小型化三端口环行器的研制.pdf

华中科技大学 硕士学位论文 小型化三端口环行器的研制 姓名 吴琦 申请学位级别 硕士 专业 电子与通信工程 指导教师 杨坤涛 20061025 华中科技大学硕士学位论文 摘要 近三十年来 光纤通信飞速发展 光学环行器越来越广泛的得到应用 已成为现 在光通信系统的重要器件之一 光学环行器是一种多端口输入输出的非互易性光学无 源器件 它只能使光信号沿规定的端口顺序输出 发展高性能 小体积和低成本是光 电器件的一个发展趋势 具有较大的市场潜力 本文就是在这种情况 根据P h o t o p 现 有环行器的特点 提出了一种尺寸更好 性能更为稳定的新型环行器 本文首先根据理论计算和分析 提出了制约环行器尺寸的根本原因是双光纤准直 器光斑大小和交叉角大小之间的矛盾 为了解决这个矛盾 我们提出了一种新型双光 纤准直器的设计思路 然后通过计算和分析 给出这种准直器的设计结构及参数 并 从理论上分析了双光纤准直器的耦合特性和双光纤的间距及透镜曲率决定了准直器输 出光束性能 利用这种双光纤准直器输出光束的性能 能够明显减小环行器的分光部 分和合光部分的光路尺寸 同时 为了配合这种准直器的使用 本文使用了P B S 作为 环行器c o r e 的环路元件 这样环行器的整体尺寸大大减小 温度性能明显提升 本文根据这种小型环行器的设计原理和结构 给出了这种环行器的生产工艺 经 过样品的生产验证 这种工艺生产的环行器成品率能够得到保证 最后 本文系统的 分析了影响环行器插入损耗 隔离度及偏振模色散的原因 为以后环行器的性能改善 提供理论基础 对小型环行器进行了实验研究并实现批量生产 成品率得到提升 达到预期目的 对实验样品进行了测试 结果表明该方案能够明显减小环行器的插入损耗 关键词 小型化光学环行器双光纤准直器偏振分束器 华中科技大学硕士学位论文 A B S T R A C T I nt h el a s t 蚴y 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 O p t i c a l c i r c u l a t o ri so n eo f t h ek e ye l e m e n t st h a te n a b l eo p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o na n dw i l lh a v e m o r ea n dm o r ea p p l i c a t i o n s O p t i c a lc i r c u l a t o ri sak i n do fn o n r e c i p r o c a lf u n c t i o n a lo p t i c a l p a s s i v ed e v i c ew i t hm u l t i p l ep o n s O p t i c a ls i g n a li n c i d e n ti n t ot h i sd e v i c ec a l lo n l yb e t r a n s u g t t e du n d e rt h ed e s i g n e do r d e ro fp o r t s D e v e l o p i n gt h ed e v i c e st h a th a v eh i g h p e r f o r m a n c e m i n i s i z ea n dl o wc o s ti st e n d e n c ya n dh a sp o t e n t i a lm a r k e t B a s e do n P h o t o p So p t i c a lc i r c u l a t o ra n dm a r k e tr e q u i r e m e n t an e wt y p eo fo p t i c a lc i r c u l a t o rt h a th a s s u p e r i o r i t ya n dm i n i s i z ei sd e s i g n e d a n dr e s e a r c h e di nt h i st h e s i s B a s e do no p t i c a lt r a n s m i s s i o nc a l c u l a t i o na n da n a l y s i s t h i st h e s i sc o m e st oa c o n c l u s i o nt h a tt h ee r o s s t a l ka n g l eo fd u a l f i b e rc o l l i m a t o rw i l lb es m a l l e rw h e nt h eo p t i c a l b e a mb e c o m e sl a r g e r t h i sw i l ln l a k ei td i f f i c u l tt om i n i m i z et h es i z eo f o p t i c a lc i r c u l a t o r F o r r e s o l v i n gt h em a a e r w ed e s i g na n e w t y p eo fd u a l f i b e ro p t i c a lc o l l i m a t o r I nt h i st h e s i s w e g i v ed e s i g nt h e o r y c a l c u l a t i o n g e o m e t r i c a lc o n f i g u r a t i o na n dc o m p o n e n tp a r a m e t e rf o rt h e d u a l f i b e ro p t i c a lc o l l i m a t o r M e a n w h i l e w ea n a l y z et h ec o u p l i n gc h a r a c t e ro f t h ed u a l f i b e r c o l l i m a t o ra n dg e tt h er e s u l tt h a tt h ed i s t a n c eb e t w e e nf i b e r so fo p t i c a lp i g t a i la n dc l l r v e r a d i u so f l e n sd e c i d et h ec h a r a c t e ro f o p t i c a lb e a mo f c o l l i m a t o r U s i n gt h ed u a l f i b e ro p t i c a l c o l l i m a t o r o p t i c a lc i r c u l a t o rh a ss m a l l e r s e p a r a t i n ga n dc o m b i n i n go p t i c a lc o m p o n e n t sp a n I na d d i t i o nt o w eu t i l i z eP B Sa sc i r c u i tc o m p o n e n to fc i r c u l a t o r O p t i c a lc i r c u l a t o rl m s s m a l l e rf o o t p r i n ta n db e t t e ri n s e r t i o nl o s sd e p e n d i n go nt e m p e r a t u r et h a nb e f o r e U n d e rd e s i g nt h e o r ya n ds t r u c t u r eo f t h i sn e wt y p eo p t i c a lc i r c u l a t o r t h i st h e s i ss u p p l i e s m e t h o do f b u i l d i n gt h ec i r c u l a t o r U s i n gt h em e t h o d w ec a ng e th i g hy i e l df o rc i r c u l a t o r A t l a s t t h i st h e s i sd i s c u s s e si n s e r t i o nl o s s i s o l a t i o na n dp o l a r i z a t i o nm o d ed i s p e r s i o n t h e s ew i l l s u p p l ys o m et h e o r yf o u n d a t i o nf o ri m p r o v i n gc i r c u l a t o r E x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho nm i n i s i z eo p t i c a lc i r c u l a t o ri sc a r r i e do u ta n dm a s sp r o d u c t i o n i sr e a l i z e d I ta c h i e v e sh i l 曲y i e l da n dr e a c h e se 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 f m i n i s i z eo p t i c a lc i r c u l a t o ri st e s t e da n dt h er 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 ea n d 咖 i m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo f i n s e r t i o n l o s s K e yw o r d s M i n i s i z e O p t i c a lC i r c u l a t o r D u a l F i b e rC o l l i m a t o rP B S 独创性声明 Y 1 0 1 6 6 8 5 本人声明所呈交的学位论文蔗貔个入在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果 尽我所知 除文中已经标明引用的内容外 本论文不包含任何其他个人 或集髂毫缀发表或撰写避戆磅究成暴 对本文豹磷究傲蹬灵敲瓣令人窝集髂 臻已 在文中以明确方式标明 本人完全意识蜀本声明的法律结果国本人承担 学经论文终者签名 爱筒 网期 2 一 年 月工 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完龛了解学校有关保留 使用学位论文的规定 即 学棱有权保 磐劳囊晷家蠢美帮门或援稼送交论文豹复餐终帮耄子舨 定诲论文搜查舞弱臻麓 本 人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入脊关数据库进籀检索 可以采用影印 缩印或j 蔓描等复制手段保存和汇编本学位论文 保密毯 在年解密螽遮雳本援权豢 本论文属于不保密丽 请凌以上方框虑打 4 学位论文作者签名 关 尹奇 嚣羯 耐年五嚣菇蠢霹鬻钰 年 口鼠g 鑫 华中科技大学硕士学位论文 1 绪言 1 1 前言 从上个世纪七十年代以来 光纤通信取得了长足发展 光纤杂质吸收的大大降低 使得光纤低损耗传输的预言得以实现 1 2 从而引起了通信技术的革命 推动着人类社 会向信息化社会的变革 光纤以其低损耗 宽带宽 易于升级扩容和低成本等优点 已经在主干网取代了电缆 而在接入网领域 随着光纤到楼 f i b e rt ot h eb u i l d i n g F r T B 和光纤到户 f i b e rt ot h eh o m e F T T H 等接入方案的实施 光纤也逐步成为主 要的传输媒质 3 特别是由朗讯科技贝尔实验室发明的光放大器和波分复用 W D M 技 术的出现 使光纤通信系统的容量和传输距离在不断的增加 目前1 6 T b i t sW D M 系 统已经大量的商用 而总容量l O T b i t s 数率量级的系统已经在l O O k m 成功的得到实现 4 1 同时 随着通信要求的进一步扩大 波分复用技术应用领域逐步在城域网和接入网 中得到广泛应用 1 6 通道全波段 从1 2 7 0 h m 到1 6 1 0 h m 通道 中间1 3 9 0 n m 和1 4 1 0 n m 通道闲置 的C W D M 粗波分复用 系统已经成为解决城域网和接入网日益增长的带宽的 一种经济的方案 随着技术进展和业务发展的要求 低成本已经成为城域网和接入网系统中最重要 的特点 这要求元器件特别是无源器件有更低的价格 更稳定的性能 从而降低整个 系统的固定成本和维修费用 光学环行器作为一种典型的无源器件 在光纤通信中有 着广泛的应用 在成本和性能上必然面对更高的要求 下面 我们将对光学环行器进 行深入的介绍 有关光学环行器的一些最早期工作是在六十年代由贝尔电话实验室报导的 随着光 纤通信技术的不断发展 它已成为现在及未来光纤通信系统中的重要器件之一 光学环 行器是一种多端口输入输出的非互易性器件 它使光信号只能沿规定的端口顺序传输 一个典型的三端口光学环行器原理见图1 1 当光信号从指定的端口输入时 在器件中 只能沿规定的顺序传播 1 2 3 当光信号的传输顺序变更时 例如2 1 或3 2 其损耗很大 可实现信号的隔离网 光学环行器的基本原理是利用晶体的双折射效应和 磁致旋转效应 在空问上将 光和e 光分开 以不同的光路进行传输 并产生不同的偏 华中科技大学硕士学位论文 振态改变 然后再利用晶体的双折射效应将0 光和e 光混合在一起在输出端口输出 图L 1 光学环行器原理图 1 2 光学环行器的应用 由于光学环行器具有正向顺序传输而反向顺序隔离的特性 可以完成正反向传输光的 分离 因此在双向长途干线通信 密集波分复用器 光放大器 光时域反射计以及在光纤 传感和光纤测试系统中有广泛的应用 以下是其在光通信系统中的几种典型应用 1 2 1 与光纤布拉格光棚 F B G 组合应用 光纤光栅具有十分优良的滤波功能 由F B G 做成的D W D M 解波分复用器 光插 分 复用器 O A D M 在D W D M 通信系统中有着大量应用前景 由于光纤光栅将其所对应波长的 光按原路返回 因此通过光学环行器将不同方向的光信号分离十分必要 与之类似的 应用还有利用啁啾光纤光栅做成的色散补偿器 图1 2 是一种有环行器和光纤光栅组 成死的O A D M 的原理简图 6 1 图1 2 应用环行器的O A D M 原理图 1 2 2 在光放大器中的应用 为了能获得对C L C S 甚至s c L 波段的放大 基于环行器基础上的拉曼放大器 和其他放大器的组合已经成为一个发展趋势 尤其是与掺稀土元素光纤放大器的组合 2 华中科技大学硕士学位论文 更为突出 图1 3 所示为一种典型的拉曼放大器和E D F A 的组成的一种混合放大器 这 种放大器能够获得较宽的增益 并且噪声系数较低 同时 基于环行器的拉曼放大器 和掺饵光纤放大器 E D F A 的混合放大器 即可以利用拉曼放大器低噪声的优点 也利 用了E D F A 增益高的特性 从而可以获得比较好的系统性能 在长距离传输的中继放大 1 7 H 9 系统中得到了广泛的应用 镝缀放大器后缀放大嚣 图1 3E D F A 拉曼放大器式混合放大器 1 2 3 在波分复用无源光网络中应用 随着波分复用 w D 岫技术的发展 波分复用无源光网络 W D M P O N 得到了广泛的应 用 在图1 4 中 是环行器在W D M P O N 中的一个典型应用 1 0 1 图1 4 一种删一P O N 的结构图 此外 光学环行器还可在光时域反射仪 O T D R 和光纤陀螺 S a g n a c 干涉仪 中替代 耦合器使用 能够将耦合器产生6 d B 以上的光信号损耗 降低到l d B 左右 很好的提高 3 华中科技大学硕士学位论文 了系统性能 由此可见 研究开发高性能的光学环行器有着重要的意义 1 3 光学环行器发展概况 光学环行器的最早由贝尔实验室在二十世纪六十年代提出的 直到低损耗光纤的出 现 光学环行器才开始得到发展 最早的光学环行器是偏振相关的 1 l 埘 由于需要保证 输入输出的均为偏振光 其用途受到极大的限制 1 9 7 9 年T M a t s u m o t o 等人首次提出了 偏振无关光学环行器 1 3 1 在此基础上人们不断改进 提出了多种结构 目前 光学环行 器的研究方向主要有两个 一是用分立元件组成的块状光学环行器 B u l k 旬p t i c a l C i r c u l a t o r E 1 4 1 另一个是波导型光学环行器 W a v e g u i d eT y p eO p t i c a lC i r c u l a t o r 悯 前者在过去的数十年里发展迅速 目前已经比较成熟 形成了多种结构的环行器 根据 这些结构特点 我们可以把它分为三类 1 偏振分光棱镜式单磁光晶体光学环行器 2 偏振分光棱镜式双磁光晶体光学环行器 3 双折射晶体式双磁光晶体光学环行器 而后 者尚还处于实验阶段 许多性能指标还无法达到块状光学环行器的水平 还有待技术上 的突破 下面我们主要介绍块状环行器的具体发展情况 块状光学环行器中的核心器件是法拉第旋转器 它是不同结构光学环行器中都不 可或缺的 其原理都是利用法拉第旋转器的非互易特性 使沿相反方向通过它的偏振 光偏振态改变 沿不同的路径传播 多年来 研究者们不断提高环行器的性能主要是 从两个方面入手 一是力求提高各分立器件的特性 例如提高偏振分光器的隔离度 旋光器的旋转精度 二是改进整个器件的结构 通过各分立器件间的配合来寻求突破 而基本原理还是一致的 T a k a oM a t s u m o t o 在早期作了大量的工作 1 3 1 6 J 切 他设计了多种结构偏振无关的 光学环行器 图1 5 是其中一种典型结构 它由偏振分光镜 法拉第磁致旋光晶体 G 天然旋光晶体以及直角棱镜组成 从左向右通光时 法拉第磁致旋光晶体与天然旋光 晶体旋光方向相同 且都为4 5 0 因此偏振面被旋转9 0 0 反向时 磁致旋光晶体与天 然旋光晶体光方向相反 因此偏振面不发生旋转 偏振分光棱镜是利用多层介质膜分 光的 多层介质膜满足布儒斯特条件 类似这种结构的光学环行器还有几种 主要的 区别是偏振分光棱镜的分光原理不同 如利用双折射晶体0 光e 光全反射角不同制定 的偏振分光棱镜 或利用布儒斯特定律和全反射定律制定的偏振分光棱镜 等等 4 华中科技大学硕士学位论文 图1 5T a k a oM a t s u m o t o 提出的光学环行器 这种结构的环行器的缺点 l8 是 1 隔离度偏低 一般在2 0 3 0 d B 之间 其主要原 因是对偏振分光镜的依赖过高所至 偏振分光棱镜是利用多层介质膜分光的 多层介质 膜满足布儒斯特条件 由于镀膜技术中尚还存在着一些难以克服的困难 使其消光比 难以得到提高 从而直接影响了隔离度 2 旋光系统中只有一块旋光晶体 旋光晶体 的旋转角度误差及装配误差对隔离度由重要的影响 为了降低旋光晶体旋转角度误差及装配误差等对隔离度的影响 采用两块旋光晶 体的旋光系统方案被人们提出并采用 Y o h j iF u j i i 在随后的几年里基于上述结构作了 一些改进 也开发了几种有着新型结构和功能的光学环行器 1 9 2 0 图1 6 就是在图1 5 的结构中在每个端口添加了一个薄的双折射晶体波片 B P 由其先将入射光分成偏振 态互相垂直的线偏振光 并使它们发生一小段空间分离 然后进入偏振分光镜 P S B 由于双折射晶体具有高大5 0 d B 的消光比 从而提高了环行器的隔离度 P o f 晴 图I 6 提高隔离度的方案一 Y o h j iF u j i 对光学环行器中隔离度较低的原因进行了系统的分析 并从结构上寻 求提高隔离度的方法 图1 7 是一个结构紧凑的准双级环行器 没有实现端口4 到端 华中科技大学硕士学位论文 口1 的功能 在这里使用了两块双折射晶体和五角棱镜 给装配带来极大便利 因为 在装配过程中产生的角度误差对光路的影响可以忽略 这种结构的环行器 其隔离度 明显提高 测量发现隔离度超过了6 0 d B 但其插入损耗相对较高 n o 光束将靠近法线偏折 楔角片I 中的 光在出射楔角片I 时 将在偏折一次 形成一个与轴线偏仍的角 仍为 仍 扣ta r c s t l l 掣删 2 3 5 而对楔角片I I 中的e 光 将在楔角片I 中变为0 光 由于Y V 0 4 晶体的n o 3 0 0 6 9 r a m 即要求0 光和e 光分开的距离最小值为0 6 9 r a i n 根据公式 2 3 8 晶体的厚度要求 6 5 m 因此 在我们以前的环行器的设计中 Y V 0 4 的厚度L d 6 5 舳 对于有2 块相 同的Y V 0 4 晶体厚片 其分光和合光部分的光路超过1 3 m m 这样必然影响环行器的长度 造成器件的插入损耗 温度性能的不稳定 并对装配工艺有很高的要求 为了减少环 行器长度尺寸 必须减小Y V 0 4 晶体厚片的L d 根据公式 2 3 8 可以通过两种方式 来减小L d 1 改变0 使t a l l p 1 以t a n 2 p 珈 J 为最大值 经过计算 当0 4 7 8 时 t a n O i 1 n 0 2t a n 2 p j o 5 5 2 4 2 取的最大值 当0 4 5 时 t a l l p I t a n 2 p 露J O 5 4 9 6 8 和最大值相差0 0 0 2 7 4 因此 改变0 L d 的减小量不到O 0 3 3 m m 2 减小D d 因为L d 同D d 成正比 当D d 只有原来的5 0 时 L d 也只有原来的 5 0 因此 减小D d 是一种可行的方案 而D d 由光斑的大小决定 即D d 3 0 所以 减小准直器的出射光斑的大小可以减小Y V 0 4 的厚度 在2 I 这个章节中我们知道 如果减少双光纤准直器光斑 可以采取减小C l e n s 的球面半径p 和增大C l e n s 的材料折射率 但是采用这两种方案必然会带来交叉角 的变大和交叉点到球端面的距离的减小 而根据关系式 2 3 9 这样要求Y 7 0 4 晶体 厚片 矿 厶一 十s i n 书 2 3 9 有更大的宽度 如图2 1 5 所示 这样将加大环行器的直径 同样会造成器件的插入损 耗 温度性能的不稳定 并对装配工艺有很高的要求 华中科技大学硕士学位论文 双光纤准直舞 由于采用图2 1 的双光纤准直器 不能在减小准直器输出的光斑时 同时减小两 光线的交叉角大小 也就无法改变环行器的长度 但是采用图2 5 的新型双光纤准直 器 将能解决上述问题 在这一部分我们沿用O p l i n k 和P h o t o p 等公司的设计 继续采用Y V 0 4 双折射晶体 结构如图2 1 5 在Y V 0 4 中 0 光和e 光分开的距离有下面的关系 一 1 一筹 j j 戋三一 c 2 4 其中 为e 光波法线和光轴的夹角 d 为Y V 0 4 的厚度 但是 完全采用这种结构的Y V 0 4 的厚片 光线在传输的过程中将产生错位 错位的距离为0 光和e 光分开的距离 这 要求双光纤准直器和单光纤准直器的轴线在理论上就不在一条直线上 而是有0 3 m 偏差 图2 1 6 这个偏差使环行器的双光纤准直器和单光纤准直器在光路上的不对称 造成环行器的插损温度性能不良 图2 1 6 典型设计的Y V 0 4 环行器光路示意图 为了解决这个问题 我们对上述Y V 0 4 晶体的设计进行优化 w 0 4 晶体的前后两通 光面 由直角面该为倾角面 如图2 1 7 设倾角的大小为o 则光束的入射角为o 即 Y V 0 4 的倾角 设0 光线 波法线 和e 波法线的出射角分别是o0 oe 有 s i I l p s m e 2 4 1 栉D 打8 s i n B s i I l 2 4 2 华中科技大学硕士学位论文 吃 t 一若 j 鹅一口 见 S 图2 1 7 优化设计的W 0 4 晶体图 2 4 3 2 4 4 图2 1 8 优化设计的Y 4 0 4 环行器光路示意图 舢 一E 当口 5 7 5 0 时 日e l oo l 两光束在分光过程中 偏离轴线的距离近似相等 但方 向相反 在合光部分中 o 光和e 光的合束点在轴线上 如图2 1 8 因此 这就解决 了准直器错位问题 根据M a t h c a d 软件计算 厚度为L d 3 O m m o 光和e 光分开的距离为0 3 0 m m 对 于直径为0 1 9 m m 光斑 这个距离已经能够满足通光孔径的要求 2 3 2 2 波片 波片是一种对两垂直偏振分量提供固定相位差的元件 它通常是从单轴晶体上按 一定方式切割 有一定厚度的平行平面薄片 其光轴平行于晶体表面 一束正入射的 光进入波片后 将分为互相垂直的两束偏振光 o 光和e 光 其折射率分别为n o 和n e 由于折射率不同 他们通过厚度为d 的波片后 将产生一定的相位差 且 华中科技大学硕士学位论文 妒 挈G 一p 2 4 5 B e妒2 妒 一 式中 d 为波片的厚度 是光在真空的波长 于是 入射的偏振光经过波片后 由于 在两个垂直分量之间加了一个相位差 将会改变偏振状态 现有一束现偏振光垂直入 射波片 在入射表面上所产生的O 光和e 光分量同相位 振幅分别位A o 和A e 0 光和 e 光通过波片后 附加了一个相位延迟伊 因而其合成光矢量端点的轨迹方程为 2 铲2 差c o s 岫n 2 面 在环行器的设计中 我们使用了半波片 则 妒 娶瓴一 弦 2 埘 l k 所 O l 2 2 4 7 将其带入上式 得 鲁 翁 协4 s 即 耻一争已 t a n 8 E 3 2 4 9 即出射光仍是现偏振光 只是偏振方向同入射光相比 旋转了2o 角 为了使Y V 0 4 后 厚片的O 光在半波片中 偏振方向旋转9 0 度 则o 4 5 即在x Y 面 波片的光轴 与Y V 0 4 厚片光轴成4 5 夹角 如图2 1 9 所示 另外 半波片的材料 我们选择了双 折射率k l 数值很小的石英晶体 波片光轴蔓 入 r y 向 图2 1 9 波片和w 0 4 的光轴关系 华中科技大学硕士学位论文 2 4 本章小结 本章首先对双光纤准直器的特性出发 理论上分析了这种准直器限制了环行器尺 寸的小型化 根据对这种双光纤准直器的分析 我们提出了新型双光纤准直器的设计 思路 并理论上的进行了计算和分析 根据其特性提出了新型三端口环行器的设计思 路 该设计思想源于M K o g a O p l i n k K a l f a 的三项专利和华中科技大学张晟在P h o t o p 公司的设计思想 但其结构与之相比更为紧凑 尺寸更小 华中科技大学硕士学位论文 3 小型光学环行器的设计 3 1 小型环行器工作原理 本文提出的新型三端口环形器 也是利用了M K o g a 设计的基本结构 用上述自行 设计的楔角对作为光束的环路元件 不仅仅使我们设计的双光纤准直器的特性得到充 分利用 而且比O p l i n k K a l f a 及P h o t o p 现有的设计尺寸更小 结构更为紧凑 图3 1 图3 3 显示的是这种环行器工作的原理及传输过程中的偏振态方向的变化情况 如图 所示 从端口1 入射的任意偏振态的光束经过w 0 4 厚片1 分解成两束偏振态互相垂 直的光束L 1 和L 2 光 L 1 为0 光 L 2 为e 光 其中 光经过半波片2 偏振方向逆时 针旋转9 0 而e 光没有经过半波片 偏振方向不变 这样 o 光和e 光的偏振方向相 同 这两束光经过非互易旋光晶体3 偏振方向逆时针旋转4 5 其偏振方向分别与 P B S4 的楔角片I 和I I 的光轴垂直和平行 作为0 光和e 光先后进入楔角片I 和楔角片 然后再经过非互易旋光晶体5 偏振方向再次逆时针旋转4 5 其中L l 光再次经 过一个半波片6 偏振方向顺时针旋转9 0 以e 光Y V 0 4 厚片7 传输 而L 2 光经过 一个补偿片 偏振方向维持不变 以0 光形态在Y V 0 4 厚片7 传输 L l 和L 2 经过Y V 0 4 厚片7 后 合成一束光 入射到端口2 a 俯视图 b 侧视图 图3 1 环行器工作原理 L b P 竹t 2 b 华中科技大学硕士学位论文 田凶园因困田 乙 图3 2 各双折射晶体的光轴 u 止义UL I 摹 了手 以 d 孑 孑 t 七u 乙 b P o r t 2 一P o r t 3 图3 3 光束传输过程中的偏振态关系 从端口2 入射的任意偏振态的光束经过Y V 0 4 厚片7 分解成两束偏振态互相垂直 的光束L 3 L I 和L 4 L 2 光 L 3 为0 光 L 4 为e 光 其中e 光经过半波片6 偏振 方向顺时针旋转9 0 而 光没有经过半波片 只经过一个补偿片 偏振方向不变 这 样 L 3 光和L 4 光的偏振方向相同 这两束光经过非互易旋光晶体5 偏振方向逆时针 旋转4 5 其偏振方向与P B S4 的楔角片 和I 的光轴垂直和平行 作为0 光和e 光 先后进入楔角片 和楔角片I 然后再经过非互易旋光晶体3 偏振方向再次逆时针旋 转4 5 其中L 4 光再次经过一个半波片2 偏振方向顺时针旋转9 0 以0 光Y V 0 4 厚片1 传输 而L 3 光没有经过半波片 偏振方向维持不变 以e 光形态在Y V 0 4 厚片 1 传输 L 3 和L 4 经过Y V 0 4 厚片1 后 合成一束光 入射到端口3 3 2 双光纤准直器参数确定 根据第2 章的分析 在保持双光线准直器交叉角不变的情况下 减小输出光束光 斑 可以减小Y V 0 4 双折射厚片的长度 设计双光纤准直器输出光束的目标参数如表3 1 在设计准直器的目标参数时 只改变一个量 主要是为了设计环行器芯更简单一些 比 一 U 比十 t c u HI 手u 华中科技大学硕士学位论文 表3 I 准直器输出光束参数 交叉角 光斑直径 m 新型双光纤准直器 3 0O 1 9 普通双光纤准直器 3 00 4 6 如图3 4 所示 双光纤准直器的元件有 双光纤头 楔角棱镜对 C L e n s 玻璃 管和金属管 根据双光纤准值器设计的要求 我们分别介绍在第2 章节没有确定的元 件的材料及参数 ff f i iI i 叼 0 矮 繁静 鼍 篱簧甍瓷簧 慈 篓 痧拶 知瓤豫 飞瓷 案j 毽曼艺 劳 夕pk 鞭瓷辍堍 堍 弛出7 弋 鸯 蝽 蒋 辣 砖 薅锋聱 图3 4 新型双光纤准直器的结构 3 2 1 光纤头 光纤头 P i g t a i l 由毛细玻璃管和光纤组成 对于P i g t a i l 实际上没有接入任何 器件 使用毛细玻璃管只是为了固定光纤线 两光纤线的纤芯距2 r O 1 2 5 m P i g t a i l 插入损耗在镀有增透膜的基础上损耗很小 光纤线我们采用c o r n i n g 公司生产的 S M F 2 8 光纤 纤芯折射率n f 1 4 6 8 1 1 5 5 0 h m S M F 2 8 是单模光纤 只允许单一的模式 在其中传播 为了提高回波损耗 我们采用楔角0f 8 的平行型的p i g t a i l 3 2 2 楔角棱镜 对于楔角棱镜 我们选择S F 1I 材料 其材料折射率n I 7 4 4 7 4 2 1 5 5 0 n m 根据 华中科技大学硕士学位论文 1 剐 3 1 Z 3 2 因此 在设计棱镜时 这两个方面需要考虑 对于棱镜的楔角0p 的确定 需要根据C l e n s 的一些参数共同确定 3 2 3C 透镜 对于c 一透镜 C l e n s 材料的选择 我们放弃了c l e n s 的通用材料s F l l 而选择 材料折射率更大的T A F D 3 0 其折射率n n 1 8 4 9 9 5 9 1 5 5 0 n m 由第2 章节分析知道 当准直器的工作距离一定时 减小准直器束腰光斑的大小 可以通过增大C l e n s 材料 折射率和减小C l e n s 球面半径 但是 为了得到 0 0 0 9 5 m 当选用S F 1 1 材料时 球面的半径仅仅为0 7 5 m m 而C l e n s 的柱面直径由 1 8 m m 这样会带来以下问题 I 球面直径小于C l e n s 柱体直径 加工球面时 会造成球面和柱面的交界处崩 片 使加工难度增大 2 球面半径较 其相差越大 影响准直器的插入损耗 而我们采用T A F D 3 0 材料时 C l e n s 球面半径将会变大 减少了上面问题带来的影 响 表3 2 棱镜和C l e n s 的参数 棱镜 C l e n s 材料 楔角L p长 宽材料 p咖T e楔角 S F 1 1 1 6 r0 I m m0 8 0 6 T A F D 3 00 9 0 r a mI 8 m mI 6 m m0 华中科技大学硕士学位论文 为了减小p i g t a i l 和l e n s 匹配带来的影响 C l e n s 没有采用8 楔角 而采用直 角 理论计算和实验证明 采用这种结构能够满足准直器R L 6 0 d B 的要求1 4 2 1 根据计 算知道 表3 2 中 棱镜和C l e n s 的参数满足我们准直器设计的要求 3 2 4 玻璃管 玻璃管的材料通常为耐火玻璃 膨胀系数小且耐高温 根据结构的设计 玻璃管 是套在玻璃棒和光纤头外面 所以玻璃管的内径为玻璃棒和光纤头的外径 玻璃管的 外径为2 8 r m 玻璃管的长度略短于玻璃棒和光纤头的总长度 为9 0 m m 3 2 5 金属管 金属管我们选择 3 0 3 不锈钢材料 为了焊接的需要 金属管的表面镀镍和镀金外 套管的内径为玻璃管的外径 金属管的外径采用通用的3 2 m m 长度为9 0 m m 为了提高装配成品率及准直器的温度性能 要严格控制玻璃管 玻璃棒 光纤头 C L E N S 和外套管的尺寸配合公差 3 3 环行器c o r e 参数确定 环行器c o r e 按光路在传输过程中的功能可以分为 分光部分 光的环路部分和合 光部分 分光部分和合光部分各有一个相同的Y V 0 4 厚片和半波片组成 以及一个用来 P 肋补偿的补偿片 光的环路部分主要有5 个元件组成 两个完全相同的楔角 完全相 同的磁光晶体 以及为磁光晶体提供磁场的永久性磁环 3 3 1 法拉第旋转器 F a r a d a yR o t a t o r 现行的光学环行器都是基于磁光材料的法拉第效应制成 因此磁光材料的性能好 坏将极大的影响环行器的发展 对于给定的磁光材料 光振动面旋转的角度0 与光在 磁光物质中通过的距离L 及磁感应强度B 成正比 口 V L B 3 3 式中v 是磁光物质的特性常数 称为维尔德 V e r d e t 常数 单位为度 奥斯忒 毫米 从偏振特性的角度来说 由于磁场对磁光材料的作用是产生磁致旋光 所以磁光材料 引起的光偏振面旋转方向取决于外加磁场的方向 与光的传播方向无关 逆着光看去 华中科技大学硕士学位论文 当线偏振光沿磁力线方向通过介质时 其振动面向右旋转 当偏振光沿磁力线反方向 通过磁光介质时 其振动面则向左旋转 所以法拉第效应具有非互易性 另外旋光量 还受温度的影响 对大多数晶体来说 温度增加将导致旋光转角减小 这是其不利因 素 光通信所用波长大约在0 2 1 4 1 1 m 的范围内 其中0 2 0 4 p m 属紫外波段j 0 4 0 7 p m 属于可见光谱区 0 7 1 0 6 u m 和1 0 6 1 4 弘m 属于近红外波段 1 4 1 0 2 I Jm 属于远红外波段 光纤通信则广泛的使用1 5 5 lm 和1 3 um 对于磁光材料来 说 目前主要在红外波段内 在可见光谱区内材料的品种还比较少 从已有的磁光材 料制成的某些器件表明 磁光材料将在l 5I Im 的波长范围应用广泛 迄今虽已研制 了许多磁光材料 但使用得比较广泛的主要是单晶钇铁石榴石系列的材料和某些非晶 磁性薄膜材料 典型的光学环行器采用的法拉第旋转器 旋转角8 为4 5 其材料主要有以下两 种 1 Y I G 晶体 在过去 用于近红外和光通信的传统磁光材料为钇铁石榴石 Y I G 单晶 其波长范围在0 8 1 6 Hm 之间 它需要强的永久磁场 才能使光束的偏振面 发生旋转 且价格较高 已逐渐被新型材料所替代 2 一种采用液相外延技术在石榴 石单晶上生成掺镱 镓 钬或铽等元素的磁光晶体 如 Y b T 6 B i F e 0 2 石榴石单晶薄 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为Y I G 的5 倍以上 而所需的磁感应强度B 为Y I G 的1 2 1 3 因此 用这种新型材料做的法拉第旋转器 体积大大减小 此外新型材料的温度特性更优 价格也更便宜 据研究报道 一种新 型的非稀土铁石榴石已用于1 3 L5 5 弘m 法拉第旋转元件的制造 最近开发的钙镁碲 化合物 C M T 和掺水银C M T 晶体 其综合性能可望高于以往的法拉第磁光材料 在本项目中 我们采用了日本三菱公司的A 型磁光旋转片 其在1 5 5 0 n m 的主要参 数如表3 3 较详细的资料可以在w v m g c c o j p 查找 表3 3At y p e 旋转片参数 旋转波长相关性温度相关性 I L 厚度 t y p i c a l 所需磁场强度 角度 0 z x 0 A T t y p i c a l 4 5 d e g 0 0 6 8 d e g m 0 0 6 d e g 0 0 5 d B0 3 6 1 1 0 0 0O e 华中科技大学硕士学位论文 3 3 2 磁环的计算及磁铁的选择 足旋转片的要求 那么旋转片的旋转角度将小于4 5 并且旋转片本身的损耗将非常 大 因 此 研究磁铁的特性 将不仅为环行器的光学指标提供保证 而且能通过优化 磁铁的尺寸 从而优化环行器的尺寸 设圆环形磁铁的内径为1 1 1 径为R 2 长度为2 L 则运用磁荷模型和磁化均匀法 可以求出磁铁在空间产生的磁标量势为 伉 击 M 丢 訇 M 三r 旦S r f u R M 鲁 蒯讹c s 卅 式中R J 丁i 了i i j F 五i X 忑丽 M r Mo M z 是磁化强度分别沿r o 和z 方向的分量 设圆环形磁铁沿z 轴方向均匀磁化 则必 l 剜 M M 吖 M 从而 靠铂 击珥M 鲁 去 删眺 c s 啕 对于中心轴线的场强 即在r o 0 O o 0 时有 凡书 去研M 昙 去 删纰 等 厨砺可一厨忑丽 等 厨瓦可一厨瓦可 3 6 从而 日 一罢 铷一三 南一南 c s 一 一等 三 面去丽一面去丽J 华中科技大学硕士学位论文 一 不同垤z 0 如m 图3 5 不同位置的磁场强度 R I 0 9 0 5 r a m R 2 1 5 0 r a m 不同L 时 轴线上z o 0 8 m m 处的磁场强度 如图3 6 3 4 一 长度L 6 m 图3 6 不同长度磁环的磁场强度 根据上面的计算 并经过实际的验证 我们选择了大地熊磁环 磁环的尺寸如表 表3 4 磁环的尺寸 内径 2 R 1 外径 2 R 2 长度 2 L 1 8 1 m m3 O H 2 r i m 这种圆环型磁铁提供的磁场强度 1 0 0 0 0 e 满足A 型旋转片的要求 3 3 3 补偿片 环行器的P M D 主要来自光束经过双折射晶体时 产生偏振态互相垂直的两个光束 这两个光束有不同的光程 就产生了P M D P 肋的大小 我们可以从P o r t l 到P o r t 2 的 传输来分析 从P o r t l 进的光束 经过厚片1 分成两束光L 1 和L 2 根据图3 1 b 所示 L 1 和L 2 在厚片l 和7 中 传输的路线是一个对称的图形 因此 光程相等 如 果没有补偿片 L 1 和L 2 的主要的光程来自 L 1 经过两个半波片 而L 2 只经过是空气 介质 因此 光程差为 一 e鲎世鼎嚼喾 8zM世嘣霹耀 华中科技大学硕士学位论文 辅 翱一南 3 8 其中0 为厚片的倾角 肝 为光束在半波片的折射率 它介于半波片的疗 和玎 d 为半 波片的厚度 为了补偿这个光程差 我们在L 2 的光路中加了一个补偿片 如图3 1 在设计中 我们采用与半波片相同材料的石英全波片 这样能很好的补偿L 1 和L 2 的 光程差 同时 使用全波片 又不会改变线偏振光的偏振态 全波片的厚度d 为 d 2d 3 9 3 3 4 支架 在我们原有的环行器中 支架的材料为陶瓷 主要是因为陶瓷材料的硬度较大及 膨胀系数较小 综合性能较高 但由于需要开模费及交期长原因 在本项目中 我们 采用S 3 0 3 作为环行器c o r e 的支架 支架的总长度为9 m m 3 4 本章小结 本章提出小型三端口环行器的实现原理 根据双光纤输出光束的性质 给出了新 型双光纤准直器各元件的材料和尺寸参数 在这一章中 我们详细分析旋转片的特性 及参数 并提供了磁环的磁场的理论分析和计算 根据理论 给出磁环的尺寸 3 7 华中科技大学硕士学位论文 4 小型光学环行器的制作 4 1 双光纤准直器的生产 4 1 1 贴楔角棱镜 1 在显微镜下擦拭p i g t a i l 的端面 要求通光面上没有明显的划痕和麻点 2 在显微镜下擦拭棱镜的两个通光面 要求通光面上没有明显的划痕和麻点 3 把擦拭干净的两个棱镜放在p i g t a i l 端面上 放置位置如图4 1 要求棱镜的 边和光纤线直径为0 1 2 5 m m 的敷层相切 如图4 2 4 按图4 2 上B 3 3 胶 涂敷层 函酗 图4 1 棱镜位置的示意图 B 3 3 端面 图4 2 贴片及上胶的示意图 5 上完后B 3 3 胶后的p i g t a i l 棱镜的组合体用U V 光源 光强 1 2 W c m 2 照射 6 0 秒 然后1 1 0 5 烘烤不少于6 0 分钟 4 1 2 上构件 1 检查并清洗透镜及玻璃套管 2 将透镜插入玻璃套管约l m m 用上胶针在透镜与玻璃管交接处上一点B 3 胶 慢 慢地朝同一个方向旋转套管使胶均匀地渗入 同时使透镜渐渐深入套管中 直至透镜 的外露