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?偏振相關(guān)光隔離器的原理
根據(jù)光隔離器的偏振特性可將光隔離器分為偏振相關(guān)型和偏振無關(guān)型。偏振相關(guān)光隔離器不論入射光是否為偏振光，經(jīng)過這種光隔離器后的出射光均為線偏振光，這種光隔離器的典型結(jié)構(gòu)如下圖所示。
整個(gè)光隔離器包括兩個(gè)起偏(檢偏)器和一個(gè)法拉第旋轉(zhuǎn)器。偏振器置于法拉第旋轉(zhuǎn)器前后兩邊，其透光軸方向彼此呈45°關(guān)系，當(dāng)入射平行光經(jīng)過第一個(gè)起偏器P1時(shí)，被變成線偏振光，然后經(jīng)法拉第旋轉(zhuǎn)器，其偏振面被旋轉(zhuǎn)45°，剛好與第二個(gè)檢偏器P2的透光軸方向一致，于是光信號(hào)順利通過而進(jìn)入光路中。
反過來，由光路引起的反射光首先進(jìn)入第二個(gè)偏振器P2，變成與第一個(gè)偏振器P1透光軸方向呈45°夾角的線偏振光，再經(jīng)過法拉第旋轉(zhuǎn)器時(shí)，由于法拉第旋轉(zhuǎn)器效應(yīng)的非互易性，被法拉第旋轉(zhuǎn)器繼續(xù)旋轉(zhuǎn)45°，其偏振面與P1透光軸的夾角變成了90°，即與起偏器P1的偏振方向正交，而不能通過起偏器P1，起到了反向隔離的作用。
偏振無關(guān)光隔離器的類型及原理
在光纖通信中，由于光纖波導(dǎo)為圓形，光波在其中傳播時(shí)，偏振方向是隨機(jī)變化的，因此與偏振無關(guān)的光隔離器具有更強(qiáng)的適用性，應(yīng)用也更為廣泛。偏振無關(guān)的光隔離器主要有楔型和平行平板型兩種。
1、楔型偏振無關(guān)光隔離器
楔型光隔離器的結(jié)構(gòu)如下圖所示，隔離體由兩個(gè)光軸夾角為45°的楔形雙折射晶體P1和P2和一個(gè)法拉第旋轉(zhuǎn)器FR構(gòu)成。
首先分析光信號(hào)正向傳輸?shù)那闆r，經(jīng)過自聚焦透鏡射出的準(zhǔn)直光束，進(jìn)入楔形雙折射晶體P1后，光束被分為o光和e光，其偏振方向相互垂直，傳播方向呈一夾角，當(dāng)它們經(jīng)過45°法拉第旋轉(zhuǎn)器時(shí)，出射的o光和e光的偏振面各自順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)45°，由于第二個(gè)楔形雙折射晶體P2的光軸相對(duì)于第一個(gè)晶體光軸正好呈45°夾角，所以o光和e光被P2折射到一起，合成兩束間距很小的平行光束，并被斜面透鏡耦合到光纖纖心里面，因而正向光以極小損耗通過光隔離器，正向光傳播的示意圖如下圖所示。
由于法拉第旋轉(zhuǎn)器的非互易性，當(dāng)光束反向傳輸時(shí)，首先經(jīng)過晶體P2，分為偏振面與P1晶軸成45°角的o光和e光，由于這兩束線偏振光經(jīng)45°法拉第旋轉(zhuǎn)器時(shí)，振動(dòng)面的旋轉(zhuǎn)反向由磁感應(yīng)強(qiáng)度°確定，而不受光線傳播方向的影響，所以，振動(dòng)面仍順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)45°，相對(duì)于第一個(gè)晶體P1的光軸共轉(zhuǎn)過了90°，整個(gè)逆光路相當(dāng)于經(jīng)過了一個(gè)渥氏棱鏡，出射的兩束線偏振光被P1進(jìn)一步分開一個(gè)較大的角度，被斜面透鏡偏折，不能耦合進(jìn)光纖纖芯，從而達(dá)到反向隔離的目的，反向光傳播的示意圖如下圖所示。
在單級(jí)光隔離器中楔型結(jié)構(gòu)是目前應(yīng)用較為廣泛的一種結(jié)構(gòu)，這種類型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，元件數(shù)目少，構(gòu)成的器件體積小，成本低，是較為經(jīng)濟(jì)實(shí)用的一種結(jié)構(gòu)，但由于兩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的橫向位移。
2、平行平板型偏振無關(guān)光隔離器
這種隔離度的基本結(jié)構(gòu)之一如下圖所示，隔離體部分由三個(gè)平行偏振分束器P1、P2、P3和一個(gè)45°法拉第旋轉(zhuǎn)器FR構(gòu)成，且P1、P2、P3的厚度滿足:LP1=√2LP2=√2LP3。
其中，LP1、LP2和LP3分別為相應(yīng)偏振分束器的厚度。P1與P2的光軸夾角45°，P2與P3的光軸夾角90°。這種結(jié)構(gòu)中的偏振器采用平面結(jié)構(gòu)，所以不會(huì)增加偏振相關(guān)損耗。但由于偏振元件的增加，體積較大，光路比較長(zhǎng)，因而制成的器件整體體積大，同時(shí)因?yàn)樵黾恿斯鈱W(xué)元件，帶來了插入損耗的增加和組裝工藝的難度。
另一種基本類型的平行平板型偏振無關(guān)光隔離器的結(jié)構(gòu)如下圖所示。隔離體由兩個(gè)平行偏振分束(合束)器P1和P2、一個(gè)45°互易旋轉(zhuǎn)器(半波片)RR和一個(gè)45°法拉第旋轉(zhuǎn)器FR構(gòu)成。此中結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的偏振相關(guān)損耗較小，且兩個(gè)45°旋光器對(duì)光隔離器的色散和溫度特性有補(bǔ)償作用，故溫度適應(yīng)范圍要大一些。同前面一種光隔離器一樣，由于旋光元件的增加，光路比較長(zhǎng)，所以制成的器件整體體積大，同時(shí)也增加了插入損耗和組裝工藝的難度。
平行平板型結(jié)構(gòu)的偏振無關(guān)光隔離器主要的缺陷是，由于采用平面形偏振分束器，其反向光的分光距離取決于雙折射晶體的厚度，如果分光距離有限，則反向光會(huì)重新耦合進(jìn)光纖，直接影響隔離度;其次，半波片的應(yīng)用使光隔離器的工作波長(zhǎng)和工作帶寬受限。
兩級(jí)偏振無關(guān)光隔離器的結(jié)構(gòu)及原理
由于光通信系統(tǒng)和光器件發(fā)展的要求，目前對(duì)偏振無光隔離器的研究越來越多，其中采用楔形雙折射晶體的結(jié)構(gòu)尤為受到重視，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)試比較方便的特點(diǎn)，能夠滿足光通信的一般要求，但存在傳輸光的“平行位移”和“偏振模色散”等不足，隔離度難以有更大的提高，為了得到高性能的偏振無關(guān)光隔離器，提出了兩級(jí)結(jié)構(gòu)的楔型偏振無關(guān)光隔離器，如下圖。
通過采用兩級(jí)互補(bǔ)結(jié)構(gòu)，使進(jìn)入Ⅱ級(jí)中的o光和e光與Ⅰ級(jí)中的o光和e光相互對(duì)換，即在Ⅰ級(jí)中的o光進(jìn)入Ⅱ級(jí)后成為e光，而e光則變?yōu)閛光。這樣兩束光在Ⅰ級(jí)光隔離器產(chǎn)生的光程差和位移，在Ⅱ級(jí)中正好得到了反向補(bǔ)償，從而對(duì)整個(gè)器件來說，正好消除了平行位移和偏振模色散。正向光的傳播示意圖如下圖所示。
反向入射的光路圖如下圖所示，反向光被Ⅱ級(jí)光隔離器發(fā)散一定的角度后，又進(jìn)入Ⅰ級(jí)光隔離器，出射光被進(jìn)一步發(fā)散分離，即可以獲得更高的隔離度。采用兩級(jí)的結(jié)構(gòu)，光隔離器的正向插入損耗與單級(jí)光隔離器相比不會(huì)有很大的增加，通常比兩個(gè)單元光隔離器的簡(jiǎn)單相加要小，而反向隔離度會(huì)大大提高。
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