。保偏光纤的类型：熊猫型、椭圆型、领结型和类矩形工作波

4、长980 nm980 nm1310 nm1310 nm1310 nm模场直径6.6um 6.6um 9.3um 9.3um5.5um拍长2.8mm2.8mm3.8mm3.8mm3.0mm包层/涂覆层直径125/400um125/245um125/400um125/245um125/245um1.7 保偏光纤的规格1400-1490 nm9.8um(1455nm)4.2mm125/400um1400-1490 nm9.8um(1455nm)4.2mm125/245um1550 nm10.5um4.5mm125/400um1550 nm10.5um4.5mm125/245um模场直径：模场直径(M

5、FD-Mode Field Diameter)，用来表征在光纤的纤芯区域基模光平行于光轴直线传播的光线代表传播中的基模的分布状态。基模在纤芯区域轴心线处光强最大，并随着偏离轴心线的距离增大而渐渐减弱。模场直径的大小与所使用的波长有关系，随着波长的增加模场直径增大。1310nm 典型值：9.20.5m，1550nm典型值：10.51.0m。拍长定义：两个偏振重量间功率的周期交换，这个周期就称为拍长。拍长波长/B偏振状态沿光纤长度方向从线偏振光椭圆偏振光线偏振光一个演化周期出长度即为拍长二偏振无关光纤隔离器的典型构造一种较为简洁的构造如图所示。这种构造只用到四个主要元件：磁环Magnetic Tu

6、be、法拉第旋转器Faraday Rotator、两片 LiNbO3 楔角片LN Wedge，协作一对光纤准直器Fiber Collimator，可以做成一种在线式In-line的光纤隔离器。三 根本工作原理下面具体分析光纤隔离器中光信号正向和反向传输的两种状况。正向传输如图 2所示，从准直器出射的平行光束，进入第一个楔角片 P1 后，光束被分为 o 光和 e 光，其偏振方向相互垂直，传播方向成一夹角。当他们经过 45法拉第旋转器时， 出射的 o 光和 e 光的偏振面各自向同一个方向旋转 45，由于其次个 LN 楔角片 P2 的晶轴相对于第一个楔角片正好呈 45夹角，所以 o 光和e 光被折射

7、到一起，合成两束间距很小的平行光，然后被另一个准直器耦合到光纤纤芯里去。这种状况下，输入的光功率只有很小一局部被损耗掉，这种损耗称之为隔离器的插入损耗。图中“+”表示 e 光向此方向偏折反向传输如(图 3)所示,当一束平行光反向传输时,首先经过 P2 晶体,分为偏振方向与 P1 的晶轴各呈 45夹角的o 光和e 光。由于法拉第效应的非互易性，o 光和 e 光通过法拉第旋转器后，偏振方向仍旧向同一个方向图中为逆时针方向旋转45，这样，原先的o 光和 e 光在进入其次个楔角片P1后成了e 光和o 光。由于折射率的差异，这两束光在 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、光被进一步分开一个更大的角度，即使经过自聚焦透镜的耦合，也不能进到光纤纤芯中去，从而到达了反向隔 离的目的。此时的传输损耗称之为隔离度。3.4 技术参数对于光纤隔离器，主要的技术指标有插入损耗(Insertion Loss)、反向隔离度(Isolation)、回波 损耗(Return Loss)、偏振相关损耗(Polarization Dependent Loss)、偏振模色散(Polarization Mode Dispersion)等，以下将作一一说明。插入损耗(Insertion Loss)在偏振无关光纤隔离器中,插入损耗主要包括光纤准直器、法拉第旋转器和双折射晶体等的 损耗，法拉第旋转

9、器的消光比越高、反射率越低、吸取系数越小，插入损耗就越小，一般法拉第旋转器的损耗约为 0.020.06dB。由图 2可知，一束平行光经过隔离器芯后，会分成 o、e 两束平行光。由于双折射晶体的固有特性， o 光和e 光不能完全会聚,从而造成附加损耗。反向隔离度(Isolation)反向隔离度是隔离器最重要的指标之一,它表征隔离器对反向传输光的衰减力量。影响隔离器隔离度的因素很多，具体争辩如下。隔离度与偏振器距法拉第旋转器距离的关系隔离度与光学元件外表反射率的关系隔离器中光学元件外表反射率越大，隔离器的反向隔离度就越差。隔离度与偏振器楔角、间距的关系双折射晶体为钒酸钇YVO4的光隔离器。隔离度与

10、晶轴相对角度的关系隔离度是越大越好。回波损耗光隔离器的回波损耗RL是指正向入射到隔离器中的光功率和沿输入路径返回隔离器输入端口的光功率之比，这是一个重要的指标,由于回波强,隔离度将受到很大的影响。通常平面元件引起的回波损耗在 14dB 左右，通过增透膜和斜面抛光等可以使回波损耗到 60dB 以上。光隔离器的回波损耗主要来自它的准直光路即准直器局部，经理论计算当斜面倾角在8时，回波损耗大于 65dB。偏振相关损耗 PDLPDL 与插损不同，它是指当输入光偏振态发生变化而其它参数不变时，器件插入损耗的最大变化量，是衡量器件插入损耗受偏振态影响程度的指标。对于偏振无关光隔离器，由于器 件中存在着一些

11、可能引起偏振的元件，不行能实现 PDL 为零，一般可承受 PDL 小于 0.2dB。5.偏振模色散 PMD偏振模色散 PMD 是指通过器件的信号光不同偏振态之的相位延迟。在光无源器件中，不同偏振模式具有不同的传播轨迹和不同的传播速度，产生相应的偏振模色散 。同时，由于光源谱线有肯定带宽，也会引起肯定色散。在高速光通讯系统中，PMD 就格外重要了。在偏振无关光隔离器中，双折射晶体产生的两束线偏振光以不同的相速和群速传输，即是 PMD，其主要来源是用以分别和会聚 o 光、e 光的双折射晶体。它可由两束线偏振光的光程差L近似得到。偏振模色散： PMD 主要受e 光和o 光折射率差的影响。四实际应用用

12、在 WDM 系统和 EDFA 上。EDFA 主要由铒掺杂光纤EDF、泵浦光源、WDM 耦合器、隔离器等部件组成，构造如图 错误!文档中没有指定样式的文字。-1 所示。1 2n.隔离器WDM耦合器 铒掺杂光纤隔离器1 2n.PinPout泵浦激光器图 错误!文档中没有指定样式的文字。-1掺铒光纤放大器的组成五：名词解释：偏振光，光学名词。光是一种电磁波，电磁波是横波。而振动方向和光波前进方向构成的平面叫做振动面，光的振动面只限于某一固定方向的，叫做平面偏振光或线偏振光。偏振光是指光矢量的振动方向不变，或具有某种规章地变化的光波。依据其性质,偏振光又可分为平面偏振光线 偏光、圆偏振光和 椭圆偏振光

13、 、局部偏振光几种。假设光波电矢量的振动方向只局限在一确定的平面内，则这种偏振光称为平面偏振光，假设轨迹在传播过程中为始终线，故又称线偏振光。自然光： 通常光源发出的光，它的振动面 不只限于一个固定方向 而是在各个方向上均匀分布的。起偏器： 自然光通过偏振片后成为 线偏振光 ,线偏振光的振动方向与偏振片的偏振化方向全都 .在这里偏振片起着 起偏器 的作用. 检偏器用来检验某一束光是否偏振光.方法:转动偏振片 ,观看透射光强度的变化 :自然光:透射光强度不发生变化偏振光:透射光强度发生变化偏振光通过偏振片后 ,在转动偏振片的过程中 ,透射光强度发生变化.在这里偏振片起着检偏器的作用 .横波：是波

14、动的一种波动分为横波和 纵波。横波的特点是 质点的振动方向与 波的传播方向相互垂直。 在横波中 波长通常是指相邻两个波峰或波谷之间的距离。 电磁波、光波就是横波。偏振片 (polarizer) ：可以使自然光变成 偏振光的光学元件偏振光的原理：偏振光 Polarization通常光源发出的光，它的振动面不只限于一个固定方向而是在各个方向上均匀分布的。这种光叫做自然光。光的偏振 性是光的横波性的最直接，最有力的证据，光的偏振现象可以借助于试验装置进展观看， P1、P2 是两块同样的 偏振片。通过一片偏振片 p1 直接观看自然光如灯光或阳光，透过偏振片的光虽然变成了偏振光，但由于人的眼睛没有区分偏

15、振光的力量，故无法觉察。 假设我们把偏振片 P1 的方位固定，而把偏振片 P2 缓慢地转动，就可觉察透射光的强度随着P2 转动而消灭周期性的变化，而且每转过90就会重复消灭发光强度从最大渐渐减弱到最暗；连续转动P2 则光强又从接近于零渐渐增加到最大。由此可知，通过P1 的透射光与原来的 入射光性质是有所不同的 ，这说明经 P1 的透射光的振动对传播方向不具有对称性。自然光经过偏振片后，转变成为具有肯定振动方向的光。这是 由于偏振片中存在着某种特征性的方向，叫做偏振化方向，偏振片只允许平行于偏振化方向的振动通过，同时吸取垂直于该方向振动的光。 通过偏振片的透射光，它的振动限制在某一振动方向上,我们把第一个偏振片 P1 叫做“起偏器”，它的作用是把自然光变成偏振光，但是人的眼睛不能区分偏振光。必需依靠其次片偏振片 P2 去检查。旋转 P2，当它的偏振化方向与偏振光的偏振面平行时，偏振光可顺当通过， 这时在 P2 的后面有较亮的光。 当 P2 的偏振方向与偏振光的偏振面垂直时，偏振光不能通过，在 P2 后面也变暗。其次个偏振片帮助我们区分出偏振光， 因此它也称为