一种微型宽带光隔离器的设计

摘 要：光反馈进入发光端后会对激光产生影响，缩短其寿命，并且会影响整个光通信系统的通信质量。光隔离器则是防止反馈光的有力器件。随着科学技术的不断进步，现在的光隔离器体积越做越小，性能越来越优良，而且成本也大幅降低，但仍没有十分完美的产品。如何将所有的优点整合到一起成为了今后光隔离器开发目标。论文重点介绍了微型宽带光隔离器的设计方法。
关键词：偏振无关；插入损耗；反向隔离度的

0 引言
    半导体激光器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。因此需要用光隔离器阻止反射光。光隔离器是一种只允许光沿一个方向通过而在相反方向阻挡光通过的光无源器件。它通过光纤回波反射的光能够被光隔离器很好的隔离，隔离度代表了光隔离器对回波隔离(阻挡)能力。光隔离器是一种非常有用的器件，通常被使用在光路中用来避免光路中的回波对光源，泵浦源以及其他发光器件造成的干扰和损害。包括偏振无关型在线式光隔离器和偏振相关小型化光隔离器。普通的偏振无关光隔离器一般都需要将光拆成o光和e光两部分，这就必须得用到偏光分束器。常用的偏光分束器有两种：l.双折射楔形晶体2．平行分束的双折射walk—off型晶体。它们有着明显的缺点：前者会使o光和e光在晶体中的光程不一样，产生自然偏振膜色散，必须得外加偏振膜色散补偿片，这样一来既增加了成本又增大了隔离器的体积。后者虽然可以使o，e光光程相同，但晶体本身体积过大，难以满足现今光通信系统对器件小型化的要求。为此，设计了一种无需偏振膜色散补偿片并加入1／4波片或全波片来达到扩展带宽目的的微型带宽光隔离器克服了以上两者的缺点，且总体性能良好。

1 原理与结构
    微型带宽光隔离器的传播原理
    图1表明了光在微型宽带光隔离器中的传播情况。先看(a)图，这是光正向传输的情况，从1到2，光经历了从非偏振光变成o，e两束线偏振光，其中e光向下偏移，与o光成一定距离△L。自聚焦透镜起扩束准直的作用，这时o，e两束光仍保持原来的角度，当它们通过法拉第旋光片后，其光矢量均向逆时针方向旋转45度。在后一个双折晶体6中，o，e光发生了互换，且晶体6中的e光向下偏移的距离为△L，o光位置保持不变。可见它们再一次被耦合到一起，最后进入单光纤头7，实现了正向光的有效传输。再看图(b)，反向光进入晶体6后被拆成。光和e光。这是通过法拉第旋光片后它们的偏振方向正好和正向传输时通过法拉第旋光片后的偏振方向均成90度夹角。法拉第旋光片是非互易效应的，所以o光和e光在双折射薄片里均有距离为△L的偏移，且方向相反。这样一来一共产生了2△L的距离差，使得o光和e光难以耦合进入单光纤头l，达到了反向隔离的目的。现在我们可以清楚地了解到这种光隔离器不会使o光和e光产生光程差，自然偏振模色散
理论上就为0了，就不必再加入补偿片了，节省了成本与体积。

    微型带宽光隔离器的结构
    图2为这种光隔离器的结构图，它由一个双折射分光准直器，一个法拉第旋光片和一个双折射合光准直器组成。

    其中分光准直器和合光准直器分别由一个单光纤头，一个双折射薄片和一个自聚焦透镜组成。

2 微型带宽光隔离器的设计
2．1 微型带宽光隔离器的主要性能指标有：
    (1)插入损耗
    (2)反向隔离度
    (3)隔离度带宽
    光隔离器具有一定的隔离度带宽，常以30dB来衡量，所以也叫做30dB隔离度带宽。
    (4)偏移距离△L
    光经过双折射晶体后从非偏振光变成o、e两束线偏振光，其中e光向下偏移，与o光成一定距离△L。要让此种光隔离器获得较好的隔离度，△L的大小至关重要，而△L又和双折射薄片的厚度L有关。图3为双折射晶体分布图。

    (5)回波损耗
    (6)偏振相关损耗PDL
2．2 微型带宽光隔离器的设计：
    这里主要是分析设计微型宽带光隔离器的三个方面。
    (1)反向隔离度的设计
    反向隔离度与工作波长及法拉第旋光片的波长有着密切关系。在中心波长(1．55μm)处可以获得很好的反向隔离度，但当工作波长转移到近1．51μm或1．59μm后，反向隔离度就降低了约50dB，效果不是很理想。为此，可以在法拉第旋光片后加入一个1／4波片或全波片来补偿这种隔离器的旋光色散特性。改良后，当波长移到1．51μm和1．59μm处，反向隔离度也只是减小了20 d B。

    (2)△L的设计
    (3)隔离度带宽的设计
    在法拉第旋光片后加入一个1／4波片或全波片，不仅减小了反向隔离度并可以使50dB光隔离器的隔离度范围变成大约80nm以上，故称为微型宽带光隔离器。

3 展望未来
    在我国，光隔离器在七十年代就被列为重点开发项目，到了八十年代后，其发展步伐越来越快。光隔离器的产品性能越来越好，体积越来越小。随着单膜光纤通信的发展，光隔离器的发展正朝着高性能，集成化，微型化，多功能，低价格的方向一步步发展。未来的光隔离器可能是一种微型化的高性能集成器件。所以利用纳米制造技术制造体积更小的光隔离器将成为一个趋势。纳米制造是一种更为高效的制造技术。这种技术利用半导体晶片制造工艺在亚微米尺寸上制作元器件。纳米制造技术使尺寸低于光波长的微型结构得以实现，它可以在不同材料(如玻璃、熔融石英、III—IV族材料、石榴石)、不同规格(如圆形、矩形)的基底上制作出各种形状(如轨道形、柱形、棱锥形、圆锥形)的器件。通过适当地选择材料、基底、形状、规格便可以在纳米结构上实现光隔离器的功能。纳米制造的光隔离器的核心部件就是直接在石榴石基底上集成纳米偏振结构。这项技术的应用给光隔离器带来了三大优势：体积小、稳定性高、成本低。

4 结论
    光隔离器是广泛应用于光纤通信中的光无源器件。随着光通信技术向高速、大容量方向发展，光路中反射已经成为一个必须解决的问题，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一光隔离器。光隔离器是光通信技术中广泛应用的重要无源器件之一，目前国内外市场处于一种供不应求的局面。光隔离器经过十几年的发展，已产生了—系列的器件，如阵列(2in1 or 3inl)光隔离器小型光隔离器，还有一些隔离器与WDM、Tap、GFF等滤波器件混合的器件等，这些器件都已在光讯科技研制成功，并批量生产。按隔离器的形状可分为在线型和自由空间型两大类，按偏振相关和偏振无关来分在线型和自由空问型两种都有，一般来说自由空间型、偏振相关型隔离器应用较多，主要应用在有源器件的封装。