高隔离度的自由空间型光隔离器

高隔离度的自由空间型光隔离器季杭峰1 , 黄德修1 , 林斌2 , 屈洪昌2(11 华中科技大学 光电子工程系 ,湖北 武汉 430074 ; 21 福州康顺光通讯有限公司 ,福建 福州 350014)摘要 :报道了一种自由空间型双级光隔离器 ,其隔离度大于 59 dB ,插入损耗小于 0 . 3 dB ,工作带宽达 60 nm ,尺寸结构适于半导体激光器模块的内置封装 。给出了其基本原理 、性能分析 、 结构设计以及测量方法 。关键词 :光隔离器 ; 偏振 ; 自由空间 ; 半导体激光器中图分类号 : TN15文献标识码 : B文章编号 : 1001 - 5868 (2002) 01 - 0012 - 04Free Space Optical Isolator with High IsolationJ I Hang2feng1 , HUAN G De2xiu1 , L IN Bin2 , Q U Ho ng2chang2( 1 . Dept. of Optoelectron ic Engineering , Huazhong Un iversity of Science and Technology , Wuhan 430074 , CHN2 . Koncent Commun ication INC. , Fuzhou 350014 , CHN)Abstract : A t wo2stage f ree space isolato r is repo rted w ho se isolatio n is bet ter t han 59 dB , wit ht he insertio n lo ss of less t han 0 . 3 dB wit hin t he bandpass of 60 nm. The p hysical size is fit ted fo r t he packaging of semico nducto r laser mo dule . The operating p rinciple , perfo r mance , st ruct ural design and it s measurement are given .Key words : op tical isolato r ; polarizatio n ; f ree space ; semico nducto r laser其外形常为圆筒形或长方体 。本文报道一种偏振相关的用于半导体激光器模 块中的自由空间型光隔离器 。文中首先介绍自由空 间型光隔离器的基本工作原理和结构设计 ,然后对其性能进行分析 ,最后介绍测量其指标 (插损和隔离 度) 的方法和结果 。1引言在光通信系统中 ,半导体激光器和光放大器被用于产生和中继光信号 。但它们易受系统中的回返光的影响 ,使工作不稳定1 ( 如引起频率漂移 、信号 强度变化 、噪声增大等) 。为此 ,需要在光源或光放 大器前接入光隔离器 。光隔离器是一种对正向传输光损耗很小 ,而对 反向光损耗很大的非互易性器件 。按其应用场合不同 ,可 分 为 在 线 型 ( In2line ) 和 自 由 空 间 型 ( Free space) 。前者主要用于光纤线路中 。由于光纤线路 中存在模式耦合 ,从光源出来的线偏振光将不再保 持原有的偏振态 ,所以在线型光隔离器必须是偏振 无关的 。后者主要用于 D FB 激光器中 ,直接起到隔离反射到 D FB 激光器芯片的回返光的作用 ,它们是 偏振 相 关 的 。由 于 常 需 要 封 装 在 激 光 器 中 ( 如 Furukawa 封装) ,自由空间型光隔离器要求微型化 ,2工作原理自由 空 间 型 光 隔 离 器 主 要 是 基 于 法 拉 第( Faraday) 效应2。Faraday 效应就是当光线穿过磁性物质的时候 ,偏振光的光矢量发生旋转 。偏振面的旋转是由于相应变成左旋和右旋圆偏振光 ,并在 这两个方向产生不同的效应 。目前单级隔离器的隔离度约为 30 dB , 已不能满足日 益 增 高 的 单 信 道 传 输 系 统 速 率 的 需 要 ( 10Gbit/ s 甚 至 40 Gbit / s ) 。另 外 密 集 波 分 复 用 (DWDM) 的应用则要求光隔离器有较大的工作带 宽 ,并且在带宽内隔离度尽可能平坦 。因此双级隔收稿日期 :2001 - 09 - 13 .离器应运而生 ,它具有更高的隔离度和更大的工作带宽 ,并在带宽内隔离度较平坦 。 我们设计的双级自由空间型光隔离器在光路上采用五片式结构 ,即“偏振片 - 旋转片 - 偏振片 - 旋 转片 - 偏振片”结构 ,如图 1 所示 。它比单级结构3多了一片旋转片和一片偏振片 。三片偏振片 ( P1 ,P2 和 P3) 的透光轴依次沿同一方向 ( 顺时针或逆时 针) 转过 45,两片旋转片 ( FR1 和 FR2) 在饱和磁场 作用下的旋转角也为 45。这样 ,在正向传输时 ( 见 图 1 (a) ) ,从激光器出来的线偏振光由于其偏振面 与 P1 的一致 , 所以可以低损耗通过 。然后在通过 FR1 后 ,其偏振面被顺时针或逆时针旋转了 45,与 P2 的透光方向一致 , 所以也可以顺利通过 。同理 , 经 FR2 的 45旋 转 , 又 可 通 过 P3 。在 反 向 传 输 时 (见图 1 ( b) ) ,由于 Faraday 效应的非互易性 ,从 P3 透过来的偏振光的偏振面仍被 FR2 顺时针或逆时 针旋转 45, 这样刚好与 P2 的透光方向垂直 , 所以 回返光被阻挡掉了 。但是由于偏振片 、旋转片都存 在的消光比的问题以及旋转角 、装配时的误差 ,回返 光不能被理想地隔离 ,仍会有一部分光透过 P2 ,而 且这部分光的偏振方向与 P2 的透光方向一致 。为 此 ,需要通过 P1 和 FR1 构成的第二级的隔离 。这 也正是双级比单级多一片旋转片和一片偏振片的原 因 。3结构设计和性能分析我们设计的双级自由空间型光隔离器结构如图2 所示 。图中设计的倾斜角 , 是为了增大隔离器本身的回波损耗 ( RL ) , 这样因 反 射 回 去 的 光 将 以2的角度偏折出去 。一般 选为 48,可以保证 回损大于 65 dB 。当然 , 如果隔离器在与激光器模 块安装 、焊接时就有一定角度 ,就不必作倾斜角了 。图 2 双级自由空间型光隔离器的结构示意图图 2 中用于产生磁场的磁铁是一钐钴 ( Sm -Co) 磁环 。所用的偏振片是一种二向色性的玻璃偏 振片 ,其消光比大于 40 dB ,厚度为 0 . 5 mm ,可以满足微 型 化 的 要 求 。经 镀 增 透 膜 后 , 其 在 中 心 波 长(1 550 nm) 附近的反射率小于 0 . 2 % 。旋转片是一 种采用液相外延 (L P E) 技术生长的铋 (Bismut h) 掺 杂的石榴石单晶 。在单晶中掺入大量铋离子可以使法拉第旋转角增加 ,这样它的法拉第效应就非常显著 ,旋转 45所对应的厚度仅为 0 . 46 mm ,这有利于 器件的微型化 。另外 ,它具有低的插损 ,所需的磁场 强度低 (5 . 2 kA/ m) 。自由空间型光隔离器的主要指标有插入损耗( L i) 、隔离度 ( I ) 以及回波损耗 ( L r ) 。由于它的偏 振相关性 ,所以它没有在线型的那些与偏振相关的 指标 (如 PDL , PMD 等) 。以下简要分析 L i , I 以及 它们与波长 、温度的关系 。3 . 1 插入损耗(a) 正向传输自由空间型隔离器的插损主要来源于偏振片 、旋转片本身的吸收和反射 。一般镀减反 ( A R) 膜后 ,由反射带来的损耗得到降低 ,同时也可以消除或缓 解一些由于反射所导致的隔离度下降的问题 。旋转 角偏差也会带来一些损耗 。如果旋转角偏差为, 根据马吕斯 ( Malus) 定律4 ,其带来的插损为= - 10lo g co s () 2( 1)L i ,d( b) 反向传输图 1 双级自由空间型光隔离器原理图令= 1,则 L i ,d = 0 . 001 3 dB 。可见 ,由此带来的自由空间型光隔离器的 L i 和 I 的测试光路如温度变化而发生偏离所引起的 。设旋转角波长相关图 4 所示 。测试时 ,从可调谐激光器 ( TL S) 出来的线偏振光通过一个偏振控制器 ( PC) ,它的偏振方向 可通过 PC 在大于 180的范围内调节 ; 然后出射光通过一个普通单光纤准直器得到准直 ,并入射到被测隔离器上 ;最后通过隔离器的光被一自由空间型 光学探头接收 ,其光能由功率计 ( PM) 测得 。为了测 量准确 ,必须仔细调节 PC ,使从 TL S 出来的线偏光的偏振面与被测隔离器的第一片偏振片 P1 ( 测 L i 时) 或倒过来的第一片偏振片 P3 (测 I 时) 的透光方 向相一致 。另外 ,整个测试光路必须采用一定的遮 光措施 (如用挡光光阑) ,这在测 I 时尤其重要 。计 算机通过 GP IB 接口给 TL S 发出指令 ,使其按一定的步长改变出射波长 ,并同步从 PM 中读取数据 ,这 样就可得到 L i 和 I 对波长的关系曲线图 。系数 、温度相关系数分别为K 和K T , 则在 和 T 的变化范围内旋转角的最大偏差为max由此带来的 L i ,d为= K + T K T( 2)co s (max) 2( 3), = 3 . 925,L i ,d= -10log若取K =- 0 . 056/ nm , K T = - 0 . 045/50 nm , T = 25, 则相应的 maxL i ,d = 0 . 02 dB 。可见 , L i 对波长和温度的变化同样不太敏感 。3 . 2隔离度由 Malus 定律 , 且同时考 虑 其 波 长 、温 度 相 关 性 ,双级隔离器的隔离度可表示为 sin (r (, T ) ) 2I (, T ) = - 10log( 4)其中 ,r (, T ) = K + T K T( 5)隔离度与波长 、温度的关系曲面 (波长变化范围取 0 + 25 nm , 温度变化范围取 0 + 50 ) 如图3 所示 。另一方面 ,隔离度还受偏振片 、旋转片的消光比 的影响 。我们所用的偏振片和旋转片的消光比都以40 dB 计算 ,在理想情况下双级隔离器的隔离度为图 4 自由空间型光隔离器的测试光路图与文献 3 给出的测试方法相比 ,本方法有以下几个重要的不同点 :(1) 文献 3 的测试方法是用 L ED 光源通过一 起偏棱镜来产生线偏光的 ,而我们仅把从 TL S 出来 的光当成具有较好的偏振度的线偏光来用 。显然 , 前者产生的线偏光比后者的偏振度要高 。而光源的 偏振度会影响到测量的准确度 。以测 L i 为例 ,当入 射光的偏振度 为 99 % ( 20 dB ) 时 , L i 将 偏 大 0 . 044 dB 。但是 ,如果偏振度达到 99 . 9 % (30 dB) 时 , L i 仅3 10 - 40/ 102 10 - 40/ 10I = 10lo g- 10lo g= 72 . 218 dB( 6)综合考虑图 3 和消光比 ,双级隔离器的隔离度在一定带宽 、一定温度内主要受限于材料的消光比 ,而且 在这个范围内隔离度曲线将很平坦 。偏大 0 . 004 3 dB , 基本上可忽略由此带来的误差 。由于这里使用的单模光纤很短 ,模式耦合不严重 ,只要在测试过程中固定好光纤 ,从 TL S 出来的光仍可 以保证其原有的偏振度 ( 约 30 dB) ,所以对 L i 的影 响甚小 。如果用保偏光纤准直器来代替这里的普通 光纤准直器 ,效果会更好 。事实上 ,固定好光纤同样也是 文 献 3中 测 试 方 法 的 要 求 , 因 为 其 所 用 的L ED 光源的偏振度并不为理想的零 ,光纤的抖动会使出射光的偏振态发生改变 ,由于起偏棱镜的消光图 3 双级隔离器隔离度与波长 、温度的关系曲面图比很高 ,会使打到被测隔离器上的光强本身就发生很大的变化 ,从而也会影响测量的准确性 。(2) 文献 3 中用了一对准直器 ,使通过被测隔 离器的光用其中右边的准直器接收后由光谱分析仪(O SA) 读取 。在测量插损时 ,通过被测隔离器的光 是由准直器接收的 ,而准直器接收时会产生一定的 耦合损耗 ,这部分损耗会增加到被测隔离器的插损 里面去 ,使得测量值偏大 。在测量隔离度时 ,不能保 证此时反方向的插损已经调到最小 ,这样测量会有 很大的偏差 (通常会偏大) 。我们直接用一自由空间型的光学探头来接收通过被测隔离器的光 。它很好 地仿真了自由空间型隔离器的实际使用情况 。这个 光纤探头的光学接收面对光斑直径仅为数百微米量 级的通过被测隔离器的光来说足够大 。这样既可以 省去调节调整架的麻烦 ( 对测插损也如此) ,缩短测量时间 ,也使得测量更准确 。(3) 文献 3 中的测试方法主要是针对单级的 隔离器设计的 ,所以它用 L ED 光源也是可以的 。但 是若测试的是双级隔离器的隔离度 ,由于它的隔离 度很高 ( 约 60 dB) ,这样就会因为 L ED 的光强太弱而使测试结果曲线上有很多毛刺 ,甚至完全不能准 确测出 。为此 ,我们使用了有较大输出功率的可调 谐光源 ,并设置输出光强在 5 dB m 左右 。综上所述 ,我们使用的测试方法具有测试方便 、 准确 ,以及测试时间短等优点 。图 5 双级自由空间型光隔离器的测量结果6结束语高隔离度的自由空间型光隔离器在未来的光纤通信系统中是不可缺少的 。我们制作了一种中心波长为 1 550 nm 的 C 波段双级光隔离器 ,它具有很高 的隔离度 ,可以满足高速率单信道光传输系统的需要 。同时它的尺寸小 ,适合于 D FB 激光器模块的内 封装 。理论和实验表明 ,双级隔离器的隔离度受限 于材料的消光比 ,因此提高材料的消光比将是提高 隔离度的重要途径 。参考文献 :Michael N Z. Efficient erbium2doped fiber amplifiers incorporating an op tical isolator J . I EEE J . Quant umElect ro n. , 1995 , 1 (3)