基于透鏡的楔形光隔離器的設(shè)計(jì)與分析

1、基于透鏡的楔形光隔離器的設(shè)計(jì)與分析第27卷第2期2007年04月西安工業(yè)大學(xué)J0URNAL0FXI'ANTECHN0L0GICALUNIVERSITY文章編號(hào):16739965(2007)02010703基于透鏡的楔形光隔離器的設(shè)計(jì)與分析孫愛晶(西安郵電學(xué)院通信工程系,西安710061)摘要:設(shè)計(jì)出一種偏振無關(guān)的兩極楔形光隔離器.由傳統(tǒng)的楔形光隔離器,透鏡和反射鏡構(gòu)成.結(jié)構(gòu)采用反射型,在引入透鏡和反射鏡的根底上,第一級(jí)光隔離器的出射光經(jīng)反射進(jìn)入第-gL,使得兩極光隔離器共用一個(gè)法拉第旋轉(zhuǎn)器,到達(dá)器件體積小,元件數(shù)目少,隔離度高的目的.同時(shí)利用矩陣光學(xué)理論對(duì)器件的隔離度和插入損耗進(jìn)行了理

2、論分析.分析結(jié)果說明,隔離度主要受器件消光比和旋轉(zhuǎn)角誤差的影響.消光比由10到10,會(huì)使隔離度增加20dB,旋轉(zhuǎn)角誤差為5.時(shí),對(duì)隔離度的影響到達(dá)25dB.插入損耗主要受透射比的影響.關(guān)鍵詞:光通信;光隔離器;透鏡;楔形;反射式;兩級(jí)中圖號(hào):TN929.11文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A光隔離器的作用是實(shí)現(xiàn)對(duì)正向光信號(hào)的低損耗傳輸和對(duì)反射光的高隔離度,是一種光非互易單向傳輸器件.隨著光纖技術(shù)的高速開展,光隔離器在高速光纖通信,相干光通信,精密光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)組件中的應(yīng)用,可以有效地抑制摻鉺光纖放大器的自激振蕩和噪聲.根據(jù)光隔離器的偏振特性可將其分為偏振相關(guān)型和偏振無關(guān)型,在光纖通信中,由于光纖波導(dǎo)為圓形,光波在其

3、中傳播時(shí),偏振方向是隨機(jī)變化的,因此與偏振無關(guān)的光隔離器具有更強(qiáng)的適用性,應(yīng)用也更為廣泛1.目前應(yīng)用的光隔離器一般只實(shí)現(xiàn)對(duì)反射光信號(hào)的抑制作用,文中提出的基于透鏡的偏振無關(guān)光隔離器,除了具備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,元件數(shù)目少,體積小,隔離度高的特點(diǎn)以外,還采用局部反射鏡,實(shí)現(xiàn)了在抑制反射光的同時(shí)對(duì)輸入光信號(hào)的功率實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能,使其在摻鉺光纖放大器組件中的應(yīng)用顯得尤為方便.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工作原理基于透鏡的楔形光隔離器的結(jié)構(gòu)及光路如圖對(duì)光軸夾角為45.的楔形雙折射晶體P和P,P2和Pzz構(gòu)成,L為透鏡,M為局部反射鏡(透射率為10).入射光經(jīng)由PFR和Pz組成第一級(jí)隔離器,被分束后平行出射,經(jīng)透鏡L會(huì)聚,又被M反

4、射進(jìn)入由P2z,FR和Pz構(gòu)成的第二級(jí)隔離器,部分光透射通過M,可被光檢測(cè)器接受;反向光入射時(shí),先被第二級(jí)隔離器分光,大局部光被M反射進(jìn)入第二級(jí)隔離器,局部光透射通過M,但此時(shí)透射光的傳播方向與正向傳輸時(shí)不同,所以不會(huì)被光檢測(cè)器接受.進(jìn)入第一級(jí)隔離器的光被進(jìn)一步分光,出射光發(fā)散,無法進(jìn)入入射光纖.榆測(cè)器圖1基于透鏡的楔形光隔離器光路傳輸側(cè)視圖*收稿日期:20060612作者簡(jiǎn)介:孫愛(1971一),女,西安郵電學(xué)院講師,碩士,主要研究方向?yàn)楣鉄o源器件的設(shè)計(jì)研制及通信系統(tǒng)E-mail: .西安工業(yè)大學(xué)第27卷由分析可知,這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅實(shí)現(xiàn)了光隔離器的功能,而

5、且局部反射鏡M透射的光提供了一個(gè)實(shí)時(shí)的檢測(cè)信號(hào),假設(shè)將其接入光檢測(cè)器,就能實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)中光信號(hào)的監(jiān)測(cè).2性能分析利用矩陣光學(xué)理論分析光隔離器的兩個(gè)最主要的指標(biāo):插入損耗和隔離度,并考慮器件的透射比和消光比及旋轉(zhuǎn)器件的旋轉(zhuǎn)誤差對(duì)隔離度和插入損耗的影響.兩級(jí)反射式光隔離器的結(jié)構(gòu),第一級(jí)和第二級(jí)偏振無關(guān)隔離器結(jié)構(gòu)相同(分別由PFR,Pz和P2,FR,P構(gòu)成),因此取其中一個(gè)單元(由PFR,P.構(gòu)成)考察就能說明隔離器的性質(zhì).以偏振分束鏡中O光的振動(dòng)方向?yàn)閦軸,e光的振動(dòng)方向?yàn)檩S建立坐標(biāo),設(shè)入射光為l:J(入射光為?時(shí)分析相同).根據(jù)矩陣光學(xué)理論,設(shè)PP的透射比和消光比分別為和e,PPz的瓊斯矩陣分別為

6、廠0Pllal0j設(shè)法拉第旋轉(zhuǎn)器的透射比為口,旋轉(zhuǎn)角為,半波片旋轉(zhuǎn)角為0,RR,FR的瓊斯矩陣分別為廣cossin1一_sin0'c.sj'3一一T反一lsi加,c.,J'4一sin0F(5)一口Fll(5)LsinOcos0d那么正,反向光的傳輸矩陣分別為j,正一P12FT正Pll一2aF一epcss(00',j霎cs.ins(0+0',)in(00Jc6paL_s).cos(+)JP反一P11T反FPI2一a;a.'一-0e.Zpcs.ins(0',-一0)in7;ls(,一)P.cos(,一)J根據(jù)隔離度和插入損耗的定義,有隔離度為

7、一2Lp+LF一101ge2pcos(一)+sin2(一0)1(8)插入損耗為L(zhǎng)一2Lp+LF一101ge2pcos.(+)+sin(+0)1(9)式中:Lp一201ga.;Lp一一201gaF.理想情況下0一一45.,設(shè)為法拉第旋轉(zhuǎn)角誤差,由半波片的光軸與分束鏡的光軸在調(diào)整時(shí)的誤差決定,那么隔離度和插入損耗為I一2Lp+LF一101ge2pcos(20一20)上sin(20一20)3(10)L一2Lp+LFlOlgFesin(20+)+COS(20+)(11)通常情況下,L.約為0.1dB,LF約為0.2dB,由式(10),(11)及其得出的關(guān)系曲線如圖2圖4所示,隔離度主要受器件消光比和旋

8、轉(zhuǎn)角誤差的影響,在不考慮旋轉(zhuǎn)角誤差的情況下,消光比由10到10,會(huì)使隔離度增加20dB,如圖2所示,在消光比理想的情況下,00為5.時(shí),對(duì)隔離度的影響將到達(dá)25dB左右,如圖3所示,相比較,透射0+0小于5.時(shí),對(duì)插入損耗的影響約在0.03dB左右,如圖4所示,因此光隔離器的插入損耗主要受器件的透射比的影響,而透射比在實(shí)際設(shè)計(jì)器件中可以通過器件外表涂以增透膜等來提高,從而減小插入損耗.圖2消光比對(duì)隔離度的影響關(guān)系曲線underextinctionratio第2期孫愛晶:基于透鏡的楔形光隔離器的設(shè)計(jì)與分析605550O234角度誤差)圖3旋轉(zhuǎn)角誤差對(duì)隔離度的影響關(guān)系曲線3結(jié)論109提出了一種引入

9、透鏡的偏振無戈的櫻形光隔離器,充分利用了楔形光隔離器結(jié)松的特點(diǎn),實(shí)現(xiàn)了兩極隔離器的高隔離度,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,元件數(shù)目少,體積小,并且采用局部反射鏡,使隔離器在完成抑制反射光的根本功能的同時(shí),實(shí)現(xiàn)了對(duì)所傳輸?shù)墓庑盘?hào)的時(shí)實(shí)監(jiān)測(cè),對(duì)光隔離器在光放大器及其他很多場(chǎng)合的應(yīng)用提供了極大的方便;同時(shí),理論分析說明,結(jié)構(gòu)隔離器的插入損耗主要受器件的透射比的影響,而隔離度主要受器件消光比和旋轉(zhuǎn)角誤差的影響.參考文獻(xiàn):FibersUsingBirefringentWedgesEJ.AppliedOptics,1982,21(23):4296.23加度羊)圖4旋轉(zhuǎn)角誤差對(duì)插入損耗的影響關(guān)系曲線r4changedwithr

10、otationangleerrorofPolarizationIndependentMachzehndertypeIntegratedOpticalIsolatorEJ.IEEELightwaveTechnology,1999,17(7):1200.turn.Electron,1995,1(3):472.UsingBisubstitutedRareearthIronGarnetFilmsl_J.OptandQuantElectr,1990,22(6):517.DesignandAnalysisofWedgeTypeOpticalIsolatorwithLensSUNAi-jing(Depart

11、mentofTelecommunicationsEngineering,Xi'anInstituteofPostandTelecommunications,Xi'an710061,China)Abstract:DesignedonekindoftWOstagewedgetypepolarizationindependentopticalisolatorismirror,theoutputlightbeamofthefirststageentersthesecondstagethroughreflection,thetwostageopticalisolatorsuseoneFaradayrotator"toreducetheelementsandthevolume,meanwhile,toimproveopticsmethods.ratioischangedfrom10一.to10,isolationisincreasedby20dB.whenrotationangleerroris