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光栅隔离器的工作原理以及在光纤光路中的应用

发布时间:2020-07-22 09:25:38 浏览量:58


摘要光纤光路中,当光纤与激光器耦合时,应设法阻止向后反射和散射光到达激光器,以避免影响激光器的工作稳定性。因为光纤

系统中应用的半导体激光器对于反馈光的影响十分敏感,千分之几的反馈光就能使系统的误码率增加几个数量级。为此,必须在激光器

与光纤之间加入光栅隔离器。这对高速光纤通信系统、相干光纤通信系统、频分复用光纤通信系统以及精密光学测量等系统中的应用都

是十分重要的问题。


光隔离器是只允许光信号沿一个方向传输的双端口光器件,即当光信号沿正向传输时,具有很低的损耗,光路连通;而当光信号沿反向传输时,损耗很大,光路被阻断。光隔离器是一种光非互易传输耦合器,即当输入与输出端口互换时,器件的工作特性是不一样

的。


一、光栅隔离的主要参数

光隔离器主要的性能参数是正向插入损耗、反向(逆向)隔离度、回波损耗,其定义分别为:

(1)正向插入损耗

    其定义为:正向光路传输时其输出光功率与输入光功率之比,以分贝的形式表示应为:L=10 lg(Po正/Pi正) (dB);


(2)反向(逆向)隔离度

    首先需定义反向(逆向)插入损耗为:反向(逆向)光路传输时其输出光功率与输入光功率之比,以分贝的形式表示:L´=10 lg(Po

反/Pi反) (dB);


(3)回波损耗

    其定义为:输入端口自身返回光功率与输入光功率之比。

    光隔离器加到光路中,对其要求是:正向插入损耗越小越好,典型值为1 dB;反向隔离度越大越好,典型值40-50 dB。


二、光隔离器的类型与工作原理

光隔离器的工作原理是基于偏振与法拉第磁光效应。如右图所示,光波通过置于磁场中的法拉第旋转器时,迎着外加磁场的磁感应强度

方向观察,光波的偏振方向总是沿着与磁场方向构成右手螺旋的方向旋转,而与光波的传播方向无关。这样,当光波沿正向和沿反向两

次通过法拉第旋转器时,其偏振方向旋转角将叠加而不是抵消,此即法拉第效应的旋向不可逆,这种现象称之为“非互易旋光性”。



三、光栅隔离器的结构及工作原理

(1)基本类型光隔离器

光隔离器的基础结构是由一对偏振方向夹角45°的偏振片和位于两者之间的一个旋光角度为45°的法拉第旋转器构成。当正向传输时,

入射光应为偏振光(否则将增加3 dB的损耗),当偏振光沿水平正向通过法拉第旋转器时,其偏振方向将沿与磁场成右手螺旋的方向

旋转45°角,从而与检偏器的投射光轴方向一致,并进入单模光纤;若光纤端面有部分反射光沿水平反向传输,则偏振器2只透过反射

光中偏振方向与垂直方向成45°,即与偏振器2的透射光轴方向一致的光,经法拉第旋转器后,偏振光的方向继续旋转45°成水平方向,

从而使反射光的偏振方向与偏振器1(检偏器)的投射光轴方向垂直,因而反射光不能通过偏振器1,达到了方向光隔离的目的,从而

保护激光器的性能不会受到噪声的影响。


图2,基本类型光栅隔离器的工作原理


基本类型的光隔离器多应用于半导体激光器(LD)的输出端,因为LD的输出光为线偏振光,且由于LD本身为光波导器件,具有较强的

偏振选择功能,因而在光隔离器中还可充当起偏器的作用。


(2)复杂化方案光隔离器    

上述基本类型光隔离器的缺点是,第一偏振器阻挡了入射光信号中非垂直偏振部分的分量通过,带来了3 dB的损耗。避免这种损耗的

复杂方案是:将入射光信号分解成垂直偏振与水平偏振两部分。垂直偏振光仍按原图——方向通过隔离器;而水平偏振光则可先旋转

90°,然后再通过相同的隔离器。 图3为复杂化方案光隔离器的原理框图。具有任意偏振态的输入信号I,首先正向通过空间分离偏振器

SWP1分成相互垂直的两个偏振分量;水平方向分量和垂直方向分量。垂直方向分量不变,而水平方向分量偏离输出方向。然后水平分

量和垂直分量均经过法拉第旋转器,偏振方向旋转45°,在经过一个λ/2波片,偏振方向再旋转45°。这样水平分量正好变成垂直分量,

垂直分量变成了水平分量,最后两个分量又在SWP2上合路输出为I´;反之,若有反方向的输入信号I´沿原路返回时,由于λ/2波片和法

拉第旋转器的偏转作用相互抵消,因而垂直和水平两个分量通过两个器件后偏振态将保持不变,在输入端的SWP1上不能合路输出,即

反向光不能合路通过光隔离器。这种复杂化方案的光隔离器一般应用于光纤线路中。 

图3.复杂化光栅隔离器原理图


结语:光栅隔离器的主要作用是降低后向传输光对光源和光路系统产生的影响,从而维持光路系统的稳定性以及延长光学器件的使用寿

命。此外,随着后向反射光的减少,不仅可以起到保护光学器件的作用,也可以降低光路中的杂散光数量,从而提高信号精度。与此同

时光栅隔离器也具有损耗小,结构简单,能与光纤完美耦合等特性,是光通信领域中的重要技术器件。