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光隔离器_图文_
时间:2020-10-23 00:40

  5.3光隔离器 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 光隔离器又称光单向器 是一种光非互易传输的光无 非互易传输的光 光单向器 器件。 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。 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 活动连接器的形式耦合到光 光源所发出的信号光 活动连接器 纤线路中去, 活动接头处的光纤端面间隙会使约4% 纤线路中去 活动接头处的光纤端面间隙会使约 的反射光向着光源传输。 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 这类反向光的存在, 将导致光路系统间产生自耦合效 使激光器的工作变得不稳定和产生反射噪声, 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, 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。 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 光隔离器的基本功能是实现光信号的正向传 同时抑制反向光, 即具有不可逆性。 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 通常情况下, 的光路是可逆的, 因此, 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 打破其可逆性。 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 目前的解决方法是利用磁光材料对光偏振态 利用磁光材料 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。 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 光隔离器的分类 ? 光隔离器的品种很多 按其内部结构可分为块 光隔离器的品种很多, 按其内部结构可分为块 内部结构可分为 状型、光纤型和波导型。 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 块状型结构属分立元件结构 结构属分立元件结构, 通过自聚集透镜、 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。 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 此类器件在技术上已经成熟 离器基本上都采用这种结构。 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。 ? 光纤型是指在隔离器的光路结构中将光纤端 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, 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。 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、 好。 ? 然而此类器件要用到特种光纤 且加工精度 然而此类器件要用到特种光纤, 要求高、工艺复杂、价格昂贵。 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 定的距离。 定的距离。 ? 波导型的光隔离器属集成光学器件, 采用扩 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 散有Ti 的铌酸锂等衬底材料, 经沉积、光刻、 散有 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, 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。 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 它体积小、 重量轻、 性好, 但由于波导制作技术、光纤和波导间 性好 但由于波导制作技术、 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 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 外部结构可分为 尾纤型 、 连接 光隔离器按其外部结构 可分为 尾纤型、 外部结构 可分为尾纤型 器端口型(也称在线安装型 微型化型。 也称在线安装型)和 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。 前两种也称为在线型 可直接插入光纤网络中。 在线型 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。 ? 隔离器按其性能可分为偏振灵敏型 也称偏振 隔离器按其性能可分为偏振灵敏型( 性能可分为偏振灵敏型 相关) 和偏振无关型。一般情况下, 偏振灵敏 相关 偏振无关型。一般情况下 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 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 偏振相关光隔离器的结构包括空间型和 光隔离器的结构包括 光纤型。 由于不论入射是否为偏振光, 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, 振光 因而称之为偏振相关光隔离器 主 要用于DFB 激光器中。 要用于 激光器中 ? 偏振无关 光隔离器是一种对输入光偏 偏振无关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 0. 2dB) 的光 隔离器。一般来说, 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。 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 可起到偏振无关的目的。 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 激光器单纵模输出已达数十纳瓦, 作波长的漂移小于1 但在高频直接调制下 高频直接调制下, 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, 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。 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。 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 在长距离光通信系统中, 放大器。为了使光纤放大器工作稳定, 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。 的影响。 ? 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。 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 在千兆比特率的越洋海底光缆中, 超过50 个带光隔离器的光纤放大器。 超过 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, 益和噪声 设计时常要求光隔离器的回波损 以上。 耗、隔离度分别在 50dB 和40dB 以上。 3. 光纤 光纤CATV 网 ? 在光纤 在光纤CATV网中传播多路径信号的时候 必须使 网中传播多路径信号的时候, 网中传播多路径信号的时候 用高线性、 小畸变、 大输出功率和低噪声的DFB 用高线性 、 小畸变 、 大输出功率和低噪声的 激光器, 光器件上还必须装上光隔离器, 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。 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 由于模拟信号抗干扰能力较数字信号差, 离器的隔离度要求更高, 常采用双级光隔离器。 离器的隔离度要求更高 常采用双级光隔离器。 ? CATV : Community Antenna Television ? 图5. 10所示为光隔离器在 CATV 中的应用。 中的应用。 所示为光隔离器在 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 旋光现象, 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 旋光性物质。 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 例如石英, 使它的光轴垂直于表面切取, 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 进而发生偏转。 进而发生偏转。 ? 迎面观察通过晶体的光 振动面按顺时针方 迎面观察通过晶体的光, 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 左旋。 左旋。 ? 光的传播方向改变时 旋光的方向也改变 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, 通过同一晶片 则振动面就恢复到原来的方 位。 Faraday Effect ? 在强磁场的作用下 有些物质的光学性质会发生变化 这 在强磁场的作用下, 有些物质的光学性质会发生变化, 就是磁光效应 磁光效应。 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 这种性质叫作磁致旋光性 这个现象叫法拉第效应 磁致旋光性, 法拉第效应。 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, 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 有右旋和左旋, 的物质, 磁致旋转的方向仅由磁场方向决定, 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, 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。 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 沿着顺光线方向和逆光线方向观察, 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 两次通过天然旋光物质 天然旋光物质, 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. 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, 偏振光沿相反的方向两次通过磁旋光物质时 磁旋光物质 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 播方向无关, 播方向无关 利用这一点来 实现光隔离器的 非互易性。 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 起偏器或偏振分束器, ? 1.起偏器或偏振分束器 由偏振片或双折射晶 起偏器或偏振分束器 体构成, 实现由自然光得到偏振光; 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 磁光晶体制成的法拉第旋转器 磁光晶体制成的法拉第旋转器, 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 实现将光线会聚平行 检偏器或偏振合束器, 检偏器或偏振合束器 出射。 出射 2. 偏振相关光隔离器 偏振相关 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 偏振相关光隔离器的结构包括空间型和 空间型 纤型, 纤型 ? 不论入射光是否为偏振光 经过这种光隔离 不论入射光是否为偏振光, 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 激光器、二极管泵浦固体激光器、 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 种。 ? 大型器件以非饱和旋转器为特点 典型尺寸为 大型器件以非饱和旋转器为特点, 1 in(英寸 2.539999918 厘米 ) 、2 in、4 in 英寸= 英寸 、 用于YAG 激光器中。 激光器中 等, 用于 ? 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 × 这种隔离器可用于半导 体激光器中 体激光器中。 ? 整个隔离器包括两个起偏 检偏 器和一个法拉 整个隔离器包括两个起偏( 检偏) 第旋转器。 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 偏振器置于法拉第旋转器前后两边, 45°关系, 个起偏器P1 P1时 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 45° 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, P2的透光轴方向一致 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。 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 , 反过来, 变成与第一个偏振器 P1 的透光轴方向呈 45°夹角的线° 振光, 再经过法拉第旋转器时, 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, 45° 其偏振面与P1 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 90° 的偏振方向正交, 光轴的夹角变成了90°, 即与起偏器 P1 的偏振方向正交, 起到了反向隔离的作用。 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 使用微型化光隔离器来制作器件时, 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 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 常需要将器件中的分立元件倾斜于 这里面, 基座放置, 或将隔离器倾斜安装, 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, 个器件的回波损耗 否则 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 ? 偏振无关光隔离器是一种对输入光偏振态依赖 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, 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。 于其输出不为偏振光 所以更具实用性。 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. 所示 所示。 之一如图 12所示。 ? 隔离体部分由三个平行偏振分束器 、P2、 隔离体部分由三个平行偏振分束器P1、 、 P3和一个 °法拉第旋转器 构成 且P1 、 和一个45°法拉第旋转器FR构成 构成, 和一个 P2 、P3 的厚度满足 L p1 1 = 2 L p2 = 2 L p3 5.13 式中, 式中, LP1 、LP2 、LP3 分别为相应偏振分束器的厚度。 分别为相应偏振分束器的厚度。 ? P1与P2的光轴夹角为45°, P2与P3 的光轴夹角为 90°。输入光 的光轴夹角为45 45° 90° 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 P1 , 入射光被分解 光和e 光不发生偏折, 以原来的方向出射, 光走离, 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, 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 45° 由于P 的光轴方向相差45 45° 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P 中的o 光和e 光进入P 后仍为o 光和e 光进一步走离, 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P 中的走离方向不同。 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 进入P 由于P 的光轴垂直, 所以, 中的o光和e 中分别为e光和o 中的e 光走离。 出射时, 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。 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 反向光入射时, 经过将入射光分解为两束线 的光轴垂直, 两束线 中走离原来的方向, 进入FR 由于它的非互易性, FR。 和P2 中走离原来的方向, 进入FR。由于它的非互易性, 它 45° 这样, 中的o光和e 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 P1中分别为 e光进一步走离 光进一步走离, 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, 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。 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 这种结构中的偏振器采用平面结构, 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, 光路比较长, 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, 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。 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 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, 是由于采用平行平板型偏振分束器 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, 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, 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。 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 °的楔型双折射 隔离体由两个光轴夹角为45° 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。 ? 首先分析光信号正向传输的情况, 经过自聚焦透镜 首先分析光信号正向传输的情况, 正向传输的情况 射出的准直光束, 射出的准直光束, 进入楔型双折射晶体 P1 后被分 光和e 其偏振方向相互垂直, 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 一夹角, 当它们经过45°法拉第旋转器时, 出射的o 45 光和e 45° 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 45° P2折 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, 光束, 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, 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。 5.14所示 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. 所示 正向光传播的示意图如图 14所示 。 ? 由于法拉第旋转器的非互易性, 当光束反向传输时, 由于法拉第旋转器的非互易性, 当光束反向传输 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 由于这两束线°角的o光和e光, 由于这两束线° 法拉第旋转器时, 法拉第旋转器时, 振动面的旋转方向由磁感应强度 确定, 而不受光线传播方向的影响, 所以, 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 面仍顺时针方向旋转 45° 45 的光轴共转过了90 90° 的光轴共转过了90°, 整个逆光路相当于经过了一 渥氏棱镜, 出射的两束线偏振光被P 个 渥氏棱镜 , 出射的两束线 进一步分 开一个较大的角度, 被斜面透镜偏折, 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, 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. 所示 反向光传播的示意图如图 15所示 。 ? 这种类型的光隔离器结构简单 元件数目少 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 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 的偏振无关光隔离器结构。 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 但却因斜面和双折射棱镜的使用, 两束间距很小的平行光束, 没有会聚在一起, 两束间距很小的平行光束 没有会聚在一起 存在平行位移 平行位移W, 而且由于传输路径不同 o 而且由于传输路径不同, 存在平行位移 光和e 光之间会有光程差, 光和 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 偏振模色散。 偏振无关光隔离器存在偏振模色散。 2) 两级结构光隔离器原理 ? 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

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