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光隔离器的工作原理
时间:2020-10-11 11:30

  光隔离器是允许光向一个方向通过而阻止向相反方向通过的无源器件,作用是对光的方向进行限制,使光只能单方向传输,通过光纤回波反射的光能够被光隔离器很好的隔离,提高光波传输效率。

  光隔离器又称光单向器,是一种光非互易传输的光纤无源器件。在光纤通信系统中总是存在许多原因产生的反向光。例如,光发射机中光源所发出的信号光,通常是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。这类反向光的存在,将导致光路系统问产生自耦合效应,使激光器的工作变的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,造成整个光纤通信系统无法正常工作,若在激光器输出端和光放大器输入或输出端连接上光隔离器,就可以使问题得到解决。

  因此,光隔离器的基本功能是实现光信号的正向传输,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。目前的解决方法是利用磁光材料对光偏振态调整的非互易性实现光的不可逆传输。

  光纤准直器在光器件中应用非常广泛,更是光隔离器与光路连接的不可缺少的器件。它由四分之一节距的自聚焦透镜和单模光纤组成,其作用是对光纤中传输的高斯光束进行准直,以提高光纤间的耦合效率,其制作工艺已非常成熟。

  在光隔离器中,常用的偏振片有双折射晶体,金属—介质多层振膜,偏振玻璃片,偏振薄膜(光学玻璃堆原理),其中Z常用的是单轴双折射晶体,主要有方解石(CaCO3)金红石(TiO2)、钒酸钇(YVO4)和铌酸锂(LiNbO3)。

  法拉第旋转器是光隔离器中的关键部件,用来制作法拉第旋转器的材料主要有钇铁石榴石(YIG)单晶,该晶体材料的缺陷是当温度和波长发生变化时,或因加工而造成YIG厚度的误差时,均会使法拉第旋光器偏离45度,旋转角的微小偏离都将使隔离度急剧下降;另一方面,YIG对环境温度有较高的灵敏度。

  光隔离器的插入损耗L指在一段光纤(或光缆)中正向插入光隔离器时引起的光功率降低值,以分贝(dB)表示。光隔离器的插入损耗来源于偏振器、法拉第旋转器芯片和光纤准直器,与各分立元件的透射比及装配精度有密切关系。L=-10lg(Pi/Po)。其中,Po表示输入光功率,Pi表示输出光功率。

  反向隔离度表征光隔离器对反向传输光的衰减能力,由光信号反向通过光隔离器时引起的功率损耗值,以分贝表示。I=-10lgPi/Po。其中,Po表示反向输入光功率,Pi表示反向输出光功率。

  对于偏振相关光隔离器,起偏器和检偏器夹角的微小变化都将严重影响反向隔离度。影响偏振无关光隔离器的反向隔离度因素较多。隔离度与偏振器距法拉第旋转器距离、各光学元件表面反射率、偏振器楔角和间距、两偏振器的消光比、偏振器晶轴的相对角度、晶体厚度、法拉第旋转角误差等都有关系。

  回波损耗是指正向入射到光隔离器中的光功率和沿输入路径返回光隔离器输入端口的光功率之比。由各元件和空气折射率失配并形成反射引起。其主要来源是入射光的准直光路部分。采用斜面耦合工艺和端面镀制增透膜可有效提高整个器件的回波损耗。

  在偏振无关光隔离器中,当输入光偏振态发生变化而其它参数不变时,器件插入损耗将发生一定的变化,其Zda变化量就是偏振无关光隔离器的偏振相关损耗(PDL)。PDL是衡量器件插入损耗受偏振态影响程度的指标,其来源是各斜面和高折射率的双折射晶体。

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