高隔離度的自由空間型光隔離器

1、高隔離度的自由空間型光隔離器季杭峰1 , 黃德修1 , 林斌2 , 屈洪昌2(11 華中科技大學(xué) 光電子工程系 ,湖北 武漢 430074 ; 21 福州康順光通訊有限公司 ,福建 福州 350014)摘要 :報道了一種自由空間型雙級光隔離器 ,其隔離度大于 59 db ,插入損耗小于 0 . 3 db ,工作帶寬達(dá) 60 nm ,尺寸結(jié)構(gòu)適于半導(dǎo)體激光器模塊的內(nèi)置封裝 。給出了其基本原理 、性能分析 、 結(jié)構(gòu)設(shè)計以及測量方法 。關(guān)鍵詞 :光隔離器 ; 偏振 ; 自由空間 ; 半導(dǎo)體激光器中圖分類號 : tn15文獻(xiàn)標(biāo)識碼 : b文章編號 : 1001 - 5868 (2002) 01 - 0

2、012 - 04free space optical isolator with high isolationj i hang2feng1 , huan g de2xiu1 , l in bin2 , q u ho ng2chang2( 1 . dept. of optoelectron ic engineering , huazhong un iversity of science and technology , wuhan 430074 , chn2 . koncent commun ication inc. , fuzhou 350014 , chn)abstract : a t wo

3、2stage f ree space isolato r is repo rted w ho se isolatio n is bet ter t han 59 db , wit ht he insertio n lo ss of less t han 0 . 3 db wit hin t he bandpass of 60 nm. the p hysical size is fit ted fo r t he packaging of semico nducto r laser mo dule . the operating p rinciple , perfo r mance , st r

4、uct ural design and it s measurement are given .key words : op tical isolato r ; polarizatio n ; f ree space ; semico nducto r laser其外形常為圓筒形或長方體 。本文報道一種偏振相關(guān)的用于半導(dǎo)體激光器模 塊中的自由空間型光隔離器 。文中首先介紹自由空 間型光隔離器的基本工作原理和結(jié)構(gòu)設(shè)計 ,然后對其性能進(jìn)行分析 ,最后介紹測量其指標(biāo) (插損和隔離 度) 的方法和結(jié)果 。1引言在光通信系統(tǒng)中 ,半導(dǎo)體激光器和光放大器被用于產(chǎn)生和中繼光信號 。但它們易受系統(tǒng)中的回返光的

5、影響 ,使工作不穩(wěn)定1 ( 如引起頻率漂移 、信號 強度變化 、噪聲增大等) 。為此 ,需要在光源或光放 大器前接入光隔離器 。光隔離器是一種對正向傳輸光損耗很小 ,而對 反向光損耗很大的非互易性器件 。按其應(yīng)用場合不同 ,可 分 為 在 線 型 ( in2line ) 和 自 由 空 間 型 ( free space) 。前者主要用于光纖線路中 。由于光纖線路 中存在模式耦合 ,從光源出來的線偏振光將不再保 持原有的偏振態(tài) ,所以在線型光隔離器必須是偏振 無關(guān)的 。后者主要用于 d fb 激光器中 ,直接起到隔離反射到 d fb 激光器芯片的回返光的作用 ,它們是 偏振 相 關(guān) 的 。由 于

6、 常 需 要 封 裝 在 激 光 器 中 ( 如 furukawa 封裝) ,自由空間型光隔離器要求微型化 ,2工作原理自由 空 間 型 光 隔 離 器 主 要 是 基 于 法 拉 第( faraday) 效應(yīng)2。faraday 效應(yīng)就是當(dāng)光線穿過磁性物質(zhì)的時候 ,偏振光的光矢量發(fā)生旋轉(zhuǎn) 。偏振面的旋轉(zhuǎn)是由于相應(yīng)變成左旋和右旋圓偏振光 ,并在 這兩個方向產(chǎn)生不同的效應(yīng) 。目前單級隔離器的隔離度約為 30 db , 已不能滿足日 益 增 高 的 單 信 道 傳 輸 系 統(tǒng) 速 率 的 需 要 ( 10gbit/ s 甚 至 40 gbit / s ) 。另 外 密 集 波 分 復(fù) 用 (dwdm

7、) 的應(yīng)用則要求光隔離器有較大的工作帶 寬 ,并且在帶寬內(nèi)隔離度盡可能平坦 。因此雙級隔收稿日期 :2001 - 09 - 13 .離器應(yīng)運而生 ,它具有更高的隔離度和更大的工作帶寬 ,并在帶寬內(nèi)隔離度較平坦 。 我們設(shè)計的雙級自由空間型光隔離器在光路上采用五片式結(jié)構(gòu) ,即“偏振片 - 旋轉(zhuǎn)片 - 偏振片 - 旋 轉(zhuǎn)片 - 偏振片”結(jié)構(gòu) ,如圖 1 所示 。它比單級結(jié)構(gòu)3多了一片旋轉(zhuǎn)片和一片偏振片 。三片偏振片 ( p1 ,p2 和 p3) 的透光軸依次沿同一方向 ( 順時針或逆時 針) 轉(zhuǎn)過 45°,兩片旋轉(zhuǎn)片 ( fr1 和 fr2) 在飽和磁場 作用下的旋轉(zhuǎn)角也為 45

8、6;。這樣 ,在正向傳輸時 ( 見 圖 1 (a) ) ,從激光器出來的線偏振光由于其偏振面 與 p1 的一致 , 所以可以低損耗通過 。然后在通過 fr1 后 ,其偏振面被順時針或逆時針旋轉(zhuǎn)了 45°,與 p2 的透光方向一致 , 所以也可以順利通過 。同理 , 經(jīng) fr2 的 45°旋 轉(zhuǎn) , 又 可 通 過 p3 。在 反 向 傳 輸 時 (見圖 1 ( b) ) ,由于 faraday 效應(yīng)的非互易性 ,從 p3 透過來的偏振光的偏振面仍被 fr2 順時針或逆時 針旋轉(zhuǎn) 45°, 這樣剛好與 p2 的透光方向垂直 , 所以 回返光被阻擋掉了 。但是由于偏振

9、片 、旋轉(zhuǎn)片都存 在的消光比的問題以及旋轉(zhuǎn)角 、裝配時的誤差 ,回返 光不能被理想地隔離 ,仍會有一部分光透過 p2 ,而 且這部分光的偏振方向與 p2 的透光方向一致 。為 此 ,需要通過 p1 和 fr1 構(gòu)成的第二級的隔離 。這 也正是雙級比單級多一片旋轉(zhuǎn)片和一片偏振片的原 因 。3結(jié)構(gòu)設(shè)計和性能分析我們設(shè)計的雙級自由空間型光隔離器結(jié)構(gòu)如圖2 所示 。圖中設(shè)計的傾斜角 , 是為了增大隔離器本身的回波損耗 ( rl ) , 這樣因 反 射 回 去 的 光 將 以2的角度偏折出去 。一般 選為 4°8°,可以保證 回?fù)p大于 65 db 。當(dāng)然 , 如果隔離器在與激光器模

10、塊安裝 、焊接時就有一定角度 ,就不必作傾斜角了 。圖 2 雙級自由空間型光隔離器的結(jié)構(gòu)示意圖圖 2 中用于產(chǎn)生磁場的磁鐵是一釤鈷 ( sm -co) 磁環(huán) 。所用的偏振片是一種二向色性的玻璃偏 振片 ,其消光比大于 40 db ,厚度為 0 . 5 mm ,可以滿足微 型 化 的 要 求 。經(jīng) 鍍 增 透 膜 后 , 其 在 中 心 波 長(1 550 nm) 附近的反射率小于 0 . 2 % 。旋轉(zhuǎn)片是一 種采用液相外延 (l p e) 技術(shù)生長的鉍 (bismut h) 摻 雜的石榴石單晶 。在單晶中摻入大量鉍離子可以使法拉第旋轉(zhuǎn)角增加 ,這樣它的法拉第效應(yīng)就非常顯著 ,旋轉(zhuǎn) 45

11、76;所對應(yīng)的厚度僅為 0 . 46 mm ,這有利于 器件的微型化 。另外 ,它具有低的插損 ,所需的磁場 強度低 (5 . 2 ka/ m) 。自由空間型光隔離器的主要指標(biāo)有插入損耗( l i) 、隔離度 ( i ) 以及回波損耗 ( l r ) 。由于它的偏 振相關(guān)性 ,所以它沒有在線型的那些與偏振相關(guān)的 指標(biāo) (如 pdl , pmd 等) 。以下簡要分析 l i , i 以及 它們與波長 、溫度的關(guān)系 。3 . 1 插入損耗(a) 正向傳輸自由空間型隔離器的插損主要來源于偏振片 、旋轉(zhuǎn)片本身的吸收和反射 。一般鍍減反 ( a r) 膜后 ,由反射帶來的損耗得到降低 ,同時也可以消除或

12、緩 解一些由于反射所導(dǎo)致的隔離度下降的問題 。旋轉(zhuǎn) 角偏差也會帶來一些損耗 。如果旋轉(zhuǎn)角偏差為, 根據(jù)馬呂斯 ( malus) 定律4 ,其帶來的插損為= - 10lo g co s () 2( 1)l i ,d( b) 反向傳輸圖 1 雙級自由空間型光隔離器原理圖令= 1°,則 l i ,d = 0 . 001 3 db ?？梢?,由此帶來的自由空間型光隔離器的 l i 和 i 的測試光路如溫度變化而發(fā)生偏離所引起的 。設(shè)旋轉(zhuǎn)角波長相關(guān)圖 4 所示 。測試時 ,從可調(diào)諧激光器 ( tl s) 出來的線偏振光通過一個偏振控制器 ( pc) ,它的偏振方向 可通過 pc 在大于 180

13、°的范圍內(nèi)調(diào)節(jié) ; 然后出射光通過一個普通單光纖準(zhǔn)直器得到準(zhǔn)直 ,并入射到被測隔離器上 ;最后通過隔離器的光被一自由空間型 光學(xué)探頭接收 ,其光能由功率計 ( pm) 測得 。為了測 量準(zhǔn)確 ,必須仔細(xì)調(diào)節(jié) pc ,使從 tl s 出來的線偏光的偏振面與被測隔離器的第一片偏振片 p1 ( 測 l i 時) 或倒過來的第一片偏振片 p3 (測 i 時) 的透光方 向相一致 。另外 ,整個測試光路必須采用一定的遮 光措施 (如用擋光光闌) ,這在測 i 時尤其重要 。計 算機通過 gp ib 接口給 tl s 發(fā)出指令 ,使其按一定的步長改變出射波長 ,并同步從 pm 中讀取數(shù)據(jù) ,這

14、樣就可得到 l i 和 i 對波長的關(guān)系曲線圖 。系數(shù) 、溫度相關(guān)系數(shù)分別為k 和k t , 則在 和 t 的變化范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)角的最大偏差為max由此帶來的 l i ,d為= k + t k t( 2)co s (max) 2( 3), = 3 . 925°,l i ,d= -10log若取k =- 0 . 056°/ nm , k t = - 0 . 045°/±50 nm , t = ±25°, 則相應(yīng)的 maxl i ,d = 0 . 02 db ?？梢?, l i 對波長和溫度的變化同樣不太敏感 。3 . 2隔離度由 malus

15、 定律 , 且同時考 慮 其 波 長 、溫 度 相 關(guān) 性 ,雙級隔離器的隔離度可表示為 sin (r (, t ) ) 2i (, t ) = - 10log( 4)其中 ,r (, t ) = k + t k t( 5)隔離度與波長 、溫度的關(guān)系曲面 (波長變化范圍取 0 + 25 nm , 溫度變化范圍取 0 + 50 ) 如圖3 所示 。另一方面 ,隔離度還受偏振片 、旋轉(zhuǎn)片的消光比 的影響 。我們所用的偏振片和旋轉(zhuǎn)片的消光比都以40 db 計算 ,在理想情況下雙級隔離器的隔離度為圖 4 自由空間型光隔離器的測試光路圖與文獻(xiàn) 3 給出的測試方法相比 ,本方法有以下幾個重要的不同點 :(

16、1) 文獻(xiàn) 3 的測試方法是用 l ed 光源通過一 起偏棱鏡來產(chǎn)生線偏光的 ,而我們僅把從 tl s 出來 的光當(dāng)成具有較好的偏振度的線偏光來用 。顯然 , 前者產(chǎn)生的線偏光比后者的偏振度要高 。而光源的 偏振度會影響到測量的準(zhǔn)確度 。以測 l i 為例 ,當(dāng)入 射光的偏振度 為 99 % ( 20 db ) 時 , l i 將 偏 大 0 . 044 db 。但是 ,如果偏振度達(dá)到 99 . 9 % (30 db) 時 , l i 僅3 ×10 - 40/ 102 ×10 - 40/ 10i = 10lo g- 10lo g= 72 . 218 db( 6)綜合考慮圖

17、3 和消光比 ,雙級隔離器的隔離度在一定帶寬 、一定溫度內(nèi)主要受限于材料的消光比 ,而且 在這個范圍內(nèi)隔離度曲線將很平坦 。偏大 0 . 004 3 db , 基本上可忽略由此帶來的誤差 。由于這里使用的單模光纖很短 ,模式耦合不嚴(yán)重 ,只要在測試過程中固定好光纖 ,從 tl s 出來的光仍可 以保證其原有的偏振度 ( 約 30 db) ,所以對 l i 的影 響甚小 。如果用保偏光纖準(zhǔn)直器來代替這里的普通 光纖準(zhǔn)直器 ,效果會更好 。事實上 ,固定好光纖同樣也是 文 獻(xiàn) 3中 測 試 方 法 的 要 求 , 因 為 其 所 用 的l ed 光源的偏振度并不為理想的零 ,光纖的抖動會使出射光的

18、偏振態(tài)發(fā)生改變 ,由于起偏棱鏡的消光圖 3 雙級隔離器隔離度與波長 、溫度的關(guān)系曲面圖比很高 ,會使打到被測隔離器上的光強本身就發(fā)生很大的變化 ,從而也會影響測量的準(zhǔn)確性 。(2) 文獻(xiàn) 3 中用了一對準(zhǔn)直器 ,使通過被測隔 離器的光用其中右邊的準(zhǔn)直器接收后由光譜分析儀(o sa) 讀取 。在測量插損時 ,通過被測隔離器的光 是由準(zhǔn)直器接收的 ,而準(zhǔn)直器接收時會產(chǎn)生一定的 耦合損耗 ,這部分損耗會增加到被測隔離器的插損 里面去 ,使得測量值偏大 。在測量隔離度時 ,不能保 證此時反方向的插損已經(jīng)調(diào)到最小 ,這樣測量會有 很大的偏差 (通常會偏大) 。我們直接用一自由空間型的光學(xué)探頭來接收通過被

19、測隔離器的光 。它很好 地仿真了自由空間型隔離器的實際使用情況 。這個 光纖探頭的光學(xué)接收面對光斑直徑僅為數(shù)百微米量 級的通過被測隔離器的光來說足夠大 。這樣既可以 省去調(diào)節(jié)調(diào)整架的麻煩 ( 對測插損也如此) ,縮短測量時間 ,也使得測量更準(zhǔn)確 。(3) 文獻(xiàn) 3 中的測試方法主要是針對單級的 隔離器設(shè)計的 ,所以它用 l ed 光源也是可以的 。但 是若測試的是雙級隔離器的隔離度 ,由于它的隔離 度很高 ( 約 60 db) ,這樣就會因為 l ed 的光強太弱而使測試結(jié)果曲線上有很多毛刺 ,甚至完全不能準(zhǔn) 確測出 。為此 ,我們使用了有較大輸出功率的可調(diào) 諧光源 ,并設(shè)置輸出光強在 5 d

20、b m 左右 。綜上所述 ,我們使用的測試方法具有測試方便 、 準(zhǔn)確 ,以及測試時間短等優(yōu)點 。圖 5 雙級自由空間型光隔離器的測量結(jié)果6結(jié)束語高隔離度的自由空間型光隔離器在未來的光纖通信系統(tǒng)中是不可缺少的 。我們制作了一種中心波長為 1 550 nm 的 c 波段雙級光隔離器 ,它具有很高 的隔離度 ,可以滿足高速率單信道光傳輸系統(tǒng)的需要 。同時它的尺寸小 ,適合于 d fb 激光器模塊的內(nèi) 封裝 。理論和實驗表明 ,雙級隔離器的隔離度受限 于材料的消光比 ,因此提高材料的消光比將是提高 隔離度的重要途徑 。參考文獻(xiàn) :michael n z. efficient erbium2doped fiber amplifiers incorporating an op tical isolator j . i eee j . quant umelect ro n. , 1995 , 1 (3) : 472 - 479 .12