高隔离度的自由空间型光隔离器研究

高隔离度的自由空间型光隔离器研究

陆众

深圳朗光科技有限公司   518133

摘要：光隔离器能够传输正向光信号，阻隔反向光信号的传输，可防止光通信系统在运行过程中出现噪声增大、频率漂移等问题，从而提高光信号的传播速度和传播质量。根据实际需求的不同，光隔离器类型主要分为线型和自由空间型两种。本文以高隔离度的自由空间型光隔离器为例，探讨光隔离器的实际应用，并对这种光隔离器的制作工艺进行探讨。

关键词：光隔离器；自由空间型；光通信系统

引言：随着实际应用中对光信号要求的不断提高，光通信系统逐渐向高功率大容量的方向发展。回返光是破坏光通信系统稳定传输的关键因素之一，光隔离器能够有效隔离回返光，且能低损耗地传输正向光提高系统的稳定性。隔离度则是衡量光隔离器性能的重要参数，高隔离度的光隔离器不仅能提高光通信系统的性能，还能保障系统的可靠性及安全性。

1.光隔离器的应用

1.1应用于激光器

就目前的光纤通信技术而言，单向输出的激光器工作波长漂移度较小，如果通过高频调制的手段进行调整，激光器在输出时依旧会出现光谱扩散的现象，这种光谱的变化产生的啁啾声不利于长距离的比特率传输。在传输设备中加入光隔离器能够有效减少光谱波动产生的杂声。目前常使用光隔离器的激光器有两种，一种是尾纤式激光器，一种是蝶式激光器。

1.2应用于光纤放大器

在传统的光纤通信系统当中，克服远距离对光纤信号的衰减主要是通过每隔一段距离增加一个再生中继器的方式不断加强光信号。但是这种光电不断转化的形式使得通信系统十分复杂，且整个通信系统的稳定性不足，尤其是在多通道的光纤通信系统当中，这种增加再生中继器的方式稳定性大大不足。光纤放大器的出现很巧妙地解决了这一问题，目前应用最广泛的一种光纤放大器为EDFA，这一光纤放大器的技术更加成熟，整体性能能够满足多渠道的光纤通信传输需要。在光纤放大器当中应用光隔离器，能够有效减少光纤放大器本身存在的不足。信号光在经过自由空间型光隔离器之后能够被转变成偏振光，同时也能有效隔离系统当中发射出来的散光。最后通过某一个器件进行分流，一部分作为监控光，一部分再进入到隔离器当中，将所有的散光全部筛除，最后将信号光以及泵浦光通过波分复用器一同用光纤放大器进行放大，能够有效提高光纤通信系统的信息传输质量。

1.3应用于光纤网

电视画面当中出现的重影问题是由于无线电波的多路径传输造成，如果光纤的传输信号较弱则会导致电视画面出现一大片雪花，甚至在电磁波的干扰下也会导致电视画面质量下降。同时，卫星电视还需要匹配相应的卫星电视接收器以及转换器，且这一技术的发展速度较快。大部分光纤通信网络在进行画面传输时往往需要使用大输出功率、低噪音、高线性且小畸变的激光器，同时还要保证光纤网当中有足够的光隔离器，尽量减少反射信号对光信号产生的影响。相对于数字信息而言，光纤网模拟信号的抗干扰能力较差，因此对光隔离器的隔离度提出了更高的要求，大部分光纤网会采用双级隔离器来提高其模拟信号的抗干扰能力[1]。

2.高隔离度的自由空间型光隔离器的制作工艺

2.1自由空间型光隔离器工作原理

随着高功率激光器技术的不断发展，光纤通信系统对光隔离器的高功率性也提出了更高的要求，与此同时也要求降低光隔离器的制作成本。传统晶体材质的光隔离器由于制作成本较高而逐渐被取代，通过使用钒酸钇晶体和钆镓石榴石晶体作为法拉第旋转器的主要材料，钒酸钇晶体本身的机械性和物理性较强，能够有效替代金红石以及方解石作为光隔离器的主要材料，能够大大降低制作成本还能够提高光隔离器的功率，其隔离度以及损耗度也能够达到使用要求。自由空间型光隔离器的工作是通过法拉第效应完成的。所谓法拉第效应指的是在光线穿过磁性物质的过程中，偏振光的光矢量会在一定程度上产生偏转，这种偏转会产生左旋和右旋两种圆偏型振光，并在这两个不同的方向上产生不同的光效应。目前已有的单级隔离器最大的隔离度在30dB左右，已经无法满足当前对单信道传输系统速率提出的高要求。在这种背景下，研发出了双级隔离器，这种隔离器本身的隔离度和功率更高，其光路为五片式结构，包括分布为偏振片、旋转片、偏振片、旋转片和偏振片。相对于单级隔离器而言，这种隔离器多了一片旋转片与偏振片，并且能够保证在光线的正向传输时减少偏振光的损耗。在这种隔离器当中，光信号自准直器当中射出，在空间中传输时以高斯光束的形式进行。在光信号通过双折射晶体之后会被分为相互垂直且传播方向相同的两束光，一束光保持原有的方向，而另一束光则向上偏移。在经过达拉第旋转器之后光矢量会顺时针旋转45度，之后经过双折射晶体后继续向上偏移。在经过多次折射之后，分散的两束光又重新合成一束光，最终在通过准直器耦合之后完成光线的正向传输。

2.2自由空间型光隔离器结构性能

自由空间型光隔离器设计倾斜角为a，且a角一般在4°—8°范围内，能够将反射的光以2a的角度折射出去，能够保证回损度在65dB以上。在安装和焊接光隔离器以及激光器时，如果已经存在一定的角度，就必须在光隔离器中设置倾斜角。第一，在自由空间型光隔离器当中主要采用二向色性的玻璃偏振片，消光度能够达到40dB以上，且厚度保持在0.5mm，不仅能够满足微型化的要求还能够降低追踪成本。在镀上一层增透膜之后，中心波长附近的反射率能够维持在0.2%以下。

第二，旋转片的材质主要选择铽镓石榴石单晶，这种石榴石单晶是采用液相外延技术生长的，同时掺杂一部分铋。铋元素的加入能够有效增加法拉第的旋转角进而提高法拉第效应的实际效果。该旋转片旋转45°时，其厚度依旧不会超过0.5mm，能够有效降低损耗。自由空间型光隔离器的隔离度主要受波长、温度、偏振片、旋转片的影响，在理想状态下自由空间型光隔离器的隔离度能够达到59dB以上。

2.3自由空间型光隔离器的测试方法

在对自由空间型光隔离器的光隔离能力进行测试时，为了保证测试结果准确必须要仔细调节偏振控制器的偏振方向，保证可调节激光器当中射出来的线偏振光能够保持与被测隔离器第一片偏振片的透光方向保持一致。除此之外，整个测试过程还要严格做好遮光措施，避免外界光线对测试结果产生影响[2]。计算机给激光器发出指令之后，能够使光路改变射波长并从功率计当中获取数据，进而绘制波长曲线图。同时，在测试过程中要对光纤做好固定，保证在激光器中射出的光能够保持30dB左右的偏振度，这种偏振度对光隔离器隔离度产生的影响相对较小，如果用保偏光纤准直器代替原有普通的光纤准直器，则能够获得更准确的测试结果。在测量光隔离器损耗时，可以直接使用回波损耗测试仪接收隔离器的光，能够有效缩短测量时间并提高测量精确度。

总结：在光纤通信系统发展进程中，高隔离度的自由空间型光隔离器是非常关键的组成部分。目前光纤行业对光隔离器的制作成本以及实际性能提出了更高的要求，不仅要提高隔离度更要满足高速率单信道的光传输系统的要求，同时也需要满足多信道的传输需求。

参考文献：

[1] 申向伟,王大贵,吴中超,等. 熔锥型光纤侧面泵浦耦合器的研究[J]. 压电与声光,2022,44(3):463-466.

[2] 陈杰，周圣明. 面向高功率激光隔离器的磁光材料（特邀）[J]. 红外与激光工程，2020,49(12):217-228.