（通信与信息系统专业论文）光隔离器的设计及特性分析.pdf

摘要 摘要 光隔离器是光通信系统中关键的光无源器件，论文对其实现原理、组成元件、 目前的各种结构类型进行了综述，并在此基础上设计出了一种具有监视功能的两 级反射式光隔离器，对这种结构光隔离器的各项性能及影响性能的主要因素进行 了详细推导。首先，论文介绍了光隔离器的基本工作原理及在光通信系统中的作 用和技术发展：其次，对隔离器中使用的主要光学元器件的工作原理及其在隔离 器中的应用做了深入讨论，总结和比较了目前各种光隔离器的结构、实现原理及 各自的优缺点；在此基础上设计出一种对系统中的光信号可以提供实时监测的两 级反射式光隔离器，并对其结构、工作原理、特点及其应用进行了讨论，同时对 各项性能进行了详细推导，并与两级级联式光隔离器的主要性能做了比较，最后， 分析了影响其性能的主要因素。 关键词：光隔离器监视功能反射式性能分析 a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h i sp a p e r ，t h er a d i c a lp r i n c i p l e ，m a i ne l e m e n t s ，v a r i o u sp r e s e n ts t r u c t u r e so f o p t i c a l i s o l a t o rw h i c hi sak e yo p t i c a lp a s s i v ed e v i c ei nt h eo p t i c a lc o m m u n i c a t i o n s y s t e m a r er e s e a r c h e d ，at w o s t a g er e f l e c t i o n t y p eo p t i c a l i s o l a t o rw i t h m o n i t o r i n g c a p a b i l i t yi sp r e s e n t e da n d t h em a i np e r f o r m a n c e so ft h i si s o l a t o ra r ea n a l y z e d f i r s t l y t h er a d i c a lp r i n c i p l e ，d e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o n si nt h eo p t i c a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m o f o p t i c a l i s o l a t o ra r er e v i e w e d s e c o n d l 弘t h eb a s i ct h e o r i e sa n da c t i o n so ft h em a i n o p t i c a le l e m e n t su s e di nt h eo p t i c a li s o l a t o ra r ea n a l y z e da n dv a r i o u st y p e so fi s o l a t o r a r ed i s c u s s e di nd e t a i l t h e nat w o s t a g er e f l e c t i o nt y p eo p t i c a li s o l a t o ri s p r e s e n t e d ， w h i c hc o u l d p r o v i d e ac a p a b i l i t y m o n i t o r i n go p t i c a l s i g n a l o n - l i n ei nt h e o p t i c a l c o n l l nl l n i c a t i o n s y s t e m a n di t s p e r f o r m a n c e s a r e a n a l y z e d a n d c o m p a r e d w i t h c o n n e c t i o n f i n a l l y t h ef a c t o r si n f l u e n c i n gp e r f o r m a n c e sa r ea n a l y z e d k e y w o r d ：o p t i c a l i s o l a t o r m o n i t o r i n gc a p a b i l i t y r e f l e c t i o n t y p e p e r f o r m a n c e a n a l y s i s 创新性声明 本人声明所璺交静论文是我本久在导筛指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注稆致澈中所罗羁的内容叛外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过盼磷究成巢；也不龟括为获得西安电予科技大学或 其他任何教育机构的学位或证书弼使用过的材料。与我超工作的同事对本研究 所做的任何贡献均以在论文中傲了明确静说明并表示了落意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承搀一切糖关责任。 本人签名：吾 藿晶同期：加亭乏苦 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规范，即：研究 生在校攻读学位期黼论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校居，发表论文或使用论文工作成果时署名仍为西安电子科技大学。学校有 权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文：学校可以公靠论文的全部或部 分内容，可以允许采用影印、缩印袋其他复制手段保存论文。( 保密的论文在解密 蜃遵守此趣定) 只期：妲；，置g f = 期：舻亨 ，彦 绪论 绪论 光导纤维是现代通信网络中传输信息的最佳媒质。光纤通信技术是信息社会 的支柱，光纤通信网络是“信息高速公路”的骨干网，也可用于用户的接入网， 是通信建设今后发展的主体。光纤通信网络作为通信的基础网络，有着显著的优 越性，在短短的三十几年获得了迅速的发展，越来越引起人们的极大兴趣，受到 人们的普遍关注。 目前，数据业务爆炸式增长，传输信道越来越拥挤，光通信提供了最好的解 决方案，所以，世界上所有新建的干线通信系统均采用光纤，同时，光纤通信从 低速系统向高速系统发展。由于光纤技术和波分复用技术的采用，现在每9 1 2 个月一根光纤的传输容量就翻一番。5 g b s 系统已在横跨太平洋的海底光缆系统 ( t p c 一5 6 ) d ? 使用，波分复用( w d m ) 系统也在海底光缆系统上使用。1 9 9 9 年阿尔卡 特进行了3 2 1 0 g b s 传输距离为4 0 0 k m 的全光传输试验，2 0 0 2 年阿尔卡特在c 波 段和l 波段进行了1 0 2 t b s ( 2 5 6 4 2 7 g b s ) 传输距离为3 l o o k m 的试验m l 。因此， 在光纤通信迅猛发展的今天，作为光纤通信设备主要组成部分的光无源器件，有 着广阔的应用前景，也面临着巨大的挑战，日益受到人们的重视。光无源器件是 - - 1 7 新兴的、不断发展的学科。光纤通信的发展要求功能更全、指标更好的光无 源器件不断出现；一种新型器件的出现往往会有力的促进光纤通信的进步，有时 甚至使其跃上一个新的台阶。光纤通信系统对光无源器件的期望越来越大，器件 的发展对系统的影响也越来越深。 光隔离器又称光单向器，是一种重要的光无源器件，用来消除或抑制光纤信道 中产生的反向光。随着光纤通信技术向高速、大容量方向发展，光路中的反射问 题已成为一个必须解决的主要问题，由此出现了一种只允许光线正向传输的非互 易性无源器件光隔离器。光隔离器在光通信系统中的应用非常广泛，例如， 必须在激光器中加入光隔离器，因为光路中的反射光会使激光器的峰值波长发生 漂移引起激光器传输功率出现较大起伏及产生相位噪声，发生光谱展宽现象，这 对于长跨距高比特率的传输极为不利；在长距离光通信系统中，需要大量的中继 放大器，反射光的存在，使光放大器增益发生变化和产生自激励，造成整个光纤 通信系统无法正常工作，为了使光纤放大器工作稳定，有效地抑制由于反射光引 起光纤放大器的自激振荡和抑制噪声，无论在掺铒光纤放大器中，还是在掺镨光 纤放大器或半导体光放大器中，都必须在放大器的两端使用隔离器来消除回返光 的影响。 8 0 年代以来，各发达国家一直把光隔离器列为重点研究的开发项目，经过近 4光隔离器的设计及特性分析 二十年研究己获得重要进展。国外研制光隔离器的公司较多，以美国和日本为例 就有十多家。九十年代后，产品的特点是器件工作波长系列化( 从紫外直到近红 外波长) 、高指标、小型化、产业化。9 4 年国际i e c 电工委员会公布了产品规格的 国际标准。我国开展光隔离器的研制开发工作是从八十年代中期开始的，在国家 科委和国家自然科学基金委的支持下，研究开发工作已取得很大进展，主要指标 接近或达到国外同类产品的先进水平。我国主持制定的国际标准t e c 2 0 2 - - l 纤维 光学隔离器总规范，得到国际i e c 组织认可和好评，并于1 9 9 4 年正式出版发行p j 。 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。在强磁场的作用下，有些物质的光学性质会发生变化，这就是磁光 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转，这种性质叫做 磁致旋光性，该现象叫法拉第效应，在法拉第效应中磁致旋转的方向仅由磁场方 向决定，与光线的传播方向无关，光隔离器就是利用了法拉第效应的这种非互易 性。因此，光隔离器的基本组成是：双折射晶体和由磁光晶体构成的4 5 0 法拉第旋 转器，双折射晶体的作用是将入射光分解成两束平面偏振光，由此构成非互易空 间实现光的非互易传输，在此基本构成的基础上，光隔离器形成了许多不同的结 构类型。 光隔离器作为光通信系统中不可缺少的器件，其主要性能指标有：隔离度、 插入损耗、回波损耗、偏振相关损耗和偏振模色散等。它的各项性能指标都直接 影响着整个系统工作性能的优劣，由于受器件材料、加工精度、装配误差、工作 温度、工作波长等许多条件的限制，隔离器的性能指标受许多因素的影响，也是 我们非常关心的问题。 论文对光隔离器的实现原理、组成器件和目前的各种结构类型进行了综述， 在此基础上设计出了一种具有监视功能的两级反射式光隔离器，对这种结构的光 隔离器的各项性能指标进行了详细分析；同时与两级级联式光隔离器的主要性能 做了比较，最后对影响隔离器性能的主要因素进行了逐一的分析。论文的内容安 排如下： 第一章介绍了光隔离器的基本原理，对光的偏振及法拉第效应的基本概念做 了概述，对光隔离器的分类、应用及发展做了概括。 第二章首先逐一介绍了隔离器中所用到的光学元器件的光学原理，对它们在 隔离器中的应用做了定量的分析；其次，详细论述了各种类型光隔离器的结构、工 作原理及各自的优缺点，对目前现有各种光隔离器的结构进行了综述，对各种结 构光隔离器的特点进行了比较。 第三章提出了一种具有监视功能的两级反射式光隔离器，这种结构的光隔离 绪论5 器不仅能提供很高的隔离度，而且由于采用了反射式结构，两级隔离器可以共用 一个法拉第旋转器，这样，可以大大减小器件的体积，减低成本。同时，在两级 隔离器中，i 级和i i 所选用的偏振分束( 合束) 器的e 光走离方向相互正交，这样 反射光在经过两级隔离器分光后，出射光可获得更大的分光距离。而且由于使用 的反射镜是部分透射的，所以这种结构不仅能够实现光隔离器的功能，而且部分 反射镜透射的光提供了一个实时的监测信号，若将其接入光监测器，就能实现对 系统中光信号的监测。 第四章对论文提出的两级反射式光隔离器的性能进行了全面分析。首先对在 隔离器的性能分析中利用的矩阵光学知识琼斯矢量和琼斯矩阵的基本概念进行了 介绍，在此基础上给出了隔离器中主要光学部件的琼斯矩阵；其次，对两级反射 式隔离器的主要性能指标：隔离度、插入损耗、回波损耗、偏振相关损耗、偏振 模色散等进行了逐一分析，并与两级级联式光隔离器的主要性能做了比较。 第五章由于隔离器的各项性能指标都直接影响着整个系统工作性能的优劣， 并且其性能指标受许多因素的影响，本章着重分析了法拉第旋转角误差、装配误 差及光纤准直器的耦合效率对隔离器性能的影响。 6光隔离器的设计及特性分析 第一章光隔离器概述 1 1 光隔离器基本原理 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。 1 1 1 光的偏振 根据光学理论，光波是电磁波，因此光波的传播方向就是电磁波的传播方向， 光波中应含有电振动矢量e 和磁振动矢量h ，并且都和传播方向垂直，即光波是 横波。实验事实已经表明，产生感光作用和生理作用的是光波中电矢量e ，所以 讨论光的作用时，只需考虑电矢量e 的振动，e 称为光矢量，e 的振动称为光振 动。对于横波来说，通过波的传播方向且包含振动矢量的那个平面显然和其他不 包含振动矢量的任何平面有区别，这通常称为波的振动方向对传播方向没有对称 性，振动方向对于传播方向的不对称性叫做偏振。电矢量的振动只限于某一个确 定平面内的光称为平面偏振光，由于平面偏振光的电矢量在与传播方向垂直的平 面上的投影为一条直线，故又称为线偏振光。电矢量和光的传播方向所构成的平 面称为偏振光的振动面。 通常光源所发出的许多列光波，它们的振动面可以分布在一切可能的方位， 平均来看，任何方向都有相同的振动能量，即在各个取向上电矢量的时间平均值 是相等的，这种光就是自然光，因此，自然光可以用强度相等、振动方向相互垂 直的两个平面偏振光来表示。获得偏振光的方法有很多，当一束自然光在两种介 质界面上反射和折射时，就有偏振现象发生。当光线从空气进入某些晶体时，入 射光线分成两条折射光线，这种现象称为双折射，利用晶体内的双折射也可获得 第一章光隔离器概述 偏振光。此外，利用人造偏振片也是获得偏振光的主要途径州。 10 1 2 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做旋光现象，能够使平面偏 振光的振动面发生旋转的物质叫做旋光性物质。譬如石英，使它的光轴垂直于表 面切取，当入射的平面偏振光在石英晶体内沿光轴方向传播时，线偏振光的振动 方向会随着光线的行进而发生偏转。迎面观察通过晶体的光，振动面按顺时针方 向旋转的称为右旋，逆时针方向旋转的称为左旋。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，则振动面 就恢复到原来的方位。 在强磁场的作用下，有些物质的光学性质会发生变化，这就是磁光效应。当 平面偏振光沿外加磁场方向通过介质时偏振面发生旋转，这种性质叫做磁致旋光 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， 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 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，这是磁致 旋转和天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 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，一次沿某 一方向另一次沿相反方向，结果振动面并不旋转，但偏振光沿相反的方向两次通 过磁旋光物质时，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，利用这一点来实现 光隔离器的非互易性。因此，一个隔离体的构成主要有：起偏器或偏振分束器， 由偏振片或双折射晶体构成，实现由自然光得到偏振光；磁光晶体制成的法拉第 旋转器，完成对光偏振态的非互易调整：检偏器或偏振合束器，实现将光线会聚 平行出射。 1 2 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，是指在光路结构中，通过棒透镜、偏振器和法拉第旋 转器等分立元件，将光纤间接耦合起来。此类器件在技术上已经成熟，现在市场 上的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。 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，其它材料的元件则不介入或较少介入光路。其特点在于：体积小、重量轻、 抗机械震动性能好。然而此类器件要用到特种光纤，且加工精度要求高、工艺复 杂、价格昂贵。虽有应用于系统的例子，但其性能指标离实用化还有一定的距离。 8光隔离器的设计及特性分析 波导型的光隔离器属集成光学器件，采用扩散有t i 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，再与其它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性好，但由于波导制作 技术、光纤和波导间的耦合技术还不成熟，因而其性能指标与实际应用的要求还 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；微型化光隔离器则 常用于半导体激光器及其它器件中。 光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 般情况下，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 成在线型的。 偏振相关光隔离器的结构包括空间型和光纤型。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。主 要用于d f b 激光器中。偏振无关光隔离器是一种对输入光偏振态依赖性很小( 典 型值0 2 d b ) 的光隔离器。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。它采用有角度的分离光束的原理来制成，可起到偏振无关的目的。 1 3 光隔离器应用及发展 1 3 1 光隔离器的应用【5 】 1 激光器： 目前d f b 激光器单纵模输出己达数十n w ，其工作波长的漂移小于1 埃，度， 但在高频直接调制下，仍然发生光谱展宽现象，这种光谱的啁啾声对长跨距高比 特率的传输极为不利。为了减少回波引起的啁啾声，必须在激光器中加入光隔离 器。图1 1 为两种带有光隔离器的激光器：尾纤式激光器和蝶式激光器。 ( a ) 尾纤式激光器( b ) 蝶式激光器 图i 1 两种带光隔离器的激光器 2 光纤放大器： 在长距离光通信系统中，需要大量的中继放大器。它可以克服中继电子设备 每 第一章光隔离器概述 响应速度慢等缺点，因此，其发展速度很快，目前光纤放大器已进入实用化阶段。 为了使光纤放大器工作稳定，无论在掺铒光纤放大器中，还是在掺镨光纤放大器 或半导体光放大器中，都必须在放大器的两端使用隔离器来消除回返光的影响。 图1 2 为一种掺铒光纤放大器框图。 1 4 8 0 n m 泵浦源l d 图1 2 掺饵光纤放人器 输出光信号 d 在千兆比特每秒的越洋海底光缆中，需要用到超过5 0 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，设计时常要求光隔离 器的回波损耗、隔离度分别在5 0 d b 和4 0 d b 以上。 3 光纤c a t v 网： 双级p d 甲日 i 孓3 u 用户 e d f a ：掺铒光纤放大器 p d ：偏振相关光隔离器 图1 3 光隔离器在c a t v 网中的应用 在收看电视时，无线电波的多路径造成了电视图像的重影，信号过弱使画面 出现大片“雪花”，同时由于电磁波干扰造成了画面质量的下降；另一方面，卫星 电视要求配备相应的卫星电视接收机和f m a m 转换器。所以，c a t v 受到了广 大用户的欢迎，发展相当迅速。目前发达国家的c a t v 网已占整个电视用户的5 0 以上。在光纤c a t v 网中传播多路径信号的时候，必须使用高线性、小畸变、大 输出功率和低噪声的d f b 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。由于模拟信号抗干扰能力较数字信号差，所以对隔离器的隔 离度要求更高，常采用双级光隔离器。图1 3 所示为光隔离器在c a t v 中的应用。 1 0光隔离器的设计及特性分析 1 3 2 光隔离器的发展【j o j 在国外，光隔离器在七十年代开始即被列为重点开发项目，进入八十年代以 后，其开发进一步加快，主要集中于两个方面：一是研制出高性能偏振相关微型 化光隔离器，用于与d f b l d 光源耦合：二是研制出高性能在线式偏振无关光隔 离器，主要用于e d f a 光纤放大器等线路中。九十年代后，产品的特点是器件工 作波长系列化( 从紫外直到近红外波长) 、高指标、小型化、产业化。 我国开展光隔离器的研制开发工作是从八十年代中期开始的。近两年，有关 科研部门投入大量的入力及物力进行攻关，目前已形成产品，各项指标及体积的 小型化已基本达到国际水平，在系列化方面也有较大成绩，正在向产业化和高性 能方向发展。在光隔离器的开发研制方面也已经取得很大成果，器件的基础理论 研究、测试方法和应用都有相当基础，我国主持制定的国际标准t e c 2 0 2 1 纤维 光学隔离器总规范，被国际i e c 组织认可和好评，并于1 9 9 4 年f 式颁柿，表明 了我国在这一领域的基础与水平。 九十年代光隔离器在小型化、技术指标、实用化等方面有很大的发展，现在 主要加强研究的方面有： 带宽工作特性的研究：当前国内外产品插入损耗小于0 5 d b ，隔离度大于 4 0 d b ；中心波长1 5 5 0 n m 的工作带宽仅有+ 1 5 - - + 3 0 n m ，对于宽带高速大容量通信 及宽带波分复用等要求有更宽的工作频带，因此需要将隔离器的带宽扩展到 + 5 0 n m 以上。 宽温特性的研究：当光隔离器的最佳性能在室温( 2 5 ) 时，所规定带宽 指标下的工作温度范围为0 一5 0 ，但实际工程环境往往遇到很大温差变化，为 此，需要提供在宽温环境下工作的隔离器。 低色散特性研究：器件材料和光路应使光信号色散小。 新原理、新结构、新理论方向的探索：十多年来光隔离器理论方面进展不 大，未出现新的突破，有待于深入探索的问题。 随着单模光纤通信网络的进一步发展，特别是光纤放大器、c a t v 网、光信 息处理、相干光通信及g b s 级高速光通信等技术的进一步推广，光隔离器也正向 着高性能、微型化、集成化、多功能、低价格方向发展。特别在光隔离器的设计 过程中已开始考虑使其具有更多的功能，包括附加部件、双波功能、多路分波功 能等。目前，国外已有多功能产品出现，如：带隔离器的光纤准直器、双波光隔 离器、耦合器组件等。 另外，未来的光隔离器很可能是一种微型化的高性能集成器件，如：波导隔 离器。但由于波导型光隔离器目前尚处于实验室研究阶段，离实用化还甚远，故 还需要投入大量的入力和物力做深入的研究工作，才可能有较大的发展。 第二章光隔离器的实现原理 第二章光隔离器的实现原理 2 1 光隔离器中使用的主要光学元件 2 1 1 光纤准直器 对于带尾纤的光隔离器，光纤与器件的耦合是正向传输损耗的丰要来源之一， 为减小因光的扩散而引起的耦合损耗，可以在被耦合端之间插入准直聚焦系统。 目前，用于准直聚焦系统的有：球透镜系统、平凹镜系统、望远镜系统及自聚焦 棒系统。由于光隔离器对准直系统要求尺寸小、结构简单，通常选用短焦距小像 差的自聚焦透镜作为准直聚焦系统i “。 光纤准直器是光纤通信系统和光纤传感系统的基本光学器件，它由四分之一 节距的自聚焦( g r i n ) 透镜和单模光纤组成，如图2 1 所示。其用途是对光纤中 传输的高斯光束进行准直，以提高光纤与光纤的耦合效率。这种光纤准直器的丰 要特点是两光纤准直器有较长的间距，可以插入光学元件。 光纤厂专丢忍 光纤插针广i 囊雀诱铸 在光隔离器中，光纤中传输的高斯光束经光纤准直器，以平行光射入隔离体 从隔离体出射的平行光经光纤准直器耦合进入光纤，如图2 2 所示。 图2 2 光纤准直器在光隔离器中的应用 自聚焦透镜( g r a d i e n ti n d e xr o dl e n s ，g r i no rs e l f o cl e n s ) 是渐变折射率透镜， 它的折射率服从平方律分布规律： 甩2 ( r ) = 玎；( 1 一一，2 )( 2 1 ) 式中，为轴线折射率，r 为离轴距离，i 为自聚焦透镜的聚焦常数。自聚 光隔离器的设计及特性分析 焦透镜置于空气中时的一般矩阵为： 怒 - 一打c o s 。打i n 厄zl ，。 。a 。s 厄i n f a z 篇 c z 国 式中，r ( z ) 为光线在入射面透镜内侧离轴的距离：，( z ) 为光线在入射面透镜 删撼劂为输入魅媳 从矩阵方程可知：一切在自聚焦棒轴线上的入射光线不依赖其入射角度，只 要自聚焦棒的长度取z ：_ p ： ( 即四分之一节距) ，经自聚焦透镜变换的光均 为平行光，式中p 为自聚焦透镜的节距。自聚焦棒的半径r 应满足： r n a 肝( 0 ) 爿( 2 - 3 ) 其中n a 为光纤的数值孔径。 光隔离器尽管可以消除背向光对光源或泵浦光的影响，但如果隔离器本身回 返光较强时，回返光对系统的影响仍然存在，而光隔离器本身回返光丰要是光纤、 自聚焦透镜、隔离体相互连接面间光耦合的不连续性所造成，为了解决这一问题， 通常采用图2 1 和图2 2 中所示的斜面插针耦合自聚焦透镜的结构，利用端面斜角 效应，降低前端反射。 函。， 主折射率h ，= n ，h ：，通常用n 。代替行，和丹，用月。代替门：，折射率椭球方 丁x 2 + y 2 + 言2 = ， ( 2 - s ， n ：k 1 卜叫 合时，过原点作垂直于波阵面法线方向的平面，它与折射率椭球的截线是一个圆， 第二章光隔离器的实现原理 1 3 因此，振动方向相互垂直的两个线偏振光的位相速度相同，称这个特殊的方向为 光轴。光轴仅标志一定的方向，并不限于一条特殊的直线。由于旋转椭球只能截 出一个圆形截面，因此只有一个光轴，只有一条光轴的晶体叫做单轴晶体。把 n 。 n 。的叫做负单轴晶体。 k 6 n ，一f厂、? jl n 7 ( b ) 图2 3 单轴晶体的折射率椭球 ( a ) 正单轴品体( b ) 负单轴品体 根据折射率定义可得v 。= 二，v 。= 二，令v ，= v ，= v 。，v 二= v 。，由法线面方程 ”n门c 可得单轴晶体的法线面方程为： ( r 2 一v ；) k x 2 + y 2 ) ( r 2 一v ；) + z 2 ( r 2 一v 5 1 = 0 ( 2 6 ) 式中r 为长度等于位相速度的矢径。法线面是这样的曲面，以晶体内某一固定 点为原点，在同一波面法线方向上，画出两个长度等于位相速度的矢径，当法线 方向取所有可能方向时，两个矢径的端点所形成的双壳层封闭曲面叫做法线面。 由式( 2 6 ) 看出，单轴晶体的法线面是由半径r = v 。的球面和两个半轴分别等于v 。和 v 。旋转椭球面组成的双壳层曲面，如图2 4 所示，在光轴方向上球面和椭球面相接。 v c 6 亿) 、。 o 沙1 ( a ) 正单轴晶体v 。 v 。 v l l 亿卜一 。心少。： ( b ) ( b ) 负单轴晶体v 。 1 5 。时， 自聚焦棒的耦合衰减可达- - 4 0 d b ，以保证隔离度达到3 5 d b 以上。在制作隔离器时， 分束距离既不能过大也不能过小，在同种材料的情况下，距离过小，隔离度太低， 距离过大，则引起整个器件的插入损耗增加，因此必须综合进行考虑，对于通用 的自聚焦透镜( n a - - - - - o 3 7 ，女= 2 m m ) ，通常m 为6 。8 。即可。 2 起偏器( 检偏器) 双折射晶体能将一条单色光分解成两条颜色相同而振动方向相互垂直的偏振 光即o 光和e 光，它们以各自的速度在晶体中传播，大多数透明的单轴晶体如石 英、方解石对。光与e 光吸收性质是相同的，但是也有些晶体对。光和e 光的吸收 不同，有时对一种偏振光比对另一种大的多。对两种相互垂直振动的偏振光选择 吸收的特性称为二向色性或二色性。具有这种性质的晶体称为二色性晶体。 ( 1 ) 、电气石 电气石是最著名的具有二色性的矿物质。特别是它对可见光具有很强的二色 性。当自然光入射电气石时。光线在其内产生双折射。分成。光和e 光，这两种 光在电气石内传播时，一块l m m 厚的电气石几乎可将o 光全部吸收，而e 光即振 动面与光轴平行的偏振光出射，因此，可利用电气石薄片制成检偏器或起偏器。 当光线射入电气石薄片时，总是产生一束振动方向与光轴平行的偏振光，若 第二章光隔离器的实现原理1 7 入射光线为偏振光，且入射偏振光的振动与光轴垂直，即在光轴方向上没有分量， 则没有光线出射。利用这种偏振器可产生一束偏振光，也可检测光是否为偏振光， 因此称为起偏器或检偏器。 ( 2 ) 、人造偏振片【5 】 人造偏振片就是用人工方法制成的具有二向色性的晶体。下面介绍两种人造 偏振片： 、线栅起偏器 线栅起偏器由金属和电介质周期性交替层叠造成，制作时将蒸镀好的层叠材 料从侧面切成薄片，其两侧端面镀制防反射膜，即成线栅，其结构如图2 8 所示。 线栅起偏器的起偏原理是这样的：当光束经线栅起偏器透射过去的时候，其振动 方向与线栅方向平行的偏振光被吸收，垂直于线栅方向的那一部分则无阻挡的通 过，从而实现光束起偏。线栅起偏器很薄，仅几十a m 左右厚，但是消光比却很高。 入射光 、玻璃起偏器 弋 图2 8 线栅起偏器 出射光 图2 9 玻璃偏振器 玻璃起偏器是一种新型的起偏材料。它是以掠入射的方式在硼硅酸盐的s i 0 2 基片上溅射银粒子，由于银粒子很长，通过一定的方式激化，即可使银粒子按预 定的方向排序成一条条规则的短线，其性能类似一个线栅起偏器，如图2 9 所示。 当光束经玻璃偏振器透射过去时，其振动方向与银粒子方向平行的线偏振光由于 与银粒子发生碰撞，其能量被吸收，而垂直方向的那一部分光则无阻挡的通过， 光隔离器的设计及特性分析 最后从玻璃偏振器出射的光为线偏振光。 2 1 3 法拉第旋转器 法拉第旋转器是光隔离器的核心部件，由具有法拉第效应的磁光晶体和提供 磁场的磁铁组成。根据1 1 2 节中介绍的法拉第效应，当平面偏振光通过法拉第旋 转器时，其偏振面会发生旋转。对于给定的磁光材料，光的振动面旋转的角度0 与 光在该物质中的距离l 和磁感应强度b 成正比： 0 = v l b ( 2 - 1 5 ) 式中，v 是比例系数，它是材料特性常数，称维尔德( v e r d e t ) 常数，单位： 分高斯厘米。事实上，根据电磁波在磁光材料中的传播规律，线偏振光通过一 定厚度的磁光晶体，其旋转角0 为： e ，= 警f 鬻h 鬻州 s ， 式中，( o 为光频率，为材料的特性常数，c 为光速，y 为材料的旋磁比，h 为外加磁场强度，h ，为饱和磁场强度。 在法拉第旋转效应中，磁场对光材料产生作用，是导致磁致旋光现象发生的原 因，所以磁光材料引起的光偏振面旋转的方向取决于外加磁场的方向，与光的传 播方向无关。旋转角e 的大小受磁光材料的旋磁特性、长度、工作波长及磁场强度 的影响。材料越长、工作波长越短、磁场强度越大，旋转角将越大。另外，旋转 角0 ，的大小还受环境温度的影响，当温度发生变化时，其旋转角度会有误差，对 大多数晶体来说，温度增加将导致旋转角减小 1 5 2 0 1 。 光隔离器采用的法拉第旋转器的旋光角为4 5 。从应用的角度出发，法拉第旋 转器不仅要求体积小、重量轻，而且要求器件的温度稳定性、波长稳定性好。故 理想的磁光材料不仅要有大的法拉第旋转角0 ，、小的光吸收损耗、0 ，的温度系数 和波长系数都要小而且饱和磁化场要低。通常所用的磁光材料主要有以下两种： ( 1 ) 、y i g 晶体 1 9 5 8 年美国贝尔实验室的d i l l o n 首先发现了钇铁石榴石( 分子式为y 3 f e o l 2 ， 简称y i g ) 单晶能传递红外光及近红外光，报道了y i g 在这些光波范围的法拉第 旋转和光的吸收。y i g 在近红外波段吸收小，这一光波区域常称为“y i g ”窗口。 虽然这种材料透光性能好( 1 1 岬6 6 岬) ，有较强的磁光旋转效应，在 1 3 1 6 1 x m 中，4 5 。法拉第旋转器的长度约为2 5 m m 2 8 m m ，但磁饱和场较高， 约1 7 5 0 高斯，需强永久磁场，才能使光束的偏振面发生旋转；对环境温度有较高 的灵敏度，当环境温度发生变化时，会使法拉第旋转器偏离4 5 。一个小角度0 ， e 的增加将使隔离度急剧下降，实用时，环境温度变化控制在1 5 。范围，为保证 第二章光隔离器的实现原理1 9 光隔离器的温度特性，还必须加装微调装置；生产工艺采用助熔剂法生长，而且 生长周期长，旋转器小型化有困难，且价格昂贵，因而被新型材料所代替p ”。 ( 2 ) 、高性能磁光晶体 这是一种采用液相外延技术在石榴石单晶上生成掺b i 、c e 等元素的薄膜材料， 如：( y b t b b ) f e o l 2 石榴石晶体薄膜。这些新型材料出现于八十年代，其单位长度 的法拉第旋转角是传统y i g 晶体的5 倍以上，而所需磁感应强度却是传统材料的 1 2 1 3 ，约2 0 0 高斯，因此，由此制作出的法拉第旋转器体积大大减小。此外， 新型磁光材料的温度特性优于传统y i g 晶体，价格体积大大减小，4 5 。法拉第旋 转器的长度由3 m m 下降到3 0 0 9 m 。 为了获得稳定的法拉第旋转角，法拉第磁光晶体应能长期稳定地处于饱和磁 化状态，因此法拉第旋光器用的磁铁必须能提供不小于法拉第旋光晶体饱和磁化 所需的场强，而且法拉第旋光晶体处的场强应有较好的均匀一致性，通常选用环 型永久磁铁，提供一个轴向磁化的饱和磁场，使整个磁光晶体处于均匀磁场中。 2 1 4 半波片 从单轴晶体上平行于光轴切下的薄片称为波片。若一波片的厚度能使透射出 来的o 光和e 光之间的光程差刚好等于入射光波波长的奇数倍时，这种波片就称 为这一波长的半波片。 当振幅为a 的单色直线偏振光垂直入射到半波片表面，其振动方向与光轴成c c 角，假设晶体为负晶体，e 光在晶体中速度较快，这时光程差a = x 2 ，3 x 2 ， 所以透过半波片后，o 光的振动达到极大值，而e 光的振动刚好在它自己的反方向 达到极大值，这样，由它们合成的透射光，合成振幅不变，但振动方向却已从原 来入射方向转过了2 a 角度，如图2 1 0 所示。由此可见，选择不同的仅角就可以利 用半波片将直线偏振光的振动方向转过任意角度2 c c ，而且对偏振面的旋转方向与 光线的传播方向有关，即当入射光线反向传播时，对偏振面的旋转也改变方向， 所以，半波片也被称为互易旋转器。 从晶体的旋光现象来看，似乎旋光晶片与半波片的功能相似，都能使入射线 偏振光的振动面发生旋转，但是实际上是完全不同的情况。首先，晶片的取向不 同。半波片的光轴平行于晶面，而旋光晶片的光轴垂直于晶面，光在晶体中沿着 光轴方向传播。再者，对于半波片来讲，入射光振动面旋转角度与振动面相对于 波片的快、慢轴的夹角有关，可以左转也可以右转；在夹角不为0 。或9 0 。时， 只有当波片的厚度使入射线偏振光两分量产生冗的位相变化时。出射光才是线偏振 光。对于旋光晶片，则没有什么快、慢轴，因为光在旋光晶片内沿着光轴方向传 播时，入射线偏振光在晶体内部并不分成o 光和e 光，对于确定旋向的晶片，光 2 0光隔离器的设计及特性分析 的振动面只有一个方向转动一定的角度。也就是说，不论将晶片切成多厚，从旋 光晶片出射的光始终是线偏振光，只是透射线偏振光的振动方向相对于入射光的 振动方向所转过的角度大小不同。另外，半波片只对于某一确定的波长，其出射 光才是线偏振光；而旋光晶片对于任何波长的出射光都是线偏振光，只是转过的 角度不同。 j a o 入射光 氏| 翻。光枘 吣n 疋 7 透射光 幽2 1 0 偏振光经过、| ，波片后的变化 2 2 偏振相关光隔离器 ) x 偏振相关光隔离器的结构包括空间型和全光纤型，不论入射光是否为偏振光， 经过这种光隔离器后的出射光均为线偏振光，下面首先对空间型偏振相关光隔离 器进行讨论。 2 2 i 空间型偏振相关光隔离器 这种光隔离器可直接用于带尾纤激光器、二极管泵固体激光器、位置传感器 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， 典型尺寸为十1 i n c h 、2 i n c h 、4 i n c h 等，用于y a g 激光器中。而另一种基于饱和旋 转器的微型隔离器尺寸很小，如：十3 m m 1 9 m m ，这种隔离器可用于半导体激光 器中睇”。这里，主要对这种光隔离器进行讨论，其典型结构如图2 1 1 所示。 整个隔离器包括两个起偏( 检偏) 器和一个法拉第旋转器。偏振器置于法拉 第旋转器前后两边，其透光轴方向彼此呈4 5 。关系，当入射平行光经过第一个起 偏器p l 时，被变成线偏振光，然后经法拉第旋转器，其偏振面被旋转4 5 。，刚好 与第二个检偏器p 2 的透光轴方向一致，于是光信号顺利通过而进入光路中。反过 来，由光路引起的反射光首先进入第二个偏振器p 2 ，变成与第一个偏振器p l 透光 轴方向呈4 5 。夹角的线偏振光，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，被法拉第旋转器继续旋转4 5 。，其偏振面与p l 透光轴的夹角变成了 9 0 。，即与起偏器p i 的偏振方向正交，而不能通过起偏器p l ，起到了反向隔离的 作用。 第二章光隔离器的实现原理 使用微型化光隔离器来制作器件时，通常通过柱透镜或球透镜，将来自半导 体激光器的光信号经隔离器耦合到光纤中。这里面，常需要将器件中的分立元件 倾斜于基座放置，或将隔离器倾斜安装，以提高整个器件的回波损耗，否则，光 学元件自身将引起一定的反射。 由于大量d f b 激光器的应用，微型化空间型偏振相关光隔离器占领了大部分 的隔离器市场。它可安装在尾纤和半导体芯片之间，并起封装于半导体管壳内。 其典型通光口径从o 8 m m 1 5 m m 不等，在大多数可能微型化的器件中，设计目 标总是希望能达到最大的清晰口径。目前，有一种将耦合透镜装配在隔离器上的 新型隔离器，直接用于激光器的生产中，可减少激光器制作工艺所使用的元件数 量。当然，也可以将此结构制成尾纤型的偏振相关光隔离器。其方法是将微型化 空白j 8 型偏振相关光隔离器和一对光纤准直器作出一体。不过。由于这种光隔离器 是偏振灵敏型的，所以通过器件的光功率大大依赖于光的偏振态，因而，常用保 偏光纤作输入输出光纤。如果将尾纤型偏振相关光隔离器中输入端的一根光纤准 直器去掉，那么，可制成一个集成光隔离器和光准直于一体的尾纤，用于激光器 的制作中；将尾纤型偏振相关光隔离器中输出端的一根光纤去掉时，则成了一个 带光隔离器的光纤准直器，可直接用于光路的耦合中【2 2 】。 微型化空间型偏振相关光隔离器的入射光束是空间光束，所以这种类型光隔 离器比其他种类隔离器有更多的机械尺寸方面的要求。 2 2 2 全光纤型偏振相关光隔离器 1 磁敏光纤偏振相关光隔离器 般情况下，光隔离器均需利用透镜来准直和会聚光束，所以光路复杂且体 积大，并要求在工艺过程中进行光纤与透镜的耦合。而无透镜嵌置式的在线光隔 离器则可弥补这种不足。例如：磁敏光纤光隔离器，它将磁敏光纤和微型偏振器 2 2光隔离器的设计及特性分析 装在一起，通过外加磁场作用，使通过该光纤的光信号偏振面发生旋转，从而实 现对返回光的隔离作用。 全光纤型偏振灵敏光隔离器的优点在于体积小、隔离度高。其不足是器件插 入损耗大、工艺复杂、制作难度大、整体性能欠佳，目前还没有正式投产。 2 波导型光隔离器 薄膜波导型光隔离器实现的技术途径有两个：一是激光二极管直接与法拉第 旋转器波导耦合，光信号经光纤偏振器输出；二是用光纤偏振器，将光信号与波 导进行耦合，再由光纤偏振器输出光信号。其结构如图2 1 2 所示。当光信号经光 纤偏振器后，被变成线偏振光，然后进入层状液相外延膜制成的脊形波导中，由 于5 i , j n 了磁场，波导中偏振光呈4 5 。夹角的旋转，这样，光信号可顺利通过与起 偏器呈4 5 。央角的光纤偏振器。而反向传输的光信号则由于法拉第效应的非互易 性被隔离掉【2 3 】。 近年来又研究出了非互易相移式波导型光隔离器，即在g g g 基片上外延生长 磁光波导层，覆盖s i 0 2 层，并在此上面设计出非互易相移段，再利用此相移段来 制作光隔离器。 光纤起偏器 图2 1 2 波导型光隔离器 2 3 偏振无关光隔离器 偏器 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 隔离器相比，由于其输出不为偏振光，所以更具实用性。下面分析几种典型偏振 无关光隔离器的结构【2 4 五引。 2 3 1w a l k o f f 型光隔离器原理 1 基本结构一： 这种结构的偏振无关光隔离器的结构如图2 1 3 所示。隔离体部分由三个平行 偏振分束器只、最、只和一个4 5 。法拉第旋转器f r 构成，且只、b 、b 的厚度 第二章光隔离器的实现原理 满足： n = 4 2 l m = 4 2 l ，( 2 - 1 7 ) 其中，k 、“和k 分别为相应偏振分束器的厚度。只与p 2 的光轴夹角4 5 。，最 与只的光轴夹角9 0 。输入光信号经自聚焦透镜准直成平行光束，入射到只，由 2 1