光隔離器(課堂PPT)課件

1、5.3光隔離器光隔離器又稱(chēng)光單向器, 是一種光非互易傳輸?shù)墓鉄o(wú)源器件。在光纖通信系統(tǒng)中總是存在許多原因產(chǎn)生的反向光。光源所發(fā)出的信號(hào)光, 以活動(dòng)連接器的形式耦合到光纖線路中去, 活動(dòng)接頭處的光纖端面間隙會(huì)使約4% 的反射光向著光源傳輸。這類(lèi)反向光的存在, 將導(dǎo)致光路系統(tǒng)間產(chǎn)生自耦合效應(yīng), 使激光器的工作變得不穩(wěn)定和產(chǎn)生反射噪聲, 使光放大器增益發(fā)生變化和產(chǎn)生自激, 造成整個(gè)光纖通信系統(tǒng)無(wú)法正常工作。1光隔離器的基本功能光隔離器的基本功能是實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的正向傳輸, 同時(shí)抑制反向光, 即具有不可逆性。通常情況下, 光在各向同性或各向異性介質(zhì)中的光路是可逆的, 因此, 光隔離器的設(shè)計(jì)必須考慮如何打破其

2、可逆性。目前的解決方法是利用磁光材料對(duì)光偏振態(tài)調(diào)整的非互易性實(shí)現(xiàn)光的不可逆?zhèn)鬏敗?25.3.1光隔離器的分類(lèi) 光隔離器的品種很多, 按其內(nèi)部結(jié)構(gòu)可分為塊狀型、光纖型和波導(dǎo)型。塊狀型結(jié)構(gòu)屬分立元件結(jié)構(gòu), 是指在光路結(jié)構(gòu)中, 通過(guò)自聚集透鏡、偏振器和法拉第旋轉(zhuǎn)器等分立元件, 將光纖間接耦合起來(lái)。此類(lèi)器件在技術(shù)上已經(jīng)成熟, 現(xiàn)在市場(chǎng)上的隔離器基本上都采用這種結(jié)構(gòu)。其缺點(diǎn)在于所用光學(xué)元件多、體積相對(duì)較大。 3光纖型是指在隔離器的光路結(jié)構(gòu)中將光纖端面作適當(dāng)?shù)募庸? 如拋光、鍍膜等, 其他材料的元件則不介入或較少介入光路。其特點(diǎn)為體積小、重量輕、抗機(jī)械振動(dòng)性能好。然而此類(lèi)器件要用到特種光纖, 且加工精度要

3、求高、工藝復(fù)雜、價(jià)格昂貴。雖有應(yīng)用于系統(tǒng)的例子, 但其性能指標(biāo)離實(shí)用化還有一定的距離。 4波導(dǎo)型的光隔離器屬集成光學(xué)器件, 采用擴(kuò) 散有Ti 的鈮酸鋰等襯底材料, 經(jīng)沉積、光刻、擴(kuò)散等波導(dǎo)工藝, 制成磁光波導(dǎo), 再與其他元件及單模光纖耦合, 形成光隔離器。它體積小、重量輕、熱穩(wěn)定性和機(jī)械穩(wěn)定性好, 但由于波導(dǎo)制作技術(shù)、光纖和波導(dǎo)間的耦合技術(shù)還不成熟, 其性能指標(biāo)與實(shí)際應(yīng)用的要求還有很大差距。 5光隔離器按其外部結(jié)構(gòu)可分為尾纖型、連接器端口型(也稱(chēng)在線安裝型)和微型化型。前兩種也稱(chēng)為在線型, 可直接插入光纖網(wǎng)絡(luò)中。微型化光隔離器則常用于半導(dǎo)體激光器及其他器件中。 隔離器按其性能可分為偏振靈敏型(

4、 也稱(chēng)偏振相關(guān)) 和偏振無(wú)關(guān)型。一般情況下, 偏振靈敏型的光隔離器常做成微型化的, 偏振無(wú)關(guān)型光隔離器則常做成在線型的。6偏振相關(guān)光隔離器的結(jié)構(gòu)包括空間型和光纖型。由于不論入射是否為偏振光, 經(jīng)過(guò)這種光隔離器后的出射光均為線偏振光, 因而稱(chēng)之為偏振相關(guān)光隔離器, 主要用于DFB 激光器中。7偏振無(wú)關(guān)光隔離器是一種對(duì)輸入光偏振態(tài)依賴(lài)性很小( 典型值 0. 2dB) 的光隔離器。一般來(lái)說(shuō), 偏振無(wú)關(guān)光隔離器的典型結(jié)構(gòu)、工作原理都更復(fù)雜一些。它采用有角度的分離光束的原理來(lái)制成, 可起到偏振無(wú)關(guān)的目的。85.3.2 光隔離器的應(yīng)用1. 激光器目前 DFB 激光器單縱模輸出已達(dá)數(shù)十納瓦, 其工作波長(zhǎng)的漂

5、移小于1埃/度, 但在高頻直接調(diào)制下, 仍然發(fā)生光譜展寬現(xiàn)象, 這種光譜的啁啾對(duì)長(zhǎng)跨距高比特率的傳輸極為不利。 為了減少回波引起的啁啾, 必須在激光器中加入光隔離器。(a) 尾纖式激光器 ; (b) 蝶式激光92. 光纖放大器在長(zhǎng)距離光通信系統(tǒng)中, 需要大量使用光纖放大器。為了使光纖放大器工作穩(wěn)定, 必須在放大器的兩端使用隔離器來(lái)消除回返光的影響。圖5. 9為一種摻鉺光纖放大器框圖。 10在千兆比特率的越洋海底光纜中, 需要用到超過(guò)50 個(gè)帶光隔離器的光纖放大器。隔離器的性能指標(biāo)將直接影響放大器的增益和噪聲, 設(shè)計(jì)時(shí)常要求光隔離器的回波損耗、隔離度分別在 50dB 和40dB 以上。 113.

6、 光纖CATV 網(wǎng)在光纖CATV網(wǎng)中傳播多路徑信號(hào)的時(shí)候, 必須使用高線性、小畸變、大輸出功率和低噪聲的DFB 激光器, 光器件上還必須裝上光隔離器, 以保證反射信號(hào)得到足夠的衰減。由于模擬信號(hào)抗干擾能力較數(shù)字信號(hào)差, 所以對(duì)隔離器的隔離度要求更高, 常采用雙級(jí)光隔離器。CATV : Community Antenna Television12圖5. 10所示為光隔離器在 CATV 中的應(yīng)用。135.3.3 光隔離器的實(shí)現(xiàn)原理 1. 旋光現(xiàn)象和法拉第效應(yīng) 平面偏振光通過(guò)物質(zhì)后振動(dòng)面發(fā)生旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象叫作旋光現(xiàn)象, 能夠使平面偏振光的振動(dòng)面發(fā)生旋轉(zhuǎn)的物質(zhì)叫作旋光性物質(zhì)。例如石英, 使它的光軸垂直于表

7、面切取, 當(dāng)入射的平面偏振光在石英晶體內(nèi)沿光軸方向傳播時(shí), 線偏振光的振動(dòng)方向會(huì)隨著光線的行進(jìn)而發(fā)生偏轉(zhuǎn)。14迎面觀察通過(guò)晶體的光, 振動(dòng)面按順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)的稱(chēng)為右旋, 逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)的稱(chēng)為左旋。光的傳播方向改變時(shí), 旋光的方向也改變, 如果通過(guò)晶片的偏振光從鏡面反射回來(lái)再通過(guò)同一晶片, 則振動(dòng)面就恢復(fù)到原來(lái)的方位。15Faraday Effect在強(qiáng)磁場(chǎng)的作用下, 有些物質(zhì)的光學(xué)性質(zhì)會(huì)發(fā)生變化, 這就是磁光效應(yīng)。當(dāng)平面偏振光沿外加磁場(chǎng)方向通過(guò)介質(zhì)時(shí)偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn), 這種性質(zhì)叫作磁致旋光性, 這個(gè)現(xiàn)象叫法拉第效應(yīng)。16法拉第效應(yīng)是最為人們所熟悉和最有用的磁光效應(yīng), 具有磁光效應(yīng)的晶體稱(chēng)為磁光晶

8、體。磁致旋轉(zhuǎn)也 有右旋和左旋, 對(duì)于每一種給定的物質(zhì), 磁致旋轉(zhuǎn)的方向僅由磁場(chǎng)方向決定, 和光線的傳播方向無(wú)關(guān), 這是磁致旋轉(zhuǎn)和天然旋光現(xiàn)象不同的地方。17沿著順光線方向和逆光線方向觀察, 天然旋光現(xiàn)象中光的旋轉(zhuǎn)方向是相反的, 平面偏振光若兩次通過(guò)天然旋光物質(zhì), 一次沿某一方向另一次沿相反方向, 結(jié)果振動(dòng)面并不旋轉(zhuǎn).偏振光沿相反的方向兩次通過(guò)磁旋光物質(zhì)時(shí), 其旋轉(zhuǎn)角加倍。18由于磁致旋光性產(chǎn)生的振動(dòng)面旋轉(zhuǎn)與光線傳播方向無(wú)關(guān), 利用這一點(diǎn)來(lái) 實(shí)現(xiàn)光隔離器的非互易性。一個(gè)隔離體的構(gòu)成主要有: 1.起偏器或偏振分束器, 由偏振片或雙折射晶體構(gòu)成, 實(shí)現(xiàn)由自然光得到偏振光; 2.磁光晶體制成的法拉第旋

9、轉(zhuǎn)器, 完成對(duì)光偏 振態(tài)的非互易調(diào)整; 3.檢偏器或偏振合束器, 實(shí)現(xiàn)將光線會(huì)聚平行出射。192. 偏振相關(guān)光隔離器偏振相關(guān)光隔離器的結(jié)構(gòu)包括空間型和全光纖型, 不論入射光是否為偏振光, 經(jīng)過(guò)這種光隔離器后的出射光均為線偏振光。 空間型偏振相關(guān)光隔離器可直接用于帶尾纖激光器、二極管泵浦固體激光器、位置傳感器等器件的空間光路中, 分為大型和微型兩種。 20大型器件以非飽和旋轉(zhuǎn)器為特點(diǎn), 典型尺寸為 1 in(英寸= 2.539999918 厘米 ) 、2 in、4 in 等, 用于YAG 激光器中。而另一種基于飽和旋轉(zhuǎn)器的微型隔離器尺寸很小, 如3mm1. 9mm, 這種隔離器可用于半導(dǎo)體激光器

10、中。整個(gè)隔離器包括兩個(gè)起偏( 檢偏) 器和一個(gè)法拉第旋轉(zhuǎn)器。21圖5.11 偏振相關(guān)光隔離器典型結(jié)構(gòu) 2223偏振器置于法拉第旋轉(zhuǎn)器前后兩邊, 其透光軸方向彼此呈45關(guān)系, 當(dāng)入射平行光經(jīng)過(guò)第一 個(gè)起偏器P1時(shí), 變成線偏振光, 然后經(jīng)法拉第旋轉(zhuǎn)器, 其偏振面被旋轉(zhuǎn)45, 剛好與第二個(gè)檢偏器P2的透光軸方向一致, 于是光信號(hào)順利通過(guò)而進(jìn)入光路中。反過(guò)來(lái), 由光路引起的反射光首先進(jìn)入第二個(gè)偏振器 P2 , 變成與第一個(gè)偏振器 P1 的透光軸方向呈 45夾角的線偏振光, 再經(jīng)過(guò)法拉第旋轉(zhuǎn)器時(shí), 由于法拉第旋轉(zhuǎn)器效應(yīng)的非互易性, 被法拉第旋轉(zhuǎn)器繼續(xù)旋轉(zhuǎn) 45, 其偏振面與P1 透光軸的夾角變成了90

11、, 即與起偏器 P1 的偏振方向正交, 而不能通過(guò)起偏器 P1 , 起到了反向隔離的作用。24使用微型化光隔離器來(lái)制作器件時(shí), 通常通過(guò)柱透鏡或球透鏡, 將來(lái)自半導(dǎo)體激光器的光信號(hào)經(jīng)隔離器耦合到光纖中。這里面, 常需要將器件中的分立元件傾斜于基座放置, 或?qū)⒏綦x器傾斜安裝, 以提高整個(gè)器件的回波損耗, 否則, 光學(xué)元件自身將引起一定的反射。 253. 偏振無(wú)關(guān)光隔離器偏振無(wú)關(guān)光隔離器是一種對(duì)輸入光偏振態(tài)依賴(lài)很小的光隔離器, 與偏振相關(guān)光隔離器相比, 由于其輸出不為偏振光, 所以更具實(shí)用性。261) Walk-off 型光隔離器原理 這種結(jié)構(gòu)的偏振無(wú)關(guān)光隔離器的典型結(jié)構(gòu)之一如圖5. 12所示。隔

12、離體部分由三個(gè)平行偏振分束器P1、P2、P3和一個(gè)45法拉第旋轉(zhuǎn)器FR構(gòu)成, 且P1 、P2 、P3 的厚度滿足 27式中, LP1 、LP2 、LP3 分別為相應(yīng)偏振分束器的厚度。 28293031P1與P2的光軸夾角為45, P2與P3 的光軸夾角為 90。輸入光信號(hào)經(jīng)自聚焦透鏡準(zhǔn)直成平行光束, 入射到 P1 , 入射光被分解為o光和e光, o光不發(fā)生偏折, 以原來(lái)的方向出射, e光走離, 以?xún)墒叫芯€偏振光出射, 這兩束線偏振光進(jìn)入法拉第旋轉(zhuǎn)器FR, 振動(dòng)面被順時(shí)針旋轉(zhuǎn)45, 由于P2與 P1的光軸方向相差45, 所以P1中的o光和e光進(jìn)入P2后仍為o光和e光, e光進(jìn)一步走離, 只是走

13、離方向與P1中的走離方向不同。進(jìn)入P3 后, 由于P3與P2 的光軸垂直, 所以, P2 中的o光和e光在P3中分別為e光和o光, P3中的e 光走離。從P3 出射時(shí), 兩束線偏振光重新會(huì)聚, 平行出射, 被聚焦透鏡耦合進(jìn)入輸出光纖。 32反向光入射時(shí), 經(jīng)過(guò)將入射光分解為兩束線偏振光, 再經(jīng)P2 , 由于P2 和P3 的光軸垂直, 兩束線偏振光分別在 P3 和P2 中走離原來(lái)的方向, 進(jìn)入FR。由于它的非互易性, 它們的振動(dòng)面被順時(shí)針旋轉(zhuǎn) 45, 這樣, 在 P2 中的o光和e光在P1中分別為e光和o光, e光進(jìn)一步走離, 出射光分光距離進(jìn)一步增加, 而不會(huì)會(huì)聚在一起, 故不會(huì)被自聚焦透鏡耦

14、合進(jìn)輸入光纖, 從而實(shí)現(xiàn)反向隔離。 33這種結(jié)構(gòu)中的偏振器采用平面結(jié)構(gòu), 所以不會(huì)增加偏振相關(guān)損耗。但由于偏振元件的增加, 體積較大, 光路比較長(zhǎng), 因而制成的器件整體體積大, 同時(shí)因?yàn)樵黾恿斯鈱W(xué)元件, 所以帶來(lái)了插入損耗的增加和組裝工藝的困難。 Walk-off 型結(jié)構(gòu)的偏振無(wú)關(guān)光隔離器的主要缺陷是由于采用平行平板型偏振分束器, 其反向光的分光距離取決于雙折射晶體的厚度, 如果分光距離有限, 則反向光會(huì)重新耦合進(jìn)光纖, 直接影響隔離度。 342) Wedge 型光隔離器原理隔離體由兩個(gè)光軸夾角為45的楔型雙折射晶體和一個(gè)法拉第旋轉(zhuǎn)器構(gòu)成。35首先分析光信號(hào)正向傳輸?shù)那闆r, 經(jīng)過(guò)自聚焦透鏡射出

15、的準(zhǔn)直光束, 進(jìn)入楔型雙折射晶體 P1 后被分為 o 光和e 光, 其偏振方向相互垂直, 傳播方向呈一夾角, 當(dāng)它們經(jīng)過(guò)45法拉第旋轉(zhuǎn)器時(shí), 出射的o 光和e 光的偏振面各自順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn) 45。由于第二個(gè)楔型雙折射晶體 P2 的光軸相對(duì)于第一個(gè)晶體光軸正好呈45夾角, 所以o光和e 光被P2折射到一起, 合成兩束間距很小的平行 光束, 并被斜面透鏡耦合到光纖纖心里面, 因而正向光以極小損耗通過(guò)隔離器, 正向光傳播的示意圖如圖5.14所示。36正向光傳播的示意圖如圖5. 14所示。3738由于法拉第旋轉(zhuǎn)器的非互易性, 當(dāng)光束反向傳輸時(shí), 首先經(jīng)過(guò)晶體 P2 , 分為偏振面與 P1 晶軸成 45角的o光和e光, 由于這兩束線偏振光經(jīng)過(guò)45法拉第旋轉(zhuǎn)器時(shí), 振動(dòng)面的旋轉(zhuǎn)方向由磁感應(yīng)強(qiáng)度B 確定, 而不受光線傳播方向的影響, 所以, 振動(dòng)面仍順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)45, 相對(duì)于第一個(gè)晶體 P1 的光軸共轉(zhuǎn)過(guò)了90, 整個(gè)逆光路相當(dāng)于經(jīng)過(guò)了一個(gè)渥氏棱鏡, 出射的兩束線偏振光被P1 進(jìn)一步分開(kāi)一個(gè)較大的角度, 被斜面透鏡偏折, 不能耦合進(jìn)光纖纖芯, 從而達(dá)到反向隔離的目的, 39反向光傳播的示意圖如圖5.