光隔离器

刘金华 B21014100 10级光信息

摘要：目前光通信技术向高速、大容量方向发展，但是由于某些关器件，如LD及光

放大器等对来自连接器、熔接点、滤波器等的反射光非常敏感，并导致性能恶化使光路中出现反射，从而影响到信息的准确传递。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。本文主要是介绍了不同种类的光隔离器的结构及其工作原理、在不同领域中应用和其未来的发展。

Direction of optical communication technology to high-speed, large-capacity development, but due to some switching devices, such as LD and optical amplifier light reflected from the connector, welding points, filters are very sensitive and

cause performance deterioration of the optical pathin reflection, and thus affect the accurate transmission of information. Thereby which only allows the light along the optical path of the forward transmission non-reciprocity passive device - optical isolator. This paper introduces the structure and operating principle of the different types of optical isolator, in different areas of the application and its future development.

关键词：种类 结构 工作原理 前景

引言:在光网络中，无源器件主要用于把光信号分类或解复用后再送到适当的输出端

口。然而某些关器件，如LD及光放大器等对来自连接器、熔接点、滤波器等的反射光非常敏感，并导致性能恶化。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。光隔离器的工作原理主要是利用磁光晶体的法拉第效应。法拉第效应是法拉第在1845年首次观察到不具有旋光性的材料在磁场作用下使通过该物质的光的偏振方向发生旋转的现象，也称为磁致旋光效应。沿磁场方向传输的偏振光，其偏振方向旋转角度θ和磁场强度B与材料长度L的乘积成比例 。下图就是光隔离器的原理图。

对于正向入射的信号光，通过起偏器后成为线偏振光，法拉弟旋磁介质与外磁场一起使信号

光的偏振方向右旋45度，并恰好使低损耗通过与起偏器成45度放置的检偏器。对于反向光，出检偏器的线偏振光经过放置介质时，偏转方向也右旋转45度，从而使反向光的偏振方向与起偏器方向正交，阻断了反射光的传输。 新型尾纤输入输出的光隔离器有相当好的性能，最低损耗约为0.5dB，隔离度为35--60dB，最高可达70dB。因此，光隔离器在光纤通信、光信息处理系统、光纤传感及精密光学测量系统中具有重要作用。

一、不同种类光隔离器(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。

1．1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。

1．2偏振无关光隔离器的典型结构和工作原理

1.楔型偏振无关光隔离器。楔型光隔离器的结构如图2所示，

隔离体由两个光轴夹角为45°的楔形双折射晶体P1和P2和一个法拉第旋转器FR构成。 首先分析光信号正向传输的情况，经过自聚焦透镜射出的准直光束，进人楔形双折射晶体P1后，光束被分为O光和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°法拉第旋转器时，出射的O光和e光的偏振面各自顺时针方向旋转45°，由于第二个楔形双折射晶体P2的光轴相对于第一个晶体光轴正好呈45°夹角，所以O光和e光被P2折射到一起，合成两束间距很小的平行光束，并被斜面透镜耦合到光纤纤心里面，因而正向光以极小损耗通过隔离器，正向光传播的示意图如图3所示。

由于法拉第旋转器的非互易性，当光束反向传输时，首先经过晶体P2，分为偏振面与P1晶轴成45°角的O光和e光，由于这两束线偏振光经45°法拉第旋转器时，振动面的旋转反向由磁感应强度B确定，而不受光线传播方向影响，所以，振动面仍顺时针方向旋转45°，相对于第一个晶体P1的光轴共转过了90°，整个逆光路相当于经过了一个渥氏棱镜，出射的两束线偏振光被P1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。

在单级光隔离器中楔型结构是目前应用最为广泛的一种结构，这种类型结构简单，元件数目少，构成的器件体积小，成本低，是最为经济实用的一种结构，但由于两束偏振光存在光程差，所以存在偏振模色散，并且出射光存在δ的横向位移。

2.平行平板型偏振无关光隔离器。这种隔离度的基本结构之一如图5所示，

隔离体部分由三个平行偏振分束器Pl、P2、P3和一个45°法拉第旋转器FR构成，且Pl、P2、P3的厚度满足： Lp2= Lp3，Lp1为其对角线长度。

其中，Lpl、 和Lp3分别为相应偏振分束器的厚度。P1与P2的光轴夹角45°，P2与P3的光轴夹角90°。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。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，带来了插人损耗的增加和组装工艺的难度。 平行平板型结构的偏振无关光隔离器主要的缺陷是，由于采用平面形偏振分束器，其反向光的分光距离取决于双折射晶体的厚度，如果分光距离有限，则反向光会重新耦合进光纤，直接影响隔离度；其次，半波片的应用使隔离器的工作波长和工作带宽受限。

二、 光隔离器的主要特性指标

光隔离器的主要特性指标是插入损耗L和隔离度Io 设Pi正、P0正为正向传输时的输入和输出功率,而Pi反、P0反为反向传输时的输入和输出功率, 则正向损耗为

L1 =10log( Pi正PP0正) (dB)

反向损耗为

L2 =10log( Pi反PP0反) (dB)

而隔离度则为反向损耗与正向损耗之差

I = L2- L1

隔离度I越大,光隔离器的作用效果就越好。

三、 光隔离器的用途

下面仅从3个方面来说明光隔离器的用途,当然光隔离器的用途十分广泛,不仅限于此。

4.1 用在激光器与光纤之间

在光纤通信中,当光纤与激光器耦合时,其端面或接头处的反射将影响激光器的稳定性。这在高码速光纤通信系统,相干光纤通信系统,频分复用光纤通信系统,光纤有线电视系统以及精密光学测量系统等的应用中是一个重要问题。为了消除反射波对激光器的影响,需要在激光器与光纤之间加光隔离器。

4.2 作为光纤放大器的组成部件

光纤放大器的出现预示着光纤通信将进入一个新时期,利用光纤放大器可以大大提高发射端光纤内的光功率,可以实现光—光功率放大,可以提高接收端的接收灵敏度。光隔离器是光纤放大器的重要组成部件,下面即为光纤放大器的组成示意图,这里仅以掺铒光纤放大器(EDFA)为例来说明光隔离器在光纤放大器中所起的作用。掺铒光纤放大器(前向泵浦)的构成如图3所示。

在光纤放大器中,光隔离器主要用来防止反射光引起信号光源或泵浦光源的波动,并保证信号在放大器内单向传输。一般来说一个光纤放大器中应至少采用两个光隔离器,有些光纤放大器在掺铒光纤前后各使用两个光隔离器以提高放大器的性能。另外,利用光隔离器还可

以提高泵浦光的泵浦效率,同时防止输出光返回到光纤放大器中产生不良的干扰。

4.3 用在精密光学测量系统中

在光谱分析技术中常常要用到光隔离器。例如,在光谱分析实验中,如果发光材料发出的光又被外界物质反射到发光材料上,那么我们所测量到的结果就不能如实地反映发光材料在我们所设定的外界条件下本应该具有的某些性质,为了消除这些外界的干扰,我们常在发光材料和测量仪器之间加一光隔离器。我们在研究某些新型光电子材料的发光机制时,尤其要注意排除与前面类似的干扰。现在光电子材料的研究还处在攻坚阶段,尽管已研制出了许多新型的发光材料(如多孔硅、量子纳米团簇等许多种硅基低维半导体材料) ,但是这些材料的发光能力不仅很弱,而且它们的发光状况容易受外来光的影响,这就要求我们在研究它们的发光机制时更要排除外界物质的反射光对它们的影响,像上面介绍的一样,只要在它们和外界之间放一光隔离器就可以排除这种干扰了。

四、 光隔离器的前景

光网络的发展已经让光纤到家庭、到路边和到大楼不再遥不可及WDM技术的飞速发展大大地刺激了光通信用无源器件的需求，据预测在今后几年内光无源器件的市场价值会迅速达到几十亿美元。

当今时代,信息技术正在迅猛发展,要求信息传递的速度更快,信息存储能力更大,信息处理能力更强,为了适应这一要求,人们开始用速度最快的光作为载体,发展光通信技术。随着光通信技术的进一步发展,人们对光隔离器的各项特性指标也提出了更高的要求,为此,研制新一代的光隔离器已成为光通信技术进一步发展的需要。

同时在成技术或光电子集成技术,光隔离器也有很大的应用。人们孜孜不倦地去探索各种光电子材料过程中，当然离不开光谱分析和光电能谱检测,光隔离器在其中起着举足轻重的作用。光集成技术或光电子集成技术能够使得大规模生产量子化的光电器件就成为可能。在这些量子化的光电器件内,有时也需要用光隔离器来排除它们各自发出的光信号被其他量子点反射回来而产生的不良影响。到那时,制造量子化的光隔离器和发展光隔离器与其他光电器件的集成技术已成为时代的迫切需要。

我国从70年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。

参考文献

朱勇，王江平等 光纤通信原理与技术 科学出版社

刘增基，周洋溢等 光纤通信 西安电子科技大学出版社

吴磊 光环形器—光网络中的重要无源器件 世界宽带网络 10-2001 尚连聚 光隔离器 曲阜师范大学物理系