光隔離器的功能和基本原理

1、光隔離器的功能和基本原理光隔離器的功能是讓正向傳輸?shù)墓馔ㄟ^(guò)而隔離反向傳輸?shù)墓?，從而防止反射光影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，與電子器件中的二極管功能類(lèi)似。光隔離器按偏振相關(guān)性分為兩種：偏振相關(guān)型和偏振無(wú)關(guān)型，前者又稱(chēng)為自由空間型（Freespace），因兩端無(wú)光纖輸入輸出；后者又稱(chēng)為在線型（in-Line），因兩端有光纖輸入輸出。自由空間型光隔離器一般用于半導(dǎo)體激光器中，因?yàn)榘雽?dǎo)體激光器發(fā)出的光具有極高的線性度，因而可以采用這種偏振相關(guān)的光隔離器而享有低成本的優(yōu)勢(shì)；在通信線路或者 EDFA 中，一般采用在線型光隔離器，因?yàn)榫€路上的光偏振特性非常不穩(wěn)定，要求器件有較小的偏振相關(guān)損耗。 光隔離器利用的基本原理是

2、偏振光的馬呂斯定律和法拉第（Farady）磁光效應(yīng)，自由空間型光隔離器的基本結(jié)構(gòu)和原理如下圖所示，由一個(gè)磁環(huán)、一個(gè)法拉第旋光片和兩個(gè)偏振片組成，兩個(gè)偏振片的光軸成 45°夾角。正向入射的線偏振光，其偏振方向沿偏振片 1 的透光軸方向，經(jīng)過(guò)法拉第旋光片時(shí)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn) 45°至偏振片 2 的透光軸方向，順利透射；反向入射的線偏振光，其偏振方向沿偏振片 2 的透光軸方向，經(jīng)法拉第旋光片時(shí)仍逆時(shí)針旋轉(zhuǎn) 45°至與偏振片 1 的透光軸垂直，被隔離而無(wú)透射光。自由空間型光隔離器相對(duì)簡(jiǎn)單，裝配時(shí)偏振片和旋光片均傾斜一定角度（比如 4°）以減少表面反射光，搭建測(cè)試架構(gòu)時(shí)注

3、意測(cè)試的可重復(fù)性，其他不贅述。下面詳細(xì)介紹在線式光隔離器的發(fā)展情況。 最早的在線式光隔離器是用Displacer晶體與法拉第旋光片組合制作的，因體積大和成本高而被Wedge型光隔離器取代；在線式光隔離器因采用雙折射晶體而引入 PMD，因此相應(yīng)出現(xiàn) PMD 補(bǔ)償型 Wedge 隔離器；某些應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)隔離度提出更高要求，因此出現(xiàn)雙級(jí)光隔離器，在更寬的帶寬內(nèi)獲得更高隔離度。下面依次介紹這些在線式光隔離器的結(jié)構(gòu)和原理。 1) Displacer 型光隔離器 Displacer型光隔離器結(jié)構(gòu)和光路如下圖所示，由兩個(gè)準(zhǔn)直器、兩個(gè)Displacer晶體，一個(gè)半波片、一個(gè)法拉第旋光片和一個(gè)磁環(huán)（圖中未畫(huà)出）組

4、成 。正向光從準(zhǔn)直器 1入射在Displacer1 上，被分成o光和e光傳輸，經(jīng)過(guò)半波片和法拉第旋光片后，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)45 +45 =90 ，發(fā)生o光與e光的轉(zhuǎn)換，經(jīng)Displacer2合成一束耦合進(jìn)入準(zhǔn)直器 2；反向光從準(zhǔn)直器 2 入射在Displacer2 上，被分成o光和e光傳輸，經(jīng)過(guò)法拉第旋光片和半波片后，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)45 -45 =0 ，未發(fā)生o光和e光的轉(zhuǎn)換，經(jīng)Displacer1 后兩束光均偏離準(zhǔn)直器 1 而被隔離。 Displacer 型光隔離器的缺點(diǎn)是，為了滿(mǎn)足隔離度要求，反向光路中的兩束光需偏移較大距離，可參考圖 2（a），而雙折射特性較好的釩酸釔 Displacer 晶體，其

5、長(zhǎng)度與偏移量的比值也只能做到 10:1，這就要求 Displacer晶體體積非常大，造成器件體積大和成本高昂。 2) Wedge 型光隔離器 Wedge型光隔離器的結(jié)構(gòu)和光路如下圖所示，由兩個(gè)準(zhǔn)直器（圖中未畫(huà)出）、一個(gè)磁環(huán)、一個(gè)法拉第旋光片和兩個(gè)楔形雙折射晶體組成，兩個(gè)楔角片的光軸成 45°夾角 。來(lái)自輸入準(zhǔn)直器的正向光被Wedge1 分成o光和e光分別傳輸，經(jīng)過(guò)旋光片時(shí)偏振方向逆時(shí)針（迎著正向光傳播方向觀察，以下同）旋轉(zhuǎn) 45°，進(jìn)入Wedge2 時(shí)未發(fā)生o光與e光的轉(zhuǎn)換，因此兩束光在兩個(gè)楔角偏中的偏振態(tài)分別是oo和ee，兩個(gè)楔角片的組合對(duì)正向光相當(dāng)于一個(gè)平行平板，正向光

6、通過(guò)后方向不變，耦合進(jìn)入輸出準(zhǔn)直器；來(lái)自輸出準(zhǔn)直器的反向光被Wedge2 分成o光和e光分別傳輸，經(jīng)過(guò)旋光片時(shí)偏振方向仍逆時(shí)針旋轉(zhuǎn) 45°，進(jìn)入wedge1 時(shí)發(fā)生o光和e光的轉(zhuǎn)換，因此兩束光在兩個(gè)楔角片中的偏振態(tài)是oe和eo，兩個(gè)楔角片的組合對(duì)反向光相當(dāng)于一個(gè)渥拉斯頓棱鏡，反向光通過(guò)后偏離原方向，不能耦合進(jìn)入輸入準(zhǔn)直器。 注意正向光分成兩束通過(guò)后，相對(duì)于入射光發(fā)生橫向位移 Offset，兩束光分開(kāi)一定距離 Walkoff，兩束光在楔角片中的的折射率不同，因而引入 PMD。封裝設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對(duì) Offset 加以考慮；Walkoff 一般約為10um，會(huì)引入少許 PDL，但關(guān)系不大；對(duì)于

7、PMD，視需要進(jìn)行補(bǔ)償，PMD 補(bǔ)償方法是在后面增加一個(gè)雙折射晶體平板，其光軸與 Wedge2 的光軸垂直，厚度經(jīng)光路追跡計(jì)算后得到，此不贅述。 與 Displacer 型光隔離器相比，Wedge 型光隔離器對(duì)反向光的隔離機(jī)制大為不同，前者使反向光相對(duì)于輸入準(zhǔn)直器發(fā)生橫向位移，后者使反向光相對(duì)于輸入準(zhǔn)直器發(fā)生角度偏離，從圖 2（a）和（c）可以看到，后者的隔離效果更好。Wedge 晶體的截面積只要對(duì)通過(guò)的光斑保證有效孔徑，厚度只要便于裝配即可，因此 Wedge 型光隔離器的晶體體積小，因此器件體積小而且成本低，已經(jīng)取代 Displacer型。 3) 雙級(jí)光隔離器 下圖所示為雙級(jí)光隔離器方案一，

8、兩個(gè)單級(jí)光隔離器芯串接起來(lái)，各楔角片的光軸方向亦如圖所示，正向光在第一級(jí)和第二級(jí)中分別為 o 光和e 光，因此兩級(jí)產(chǎn)生的 PMD相互補(bǔ)償，這種方案的缺點(diǎn)是對(duì)裝配精度要求非常之高，否則隔離度指標(biāo)比單級(jí)光隔離器還差，后面將會(huì)有詳細(xì)分析。 下圖是雙級(jí)光隔離器方案二，兩個(gè)如前圖所示的單級(jí)光隔離器相對(duì)旋轉(zhuǎn) 45°串接，這種方案的缺點(diǎn)是在旋轉(zhuǎn)時(shí)很難同時(shí)將隔離度和 PMD 調(diào)至最佳狀態(tài)，因此兩級(jí)先分別進(jìn)行 PMD 補(bǔ)償，再相對(duì)旋轉(zhuǎn)組裝，這樣能做出合格的雙級(jí)光隔離器，但仍因工藝復(fù)雜而導(dǎo)致良率不高和效率低下。 下圖是雙級(jí)光隔離器方案三，與方案一相比，唯一的差別是前后兩級(jí)楔角片的角度不同，下面我們通過(guò)分

9、析方案一以了解方案三的改變 。 首先我們來(lái)了解雙級(jí)光隔離器能獲得比單級(jí)光隔離器更高隔離度的原因，前面提到 Wedge 型光隔離器使反向光偏離準(zhǔn)直器一個(gè)角度以達(dá)到隔離目的，對(duì) 5°角的釩酸釔楔角片和 13°角的鈮酸鋰楔角片，反向光被偏移的角度約為 1°，從圖 2（e）可以看到，單考慮此偏角，單級(jí)光隔離器的隔離度就可以遠(yuǎn)超過(guò)60dB。真正制約其隔離度的原因是法拉第旋光片的消光比和波長(zhǎng)相關(guān)性，前者約為 40-50dB，后者約為-0.068°/nm，因此單級(jí)光隔離器的峰值隔離度約為 40-50dB，在 30nm 帶寬內(nèi)的隔離度>30dB。雙級(jí)光隔離器使反向

10、光偏移更大角度，但屬錦上添花，真正起作用的是兩級(jí)串接克服旋光片的消光比和波長(zhǎng)相關(guān)性制約。 我們接下來(lái)考察方案一，反向光在P22中開(kāi)始分成兩路傳播，在各楔角片中的的偏振態(tài)為oeoe和eoeo，相當(dāng)于通過(guò)兩個(gè)渥拉斯頓棱鏡，因此偏離角度約為單級(jí)光隔離器的兩倍。以上假設(shè)各楔角片的光軸處于理想方向，現(xiàn)在我們假設(shè)楔角片P12和P21的光軸并非完全垂直，其夾角為 90°-，那么從P21進(jìn)入P12的兩路光將各分為兩路傳播，因此除以上偏振態(tài)的兩路光，另外兩路光的偏振態(tài)為oeeo和eooe，這兩束光的強(qiáng)度為sin ()?？紤]后兩路光的偏振態(tài)，P12 和P21 組合對(duì)其相當(dāng)于一個(gè)平行平板，P11 和P22

11、 組合對(duì)其相當(dāng)于另一個(gè)平行平板，因此這兩路光通過(guò)之后方向不變，或者解釋為前后兩級(jí)相當(dāng)于兩個(gè)倒裝的渥拉斯頓棱鏡，被第二級(jí)偏離的光束，又被第一級(jí)折回，如圖 24 所示。這兩路光直接耦合進(jìn)入輸入端準(zhǔn)直器，成為制約隔離度的主要原因。分別取0.1°和 0.2°，得到隔離度為 55dB和49dB，可見(jiàn)對(duì)裝配精度要求之高。方案三對(duì)兩級(jí)中的楔角片取不同角度，被第二級(jí)偏離的光束，并不會(huì)被第一級(jí)完全折回，因?yàn)槠劢桥c楔角大小近似成正比。 方案三的核心在于了解到，P12與P21光軸非嚴(yán)格垂直對(duì)隔離度的影響至關(guān)重要，對(duì)此提出了解決辦法，采用相應(yīng)的裝配工藝，可以制作出高隔離度的雙級(jí)光隔離器，并因裝配

12、容差大而提高效率。  光環(huán)形器的端口功能光環(huán)形器的端口功能如圖 25 所示，光沿箭頭方向傳播，反向則被隔離。一個(gè)普通三端口光環(huán)形器的原理如圖 27所示，注意 Displacer1 和 Displacer3 使 e光水平偏移，而 Displacer2 使 e 光垂直偏移。為便于理解其光路，圖 26 中描述了一個(gè)法拉第旋光片與半波片組成的旋光單元功能，正向光偏振方向旋轉(zhuǎn) 90°，反向光偏振方向不變。在實(shí)際的光環(huán)形器方案中，一般在 Displacer2 與旋光單元 2 之間插入一個(gè) Wedge對(duì)或者屋脊棱鏡，與雙光纖準(zhǔn)直器進(jìn)行耦合，如圖 28 所示。Wedge 對(duì)與雙光纖準(zhǔn)直器耦

13、合代替兩個(gè)單光纖準(zhǔn)直器，可以減小晶體體積，從而降低器件體積和成本。Wedge 對(duì)選擇圖中插入位置，是因?yàn)殡p光纖準(zhǔn)直器與 Wedge 對(duì)的耦合需要一定間距，這樣插入可以縮短整個(gè)器件長(zhǎng)度。注意圖 28 中紅色光線從Displacer2 出射時(shí)的偏轉(zhuǎn)方向是由 Wedge 對(duì)產(chǎn)生的，圖中 Wedge 對(duì)與 Displacer2 間距太小，不便畫(huà)出，可參見(jiàn)圖 29 的 PBC。另外，兩個(gè)準(zhǔn)直器的軸線不在同一直線上，封裝設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)加以考慮。 如果將圖 28中的Displacer2 和Wedge對(duì)用圖 14 中的Displacer型Wedge對(duì)代替，則得到改進(jìn)型的光環(huán)形器，減少了一個(gè)元件，因而提高可靠性和降低

14、成本 。 偏振光合束器偏振光合束器（PBC）的功能是將兩束偏振方向正交的線偏振光合成一束，一個(gè)典型應(yīng)用場(chǎng)合是，在Raman 光纖放大器中，增益取決于信號(hào)光與泵浦光的偏振態(tài)關(guān)系，也就是說(shuō)增益是偏振相關(guān)的，因此將兩束正交的泵浦光合束以進(jìn)行泵浦可以改善增益的偏振相關(guān)性。 普通 PBC 結(jié)構(gòu)如圖 29 所示，雙光纖準(zhǔn)直器與 Displacer晶體和 Wedge 對(duì)的組合進(jìn)行耦合，輸出端用單光纖準(zhǔn)直器。Wedge 對(duì)也可以用屋脊棱鏡取代。 將圖 29 中的Displacer晶體和Wedge對(duì)用圖 14 中的Displacer型Wedge對(duì)代替，則得到改進(jìn)型的PBC，減少了一個(gè)元件，因而提高可靠性和降低成

15、本 。 將 Displacer型 Wedge 對(duì)的兩片楔角片分開(kāi)，中間插入法拉第旋光片，并且取第二片楔角片的光軸方向?yàn)?45°，則為一個(gè)反向隔離的 PBC，如圖 30所示，注意對(duì)比圖 30 與圖 14 的晶體光軸方向。反向隔離的 PBC 兼有 PBC 和光隔離器功能，兩束偏振光可以合為一束，而反之則被隔離。   光纖連接器的原理和應(yīng)用作為最基本的光無(wú)源器件，光纖連接器的應(yīng)用最為廣泛，其種類(lèi)也非常繁多，有 FC、SC、ST、LC、MU、E2000，等等，本文拋開(kāi)這些種類(lèi)分別，對(duì)廣受關(guān)注的端面三項(xiàng)值和重復(fù)性問(wèn)題作一些探討。 光纖連接器的基本原理是利用某種機(jī)械結(jié)構(gòu)，使兩

16、個(gè)拋光的光纖端面精確對(duì)準(zhǔn)并緊密接觸。從圖 2（b）可知，兩根光纖之間的對(duì)接耦合，對(duì)徑向錯(cuò)位非常敏感，因此要求固定光纖的陶瓷插芯外徑具有非常高的圓度，內(nèi)孔具有非常高的同心度，內(nèi)孔徑尺寸非常精確。為了保證兩根光纖的緊密接觸，要求陶瓷插芯端面研磨成球面而非平面，這樣有助于其中心的光纖相互接觸，另外光纖連接器對(duì)接時(shí)，借助彈簧施加一定壓力，使陶瓷插芯的球端面發(fā)生輕微變形以保證兩光纖端面的緊密接觸，如圖 15所示。需要說(shuō)明的是，光纖連接器就是靠這種緊密接觸來(lái)避免菲涅爾反射，而不在端面鍍?cè)鐾改?。試想如果在端面鍍?cè)鐾改?，?jīng)多次插拔之后，膜層必然破壞脫落。 光纖連接器依端面形狀分為 PC（Physical Co

17、ntact）和 APC（Angled Physical Contact）兩種，其中 APC連接器的端面一般研磨成 8°傾角。對(duì)于 PC 型連接器，其端面三項(xiàng)值為端面曲率半徑（1025mm）、球面頂點(diǎn)偏心（<50um）、光纖內(nèi)縮/突出量（+/-50nm）；對(duì) APC 型連接器，除 PC 型連接器的三項(xiàng)值外（端面曲率半徑要求為 515mm），對(duì)端面角度亦提出要求（+/-0.3°），制定這些要求的目的都是為了保證光纖的精確對(duì)接和緊密接觸，并考慮長(zhǎng)期可靠性。增加研磨壓力和使用較軟的研磨墊，會(huì)得到較小的球面曲率半徑；提高研磨機(jī)的穩(wěn)定性和使用較軟的研磨墊，可以減小球面頂點(diǎn)偏心；降

18、低研磨機(jī)轉(zhuǎn)速和使用較小研磨顆粒，可以減小光纖內(nèi)縮/突出量，這些都為從事光纖連接器研磨工藝的人員所熟知，此不贅述。PC型連接器的端面三項(xiàng)值比較容易達(dá)到，本文重點(diǎn)討論 APC 型連接器的端面三項(xiàng)值和角度問(wèn)題，以及連接器的互換性問(wèn)題。 1. APC型光纖連接器的端面特性 APC 光纖連接器的光纖內(nèi)縮/突出量與 PC 連接器并無(wú)差異，并且容易達(dá)到要求，我們將重點(diǎn)討論球面曲率半徑、頂點(diǎn)偏心、傾斜角度之間的關(guān)系，以及它們與研磨設(shè)備和工藝之間的關(guān)系，指出問(wèn)題的解決方向。 APC 型光纖連接器的球面頂點(diǎn)偏心存在三種模式，如圖 16所示。其中（a）為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的 8°角 APC連接頭，在用干涉儀測(cè)試時(shí)，

19、通過(guò)夾具將陶瓷插芯傾斜 8°角，球面上相對(duì)于干涉儀參考平板的最低點(diǎn)位于端面中心。（b）為一種普通的偏心模式，球面上相對(duì)于參考平板的最低點(diǎn)偏離端面中心，這種偏心模式由研磨機(jī)不穩(wěn)定和研磨參數(shù)等各種因素引起，可通過(guò)改進(jìn)研磨機(jī)和研磨參數(shù)來(lái)減小。（c）為由研磨角度誤差引起的偏心，圖示為一個(gè)大于 8°角的 APC 連接頭，測(cè)試時(shí)也是將插芯傾斜 8°角，雖然球面沒(méi)有誤差，但因傾斜而使最低點(diǎn)偏離端面中心。（d）為由于定位插銷(xiāo)方位誤差引起的偏心，每種光纖連接器都有一種定位方式來(lái)指示端面斜角的方向，此處抽象為一個(gè)定位插銷(xiāo)，用干涉儀測(cè)試時(shí)定位插銷(xiāo)插入夾具的卡槽中，如果定位插銷(xiāo)存在方位誤

20、差，則會(huì)因此引起偏心。對(duì)第三種偏心模式用（e）中的立體圖來(lái)描述，其中原點(diǎn)取為a）中的 E 點(diǎn)，當(dāng)定位插銷(xiāo)插入夾具的卡槽中時(shí)，球心從 O 點(diǎn)旋轉(zhuǎn)至 O點(diǎn)，球面最低點(diǎn)也因此從 A點(diǎn)旋轉(zhuǎn)至 A點(diǎn)。 需要說(shuō)明的是，在描述以上三種偏心模式時(shí)均以干涉儀測(cè)試方法作參考，并不是說(shuō)我們的分析是以測(cè)試為導(dǎo)向的，而是以應(yīng)用為導(dǎo)向，因?yàn)楦缮鎯x測(cè)試方法與實(shí)際應(yīng)用相符合。 建立偏心模式的模型之后，稍作處理就可得到后兩種偏心模式的量化公式，而第一種偏心模式為隨機(jī)量，可通過(guò)改善影響因素來(lái)降低，前面已經(jīng)述及。 Apexoffset = R.Apexoffset3 R.sin(8 ). 其中 R 為端面曲率半徑，為端面角度誤差，為定位插銷(xiāo)方位誤差角。 我們作一些計(jì)算來(lái)看看偏心值有多大，取R=10mm，0.1°，1°，得到 Apexoffset =17.5um，Apexoffset = 24.3um