（物理电子学专业论文）在线式双级光隔离器与edfa中光无源组合器件的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 三十年来，光纤通信飞速发腱，e d f a 是使光纤通信成为可能的关键 一，在e d f a 中需要用到波分复用器、光隔离器和分光耦合器等光无 源器件，把这几种功能集成到一个组合器件中可以缩小体积和降低成本。 发展高性能、低成本的功能集成光电子器件是现阶段的一个发展趋势，具 有较大的市场潜力。? 本文介绍了e d f a 的特点、应用和结构，概述了波分复用器、光隔离器 和分光耦合器的发展状况，对几种f q 于e d f a 中的组合器件进行对比。提出 了一种新型的波分复用器、光隔离器和分光耦合器组合器件方案，该组合 器件可用于后向泵浦的e d f a 中具有体积小、成本低的特点。 适应d w d m 系统对光隔离器的隔离度和带宽的要求，提出了一种新型的 在线式双级光隔离器结构，对前后阿级采用不同角度的楔角片，理论分析 表明这种结构的双级光隔离器可以大大提高隔离度。该双级光隔离器结构 可用于所设计的组合器件中。 为该组合器件设计了一个分光棱镜，可以将一束入射光分成定间距、 央角和功率比的两柬光，与双光纤准直器很好的耦合；从理论上分析了各 种加工和装配误差对分光间距和央角的影响。阐述了光纤准直器的设计过 程，推导了两个光纤准直器耦合损l e 计算公式，并由此对组合器件中的波 分复用器进行设计和计算。 对在线式双级光隔离器进行了实验研究并实现批量生产，获得高隔离 度，达到预期目的。对组合器件的。实验样品进行了测试，结果表明该方案 是可行的，如果能改善工艺和提高姨配技能，幸f 望达到预期指标。 关键词：光纤通信纤放大器，组合器件，波分复用器，隔离器 匕 弋 华中科技大学硕士学位论文 华中科技大学硕士学位论文 ! ! ! ! ! 皇皇苎苎皇苎= i m l t i i l l a b s t r a c t i nt h el a s tt h i r t yy e a r s ，o p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o nh a sb e e nd e v e l o p e d q u i c k l y e d f a i so n eo ft h e k e y d e v i c e st h a te n a b l e o p t i c a l f i b e r c o m m u n i c a t i o n i ne d f a ，o p t i c a lp a s s i v ec o m p o n e n t ss u c ha sw d m ，o p t i c a l i s o l a t o ra n dt a p c o u p l e r a r e n e c e s s a r y i n t e g r a t i n g t h e s ef u n c t i o n si no n e h y b r i dd e v i c e c a nr e d u c ev o l u m ea n dc o s t d e v e l o p i n gf u n c t i o ni n t e g r a t e d o p t o e l e c t r o n i c d e v i c e so fh i g hp e r f o r m a n c ea n dl o wc o s ti s at r e n di nt h i s p e r i o d i th a sp o t e n t i a lm a r k e t c h a r a c t e r i s t i c s ，a p p l i c a t i o n sa n ds t r u c t u r eo f a ne d f aa r ei n t r o d u c e di n t h i s t h e s i s d e v e l o p m e n t o f w d m o p t i c a l i s o l a t o ra n d t a pc o u p l e r i s s u m m a r i z e d a n ds e v e r a lh y b r i dd e v i c e su s e di ne d f aa r ec o m p a r e d an o v e l s c h e m ef o rw d m ，o p t i c a li s o l a t o ra n dt a pc o u p l e rh y b r i dd e v i c ei sp r e s e n t e d ， w h i c hc a nb eu s e di nab a c kp u m p e de d f a i ti sc h a r a c t e r i z e db ys m a l ls i z e a n dl o wc o s t an o v e ls t r u c t u r ef o ri n - l i n ed u a ls t a g eo p t i c a li s o l a t o ri sp r e s e n t e dt o m e e tt h er e q u e s tf o ri s o l a t i o na n db a n d w i d t hi nd w d ms y s t e m ，w h i c hu s e s w e d g e so f d i f f e r e n ta n g l e si nd i f f e r e n ts t a g e s t h e o r e t i c a la n a l y s i ss h o w st h a t t h ei s o l a t o ro ft h i ss t r u c t u r ec a ni n c r e a s ei s o l a t i o ne n o r m o u s l y d u a ls t a g e o p t i c a li s o l a t o ro f t h i ss t r u c t u r ec a nb eu s e di nt h eh y b r i dd e v i c e at a p p r i s m i s d e s i g n e df o r t h eh y b r i dd e v i c e w h i c hc a nd i v i d eo n e i n c i d e n tb e a mi n t ot w ob e a m sw i t he x p e c t e di n t e r v a l ，a n g l ea n dp o w e rr a t i o t h et w ob e a m sc a nb ec o u p l e di n t oad u a lf i b e rc o l l i m a t o r i n f l u e n c eo f f a b r i c a t i o na n d a s s e m b l y e r r o r so nb e a mi n t e r v a la n da n g l ei s a n a l y z e d d e s i g np r o c e d u r eo faf i b e rc o l l i m a t o r i sd e s c r i b e da n dg e n e r a lf o r m u l af o r c o u p l i n gl o s s o ft w oc o l l i m a t o r si sd e d u c e d w d mi nt h eh y b r i dd e v i c ei s d e s i g n e da n dc a l c u l a t e db a s e do ni t e x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho n t h ei n - l i n ed u a ls t a g eo p t i c a li s o l a t o ri sc a r r i e d o u ta n dm a s sp r o d u c t i o ni sr e a l i z e d i ta c h i e v e sh i g hi s o l a t i o na n dr e a c h e s e x p e c t a t i o n a ne x p e r i m e n t a ls a m p l eo ft h eh y b r i dd e v i c e i st e s t e da n dt h e 华中科技大学硕士学位论文 i r e s u l t ss h o wt h a tt h i ss c h e m ei sf e a s i b l e a f t e rr e v i s i o no nt h es c h e m ea n d i m p r o v e m e n to na s s e m b l yp r o c e d u r ea n ds k i l l ，e x p e c t e ds p e c i f i c a t i o n sa r e r e a c h a b l e k e y w o r d s ：o p t i c a l f i b e r c o m m u n i c a t i o n e d f a ，h y b r i dd e v i c e ，w d m ， i s o l a t o r 7 o 谢 。“ o i ? 尊 1 华中科技大学硕士学位论文 i i 绪言 1 1前言 近三十年来，光纤通信取得了长足进展，光纤以其损耗低、带宽大、 易于升级扩容和成本低的优点，已经在传送网领域取代了电缆【l q 】，而在 接入网领域，随着光纤到路边( f i b e rt oth ec u r b f t t c ) 、光纤到楼( f i h e r t ot h eb u i l d i n g ，f t t b ) 和光纤到家( f i b e rt ot h eh o m e ，f t t h ) 工程 的实施，光纤也逐步成为主要传输媒质f 6 。在得到了低损耗的通信光纤 之后，使光纤通信，特别是密集波分复用( d e n s ew a y e l e n g t hd iv is i o n m u l t i p l e x in g ，d w d m ) 光纤通信成为1 1 丁能的关键器件是半导体激光器( l a s e r d i o d e ，l d ) 和掺铒光纤放大器( e r h iu m d o p e df ib e ra m p l i f i e r ，e d f a ) ， 前者提供了窄线宽、高功率的信号光源，而后者解决了传输中的功率衰耗 问题2 1 。单个波长信道的电时分复h j ( t i m ed i v is i o nm u l t i d l e x in g ，t d m ) ， 加上d w d m + e d f a 技术，使光纤通信容量迅速提高，目前已经达到了太比特 量级。 e d f a 在光纤通信中扮演着至关重要的角色，而e d f a 中又必需波分复 用器、光隔离器和分光耦合器等光丘源器件，如果能够把这几种器件的功 能集成在一个组合器件中，则可以大大缩小体积和降低成本。高性能、低 成本的功能集成光电子器件是现阶段的一个发展趋势，具有较大的市场潜 力和竞争力。本文适应这一趋势，提出了一种用于后向泵浦e d f a 中的波分 复用器、光隔离器和分光耦合器组合器件方案，并进行了理论分析和实验 研究。 在光纤通信系统中，为了防止反向光对半导体激光器的干扰，需要采 用大量的光隔离器；而大容量高速率的d w d m 光纤通信系统对光隔离器的隔 离度和带宽要求越来越高，单级光隔离器已经不能适应这种要求，人们诉 诸于双级光隔离器。本文适应这嵯求，在理论分析的基础上，提出了一 种新型的在线式双级光隔离器结构j 实现批量生产获得了很好的技术指 标和经济效益。 华中科技大学硕士学位论文 2e d f a 的特点及其应用 2 1 几种光放大器的比较 光放大器大体可分为光纤放大器和半导体光放大器( s e m ic o n d u c t o t p t i c a l a m p l i f i e r ，s o a ) 两种类j 鬯，而光纤放大器根据其放大机理不同 t 可以分为两类，即掺稀土元素光纤放大器和非线性光纤放大器。s o a 体 r 小、易于驱动，而且可以与其他光电子器件混合集成：但是其噪声系数 受大，增益与入射光偏振态相关，与) 匕纤的祸合损耗大，而且不能满足d w d m 统的带宽要求，目前很少用于光放大，但可用作高速光开关。非线性光 干放大器，包括光纤拉曼放大器( 1 7 i b e rr a m a na m p l i f i e l ，f r a ) 和光纤 里渊放大器( f ib e rb r i l l o u i na m p l i f i e r ，f b a ) ，是利用光纤中的非线 光学效应( 受激拉曼散射效应和乏激布罩渊散射效应) 产生的增益机制 光信号进行放大。其中f r a 是当1 1 h 研究的热点并有商用化产品，其优点 传输线路与放大线路同为一体一光纤，因此放大器与传输线路的耦合损 e 很小、噪声系数较小，增益稳定性也较好，缺点是需要很高的泵浦光功 和很长的光纤；但光纤拉曼放大器是目前唯一能在12 6 0 1 6 7 5 n m 波长范 目内进行放大的光放大器，发展前景看好3 ”】。 掺稀土元素光纤放大器是在光纤中掺入稀土元素离子作为增益物质， e 泵浦光的作用下发生粒子数反转从而对信号光产生增益：其中的掺镨 ( p ，3 + ) 和掺钕( n d ”) 光纤放大器工作在13 1 0 n m 通信窗口，掺铒( e ，3 + ) b 纤放大器工作在l5 5 0 n m 通信窗 1 ，耳自h 研究得比较成熟，已经大量商用 e 【1 3 】【18 1 。 e d f a 的主要优点如下【13 。5 1 1 9 二2 l ： 高效率：信号光相对于泵浦光的能量转换效率高； i 高增益：增益通常为l5 4 0 d b 最高输出信号功率一般为8 l j d b m ： i 频带宽：单个e d f a 增益谱宽可达4 0 n m ，采用c 波段与l 波段并联可 达8 0 n m ： 低噪声：噪声系数一般为3 5 d b ，采用9 8 0 n m 激光泵浦的小信号放大 器，其噪声系数可接近量子极限3 d b ： i 易于与光纤耦合：与光纤的融接损耗小于0 5 d b ，增益与入射光偏振 华中科技大学硕士学位论文 态无关。 1 2 2e d f a 的应用 由于e d f a 具有以上许多优点，使它在光纤通信中获得了广泛的应用。 主要用途如下l i t 4 1 【l8 1 【2 3 2 7 1 ： 在远距离光纤传输中，用来延长中继距离或者取代电中继器。可作为 光发射机的功率放大器，接收机的前置放大器和在线光中继器，特别 适用于长途越洋通信。 在光纤接入网和光纤有线电视嘲( c a t v ) 中使用，补偿功率分配损耗。 光纤接入网和光纤c a t v 网多采用星形和树形结构，采用e d f a 则可实 现信号无损耗分配。 用于光波分复用系统中。e d f a 朐宽带放大，加上密集波分复用，可以 充分利用光纤的带宽容量和降低系统成本。 使只；je d f a 可放大短至皮秒的超短咏冲而无畸变，可在未来的光孤子通 信系统中使用。 用在测试仪器和光纤传感器中，以提高灵敏度。 1 3e i ) f a 的结构 e d f 削1le d f a 的基本结构 e d f a 的基本结构如图1 所示，其关键部件是掺铒光纤( e r b iu md o p e d f ib e r ，e d f ) 、高功率泵浦激光器( l d ) 、监控用的光探测器( p h o t o n d e t e c t o t ，p d ) 、作为信号光与泵浦光复用的波分复用器( w d t d ) 、防止反馈 和系统噪声的光隔离器( i s o l a t o r i s o ) 、取出部分信号光用于监测的分 ， 华中科技大学硕士学位论文 ! 耦合器( t a p ) 、以及控制电路i l 8 i 。 掺铒光纤是e d f a 的核心部件，其主要参数有铒离子浓度、光纤长度和 ；径等，而这些参数又需要结合泵浦光功率优化考虑，使掺铒光纤充分吸 ( 泵浦光，而又不会因为太长而增加损耗。对于泵浦源的基本要求是高功 i 和长寿命，可以采用9 8 0 n m 半导体激光器，也可以用1 4 8 0 n m 半导体激光 ，前者可以获得更低的噪声系数而后者可以获得更高的增益，为了优 ：噪声系数和增益，还可以采用两种波长的激光器混合泵浦【1 8 】【2 8 3 。 泵浦光注入到掺铒光纤中的方式称为泵浦方式，有l j i 向泵浦、后向泵 目和双向泵浦三种，如图1 2 所示。自h 向泵浦的泵浦光与信号光在掺铒光 f 中的传播方向相同，因此也叫同向泵浦；后向泵浦的泵浦光与信号光传 自方向相反，因此也叫反向泵浦；双向泵浦则是采用传播方向与信号光相 0 和相反的两路光源进行泵浦3 】| 3 1 1 3 2 】。前向泵浦比后向泵浦噪声系数小， i 后向泵浦比前向泵浦输出功率大，双向泵浦的输出功率比自u 向和后向泵 自都大 33 1 。 光探测器的作用是从放大前和放大后的信号光中取出一部分进行监 4 ，反馈到控制电路，控制电路据此调整泵浦激光器的驱动电流，从而控 i | 增益。 泵浦光泵浦光泵浦光 泵浦光 a ) 前向泵浦( b ) 肝向泵浦( c ) 舣向泵浦 i 兰| 1 2e d f a 的泵浦m j 式 波分复用器、光隔离器和分光鹇合器属于光光源器件，其中波分复用 的作用是将信号光和泵浦光一起祸合到掺铒光纤中，对它的要求是附加 耗小，信号光与泵浦光的隔离度l ：i 。光隔离器的作用是抑制光路中的反 f 光返叫光源侧，从而使系统工作稳定，降低噪声，对它的要求是插入损 ；( 【ns e r t io nl o s s ，i l ) 小，反向隔离度( i s o l a t i o r ，【s o ) 高。分光 5 合器的作用是从放大i j i 和放大后晌信号光中分出一小部分，送到光探测 华中科技大学硕士学位论文 器中，对它的要求是附加损耗小。 1 4e d f a 中的光无源器件 在1 2 中提到，e d f a 中需要波分复用器、光隔离器和分光耦合器等光 无源器件，下面对这三种器件的发展状况分别介绍。 1 4 1 分光耦合器 制作分光耦合器的方法主要有三种：光纤研磨法、光纤熔融拉锥法和 采用t a p 片。 1 4 1 1 光纤研磨法 光纤研磨法就是首先在两个石蜒块上分别加工沟槽，插入光纤并用粘 接剂固定；再从石英块表面向纤芯研磨，直到纤芯附近为止：最后将两块 磨制的石英块对准紧贴在一起，两根光纤中的光功率在此部分出于泄漏模 而发生耦合，确认达到预定耦合比后，用胶固定，如图1 3 所示 3 4 1 1 3 引。 1 4 1 2 光纤熔融拉锥法 i ! f | 1 3f 磨型兆纤耦合器 。一： 熔融拉锥法制作光纤耦合器，就是将两根光纤靠近央持在一起，下面 用火焰将光纤加热至熔融状态，让二者熔在一起，同时两端的央具缓慢拉 ，- 华中科技大学硕士学位论文 伸光纤，使熔融部分成为双锥形；为了使锥形区更加平缓，让火焰来回匀 速移动；与此同时，从一个输入端注入测量光，在两个输出端监测，当达 到预计分光比时即停止拉锥，如图1 4 所示f 3 6 3 引。 对于光功率在锥形区的耦合情况，可以用光束传播方法( b p m ) 和耦合 模理论( c m t ) 等多种方法进行分析i3 8 ”1 。对两根同种光纤拉制的耦合器， 可以得到一个比较简单的结果。假设从输入端注入的光功率为p o 那么两 输出端的光功率分别为 4 1 1 ： j 鼻= p 0s i n l c ( ) f 11 、 i 岛= p oc 0 5 1 c ( 五) 其中l 为锥形耦合区的长度，c ( ) 为与光纤参数和波长有关的耦合系 数。从1 1 式可以看出，当改变锥形区长度时，两输出端功率在0 p 。之 间周期性变化，而且两者是互补的这样，改变锥形区长度就可以得到 任意分光比的耦合器。为了得到宽带的耦合器，一般取对应第一个周期的 l ；另外，还可以采用两根不同参数的光纤来拉制宽带耦合器。 1 4 1 3 采用t a p 片 烈光纤 单光纤准商器 幽1 5 采川t a p 片的耦合器 t a p 片就是在一块玻璃基片七镀部分反射膜( 根据需要的分光比可以 镀任意反射率) ，把这个t a p 片糕贴在一个双光纤准直器的自聚焦透镜 ( g r i n l e s s ) 端面上，从一根尾纤输入的光，部分反射，从另一根尾纤 输出，透射部分耦合到另一个单光纤准直器中，如图1 5 所示。 用光纤研磨法制作耦合器工艺比较复杂，f i 前很少采用。熔融拉锥法 制作的光纤耦合器附加损耗小，性能稳定，目日d 用的最多；但是其耦合系 数与波长相关，成f 弦曲线性质，1 月此带宽不大，而且锥形耦合区的横截 面为椭圆形，具有双折射性质，会引入较大的偏振相关损耗( p o l a r iz a t i o r l 6 华中科技大学硕士学位论文 d e p e n d e n tl o s s ，p d l ) ；采用t a p 片的耦合器，带宽大，性能稳定，但是 附加损耗较大。 一 1 4 2 波分复用器 制作波分复用器的方法有光纤熔融拉锥、介质膜滤波片、散射光栅等 多种，前两种用得较多，介绍如下。 1 4 , 2 1 光纤熔融拉锥法 光纤熔融拉锥法制作波分复用器与制作耦合器方法类似，只是拉锥长 度l 更大。前面提到，1 1 式中的耦合系数c ( ) 与光纤参数和波长相关， 控制拉锥长度l ，使得 r1 c ( 五) = ( ”+ 言) 万甩：o ，1 ，2 ， ( 1 2 ) l f ( 五2 ) - = ( 月+ 1 ) 2 即两波长光的相位失配达到最犬，则p i ( i ) = l ，p 2 ( i ) = o ：p f ( 入2 ) = o ， p 2 ( x2 ) = 1 ，从而实现了两个波长的分离【4 。43 1 。 如果两波长间隔越小，耦合系数差异越小，那么要达到相位最大失配 所需的锥形耦合区长度l 越大，由于锥区光纤很细，则比较难拉制。另外， 由于锥形区的双折射，造成两个正，交模的传播常数不同，耦合系数c ( ) 也不同，两个波长的两正交模不能同时达到耦合系数最大失配，从而影响 两个波长之间的隔离度 4 4 4 6 1 。 1 4 2 2 介质膜滤波片 采用介质滤波片制作波分复用器与采用t a p 片制作耦合器的方法类 似，只要把t a p 片换成介质膜滤波片即可。介质膜滤波片就是在一块玻璃 基片上镀多层介质膜，使之对泵浦j 匕波段反射m i 对信号光波段透射，或者 反之【47 1 1 4 8 1 。 熔融拉锥法制作的波分复用器插入损耗小，性能稳定，但是如前面所 述，出于锥形区的双折射效应，造成隔离度不高：另外，与熔融拉锥法制 作的耦合器一样，带宽不大。采用介质膜滤波片制作的波分复用器，其反 射波段和透射波段均比较平坦，带宽大，而且隔离度高，但是il 较大。 华中科技大学硕士学位论文 1 4 3 光隔离器 光隔离器可分为偏振相关型和偏振无关型两类，习惯上也可以称之为 自由空间型( f r e e s p a c e ) 和在线式( in l i f i e ) ，偏振无关型光隔离器又可 以分为块状型和全光纤型，其中块状型包括w a l k o f f 型和w e d g e 型两种结 构1 4 7 1 1 4 95 2 1 。w a l k o f f 型光隔离器所用晶体体积较大，成本高，目前已经很 少采用，下面对w e d g e 型光隔离器和各公司普遍采用的在线式双级光隔离 器进行介绍。 1 4 3 1w e d g e 型光隔离器 w e d g e 型光隔离器内部结构如图1 6 所示，它包括两个双折射晶体楔 角片和一片央在其中的法拉第旋光1 1 a 体，一个永磁性的磁环，以及两个光 纤准直器( 图中末画出) m 4 1 。柬自输入准直器的难向光，分成两束光经 过隔离器，在两楔角片中的偏振念分别为0 光一0 光和e 光一e 光，除了发 生一些横向偏移( o f f s e t ) 和产生个微小的间距( w a lk o f f ) 之外，方向 不变耦合到输出准直器中。来自输出准直器的反向光，分成两束经过隔 离器，由于法拉第旋光晶体的非互易性，两束光在两楔角片中的偏振态分 别为0 光一e 光和e 光一。光，出射时相对于输入方向分别向下和向上偏离 一个角度( 对负单轴晶体而言，币单轴晶体恰好相反) ，因此不能耦合到输 入准直器中，从而达到隔离反向光的目的。由其工作原理可知，陔光隔离 器的i l 和i s o 与入射光的偏振念无关。 幽i 6w e d g e p 光隔离器光路【鬈j l - 华中科技大学硕士学位论文 1 4 3 2 在线式双级光隔离器 目前各公司普遍采用的在线式双级光隔离器结构如图1 7 所示。它是 把两个图1 6 中的单级隔离器装入+ 个磁环中，相对旋转4 5 0 使两级发生。 光一e 光和e 光一。光的转换，实现两级偏振模色散( p o l a l - iz a t i o nm o d e d is p e r s i o n ，p m d ) 相互补偿，同时提高i s o 。 该方案的缺点是很难同时将i s 0 和p w d 调节至最佳状态，因此需在两 级中分别加一个p m d 补偿片，再相对旋转4 5 。调节隔离度，但仍存在隔离 度不高、工艺复杂、以及生产效率和成品率低的问题。 图1 7 现有在线式烈级光隔离器结构 1 5光无源器件的功能集成 1 4 中介绍了e d f a 中需要的三种光无源器件如果能够将这三种器件 的助能集成在一个组合器件中，则呵以大大缩小体积，同时可以减少准直 器和其他封装元件的用量，降低成本。高性能、低成本的功能集成光电子 器件是现阶段的一个发展趋势，较仃市场潜力。 l y d1 8 一种波分复h j 器与光隔离器组合器f l 直器 文献 5 5 】【5 6 】报道了一种波分复用器和光隔离器组合器件，如图1 8 所 示，将一个透射信号光和反射泵浦光的v d m 滤波片粘贴在一个双光纤准直 孽 华中科技大学硕士学位论文 器端面上，隔离器置于两个准直器之问，信号光s 和泵浦光p 的传播方向 如箭头所示。该器件可用于后向泵浦的e d f a 中文献 5 6 】中还给出了另一 种实现方式，可用于前向泵浦的e d f a 中。文献 5 7 报道了另一种波分复用 器与光隔离器组合器件，它可以将两路线偏振的泵浦光与一路信号光进行 复用。 文献f 5 8 1 报道了一种组合器件，如图1 9 所示，它集成了波分复用器、 分光耦合器、光隔离器和光探测器四种功能可以用于后向泵浦的e d f a 中。与图1 8 方案相比，增加了一个平面光栅，分出部分光用于探测：如 果w d m 滤波片性能较好，则图中的惜通滤波片可以省去；另外，因为增加 了一个光探测器，属于有源器件，果用蝶形封装。文献 j 8 中还给出了另 一种实现方式，可以用于前向泵浦的e d f a 中。文献c j 9 中报道了另一种组 合器件方案，可以集成以上四种功能中的任意两种、三种或四种，用于前 向或后向泵浦的e d f a 中。 幽i 9 种波分复刖器、分光溉介器、光隔离器目i 光探测器组合器什 直器 幽1 1 0 一种分光耦台器、光隔离器和波分复h j 器组合器什 t o 彬礁舯豢唧曝 厂门u 锈 华中科技大学硕士学位论文 目前很多公司采用如图1 1 0 所示方案制作分光耦合器、光隔离器和波 分复用器组合器件，具有体积小、= 艺简单的优点。但是该方案只能集成 图1 1 的虚线框1 中的三种器件功能，用于前向泵浦的e d f a 中；对于集成 虚线框2 中的三种器件功能，用于后向泵浦的e d f a ，则由于信号光与泵浦 光在掺铒光纤中的传播方向相反，不能用这种方案实现。 以上方案或者只能集成两种功能，或者能集成三种功能但不能用于后 向泵浦的e d f a 中，或者可以集成四种功能但体积庞大、不易封装。要集成 波分复用器、光隔离器和分光耦合器三种光无源器件功能于一个组合器件 中，用于后向泵浦的e d f a 中，同时要求体积小，工艺简单，具有一定的挑 战性。 1 6 本课题研究的目的和意义 在光纤通信系统中需要使用大墙的e d f a ，而e d f a 中又必需各种光无 源器件，把各种光无源器件功能集成到一个组台器件中发展高性能、低 成本的功能集成光电子器件是现阶段的个发展趋势。本文适应这一趋势， 提出了一种新型的波分复用器、光隔离器和分光耦合器组合器件方案并进 行了实验研究，该组合器件可以用j ：后向泵浦的e d f a 中，具有体积小、成 本低的特点，较有市场潜力。 另外，针对目前各公司所用双绂光隔离器方案存在的问题，本文在理 论分析的基础上，提出了一种新型的在线式双级光隔离器结构并实现批量 生产，获得了很好的技术指标和经济效益。 华中科技大学硕士学位论文 2 方案设计 前面提到，要将波分复用器、光隔离器和分光耦合器三种光无源器件 功能集成到一个组合器件中，用于后向泵浦的e d f a 中，具有一定的挑战性。 本文提出一种体积小、工艺简单的新方案，可以很好的实现这种功能集成。 另外，d w d m 系统需要隔离度高、带意大的双级光隔离器，而目自口各公司所 用双级光隔离器方案存在隔离度不t ：百、工艺复杂、以及生产效率和成品率 低的缺点。本文在理论分析的基础| 二，提出了一种有效的解决方案。 2 1在线式双级光隔离器方案设计 2 1 1 整体结构 该在线式双级光隔离器的结构如图2 1 所示，楔角片和旋光晶体央装 在两个会属支架之i 日j ，装入磁环中许用胶固定，将磁环套在一个准直器的 透镜上并用胶固定，调节光路之后套上会属桥，将两个准直器与会属桥两 端焊接在一起。 幽2 1 在线式舣级光隔离器 2 1 2 光隔离器芯 双缎光隔离器芯结构如图2 2 所示，每级包括两个双折射晶体楔角片 以及一个央在其中的法拉第旋光晶f 本。两级中所用楔角片的楔角大小不同， 分别为4 。( p i i 、p i2 ) 和8 。( p 2 i 、p ! ：) ：各楔角片的光轴方向如图中箭头 所示，其相互之间的角度关系如图2 3 所示( 迎着f 向光的传播方向看) 。 币向光分成两束通过光隔离器芯，在各楔角片内的偏振态依次是 0 - 0 一e e 和e - e o - o ，即每束光在前后炳级qr 都发7 l 了。光至e 光或者e 光至 。光的转换，因此只要适当设计两级中楔角片的厚度，就可以使两束光的 1 1 华中科技大学硕士学位论文 光程相等，两级的p m d 相互补偿。 幽2 2 光隔离器芯结构 图2 3 光隔离器芯 的楔角片光轴方向 号虑两级的p m 0 相互补偿，设计各楔角 片尺寸如图2 4 所示，材料为钒酸钇 ( y v 0 4 ) ，在l5 5 0 n t o 处的折射率为 n 。= 1 9 4 4 7 n 。= 2 1 4 8 6 ，所有通光面镀中心 波长为1 5 5 0 n m 的增透膜。实际上，图2 2 中的楔角片p i l 与p l2 完全相同，只是翻转 了l8 0 0 因此总共只有三种楔角片。 p np 2 tp 2 2 幽2 4 在线式般级光| ；i i 离器中的钒酸钇楔角片 1 ， 华中科技大学硕士学位论文 所用法拉第旋光晶体是r 本m ( ；c ( m i t s u b i s h ig a sc h e m i c a l ) 公司生 产的a 型r a l5 5 号石榴石晶体，其尺寸为1 0 i 0 0 3 6 m m 3 ，中心波长 为l5 5 0 n m ，中心波长处的折射率为n f = 2 3 4 ，性能指标如表2 1 所示。法 拉第旋光晶体的特性是，对线偏振光偏振面的旋转角随外加磁场强度的增 大而线性增加，但是当外加磁场强度大于其饱和磁场强度时，旋转角恒定 为4 5 0 。 表2 i 法拉第旋光品体性能指标 插入 消光比 饱和磁 旋转角 波长相关温度相关 损耗 场强度性( o n m )性( o ) 反射率 4 0 d b1 0 0 0 0 e4 5 0 1 o 0 0 6 8o 0 6 0 表示 逆时针旋转反之为顺时针旋转) ，e t = e t 2 。我们所用的旋光晶体旋转角为 4 5 。，其琼斯矩阵为： ，：洲i 1 愕+ 一束o 光( e 光) 入射在双折射晶体r - ，绝大部分光功率p 。( p 。) 将 沿o 光( e 光) 轨迹传播，少量光j 率p 。( p 。) 将沿e 光( o 光) 轨迹传 播，这两部分光功率之比为双折射晶体的消光比e 。考虑双折射晶体的消 光比，可以用以_ f 琼斯矩阵来描述楔角片对反向光回到输入光纤中( 此处 不提输入准直器，是因为入射在准直器端面上的光未必能够耦合到尾纤中) 的透射作用 6 3 l 【6 4 1 。 p 卜s i n ( 2 1 0 25 i 咖n ( 2 ：b ) 2 卜 一黧：一s 娜i n ( ：2 b ) 2 角( 逆叫针为j f ，顺时针为负) ，e p = e 。2 。因为 1反向光要回到输入光纤中，在两楔角片中的偏 i振念必；负是0 - - - 0 或者e e ，我们任选。一。这束 j 卜矿艮 光进行分析，并取。为。光偏振面与横坐标的 i央角，建立如图4 9 所示的屯标系，视角为迎 ld 。 着f 向光的传播方向其中p l 。和p ：。分别为两 幽4 - 9 楔角片光轴方向 个楔角片的。光偏振面方向，”那么；簇磊并磊 耻扎i 1 愕： 耻l0 0 1 + e p 刚 华中科技大学硕士学位论文 反向入射的0 光琼斯矩阵为： 厶= m 一 j 加已经归一化，入射光强，。= 1 2 = i 。从正向出射光的琼斯矩阵、光 强和隔离度分别为： 厶，哦一一。百- - e p ： + 群。 ，。，= i i ，。，1 2 = p p 2 + 8 ，2 = e p + e f ( 4 1 9 ) i s o 1 0i g ( g n + e f )( 4 2 0 ) 需要说明的是，在以上矩阵运算过程中，我们没有把所得到的列向量 合并，而是先算出厶。中每个列向点 的模平方再相加，从雨得到输出光强 ，。对此的物理解释是，各列向量分别代表一束线偏振光，这些线偏振光 在空白j 上重叠但相位不同，如果合诈之后再算模平方，表示考虑了各束光 的偏振干涉，而我们在处理过程中片没有考虑各柬光之间的相位关系，不 能直接相加。 取楔角片和旋光晶体的消光比均为4 0 d b ，即e 。= e f = 1 0 ，得到隔离度 为i s o = 3 7 d b ，此即受材料消光比限制而能够达到的最高隔离度。一般情况 下，楔角片和旋光晶体的消光比在4 5 d b 左右，甚至更高，因此隔离度可 以超过4 0 d b 。 4 1 3 3 旋光晶体的波长相关性和旋转角误差 f j 仃面提到，两楔角片的相对旋转和光轴定向误差与旋光晶体的旋转角 误差是等效的，其作用可以用一个随机的等效误差角表示。从( 4 9 ) 式 看到，巾角偏离4 5 。，造成部分反f 向光存两个楔角片中经历的偏振念不是 。一e 或者e o ，而是。一。或者e e ，这部分光将如平向光一样，方向不 变，进入输入光纤中，影响隔离度根据马吕斯定律，并考虑材料消光比 对隔离度的限制，可以得到： frm i s o = 一1 0 l g 汪p + e ，+ l s j n 2 ( + 女( 五一i5 5 0 ) ) 6 ( 4 2 1 ) - 4 1 华中科技大学硕士学位论文 “n h l l b ) 4 = 0 。 级光隔离器芯隔离度的波k 相天性 分别取= 一lo 、0 0 、1o ，e p = e i = 1 0 “( 即消光比为4 5 d b ) ，得到i s o 与 的关系曲线如图4 1 0 所示。从图中可以看出，受材料消光比限制，最 高隔离度不超过4 2 d b ：随机量使得隔离度最高点左移或者右移；由于旋 光晶体的波长相关性，当= 0 。时在l5 5 0 2 5 n m 处隔离度降至3 0 d b ， 而当= 1o 时，在1 5 5 0 2 5 n m 处隔离度降至2 6 d b 。 在实际操作中，可以调节一个楔角片，使i s 0 曲线如图4 1 0 ( b 1 所 示，隔离度最高点在l5 5 0 n m 处，即两楔角片的相对旋转角与楔角片的光 轴定向误差和旋光晶体的旋转角误差相互抵消，a = 0 。当然，这样会牺 牲一些插入损耗。 综上所述，单级光隔离器芯的最高隔离度主要受楔角片和旋光晶体的 消光比制约，而因为旋光晶体的波长相关性存中心波长两边，隔离度逐 渐降低。 4 2 双级光隔离器芯的指标分析 双缴光隔离器芯中光的偏振态变化情况如图4 1 l 所示，i f 向光在四个 楔角片中的偏振态为。一。一e e 或旨e - - | e o o ，光隔离器芯的两级对f 向光相”j 于两个平行平板，使其产0 0 些o f f s e t 和w a l k o f f ( 如果两级楔 角片尺寸完全相同，则两级w a lk o 相互抵消，总w a l k ( ) f f 为0 ) ，方向不 变。反向光在四个楔角片中的偏振忿为。一e o e 或者e o e o ，光隔 离器芯的两级对反向光相当于两个 目接的渥拉斯顿棱镜，使其偏离更大的 角度。 由于正向光在光隔离器芯的前j 厅两级中发生了o 光至e 光或者e 光至 - 船 华中科技大学硕士学位论文 0 光的倒换，因此，只要合理设计两级楔角片的尺寸，就有可能使。一。一e e 和e e o o 两束光的光程相等，p m d 为0 。下面对楔角片尺寸进行设计， 使p m d = 0 ，同时使o f f s e t = 0 2 5 m m 。 o + 0 + e + e e + e + 0 + 0 ( a ) 止向光偏振态变化 e _ 卜一0 卜一e 卜一0 o 卜一e 卜一0 一e ( b ) 反向光偏振态变化 图4 1 l 舣级光隔离器芯中光偏振惫的变化 4 2 1p m d 参考图4 2 ，先计算。一。一e e 光在两级中的角度a d l 。、t lo 、6 io 、 0 2 。、p 2 c 、y 2 e 、g 2 。和e e o o 光在两级中的角度a p t 6 l 。、旺2 。、 p 2 0 、t 2 。、6 2 。，再计算这两束光在两级中的o f f s e t 和光程。 札：垫生鬯亟尝坐塑牛丝掣型型塑 ( 4 2 2 a ) j + t a n ( p i o ) t a n ( 妒1 ) 囊，妊罐蓊撼簸意糍 华中科技大学硕士学位论文 k 巩盟业笔箸业型+ 而2 d 嘶丽f ( 4 2 2 b ) 2 。：2 a 2 + ( b 2 2 + h l o ) t a n _ ( o 2 ) - t i a n 弋( f l 2 e ) + 2 _ d , t a n u 2 e ) + f - t a n ( 6 2 e ) ( 4 2 2 c ) i + t a n ( 2 p ) t a n ( ( a 2 ) 一。 k 巩监型警糍学生型+ 面2 d 嘶丽f ( 4 2 2 d ) 乜。：塾型业煎业生型业型幽丛型型 “ 1 + t a n ( k l p ) t a n ( 0 1 ) ( 4 2 3 a ) “巩塑业畿产+ 而2 d 嘶丽f ( 4 2 3 b ) h 2 0 =型生堕! ! 生! ：! ! 丛丝塑：! ! 坐丝! ：翌：! ! 嗖逮! 型垒! i + t a n ( f 1 2 0 ) t a n ( 0 2 ) k 砜盟型等糍产业业+ 而2 d 嘶c o s ( l 8 2 0 ) 两束光的o f f s e t 、w a l k o f f 和i ，m d 分别为： h * = h l 。+ h l t k = k + a h = 1 k 一以。i 址i = ( h l 。一h i p ) t a n ( o l i 8 5 7 0 ) a t 2 = ( i 。一h k ) m n ( 妒2 一1 8 5 7 0 ) 址3 = ( 。一) t a n ( 妒2 1 8 5 7 0 ) p m d ：堕! 垒! 二咝垒! ：些l = 垒鱼：些i 图4 12 两级间隙内的光料著 ( 4 2 3 c ) ( 4 2 3 d ) ( 4 2 4 a ) ( 4 2 4 b ) ( 4 2 5 ) ( 4 2 6 ) 其中l i 和a l 2 是防i 第一级的w a lk o f f 而在两级间隙内引入的光程差，如图4 1 2 所 示：i