高功率光纤隔离器隔离度与隔离功率影响因素研究

高功率光纤隔离器隔离度与隔离功率影响因素研究

严安全

广州奥鑫通讯设备有限公司  广东广州  510925  

摘要：随着现代科学技术的优化，升级了激光器的输出功率，研究隔离器的应用则显得至关重要。本文通过对高功率光纤隔离器应用中容易影响隔离度以及隔离功率的相关因素进行探究，并提出了精确调节法拉第旋转角并对反响光路进行优化降低光热作用的方式解决影响，从而促使该隔离器提升至50W的耐受隔离功率。

关键词：光纤隔离器；高功率；隔离度；隔离功率

引言：作为一种单向通光的光无源器件，光隔离器只能够允许光源从正方向通过。作为光隔离器中的一种，光纤隔离器使用到光纤作为输入以及输出的材料，对于激光系统起到良好的安全保护作用。在不断提升激光输出功率的背景下，需要提升光隔离器的隔离度优化以及隔离功率提升作业。

1 高功率光纤隔离器结构以及原理

1.1结构

主要是对光纤隔离器中最常见的偏振型光隔离器进行介绍。包括起偏器p1、检偏器p2、法拉第旋转器结构组成。当想光纤隔离器投入正向光时，将会形成与起偏器p1相一致的透光轴状态，并通过全部光线。最后在法拉第旋转器的作用下，形成45°的顺时针旋转角，能够调整到与检偏器相一致的透光轴方向，同样会促使光线全部通过。

1.2原理

光隔离器在应用过程中主要是表现为允许正向光穿透传输的效果，对反向光起到隔绝作用，借助于磁光晶体所形成的磁光效应打破了以往光线可逆的原理，同样这一效应也是促使光隔离器正常运行的基础原理。通过在平面偏振光实验中发现，基于磁场中的不同介质进行穿透，促使偏振面出现了明显的旋转现象，从而根据这样的偏振光旋转角对该介质进行研究，发现其为磁光晶体结构，对反向光具有一定的隔离作用，从而生成了单一的光线传导效果[1]。

2 隔离度影响因素以及提升办法

2.1影响隔离度的相关因素

隔离度是一项重要的指标，借助了隔离器，处理反向传输形式的光束，展现出来的隔离能力便是隔离度，另外对于光信号来说，属于其凭借相反的方向，并且借助隔离器衍生的数值。针对于隔离度，做出明晰定义：

在式子中，分别分析、的含义，对于前者，主要发生在隔离器的反向侧，表示其中的光功率，对于后者，发生在正方向侧，主要指的是收到光功率的输出形式。

经过分析，可以看出隔离度越高，整体间隔反向光的能力就会增加。隔离度经受的影响因素众多，比如，应用偏振相关光形式的隔离器时，需要用到起偏器，还需要利用到检偏器，使用时需要检查和分析消光比，检查设备的透光轴的角度，应保持着垂直。应用法拉第旋转器的环节中，依据偏振光的要求，检查旋转角之间是否刚好是直角的一半，这些内容都会起到一定的影响。应用偏振无关光形式的隔离器时，对于法拉第旋转器，需要注意的内容和上述一致。分析这两种类型的光隔离器，其中影响因素有着重合之处，也就是角度误差的影响，此项因素也是重要内容之一。通过分析可知，对于隔离度，其感应角度误差的能力较强，隔离度的数值越大，对于法拉第设备来说，需要执行的角度误差约束水平就要越高。

2.2解决办法

在法拉第旋转器应用时，对其旋光角度误差做好约束，有助于发挥光隔离器的功能，明显提高其隔离度。如果应用的材料确定下来，就可以明确旋光角度误差的因素，涉及到晶体的长度，另外还涉及到外加磁场。材料具有自己的特点，同时也会受到约束，需要合理的控制偏转角，这时才会达到需要的磁场强度，如果想要产生较大的磁场，就需要利用大块的磁铁。将法拉第旋转器引进应用过程中，为了减小它的体积，一般是借助磁铁组合的形式，这样才能得到稳定的磁场，受到晶体的影响，其加工时有着公差等问题，导致旋转角出现了偏差，不利于隔离度的研究。所以，为了缓解上述问题，在应用TGG晶体时，可以调整其在磁场中的位置，更好的带动偏转角改变角度，从而实现隔离度的调节。

3 隔离功率影响以及相关解决办法

3.1影响隔离功率的相关因素

通过向隔离器进行反向注入的激光将会被隔离难以输出，并在隔离器的内部以热能形式存在，进而将会造成隔离器结构出现严重的温度上升问题。一般情况下而言隔离度将会对隔离功率产生一定影响，若出现相对较高的隔离度，则证明会形成更强的光纤隔离器隔离反相光功能，在反向光功率一致的情况下，将会促使隔离器出现相对较高的内部消耗问题。处于30dB以上的隔离度，将会初始光隔离器内部消耗99.9%以上的反向光能量[2]。

通过对隔离器内部结构受到的反向光功率影响进行模拟，则构建了相应的测试平台，在室温条件下，向铝块中心瞄射激光，并对铝块并无散热状况的情况下实际升温状态进行观察记录。根据实际当中的结果进行研究发现，在铝块无明显散热的情况下，铝块受到5W左右的激光照射，最终温度将会升高到80℃左右，将会对光纤涂层产生一定的烧毁风险。

随后对铝块进行降温处理，并再次进行实验，加大激光输出功率，发现在经过测试之后，激光达到30W思维参数状态，将会导致铝块温度升高到100℃以上，光纤涂层将会受到影响，同时也会出现光路存在变化以及胶水软化等众多问题。并提升到50W的激光输出功率，发现胶水融化并彻底烧毁，光纤同样出现烧毁问题。因此则相应的证明了，对隔离功率产生影响的相关因素就是基于内部高功率反向光的产生。因此，为了保障高功率隔离器具有良好的隔离功率状态，则需要相应的做好处理措施。

3.2解决办法

基于高功率光纤隔离器在实际当中的使用需求以及成本方面进行考虑，基于反向光的实际诸如功率为50W，则材料无需替换使用磁光晶体，确保功率阈值得到满足的基础条件下，选择准直光斑直径为1mm即可。经过研究分析，可以通过降低反向光功率的方式解决热影响问题。根据上文中介绍的典型偏振无关隔离器，发现注入的反向光从上下两个角度分为两束向隔离器的输入端进行注入。基于总功率参数为50W，则每一束的光其实际功率为25W。因此，基于这样的激光输出功率，需要再次对水冷铝块结构进行相应的仿真模拟实验。通过相关实验研究发现，尽管在水冷散热的作用下，有效的降低了铝块表层温度，温度状态能够降低到75℃以下，但是这一温度对于光纤而言，已经逐渐逼近受损临界值。较长时间中促使胶水状态仍旧处于受到影响的情况，因此，为了能够通过对反向光功率进行调节，则相应的需要对光路方向进行改变，或是以降低光路密度的方式，从而在一定程度上能够实现更加良好的光纤保护作用，从而提升光纤隔离器的隔离功率。

结论：通过对高功率的光纤隔离器隔离度以及隔离功率所受到的影响因素进行研究，通过改变偏振旋转角并修改反向光路的方式，最终促使整体隔离功率提升到50W以上，具有良好的使用效果。

参考文献：

[1]马云亮,司旭,徐呈霖. 高功率光纤隔离器隔离度与隔离功率的影响因素[J]. 光纤与电缆及其应用技术,2020,(04):1-5+13.

[2]李晓佩,胡姝玲,章博. 光纤隔离器中双包层影响的分析[J]. 光电子技术,2016,36(03):155-158+163.