5.3光隔离器光隔离器光隔离器又称光隔离器又称光单向器光单向器, 是一种光是一种光非互易传输非互易传输的光的光无无源源器件。器件。在光纤通信系统中总是存在许多原因产生的反向光。在光纤通信系统中总是存在许多原因产生的反向光。光源所发出的信号光光源所发出的信号光, 以活动连接器活动连接器的形式耦合到光的形式耦合到光纤线路中去纤线路中去, 活动接头处的光纤端面间隙会使约活动接头处的光纤端面间隙会使约4% 的反射光向着光源传输。的反射光向着光源传输。这类反向光的存在这类反向光的存在, 将导致光路系统间产生将导致光路系统间产生自耦合效自耦合效应应, 使激光器的工作变得不稳定和产生反射噪声使激光器的工作变得不稳定和产生反射噪声, 使使光放大器增益发生变化和产生自激光放大器增益发生变化和产生自激, 造成整个光纤通造成整个光纤通信系统无法正常工作。信系统无法正常工作。1ppt课件光隔离器的基本功能光隔离器的基本功能光隔离器的基本功能是光隔离器的基本功能是实现光信号的正向传实现光信号的正向传输输, 同时抑制反向光同时抑制反向光, 即具有不可逆性即具有不可逆性。通常情况下通常情况下, 光在各向同性或各向异性介质中光在各向同性或各向异性介质中的光路是可逆的的光路是可逆的, 因此因此, 光隔离器的设计必须光隔离器的设计必须考虑如何考虑如何打破其可逆性打破其可逆性。目前的解决方法是目前的解决方法是利用利用磁光材料磁光材料对光偏振态对光偏振态调整的非互易性调整的非互易性实现光的不可逆传输。实现光的不可逆传输。 2ppt课件5.3.1光隔离器的分类光隔离器的分类 光隔离器的品种很多光隔离器的品种很多, 按其按其内部结构内部结构可分为可分为块块状型、光纤型和波导型状型、光纤型和波导型。块状型块状型结构属分立元件结构结构属分立元件结构, 是指在光路结构是指在光路结构中中, 通过自聚集透镜、偏振器和法拉第旋转器通过自聚集透镜、偏振器和法拉第旋转器等分立元件等分立元件, 将光纤间接耦合起来。将光纤间接耦合起来。此类器件在技术上已经成熟此类器件在技术上已经成熟, 现在市场上的隔现在市场上的隔离器基本上都采用这种结构。离器基本上都采用这种结构。其缺点在于所用光学元件多、体积相对较大。其缺点在于所用光学元件多、体积相对较大。 3ppt课件光光纤纤型型是是指指在在隔隔离离器器的的光光路路结结构构中中将将光光纤纤端端面面作作适适当当的的加加工工, 如如抛抛光光、镀镀膜膜等等, 其其他他材材料料的元件则不介入或较少介入光路。的元件则不介入或较少介入光路。其其特特点点为为体体积积小小、重重量量轻轻、抗抗机机械械振振动动性性能能好。好。然然而而此此类类器器件件要要用用到到特特种种光光纤纤, 且且加加工工精精度度要要求求高高、工工艺艺复复杂杂、价价格格昂昂贵贵。虽虽有有应应用用于于系系统统的的例例子子, 但但其其性性能能指指标标离离实实用用化化还还有有一一定的距离。定的距离。 4ppt课件波波导导型型的的光光隔隔离离器器属属集集成成光光学学器器件件, 采采用用扩扩 散散有有Ti 的的铌铌酸酸锂锂等等衬衬底底材材料料, 经经沉沉积积、光光刻刻、扩扩散散等等波波导导工工艺艺, 制制成成磁磁光光波波导导, 再再与与其其他他元件及单模光纤耦合元件及单模光纤耦合, 形成光隔离器。形成光隔离器。它它体体积积小小、重重量量轻轻、热热稳稳定定性性和和机机械械稳稳定定性性好好, 但但由由于于波波导导制制作作技技术术、光光纤纤和和波波导导间间的的耦耦合合技技术术还还不不成成熟熟, 其其性性能能指指标标与与实实际际应应用的要求还有很大差距。用的要求还有很大差距。 5ppt课件光光隔隔离离器器按按其其外外部部结结构构可可分分为为尾尾纤纤型型、连连接接器器端口型端口型(也称在线安装型也称在线安装型)和和微型化型微型化型。前前两两种种也也称称为为在在线线型型, 可可直直接接插插入入光光纤纤网网络络中中。微微型型化化光光隔隔离离器器则则常常用用于于半半导导体体激激光光器器及及其其他他器件中。器件中。 隔隔离离器器按按其其性性能能可可分分为为偏偏振振灵灵敏敏型型( 也也称称偏偏振振相相关关) 和和偏偏振振无无关关型型。一一般般情情况况下下, 偏偏振振灵灵敏敏型型的的光光隔隔离离器器常常做做成成微微型型化化的的, 偏偏振振无无关关型型光光隔离器则常做成在线型的隔离器则常做成在线型的。6ppt课件偏偏振振相相关关光光隔隔离离器器的的结结构构包包括括空空间间型型和和光光纤纤型型。由由于于不不论论入入射射是是否否为为偏偏振振光光, 经经过过这这种种光光隔隔离离器器后后的的出出射射光光均均为为线线偏偏振振光光, 因因而而称称之之为为偏偏振振相相关关光光隔隔离离器器, 主主要用于要用于DFB 激光器激光器中。中。7ppt课件偏偏振振无无关关光光隔隔离离器器是是一一种种对对输输入入光光偏偏振振态态依依赖赖性性很很小小( 典典型型值值 0. 2dB) 的的光光隔隔离离器器。一一般般来来说说, 偏偏振振无无关关光光隔隔离离器器的的典典型型结结构构、工工作作原原理理都都更更复复杂杂一一些些。它它采采用用有有角角度度的的分分离离光光束束的的原原理理来来制制成成, 可起到偏振无关的目的。可起到偏振无关的目的。8ppt课件5.3.2 光隔离器的应用光隔离器的应用1. 激光器激光器目目前前 DFB DFB 激激光光器器单单纵纵模模输输出出已已达达数数十十纳纳瓦瓦, , 其其工工作作波波长长的的漂漂移移小小于于1 1埃埃/ /度度, , 但但在在高高频频直直接接调调制制下下, , 仍仍然然发发生生光光谱谱展展宽宽现现象象, , 这这种种光光谱谱的的啁啁啾啾对对长长跨跨距距高高比比特特率率的的传传输输极极为为不不利利。 为为了了减减少少回回波波引引起起的的啁啾啁啾, , 必须在激光器中加入光隔离器。必须在激光器中加入光隔离器。(a) (a) 尾纤式激尾纤式激尾纤式激尾纤式激光器光器光器光器 ; ; (b) (b) 蝶式激光蝶式激光蝶式激光蝶式激光9ppt课件2. 光纤放大器光纤放大器在在长长距距离离光光通通信信系系统统中中, 需需要要大大量量使使用用光光纤纤放放大大器器。为为了了使使光光纤纤放放大大器器工工作作稳稳定定, 必必须须在在放放大大器器的的两两端端使使用用隔隔离离器器来来消消除除回回返返光光的影响。的影响。图图5. 9为一种掺铒光纤放大器框图。为一种掺铒光纤放大器框图。 10ppt课件在在千千兆兆比比特特率率的的越越洋洋海海底底光光缆缆中中, 需需要要用用到到超过超过50 个带光隔离器的光纤放大器。个带光隔离器的光纤放大器。隔隔离离器器的的性性能能指指标标将将直直接接影影响响放放大大器器的的增增益益和和噪噪声声, 设设计计时时常常要要求求光光隔隔离离器器的的回回波波损损耗、隔离度分别在耗、隔离度分别在 50dB 和和40dB 以上。以上。 11ppt课件3. 光纤光纤CATV 网网在在光光纤纤CATV网网中中传传播播多多路路径径信信号号的的时时候候, 必必须须使使用用高高线线性性、小小畸畸变变、大大输输出出功功率率和和低低噪噪声声的的DFB 激激光光器器, 光光器器件件上上还还必必须须装装上上光光隔隔离离器器, 以以保保证证反反射信号得到足够的衰减。射信号得到足够的衰减。由由于于模模拟拟信信号号抗抗干干扰扰能能力力较较数数字字信信号号差差, 所所以以对对隔隔离器的隔离度要求更高离器的隔离度要求更高, 常采用双级光隔离器。常采用双级光隔离器。CATV : Community Antenna Television12ppt课件图图5. 10所示为光隔离器在所示为光隔离器在 CATV 中的应用。中的应用。13ppt课件5.3.3 光隔离器的实现原理光隔离器的实现原理 1. 旋光现象和法拉第效应旋光现象和法拉第效应 平平面面偏偏振振光光通通过过物物质质后后振振动动面面发发生生旋旋转转的的现现象象叫叫作作旋旋光光现现象象, 能能够够使使平平面面偏偏振振光光的的振振动动面发生旋转的物质叫作面发生旋转的物质叫作旋光性物质旋光性物质。例例如如石石英英, 使使它它的的光光轴轴垂垂直直于于表表面面切切取取, 当当入入射射的的平平面面偏偏振振光光在在石石英英晶晶体体内内沿沿光光轴轴方方向向传传播播时时, 线线偏偏振振光光的的振振动动方方向向会会随随着着光光线线的的行行进而发生偏转。进而发生偏转。14ppt课件迎迎面面观观察察通通过过晶晶体体的的光光, 振振动动面面按按顺顺时时针针方方向向旋旋转转的的称称为为右右旋旋, 逆逆时时针针方方向向旋旋转转的的称称为为左旋。左旋。光光的的传传播播方方向向改改变变时时, 旋旋光光的的方方向向也也改改变变, 如如果果通通过过晶晶片片的的偏偏振振光光从从镜镜面面反反射射回回来来再再通通过过同同一一晶晶片片, 则则振振动动面面就就恢恢复复到到原原来来的的方方位位。15ppt课件Faraday Effect在强磁场的作用下在强磁场的作用下, 有些物质的光学性质会发生变化有些物质的光学性质会发生变化, 这这就是就是磁光效应磁光效应。当平面偏振光沿外加磁场方向通过介质时偏振面发生旋当平面偏振光沿外加磁场方向通过介质时偏振面发生旋转转, 这种性质叫作这种性质叫作磁致旋光性磁致旋光性, 这个现象叫这个现象叫法拉第效应法拉第效应。16ppt课件法拉第效应是最为人们所熟悉和最有用的法拉第效应是最为人们所熟悉和最有用的磁光效应磁光效应, 具有磁光效应的晶体称为磁光晶具有磁光效应的晶体称为磁光晶体。体。磁致旋转也磁致旋转也 有右旋和左旋有右旋和左旋, 对于每一种给定对于每一种给定的物质的物质, 磁致旋转的方向仅由磁场方向决定磁致旋转的方向仅由磁场方向决定, 和光线的传播方向无关和光线的传播方向无关, 这是磁致旋转和天这是磁致旋转和天然旋光现象不同的地方。然旋光现象不同的地方。17ppt课件沿着顺光线方向和逆光线方向观察沿着顺光线方向和逆光线方向观察, 天然旋光天然旋光现象中光的旋转方向是相反的现象中光的旋转方向是相反的, 平面偏振光若平面偏振光若两次通过两次通过天然旋光物质天然旋光物质, 一次沿某一方向另一一次沿某一方向另一次沿相反方向次沿相反方向, 结果振动面并不旋转结果振动面并不旋转.偏振光沿相反的方向两次通过偏振光沿相反的方向两次通过磁旋光物质磁旋光物质时时, 其旋转角加倍其旋转角加倍。18ppt课件由于磁致旋光性产生的振动面旋转与光线传由于磁致旋光性产生的振动面旋转与光线传播方向无关播方向无关, 利用这一点来利用这一点来 实现光隔离器的实现光隔离器的非互易性。非互易性。一个隔离体的构成主要有一个隔离体的构成主要有: 1.起偏器或偏振分束器起偏器或偏振分束器, 由偏振片或双折射晶由偏振片或双折射晶体构成体构成, 实现由自然光得到偏振光实现由自然光得到偏振光; 2.磁光晶体制成的磁光晶体制成的法拉第旋转器法拉第旋转器, 完成对光偏完成对光偏 振态的非互易调整振态的非互易调整; 3.检偏器或偏振合束器检偏器或偏振合束器, 实现将光线会聚平行实现将光线会聚平行出射出射。19ppt课件2. 偏振偏振相关相关光隔离器光隔离器偏偏振振相相关关光光隔隔离离器器的的结结构构包包括括空空间间型型和和全全光光纤型纤型, 不不论论入入射射光光是是否否为为偏偏振振光光, 经经过过这这种种光光隔隔离离器后的出射光均为线偏振光。器后的出射光均为线偏振光。 空空间间型型偏偏振振相相关关光光隔隔离离器器可可直直接接用用于于带带尾尾纤纤激激光光器器、二二极极管管泵泵浦浦固固体体激激光光器器、位位置置传传感感器器等等器器件件的的空空间间光光路路中中, 分分为为大大型型和和微微型型两两种。种。 20ppt课件大型器件以非饱和旋转器为特点大型器件以非饱和旋转器为特点, 典型尺寸为典型尺寸为 1 in(英寸英寸= 2.539999918 厘米厘米 ) 、2 in、4 in 等等, 用于用于YAG 激光器激光器中。中。而另一种基于饱和旋转器的微型隔离器尺寸很而另一种基于饱和旋转器的微型隔离器尺寸很小小, 如如3mm1. 9mm, 这种隔离器可用于这种隔离器可用于半导半导体激光器体激光器中。中。整个隔离器包括两个起偏整个隔离器包括两个起偏( 检偏检偏) 器和一个法拉器和一个法拉第旋转器。第旋转器。21ppt课件图图5.11 偏振相关光隔离器典型结构偏振相关光隔离器典型结构 22ppt课件23ppt课件偏振器置于法拉第旋转器前后两边偏振器置于法拉第旋转器前后两边, , 其透光轴方向彼此呈其透光轴方向彼此呈4545关系关系, , 当入射平行光经过第一当入射平行光经过第一 个起偏器个起偏器P1P1时时, , 变成线偏变成线偏振光振光, , 然后经法拉第旋转器然后经法拉第旋转器, , 其偏振面被旋转其偏振面被旋转4545, , 刚好与刚好与第二个检偏器第二个检偏器P2P2的透光轴方向一致的透光轴方向一致, , 于是光信号顺利通过而于是光信号顺利通过而进入光路中。进入光路中。反过来反过来, , 由光路引起的反射光首先进入第二个偏振器由光路引起的反射光首先进入第二个偏振器 P2 , P2 , 变成与第一个偏振器变成与第一个偏振器 P1 P1 的透光轴方向呈的透光轴方向呈 4545夹角的线偏振夹角的线偏振光光, , 再经过法拉第旋转器时再经过法拉第旋转器时, , 由于法拉第旋转器效应的非互由于法拉第旋转器效应的非互易性易性, , 被法拉第旋转器继续旋转被法拉第旋转器继续旋转 4545, , 其偏振面与其偏振面与P1 P1 透光透光轴的夹角变成了轴的夹角变成了9090, , 即与起偏器即与起偏器 P1 P1 的偏振方向正交的偏振方向正交, , 而而不能通过起偏器不能通过起偏器 P1 , P1 , 起到了反向隔离的作用。起到了反向隔离的作用。24ppt课件使用微型化光隔离器来制作器件时使用微型化光隔离器来制作器件时, 通常通通常通过柱透镜或球透镜过柱透镜或球透镜, 将来自半导体激光器的将来自半导体激光器的光信号经隔离器耦合到光纤中。光信号经隔离器耦合到光纤中。这里面这里面, 常需要将器件中的分立元件倾斜于常需要将器件中的分立元件倾斜于基座放置基座放置, 或将隔离器倾斜安装或将隔离器倾斜安装, 以提高整以提高整个器件的回波损耗个器件的回波损耗, 否则否则, 光学元件自身将光学元件自身将引起一定的反射。引起一定的反射。 25ppt课件3. 偏振无关光隔离器偏振无关光隔离器偏振无关偏振无关光隔离器是一种对输入光偏振态依赖光隔离器是一种对输入光偏振态依赖很小的光隔离器很小的光隔离器, 与偏振相关光隔离器相比与偏振相关光隔离器相比, 由由于其输出不为偏振光于其输出不为偏振光, 所以所以更具实用性更具实用性。26ppt课件1) Walk-off 型光隔离器原理型光隔离器原理 这种结构的偏振无关光隔离器的典型结构这种结构的偏振无关光隔离器的典型结构之一如图之一如图5. 12所示。所示。隔离体部分由三个平行偏振分束器隔离体部分由三个平行偏振分束器P1、P2、P3和一个和一个45法拉第旋转器法拉第旋转器FR构成构成, 且且P1 、P2 、P3 的厚度满足的厚度满足 27ppt课件式中式中式中式中, L, LP1P1 、L LP2P2 、L LP3P3 分别为相应偏振分束器的厚度。分别为相应偏振分束器的厚度。分别为相应偏振分束器的厚度。分别为相应偏振分束器的厚度。 28ppt课件29ppt课件30ppt课件31ppt课件P1P1与与P2P2的的光光轴轴夹夹角角为为4545, , P2P2与与P3 P3 的的光光轴轴夹夹角角为为 9090。输输入入光光信信号号经经自自聚聚焦焦透透镜镜准准直直成成平平行行光光束束, , 入入射射到到 P1 P1 , , 入入射射光光被被分分解解为为o o光光和和e e光光, , o o光光不不发发生生偏偏折折, , 以以原原来来的的方方向向出出射射, , e e光光走走离离, , 以以两两束束平平行行线线偏偏振振光光出出射射, , 这这两两束束线线偏偏振振光光进进入入法法拉拉第第旋旋转转器器FR, FR, 振振动动面面被被顺顺时时针针旋旋转转4545, , 由由于于P2P2与与 P1P1的的光光轴轴方方向向相相差差4545, , 所所以以P1P1中中的的o o光光和和e e光光进进入入P2P2后后仍仍为为o o光光和和e e光光, , e e光光进进一一步步走走离离, , 只是走离方向与只是走离方向与P1P1中的走离方向不同。中的走离方向不同。进进入入P3P3 后后, 由由于于P3P3与与P2 P2 的的光光轴轴垂垂直直, , 所所以以, , P2 P2 中中的的o o光光和和e e光光在在P3P3中中分分别别为为e e光光和和o o光光, , P3P3中中的的e e 光光走走离离。从从P3 P3 出出射射时时, , 两两束束线线偏振光重新会聚偏振光重新会聚, , 平行出射平行出射, , 被聚焦透镜耦合进入输出光纤。被聚焦透镜耦合进入输出光纤。 32ppt课件反向光入射时反向光入射时, , 经过将入射光分解为两束线偏振光经过将入射光分解为两束线偏振光, , 再经再经P2 P2 , , 由于由于P2 P2 和和P3 P3 的光轴垂直的光轴垂直, , 两束线偏振光分别在两束线偏振光分别在 P3 P3 和和P2 P2 中走离原来的方向中走离原来的方向, , 进入进入FRFR。由于它的非互易性。由于它的非互易性, , 它们的振它们的振动面被顺时针旋转动面被顺时针旋转 4545, , 这样这样, , 在在 P2 P2 中的中的o o光和光和e e光在光在P1P1中中分别为分别为e e光和光和o o光光, e, e光进一步走离光进一步走离, , 出射光分光距离进一步增出射光分光距离进一步增加加, , 而不会会聚在一起而不会会聚在一起, , 故不会被自聚焦透镜耦合进输入光故不会被自聚焦透镜耦合进输入光纤纤, , 从而实现反向隔离。从而实现反向隔离。 33ppt课件这这种种结结构构中中的的偏偏振振器器采采用用平平面面结结构构, 所所以以不不会会增增加加偏偏振振相相关关损损耗耗。但但由由于于偏偏振振元元件件的的增增加加, 体体积积较较大大, 光光路路比比较较长长, 因因而而制制成成的的器器件件整整体体体体积积大大, 同同时时因因为为增增加加了了光光学学元元件件, 所所以以带带来来了插入损耗的增加和组装工艺的困难。了插入损耗的增加和组装工艺的困难。 Walk-off 型型结结构构的的偏偏振振无无关关光光隔隔离离器器的的主主要要缺缺陷陷是是由由于于采采用用平平行行平平板板型型偏偏振振分分束束器器, 其其反反向向光光的的分分光光距距离离取取决决于于双双折折射射晶晶体体的的厚厚度度, 如如果果分分光光距距离离有有限限, 则则反反向向光光会会重重新新耦耦合合进进光光纤纤, 直接影响隔离度。直接影响隔离度。 34ppt课件2) Wedge 型光隔离器原理型光隔离器原理隔离体由两个光轴夹角为隔离体由两个光轴夹角为45的楔型双折射的楔型双折射晶体和一个法拉第旋转器构成。晶体和一个法拉第旋转器构成。35ppt课件首先分析光信号首先分析光信号正向传输正向传输的情况的情况, , 经过自聚焦透镜经过自聚焦透镜射出的准直光束射出的准直光束, , 进入楔型双折射晶体进入楔型双折射晶体 P1 P1 后被分后被分为为 o o 光和光和e e 光光, , 其偏振方向相互垂直其偏振方向相互垂直, , 传播方向呈传播方向呈一夹角一夹角, , 当它们经过当它们经过4545法拉第旋转器时法拉第旋转器时, , 出射的出射的o o 光和光和e e 光的偏振面各自顺时针方向旋转光的偏振面各自顺时针方向旋转 4545。由于第二个楔型双折射晶体由于第二个楔型双折射晶体 P2 P2 的光轴相对于第一的光轴相对于第一个晶体光轴正好呈个晶体光轴正好呈4545夹角夹角, , 所以所以o o光和光和e e 光被光被P2P2折折射到一起射到一起, , 合成两束间距很小的平行合成两束间距很小的平行 光束光束, , 并被斜并被斜面透镜耦合到光纤纤心里面面透镜耦合到光纤纤心里面, , 因而正向光以极小损因而正向光以极小损耗通过隔离器耗通过隔离器, , 正向光传播的示意图如图正向光传播的示意图如图5.145.14所示。所示。36ppt课件正向光传播的示意图如图正向光传播的示意图如图5. 14所示所示。37ppt课件38ppt课件由由于于法法拉拉第第旋旋转转器器的的非非互互易易性性, , 当当光光束束反反向向传传输输时时, , 首首先先经经过过晶晶体体 P2 P2 , , 分分为为偏偏振振面面与与 P1 P1 晶晶轴轴成成 4545角角的的o o光光和和e e光光, , 由由于于这这两两束束线线偏偏振振光光经经过过4545法法拉拉第第旋旋转转器器时时, , 振振动动面面的的旋旋转转方方向向由由磁磁感感应应强强度度B B 确确定定, , 而而不不受受光光线线传传播播方方向向的的影影响响, , 所所以以, , 振振动动面面仍仍顺顺时时针针方方向向旋旋转转4545, , 相相对对于于第第一一个个晶晶体体 P1 P1 的的光光轴轴共共转转过过了了9090, , 整整个个逆逆光光路路相相当当于于经经过过了了一一个个渥渥氏氏棱棱镜镜, , 出出射射的的两两束束线线偏偏振振光光被被P1 P1 进进一一步步分分开开一一个个较较大大的的角角度度, , 被被斜斜面面透透镜镜偏偏折折, , 不不能能耦耦合合进进光纤纤芯光纤纤芯, , 从而达到反向隔离的目的从而达到反向隔离的目的, , 39ppt课件反向光传播的示意图如图反向光传播的示意图如图5. 15所示所示。40ppt课件41ppt课件42ppt课件这这种种类类型型的的光光隔隔离离器器结结构构简简单单, 元元件件数数目目少少, 整整个个器器件件体体积积小小, 插插入入损损耗耗小小, 是是目目前前应应用用最广泛、最普及最广泛、最普及的偏振无关光隔离器结构。的偏振无关光隔离器结构。但但却却因因斜斜面面和和双双折折射射棱棱镜镜的的使使用用, 输输出出光光为为 两两束束间间距距很很小小的的平平行行光光束束, 没没有有会会聚聚在在一一起起, 存存在在平平行行位位移移W, 而而且且由由于于传传输输路路径径不不同同, o 光光和和e 光光之之间间会会有有光光程程差差, 因因此此这这种种结结构构的的偏振无关光隔离器存在偏振无关光隔离器存在偏振模色散偏振模色散。 43ppt课件楔形系统光隔离器 优点：结构简单 调试方便 不足：“平行位移” “偏振模色散” 改进：两级结构2) 两级结构光隔离器原理两级结构光隔离器原理44ppt课件45ppt课件46ppt课件47ppt课件