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。

4．玻璃偏振器
玻璃偏振器是一种新型的起偏材料。

它是以掠入射的方式在硼硅酸盐的SiOz基片上溅射银粒子，由于银粒子很长，通过一定的方法激化，即可使银粒子按预定的方向排序成二条条规则的短线，其性能类似一个线栅起偏器，如图6．7所示。

当光束经玻璃偏振器透射过去的时候，其振动方向与银粒子方向平行的线偏振光由于与银粒子发生碰撞，其能量被吸收；而垂直方向的那一部分光则无阻挡地通过，最后从玻璃偏振器出射的光为线偏振光。

设玻璃偏振器透过方向与入射偏振光电矢量一致时，线偏振光的透射系数(主透射系数)为h，偏振器透过方向垂直于入射偏振光‘电矢量方向时，线偏振光的透射系数(次透射系数)为是：。

那么，非偏振光通过单个偏振器后，透射系数丁一(忌，+是。

)／2；非偏振光通过一对方向一致的玻璃偏振器后，其透射系数日0=(五。

z+是。

z)／2；通过一对彼此呈90。

的玻璃偏振器后，其透射系数日。

=五。

忌。

显然，H。

越接近O·5，H。

越小，玻璃偏振器的性能越好。

通过镀制抗反射膜，可显著地提高日。

，同时也有助于单个玻璃偏振器入射角和对比率五，／五。

的提高，对比率。

表示玻璃起偏器的消光效率。

玻璃偏振器具有极优良的性能，如：对非偏振光具有很高的线偏振输出。

此外，其特点还在于：具有很高的对比率足。

肛z(分不同的档次可分别大于500、1000、10000)，很高的主透射系数(大于99％)，接受角大于60。

，体积小(可达0．5×2×2mm。

)，优良的化学稳定性和热稳定性，其使用温度可超过100~C。

1．4特种光纤
1．磁敏光纤
磁敏光纤通过在光纤的制作过程中掺稀土元素(如铽)的方法来得到。

它在外界磁场的作用下，有良好的透光性和法拉第旋光性，配用起偏器可制成光隔离器。

2．扩束光纤(TEC光纤)．最近的研究证明：SiO。

光纤中GeO：掺杂剂所含的Ge原子会因热处理而发生扩散，形成扩束光纤。

其折射率分布沿光纤轴心而变化，所以模场直径也随之而变。

常规光纤如果经恰当的热处理，即可得到所需光斑尺寸的扩束光纤，将隔离器芯片插入其中，即使隔离器芯片没有波导结构，其插损也不很大。

热处理条件因扩束光纤所需光斑的大小不同而不同。

经30小时的1250~C的热处理，可将光纤的光斑半径从4．5肛m扩到9．5弘m。

理论和实践证明，扩束光纤沿光纤轴的折射率分布变化引起的·附加损耗很小，可以忽略不计。

采用此光纤可使隔离器不再需要自聚焦透镜。

2.光隔离器(Isolator)的作用和工作原理
在光通信系统中，由于光在从光源到接收机的传输过程中，会经过许多不同的光学界面，在每一个光学界面处，均会出现不同程度的反射，这些反射产生的回程光最终会沿原光路传回光源。

当回程光的累积强度达到一定的程度时，就会引起光源工作不稳定，产生频率漂移、幅度变化等问题，从而影响整个系统的正常工作。

为了避免回程光对光源等器件的工作产生影响，必须对回程光进行抑制，以确保光通信系统的工作质量。

因此，有关专家研制出了光隔离器，用以消除光纤线路中的回程光对光通信系统的影响。

光隔离器是一种沿正向传输方向具有较低插入损耗，而对反向传输光有很大衰减作用的无源器件，用以抑制光传输系统中反射信号对光源的不利影响，常置于光源后，为一种非互易器件。

根据光隔离器的偏振特性可将隔离器分为偏振相关型(也称偏振有关或偏振灵敏)和偏振无关型两种。

2．1偏振相关光隔离器的典型结构和工作原理
偏振相关光隔离器的结构包括空间型和全光纤型。

由于不论入射光是否为偏振光，经过这种光隔离器后的出射光均为线偏振光，因而称之为偏振相关光隔离器或偏振有关隔离器。

下面，首先对空间型偏振相关光隔离器进行讨论。

1．空间型偏振相关光隔离器
这种隔离器可直接用于带尾纤激光器、二极管泵固体激光器、位置传感器等器件的空间光路中，分为大型和微型两种。

大型器件以非
过，由于这种光隔离器是偏振灵敏型的，所以通过器件的光功率大大地依赖于输入光的偏振态，因而，常用保偏光纤作输入输出光纤。

如果将尾纤型偏振相关光隔离器中输入端的一根光纤准直器去掉，那么，可制成一个集成光隔离器和光准直器于一体的尾纤，用于激光器的制作中；将尾纤型偏振相关光隔离器中输出端的一根光纤去掉时，则成了一个带光隔离器的光纤准直器，可用于光路的耦合工艺中。

微型化空间型偏振相关光隔离器的入射光束是空间光束，所以这种类型光隔离器比其它种类隔离器有更多的机械尺寸方面的要求。

2．磁敏光纤偏振相关光隔离器
一般情况下，光隔离器均需利用透镜来准直和会聚光束，所以光路复杂且体积大，并要求在工艺过程中进行光纤与透镜的耦合。

而无透镜嵌置式的在线型光隔离器则可弥补这种不足。

例如：磁敏光纤光隔离器，它将磁敏光纤和微型偏振器装在一起，通过外加磁场作用，使通过该光纤的光信号偏振面发生偏转，从而实现对回返光的隔离作用。

全光纤型偏振灵敏型光隔离器的优点在于体积小、对中简便、反向隔离度高。

其不足是器件插入损耗大、工艺复杂、制作难度大、整体性能欠佳，还没有正式投入生产。

3．波导型光隔离器
簿膜波导型光隔离器实现的技术途径有两个：一是激光二极管直接与法拉第旋转器波导耦合，光信号经光纤偏振器输出；二是用光纤偏振器，将光信号与波导进行耦合，再由光纤偏振器输出光信号。

其结构如图6．9所示。

当光信号经光纤偏振器后，被变成线偏振光，然后进入层状液相外延膜制成的脊形波导中，由于外加了磁场，波导中偏振光的偏振方向发生45。

的旋转，这样，光信号可顺利地通过与起偏器呈45。

夹角的光纤检偏器。

而反向传输的光信号则由于法拉第效应的非互易性被隔离掉。

、
近年来又研究出了非互易相移式波导型光隔离器，即在GGG
片上外延生长磁光波导层，覆盖sio：层，并在此上面设计出非互}易相移段，再利用此相移段来制作出光隔离器。

}} 6．2．2偏振无关光隔离器典型结构、工作原理和影响因素} I 偏振无关光隔离器是一种对输入光偏振态依赖性很小(典型值卧于o．2dB)的光隔离器。

一般说来，偏振无关的光隔离器典型结构、《工作原理都更复杂一些。

它采用有角度地分离光束的原理来制成，可》达到偏振无关的目的。

如下是几种偏振无关光隔离器的原理。

卜1．块状在线型偏振无关的光隔离器典型结构、工作原理》．，．(1)结构一——wedge型在线式偏振无关光隔离器》器件结构如图6．10所示。

首先分析光信号正向传输的情况。

经 I垃斜面透镜射出的准直光束，进入双折射晶体P·后，光束被分为o I先和e光，其偏振方向相互垂直，传播方向呈一夹角，当它们经过45。

I法拉第旋转器时，出射的。

光和e光的偏振面各自向同一个方向旋 I转45。

，由于第2个双折射晶体P。

的晶轴相对于第一个晶体正好呈 II聍夹角，所以。

光和e光被P。

折射到一起，合成两束间距很小的平 E行光，并被斜面透镜耦合到光纤纤芯里面。

因而正向光以极小损耗通融隔离器。

由于法拉第效应的非互易性，当光束反向传输时，首先经过晶体 IP：1分为偏振面与P。

晶轴成45。

角的。

光和e、光，由于这两束线偏振 I光经45。

法拉第旋转器时，振动面的旋转方向由磁感应强度B决定， E而不受光线传播方向的影响，所以，振动面仍朝与正向光旋转方向相同的方向旋转45。

，相对于第一个晶体P。

的晶轴共旋转了90。

，整个逆光路相当于经过一个渥拉斯顿棱镜，出射的两束线偏振光被P。

进一步分开一个较大的角度，被斜面透镜偏折，不能耦合进光纤纤芯，从而达到反向隔离的目的。

此种结构制作简单，插入损耗小，整个器件体积小，但却会因斜面和双折射棱镜的使用，带来一定的偏振相关损耗(PDL)和偏振模色散(PMD)。

隔离器在制作过程中，有一系列的技术指标要求。

影响插入损耗和回波损耗的因素比较简单，可以用工艺来保证；但隔离度、PDL及 PMD就比较复杂了。

在对隔离器进行具体设计时，必须对各方面的性能指标和工艺难度进行综合考虑，才能使其性能优异而又宜于生产。

具体制作时，所有类型尾纤的在线型偏振无关光隔离器均采用了光纤准直器，以获得较小的插入损耗。

这里，斜面GRIN自聚焦透镜是一个极佳的选择，它比传统凸透镜、球透镜更有吸引力，可进一步减小光隔离器的几何尺寸，并具有畸变小、低插损、高回损、易装配的。

另外，用于装配法拉第旋转器的磁铁的几何尺寸、材料和饱和 k力都必须加以特别考虑，为确保光隔离器的环境稳定性和较长的 l拆寿命，还必须使磁铁与法拉第元件、尾纤的尺寸尽可能匹配。

抗鼬膜层、斜面和折射率的匹配也直接影响到光隔离器的回波损耗 k入损耗等性能，所以对隔离器内部所有元件都必须进行优化设这种隔离器的结构和原理(如图6．11所示)与结构一光隔离器晰似，不同之处在于，这种结构中增加了一个偏振分束器，三个偏 k分柬器(P。

、P。

、P。

)共同作用，来达到合光和分光的目的。

其
中，三除偏振器表面均为平面，且L，。

一~／厂虿Lr。

一／虿Lrs(三P1’工P2．LP3分别融示相应偏振分束器的厚度)。

因为这种结构中的偏振器采用平面结构，所以不会增加偏振相关损耗PDL。

但由于偏振元件的增加，体积较大，光路比较长，因而制成的器件整体体积大。

同时因为增加了光学元件，带来了插入损耗的增加和组装工艺的难度。

(3)结构三该型隔离器的原理和结构如图6．12所示。

图中P。

和P：是两个光轴呈90~的完全相同的偏振分束器，经P，分束后的两束线偏振光。

光和e光的偏振面，由45。

互易旋光器(RR)旋转45~后，再经45~非互易旋光器(即法拉第旋转器FR)旋转45。

，偏振方向分别变为与原来垂直的方向，刚好与偏振器P。

的光轴方向一致，最后经P：合束。

而反向行进的反射光，首先被P：分束，经45~法拉第旋转器和互易旋光器后，o光和e光的偏振方向保持不变。

因此，与偏振器P。

的光轴方向不一致，被P。

进一步分为夹角更大的。

光和e光，最后再被自聚焦透镜折射出光路，不能耦合到入射光纤中，从而达到反向隔离的目的。

此种结构产生的PDL小，且45~旋光器对光隔离器的色散和温度特性有补偿作用，故温度适应范围要大一些。

同前面一种隔离器一样，由于旋光元件的增加，光路比较长，所以制成的器件总体体积大。

同时也增加了插入损耗和组装工艺的难度。

2．全光纤结构的偏振无关光隔离器
(1)锥型双折射光纤隔离器
3.光环形器
光环行器是一种多端口非互易光学器件，它的典型结构有N(N大于等于3)个端口，如图3．3所示，当光由端口1输入时，光几乎毫无损失地由端H 2输出，其它端口处几乎没有光输出；当光由端1：：1 2输入时，光几乎毫无损失地由端1：3 3输出，其它端口处几乎没有光输出，以此类推。

这Ⅳ个端口形成了一个连续的通道。

严格地讲，若端口Ⅳ输入的光可以由端H1输出，称端口3为环行器，若端I=l N输入的光不可以由端口1输出，称为准环行器；通常人们并不在名称上做严格区分，一般都称为环行器，在本书中，我们也将它们统称为环行器。

光环形器的非互易性使其成为双向通信中的重要器件，它可以完成正反向传输光的分离任务。

光环形器在光通信图3·3光环形器示意图中单纤双向通信、上／下话路、合波／分波及色散补偿等领域有广泛的应用。

图3．4为光环形器用于单纤双向通信的例子。

光环行器的实现方案很多，分透射式和反射式两大类，下面结合一种透射式光环行嚣介绍光环行器的原理。

图3·5为一种光环行器的结构示意图在两个正交平面上的投影。

这是一个有4个端口的光环行器，为了提高光的耦合效率，每个端口均有光纤准直器。

环行器由分束／合束镜1、偏振旋转镜1、光束变换器、偏振旋转镜2、分束／合束镜2组成。

其中，分束／合束镜为双折射平行平板，它将任意状态的输入光分解成两束偏振方向垂直的偏振分量，如图3．6所示。

假设双折射平行平板的光轴平行于纸面，当一束任意偏振方向的光束照射在该平板上，其垂直于纸面的偏振分量将直接通过平板，平行于纸面的偏振分量将横向平移，通臂将这两个分量光束所在的平面称为走离平面，将这两个光束的分离量称为走离量，将偏离方向平行于光轴的光束的位移方向称为走离方向。

这两个分束／合束镜的走离方向相同，走离量相等。

偏振旋转镜沿光束走离方向分成两部分，将来自分束／合柬镜的两束光变成偏振方向相同的光束，并将发往分束／合束镜的两束光变成偏振方向垂直的光枣，偏振旋转镜的每一部分都为90。

非互易旋转器，由45。

法拉第旋转器和一个A／2波片组成。

90。

非互易旋转器的一种结构如图3．7所示。

图3．8(a)是一束偏振光沿z方向通过该旋转器时偏振态的变化情况；图3．8(b)是一束偏振光沿z方向通过该旋转器时偏振态的变化情况。

显然正方向通过的光的偏振方向旋转了90。

，反方向通过的光的偏振方向不变。

光束变换器为双折射晶体平行平板。

在该环行器中，光由端口1到端口2过程中光束偏振态和位置的变换情况如图3．9(a)所示。

由端口1输入的光经分束／合束镜1后变成偏振方向垂直且沿y方向分离的两束光，它们经偏振旋转镜1后，偏振方向都变成沿y方向，再通过光束变换器后，光束偏振态和位置不发生变化，这两束光通过偏振旋转器2后，偏振方向变成互相垂直，分别沿z和了方向，最后由分束／合束镜2合成一束光由端口2输出。

在该环行器中，光由端口2到端口3过程中光束偏振态和位置的变换情况如图3．9(b)所示。

由端口2输入的光经分束／合束镜2后变成偏振方向垂直且沿y方向分离的两束光，它们经偏振旋转镜2后，偏振方向都变成沿z方向，再通过光束变换器后，光束偏振态不发生变化，但在z方向却发生位置变化，这两束光通过偏振旋转器1后，偏振方向变成互相垂直，分别沿z和y方向，最后由分束／合束镜1合成一束光由端口3输出。

在该环行器中，光由端口3到端口4过程中光束偏振态和位置的变换情况如图3．9(c)所示。

由端口3输入的光经分束／合束镜1后变成与偏振方向垂直且沿y方向分离的两束光，它们经偏振旋转镜1后，偏振方向都变成沿y方向，再通过光束变换器后，光束偏振态和位置不发生变化，这两束光通过偏振旋转器2后，偏振方向变成互相垂直，分别沿z和y方向，最后由分束／合束镜2合成一束光由端口4输出。

光环形器的技术指标包括插入损耗、隔离度、串音、偏振相关损耗、偏振模色散及回波损耗等。

光环形器的插入损耗、隔离度、偏振相关损耗、偏振模色散的定义与光隔离器的基本相同，只不过对环形器而言，均指具体的两个相邻端口之间的指标，如端口1、2之间的或端口2、3之间的插入损耗、PDL、PMD等。

光环形器的串音指两个不相邻端口之间理论上不能接收到光信号但实际中由于种种原因而接收到的功率以dB表示的相对值，如端口1输入信号时，在端口3接收到的功
率相对于输入功率的dB值。