第六章 光隔离器与光环行器

第六章光隔离器

随着光通信技术向高速、大容量方向发展，光路中反射已成为一个必须解决的重要问题。由此出现了一种只允许光线沿光路正向传输的非互易性无源器件——光隔离器。

国外从70年代开始将光通信用光隔离器列为重点开发项目，80年代已进入实用化阶段。我国从80年代开始研制开发工作，到现在已取得突破性进展，其主要技术指标已达到国际水平，并已用于实际系统和各种试验中。

插入损耗、反向隔离度、回波损耗、偏振相关损耗(PDL)及偏振模色散(PMD)等主要技术指标

1单模光纤准直器、偏振器及其它光隔离器中使用的光学元件

光隔离器的工作原理主要是利用磁光晶体的法拉第效应。为了便于讨论，下面首先对光隔离器中的常用光学元件及其特性进行简要介绍。

1.1 光纤准直器 (Optical Fiber Collimator)

光纤准直器是光纤通信系统和光纤传感系统中的基本光学器件，它由四分之一节距的自聚焦(GRIN)透镜和单模光纤组成，如图6．1所示。其用途是对光纤中传输的高斯光束进行准直，以提高光纤

与光纤间的耦合效率。这种光纤准直器的主要特点是两光纤准直器-{间有较长的间距，可以插入光学元件。

1.2 法拉第旋转器(Faraday Rotator)

1845年，法拉第发现原来不具有旋光性的物质，在磁场的作用下：偏振光通过该物质时其振动面将发生旋转j这种现象叫磁致旋光效应，也称法拉第效应。

法拉第首先对这个现象进行了定量的描述，后来维尔德对萁现象又进行了全面的研究，最后通过试验总结出：对于给定的磁光材料，光振动面旋转的角摩护与光在该物质中通过的距离L和磁感应强度B成正比，

在法拉第旋转效应中，磁场对磁光材料产生作用，是导致磁致旋光现象发生的原因，所以磁光材料引起的光偏振面旋转的方向取决于外加磁场的方向，与光的传播方向无关。迎着光看去，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。旋转角护的大小受磁光材料的旋磁特性、长度、工作波长及磁场强度的影响。材料越长、磁场强度越大、工作波长越短，旋转角将越大。另外，旋转角伊的大小还受环境温度的影响，对大多数晶体来说，温度增加将导致旋转角减小。

需要注意的是，磁致旋光效应和材料的固有旋光效应不同。固有旋光效应的方向受光的传播方向影响，而与外加磁场的方向无关，无论外界磁场是否改变，迎着光看去，光的偏振面总是朝同一个方向旋转。因此，在材料的固有旋光效应中，如果光束沿着原光路返回，其振动面将转回到初始位置。

典型的光隔离器采用法拉第旋转器，旋光转角为45度。其材料主要有以下两种：

1.YIG晶体

在过去，用于近红外和光通信隔离器上的传统磁光材料为钇铁石榴石(YIG)单晶，其波长范围在0．8～1．6p．m之间。它需强永久磁场，才能使光束的偏振面发生旋转，且价格昂贵，因而被新型材料所替代。

2．高性能磁光晶体

这是一种采用液相外延技术在石榴石单晶上生成掺镱、镓、钬或铽等元素的薄膜材料，如：(YbTbBi)。Fe~012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是传统YIG晶体的5倍以上，而所需磁感应强度B却仅为传统材料的l／2～1／3。因此，由此制作出的法拉第旋转器体积大大减小。此外，新型磁光材料的温度特性优于传统YIG晶体，价格相对便宜。据研究报导，一种新型的非稀土铁石榴石已用于1．3～1．55ptm法拉第旋转元件的制造，而铽镓石榴石对0．5～1．064p．m的普通隔离器是一个有吸引力的选择。最近，又开发出了钙镁碲化合物(CMT)和掺水银cMT晶体，其综合性能可望高于以往的法拉第磁光材料。

1．3 偏振器(Polarizator)

绝大部分常规隔离器所采用的偏振器为偏振棱镜或偏振片。其

类型有以下几种:

1．双折射晶体

双折射现象是各向异性介质晶体的主要性质。在光隔离器中作

为偏振器用的晶体均为单轴晶体，如方解石、金红石、钒酸钇、铌酸锂等。单轴晶体中只存在一个光轴，当光沿着光轴方向传播时，光束以折射率n。发生折射而不出现双折射现象；当光沿着其它的方向传播时，光束则被分为两束线偏振光：o光和e光。o光为寻常光线，e光为非寻常光线，其中。光折射率为常数，z。，e光折射率则随光传播方向与晶轴的夹角而改变。通常定义：当光传播方向与光轴垂直时的折射率为，z。。表6．2为部分单轴晶体的折射率：

如果单轴晶体加工成楔形，出射的。光和e光将分开一定的距离传输，因此这种楔形晶体也被称作偏振分束器。其分束距离与晶体的楔角有关，楔角越大，分柬距离越大。在制作隔离器时，分束距离既不能过小也不能过大。同种材料的情况下，距离过小，隔离度太低；距离过大，则将使引起整个器件的插入损耗增加，因此必须进行综合考虑。

2．簿膜起偏分束器(SWP)

薄膜偏振分束器是利用人造各向异性介质来制作的，剖面结构如图6．5所示。制作时，将折射率分别为，z。、n：的两种电介质材料以周期P层迭在一起，周期P比波长A小很多。设：每层与z轴的夹角为口，折射率为”，的电介质层相对于周期P的厚度为g，入射光在SWP中分为。光和e光的夹角为声，那么通过选择，z。、咒z、g和咿，可以获得最佳的光束分离角

选用长波长范围内具有高折射率和低折射率的两种迭层材料，可以获得1．3～1．55／~m用各向异性的晶体。此种SWP的体积小、性能稳定、整体厚度不到·400／xm，可用来制作偏振无关光隔离器。

3．线栅起偏器(Wire Giedtype)

线栅起偏器由金属和电介质周期性交替层迭构成，制作时将蒸镀好的层迭材料从侧面切割成簿片，其两侧端面镀制防反射膜，即成线栅。其结构如图6．6所示。线栅起偏器的起偏原理是这样的：当

光束经线栅起偏器透射过去的时候，其振动方向与线栅方向平行的线偏振光被吸收，垂直于线栅方向的那_部分则无阻挡地通过，从而实现光束起偏。线栅起偏器很簿，仅几十pm左右厚，但是消光比却很高。