光隔離器工作原理

光隔離器主要利用磁光晶體的法拉第效應(yīng)。法拉第效應(yīng)是法拉第在1845年首先觀察到不具有旋光性的材料在磁場作用下使通過該物質(zhì)的光的偏振方向發(fā)生旋轉(zhuǎn)，也稱磁致旋光效應(yīng)。沿磁場方向傳輸?shù)钠窆?，其偏振方向旋轉(zhuǎn)角度θ和磁場強度B與材料長度L的乘積成比例。光隔離器的工作原理如圖1所示。

對于正向入射的信號光，通過起偏器后成為線偏振光，法拉弟旋磁介質(zhì)與外磁場一起使信號光的偏振方向右旋45度，并恰好使低損耗通過與起偏器成45度放置的檢偏器。對于反向光，出檢偏器的線偏振光經(jīng)過放置介質(zhì)時，偏轉(zhuǎn)方向也右旋轉(zhuǎn)45度，從而使反向光的偏振方向與起偏器方向正交，完全阻斷了反射光的傳輸。

法拉弟磁介質(zhì)在1μm~2μm波長范圍內(nèi)通常采用光損耗低的釔鐵石榴石(YIG)單晶。新型尾纖輸入輸出的光隔離器有相當好的性能，最低插入損耗約0.5dB、隔離度達35~60dB，最高可達70dB。

光隔離器種類繁多，包括在線式光隔離器，自由空間光隔離器等，我們提供各 種規(guī)格的光隔離器，用來滿足不同應(yīng)用領(lǐng)域的需求。1310/1480/1550nm偏振無關(guān)光隔離器內(nèi)部設(shè)計針對單模光纖中兩種正交的偏振態(tài)分別處理的工藝，保證整個器件的偏振無關(guān)特性。單極器件具有較低的插入損耗，雙級器件有極高的光隔離度，適合于不同的應(yīng)用場合，主要應(yīng)用于光纖放大器，光纖激光器，光纖CATV網(wǎng)以及衛(wèi)星通訊等。

光隔離器一般以波長來區(qū)分，800-1300nm的較多，也有一些特殊波長。

通過光纖跳線將LD光源輸出端連接到光功率計，從光功率計讀出其輸出功率，即光隔離器輸入功率。

光 的特點是高隔離度、低插損;高可靠性、高穩(wěn)定性;極低的偏振相關(guān)損耗和偏振模色散。

它的作用是防止光路中由于各種原因產(chǎn)生的后向傳輸光對光源以及光路系統(tǒng)產(chǎn)生 的不良影響。例如，在半導(dǎo)體激光源和光傳輸系統(tǒng)之間安裝一個光隔離器，可以在很大程度上減少反射光對光源的光譜輸出功率穩(wěn)定性產(chǎn)生的不良影響。在高速直接調(diào)制、直接檢測光纖通信系統(tǒng)中，后向傳輸光會產(chǎn)生附加噪聲，使系統(tǒng)的性能劣化，這也需要光隔離器來消除。在光纖放大器中的摻雜光纖的兩端裝上光隔離器，可以提高光纖放大器的工作穩(wěn)定性，如果沒有它，后向反射光將進入信號源(激光器)中，引起信號源的劇烈波動。在相干光長距離光纖通信系統(tǒng)中，每隔一段距離安裝一個光隔離器，可以減少受激布里淵散射引起的功率損失。因此，光隔離器在光纖通信、光信息處理系統(tǒng)、光纖傳感以及精密光學(xué)測量系統(tǒng)中具有重要的作用。

目前，在片上集成全光路中應(yīng)用較多?，F(xiàn)在研究多放在如何將光隔離器和片上COMS電路集成問題上。

一種雙端口的具有非互易特性的光器件。它對沿正向傳輸?shù)墓庑盘査p很小而對沿相反方向傳輸?shù)墓庑盘査p很大，構(gòu)成光的單向通路。在激光器與傳輸光纖間接入光隔離器，能有效地抑制線路中從光纖遠端端面、光纖連接器界面等處產(chǎn)生的反射光返回激光器、從而保證激光器工作狀態(tài)的穩(wěn)定，降低系統(tǒng)因反射光引起的噪聲。這對高速率光纖通信相干光光纖通信系統(tǒng)更顯重要。

要求光隔離器插入損耗低(例如0.5dB)，隔離度反向損耗小，或正向損耗大(例如30dB)。

光隔離器種類較多，主要有塊狀光隔離器、全光纖型光隔離器、集成光波導(dǎo)光隔離器及與偏振無關(guān)的光隔離器等。

磁光隔離器磁光隔離器又稱光單向器，是一種光非互易傳輸光無源器件，即沿正向傳輸方向具有較低插入損耗，而對反向傳輸光有很大衰減作用的無源器件。磁光隔離器也時常簡稱光隔離器，但與電路中利用光隅隔離電聯(lián)系的光隔離器不同，光通信用的光隔離器是隔離光而不是隔離電，且是無源器件。隨著光通信技術(shù)向高速、大容量方向發(fā)展，光路中的光反射已成為一個必須解決的重要問題，額外的光反射使光通信系統(tǒng)變得不穩(wěn)定，增加誤碼率，限制了長距離的光信號傳輸。而只允許光線沿光路正向傳輸，阻隔反向傳輸光線的光隔離器能夠解決反射光這一問題。在長距離或高速率光纖通信系統(tǒng)中，光隔離器是必不可少的器件。

在國外，光隔離器在70年代開始即被列為重點開發(fā)項目!28,291，我國在這方面的研究起步較晚，但在國家科委和國家自然科學(xué)基金的大力支持下，研究開發(fā)工作也己經(jīng)取得很大進 展。自從日本電氣公司最早使用((GdY)3Fe50,:材料制成世界第一個光隔離器以來，光隔離器的研制日益興起(25,261國外研制光隔離器的公司很多，以美國和日本為例就有數(shù)十家1201。光隔離器已商品化，廣泛應(yīng)用于高速大容量單模光纖通信、EDFA光放大器、DFB-LD半導(dǎo)體激光器、CATV光纜電視等系統(tǒng)中。磁光隔離器產(chǎn)品其中以日本FDK公司和美國E-TEK公司比較具有代表性。國內(nèi)有武漢郵電科學(xué)院生產(chǎn)光隔離器。

國內(nèi)光隔離器研制水平與國外相比，在產(chǎn)品加工、封裝工藝等方面仍有一定差距。目前，光隔離器的研制特點是器件工作波長系列化(從紫外直到近紅外)、高指標、小型化、產(chǎn)品化。圣1.1在光通信中的作用在光通信系統(tǒng)中，外部光反饋，即外部的反射端面將部分激光輸出反射回激光器諧振腔的現(xiàn)象，顯著地影響著半導(dǎo)體激光器的性能，進而影響通信系統(tǒng)的性能。在實際應(yīng)用中，外部光反饋造成了嚴重的問題。例如，激光管到光纖的光禍合回路中，光纖端面上的反射引起調(diào)制響應(yīng)特性的惡化，輸出光功率不穩(wěn)定及輸出光頻率抖動，并造成強度噪聲的增加J,-0J。外部光反饋不僅影響輸出光功率和輸出光頻率，而且還產(chǎn)生多穩(wěn)態(tài)性和回滯現(xiàn)象[s1。在激光器輸出口加光隔離器能夠阻擋反射光進入激光器，對穩(wěn)定激光器輸出有非常大的功用。在光纖通信系統(tǒng)中，摻餌光纖放大器(EDFA,Erbium-dopedfiberamplifier)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，正是EDFA的出現(xiàn)才使長距離全光傳輸成為可能。但在EDFA中巨大的增益伴隨著放大的自發(fā)射(ASE,Amplifiedspontaneousemission)，反向傳輸?shù)腁SE造成增益飽和，這樣就增加了噪聲指'f((NF,Noisefigure)f6J。

光纖光隔離器與摻餌光纖放大器EDFA組合應(yīng)用，可以消減反向ASE，從而增加最大增益及減小噪聲指數(shù)。所以，在高速率或長距離光纖通信中，光隔離器已經(jīng)成為必不可少的重要器件。現(xiàn)在正高速發(fā)展的密集波分復(fù)用光纖通信中，光隔離器更是發(fā)揮著巨大的作用。在光纖通信中，越是高速率、越是大容量的系統(tǒng)，光隔離器的作用越是顯著，實際上，在光纖通信主干網(wǎng)上，光隔離器是不可或缺的。圣1.2磁光隔離器原理磁光隔離器是非互易光無源器件。光隔離器工作基于法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，即在磁場的作用下，光通過磁光物質(zhì)時其偏振方向會發(fā)生旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，這種偏振面旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象也叫磁致旋光效應(yīng)。由磁光物質(zhì)和磁鐵組成的器件稱法拉第旋轉(zhuǎn)器。對于給定的透明介質(zhì)，光偏振面旋轉(zhuǎn)的角度a與光在磁光物質(zhì)中通過的距離1及磁感應(yīng)強度B成正比:B二VlB(1一1)式((1-1)中V是磁光物質(zhì)的特性常數(shù)，稱為維爾德(Verdet)常數(shù)，單位為deg/(Gs"cm)。從偏振特性的角度來說，由于磁場對磁光材料的作用是產(chǎn)生磁光效應(yīng)，所以磁光材料引起的光偏振面旋轉(zhuǎn)方向取決于外加磁場的方向，與光的傳播方向無關(guān)。逆著光看去，當線偏振光沿著磁力線方向通過介質(zhì)時，其振動面向右旋轉(zhuǎn);當偏振光沿磁力線反方向通過磁光介質(zhì)進，其振動面則向左旋轉(zhuǎn)，所以法拉第效應(yīng)具有非互易性。光隔離器都以法拉第效應(yīng)非互易性為基礎(chǔ)，不同類型光隔離器原理稍有區(qū)別。現(xiàn)以偏振相關(guān)光隔離器為例說明光隔離器的原理。如圖1-1所示，沿光傳播方向設(shè)一平行磁場(磁場方向是正向還是反向決定于磁光晶體的磁致旋光特性)，磁光晶體材料放置于磁場中，磁光材料前后兩邊分別放置偏振器。