晶体光学器件 .pdf

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1、第6章 晶体光学器件双折射晶体在光无源器件中有着广泛的应用，可以制成光隔离器、 光环行器、 偏振光合束器和光学梳状滤波器等多种光器件。光学梳状滤波器同时隶属波分复用器件的范畴，将在第七章介绍。 本章重点介绍基于双折射晶体的光隔离器、光环行器和偏振光合束器。6.1 晶体光学基础光无源器件中常用的双折射晶体一般是单轴的，此处从应用的角度， 先对单轴晶体的光学特性作一些简单的介绍。6.1.1 单轴晶体中的双折射现象在各向同性介质中，光能量的传播方向（即光线方向S）与光波的传播方向（即波法线方向 K）总是保持一致的。而在各向异性的双折射晶体中，存在两种光波：一种是寻常光（ o 光） ，其光线方向与波法

2、线方向保持一致；另一种是非寻常光（e 光） ，其光线方向偏离波法线方向。一般情况下，o 光与 e光在双折射晶体中的折射率不一样，因此传播速度也不相同。在双折射晶体中，存在一些特殊的方向，沿此方向传输的光波，o 光与 e光的光线完全重合，并且传播速度也完全相同，或者说只有o 光而没有 e 光，这些特殊方向称为晶体的光轴。单轴晶体只存在一个光轴，其折射率椭球如图6.1 所示，o 光折射率小于 e 光折射率的晶体称为正单轴晶体，其折射率椭球为橄榄状的长椭球形；o 光折射率大于 e 光折射率的晶体称为负单轴晶体，其折射率椭球为飞碟状的扁椭球形。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - -

3、- - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 41 页 - - - - - - - - - 图 6.1 单轴晶体的折射率椭球折射率椭球的物理意义可由图6.2 解释，图中所示为正单轴晶体，o 光和 e 光的波法线分别为 Ko和 Ke，过原点并垂直波法线作折射率椭球之截面，对o 光和 e光各得到一个椭圆形截面， 每个椭圆均有长轴和短轴两条轴线，对 o 光取位于水平面内的轴线长度 no为其折射率，对e光则取非位于水平面内的轴线长度n2为其折射率。图 6.2 正单轴晶体中的光波与折射率如图 6.2 所示，当波法线与光轴方向一致时， 所

4、得截面是一个位于水平面内的圆形，名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 41 页 - - - - - - - - - 只有一个轴线长度no，因此只有 o 光而没有 e光。当波法线垂直光轴时， 所得截面是一个位于竖直平面内的椭圆，长轴和短轴分别为ne和 no，因此 o 光和 e 光的光线在空间上仍然重合，但是传播速度不同，产生位相差。一般情况下，波法线与光轴成夹角 ，所得椭圆截面的长轴和短轴分别为n2和 no，o 光波法线 Ko与 e光波法线 Ke分开一定角度，o

5、光的光线 So与波法线 Ko方向一致，e光的光线 Se与波法线 Ke之间存在离散角 。在正单轴晶体中， e光的光线比波法线更靠近光轴，而负单轴晶体中的情况正好相反。o 光与 e光波法线之间的夹角取决于入射光波在晶体界面上的折射情况，而e光的折射率 ne和离散角 均取决于其波法线Ke与光轴的夹角 ，如式（ 6.1）和式（ 6.2） 。22222cossineoeonnnnn（6.1）22222tan1tan1taneoeonnnn（6.2）在正单轴晶体中， no0，表示 e 光的光线比波法线更远离光轴方向；在负单轴晶体中， 0，表示 e光的光线比波法线更靠近光轴方向。双折射晶体中， e光的折射率

6、与其传播方向有关，因此传播速度也与方向相关。根据图 6.1 中的折射率椭球，可以绘制相应的波面椭球，如图6.3 所示。波面代表光波的等相位面， o 光与 e 光的波面椭球在光轴方向内切，正单轴晶体的e 光波面椭球内切于o 光波面椭球，表示e光传播速度慢于o 光，负单轴晶体反之。图 6.3 单轴晶体中的波面名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 41 页 - - - - - - - - - 图 6.4 中以惠更斯作图法绘出了光在空气单轴晶体界面上的各种折射情况，图中

7、的半圆和半椭圆分别代表o 光和 e光的波面。 当光轴垂直于界面且光波正入射时，只有o 光。当光轴与界面平行且光波垂直入射时，出现o 光和 e光两种光波，二者传播方向保持一致， 而传播速度不同， 产生相位差。 当光轴与界面法线成任意角度且光波垂直入射时， e光的波法线仍与o 光波法线重合，但是e 光的光线出现离散角 。一般情况是，光轴与界面法线成任意角度 且光波斜入射，此时e光波法线偏离 o 光波法线，并且 e光的光线与波法线存在离散角 。图 6.4 正单轴晶体中的光折射在各向同性介质中， 光线方向总是与波法线一致， 因此可以直接以折反射定律来分析光线的传播情况。在各向异性的双折射晶体中，e光的

8、波法线遵守折反射定律，而光线不再遵守此定律， 因此必须先通过折反射定律得到e光的波法线方向， 再根据离散角得到光线方向，最终得到的光线与光轴夹角为 + ， 注意当 none时 ne时 0。斜入射情况下， e光波法线偏离 o 光波法线，这是因为二者折射率不同，造成折射角不同。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 41 页 - - - - - - - - - 6.1.2 半波片当波矢垂直光轴传输时，如图6.4 中的第二种情况， o 光与 e 光在空间上没有发生分离，

9、但是传播速度不一样，产生相位差，如式（6.3） 。利用单轴晶体的这个特性，可以制成波片，如图6.5 所示，晶体的光轴平行于表面。dnneo2（6.3）图 6.5 双折射晶体波片o 光偏振方向垂直于光轴，e 光偏振方向平行于光轴，二者在波片中的传播速度不同。习惯上在波片上定义快轴和慢轴两个方向，偏振方向沿快轴的光束传播速度较快，而偏振方向沿慢轴的光束传播速度较慢。在正单轴晶体制成波片中，o 光比 e 光传播速度快，因此快轴沿光轴的正交方向；在负单轴晶体制成的波片中，快轴沿光轴方向。快轴与 x 轴成 角，产生位相差为 的波片，其传输矩阵如式（6.4） 。2cos2tan12sin2tan2sin2

10、tan2cos2tan12cosjjjjT（6.4）当光程差)2/1(m，即相位差)12( m时，我们称之为半波片，传输矩阵如式（ 6.5） 。2cos2sin2sin2cosT（6.5）偏振方向与 x 轴成 角的线偏振光，可用琼斯矢量描述，如式（6.6） ，它与半波片快轴所成角度为 - 。sincosE（6.6）名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 41 页 - - - - - - - - - 通过半波片之后，其琼斯矢量变化如式（6.7） 。2sin2cosE

11、TE（6.7）琼斯矢量（ 6.7）所代表的仍然是一束线偏振光，其偏振方向与x 轴成 2 -角，它与半波片快轴所成角度为 - ，与入射线偏振光对称分布于快轴的两侧，如图 6.6 所示。图 6.6 线偏振光通过半波片前后的偏振态从以上那个分析可知， 当入射线偏振光的偏振方向与波片快轴夹角为 时，通过之后，偏振方向旋转2 角度，对称变换到快轴的另一侧，如图6.7 所示。图 6.7 半波片的旋光功能6.1.3 旋光片 +半波片线偏振光通过某些介质时， 其偏振方向发生偏转， 并且偏转角度随传播距离的增加而增加，这些介质被称为旋光介质。 在强磁场的作用下， 有些本来不具有旋光特性的介质，也能产生旋光作用，

12、 称为磁致旋光效应或者法拉第效应。单位长度介质长生的旋光角度，称为这种物质的旋光本领，或者旋光系数。自然界的天然物质，其旋光本领非常有限，往往需要很长的介质才能产生所需的旋光角度，而人工旋光材料可以获得大得多名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 41 页 - - - - - - - - - 的旋光系数，得到广泛应用。磁致旋光有一个特点， 就是在磁场方向确定的情况下， 无论光波沿正向还是反向通过旋光材料， 其光矢量（即偏振方向） 的旋转方向是不变的， 这种特性被称

13、为非互易性。光通信器件中常用的是45o角法拉第旋光片，在光环形器中，往往将一个旋光片与一个半波片配合使用，如图6.8 所示。水平偏振的正向光首先通过旋光片，光矢量顺时针旋转 45o ，与半波片的快轴成22.5o夹角，通过半波片之后， 光矢量再顺时针旋转45o ，成为竖直偏振光。竖直偏振的反向光首先通过旋光片，光矢量逆时针旋转45o ，通过旋光片时再顺时针旋转45o ，出射时仍为竖直偏振光。图 6.8 旋光片 +半波片的旋光功能因此， “旋光片 +半波片”结构的作用是，对正向光的偏振方向旋转90o ，对反向光的偏振方向无影响。6.1.4 位移晶体位移晶体是光通信器件中常用的一种光学原件，其功能是

14、将一束自然光或者随机偏振光，分成相互平行且偏振方向正交的两束光。位移晶体通常以单轴晶体制作，外形为长方体，光轴方向与入射面法线成角度 ，如图 6.9 所示。图中光波为正入射，对应图6.4 中的第三种情况， e 光波法线与 o 光波法线方向一致，而e光光线以离散角 偏离。图 6.9 位移晶体结构名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 41 页 - - - - - - - - - 晶体长度 L 与两束光分开距离 d 的比值，是评价位移晶体分光能力的重要指标，分光能力取

15、决于离散角 ，如式（ 6.8） 。tan:1: dL（6.8）由式（6.2）经过简单的数学处理得到，当e 光的波法线与光轴夹角满足式（6.9）时，离散角达到最大值，如式（6.10） 。oecnnarctan（6.9）eooennnn21arctanmax（6.10）由式（ 6.10）可知， o 光与 e 光折射率差越大的晶体，其发散角越大。位移晶体常用的材料是钒酸钇（YVO4） ，它是一种正单轴晶体，对应1.55 m 波长的折射率为no=1.9447， ne=2.1486， 折射率差为 n=0.2039。 将 YVO4的折射率参数代入式 （6.8-6.10）和式（ 6.1） ，得到当 c=47

16、.85o时，n2=2.0492，max=5.7o ，L? d=10? 1，这是 YVO4晶体能达到的最大分光能力。在光环形器和光学梳状滤波器等器件中，常常将两个位移晶体配对使用， 如图 6.10所示，第一个位移晶体将入射的随机偏振光分成p 光和 s光，经过其他光学元件的处理之后，完成某种器件功能， 再由第二个位移晶体重新合为一束输出，注意其他光学元件中包含 o 光e 光和 e 光o 光的变换功能。图 6.10 两个位移晶体配对使用情况我们注意到，图6.10 中的光路并不对称，输入输出光束不在元件的中轴线上，这个器件封装带来困难。我们可以对位移晶体进行改进，如图6.11 所示，晶体的输入输出端面

17、为相互平行的斜面，斜面角度为 。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 41 页 - - - - - - - - - 图 6.11 改进的位移晶体结构水平入射的光束经前端面折射之后，o 光和 e光的光线对称分开，经后端面折射之后，恢复到水平方向。为了将o 光和 e光的光线对称分开，斜角 需特别设计，由于一般较小，我们可以用近轴光线作近似分析。经过前端面的折射之后，o 光和 e光波法线方向（与水平线的夹角）分别如式（6.11）和式（ 6.12） ，考虑到离散角max

18、，e光的光线方向如式（ 6.13） ，o 光和 e 光的光线对称分开，即ros=res，得到晶体端面斜角 如式（6.14） 。ooesoknnrr/)1(（6.11）22/) 1(nnrek（6.12）22max/)1(nnres（6.13）2max/1/12nno（6.14）以 YVO4晶体为例，根据式（6.11-6.14）得到端面斜角为 =5.71o ，光轴方向为 =c-rek=44.93o ，晶体长度 L 则根据分光距离 d 按照 L? d=10? 1 来确定。两个改进的位移晶体配对使用情况如图6.12 所示，光路完全对称，输入输出光束均位于元件的中轴线上。图 6.12 两个改进的位移晶

19、体配对使用情况名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 41 页 - - - - - - - - - 需要注意的是，式（ 6.2）和式（6.10）计算的离散角，指的是e光的光线与波法线之间的夹角。而在实际应用中，关心的是e光光线与 o 光光线之间的夹角。在图6.9 所示的位移晶体中，二者是一致的；而在图6.11 所示的改进型位移晶体中，由于e 光波法线与 o 光波法线的分离，二者产生差异；当端面斜角 较小时，二者差异不大。6.1.5 Wollaston 棱镜Woll

20、aston 棱镜在光通信器件领域通常被称为Wedge对，它由两个光轴相互垂直的双折射楔角片胶合而成， 可以将一束自然光或者随机偏振光，分成偏振方向正交的两束光，两束光成一定夹角，如图6.13所示。 Wollaston 棱镜分光的原理是在两个楔角片的界面发生折射时，两束光的偏振态变化分别为o 光e 光和 e 光o 光，相应的折射率变化分别为 none和 neno，入射角相同而折射角不同。输出的两束光夹角为2，当楔角片的斜角 较小时，可以用式（ 6.15）来近似。tanarcsineonn（6.15）图 6.13 Wollaston棱镜Wollaston 棱镜可以和双光纤准直器进行匹配，将双光纤准

21、直器输出的两束成一定夹角的正交线偏振光，变成平行光输出，如图6.14 所示，这种匹配耦合结构在光环形器和偏振光合束器中有重要的应用。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页，共 41 页 - - - - - - - - - 图 6.14 Wollaston棱镜与双光纤准直器的匹配耦合Wollaston 棱镜还有一种变型结构，将两个楔角片分别旋转180o ，再将直角面胶合在一起，如图6.15 所示。这种变型结构同样可以实现分光功能能够，只是光路的对称性稍差。该结构在光隔

22、离器中有重要应用。图 6.15 Wollaston棱镜的变型6.1.6 位移型 Wedge 对Wollaston 棱镜与位移晶体配合使用，可以将两束成一定夹角的正交偏振光合成一束，如图 6.16 所示，该结构左侧以一个双光纤准直器输入，右侧以一个单光纤准直器输出，即构成一个偏振光合束器。图 6.16 Wollaston棱镜与位移晶体配合使用情况图 6.16 所示结构中，两束输入光相对于输出光并不对称，两端用于耦合的准直器需作偏心设计，这给光路调试和器件封装带来麻烦。我们注意到，图6.16 中的第二个楔角片和位移晶体的光轴位于同一平面内，如果名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - -

23、- - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 11 页，共 41 页 - - - - - - - - - 将二者合并为一个位移型楔角片，如图6.17 所示，两楔角片的光轴仍然相互垂直，光波在二者界面上发生o 光e 光或者 e 光o光的转换，因此该结构仍具有Wollaston棱镜的功能，可对两束正交偏振态的线偏振光进行偏转。由于在第二个楔角片中发生o光与 e光的离散，该结构同时具有位移晶体的功能，因此称之为位移型Wedge对。位移型 Wedge对可以完全代替图6.16 中的 Wollaston棱镜与位移晶体匹配结构， 但是仍然没有解决光

24、路对称问题。图 6.17 位移型 Wedge对我们注意到，图6.17中的位移型 Wedge对，其输入输出端面均为直角面，如果将二者改为斜面， 则增加了两个自由参数， 有望设计出对称的光路。 由于两个楔角片光轴相互垂直的基本结构没有改变， 这种改进的位移型Wedge对仍具有 Wollaston棱镜的特性。改进的位移型 Wedge对结构如图 6.18 所示，待设计的元件参数有输入输出端面斜角 和 ，中间界面斜角 ，两楔角片薄端厚度d1和 d2，宽度 W 和第二个楔角片的光轴方向 （为了获得最大离散角max，光轴与 e 光波法线夹角应为c） 。设计目标是使角度c21（c为双光纤准直器输出光夹角之半）

25、以便与双光纤准直器匹配， 使高度h1=h2以保证两束光交点Q 位于轴线上，两光束交叉点Q 的位置 Lc则需要根据实际的器件要求来确定。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 12 页，共 41 页 - - - - - - - - - 图 6.18 改进的位移型 Wedge对图 6.18 中的参数需要通过从右至左的精确光线追迹来确定，由于 、 、 均为小角度，我们可以通过近轴光线追迹， 得到目标参数1、2、h1、h2、Lc与元件参数 、 、 、d1、d2之间的近似关系如式（ 6

26、.16-6.21） 。)1()()1(221nnnnoo（6.16）)1()() 1(2ooeennnn（6.17）)()(221ooennnn（6.18）eenddndh/)(1(21max21（6.19）oonddnh/)(1(212（6.20）)()(2max2ooecnnnndL（6.21）各元件参数与目标参数之间相互交叉影响，关系非常复杂， 我们仍然可以从中找到某些规律，对精确光线追迹过程起指导作用。从式（6.19-6.20）可以看到，高度 h1和 h2之间的涨落关系取决于角度 ，也就是说，可以通过调整 使 h1=h2。从式（ 6.16-6.17）可以看到，角度1和2之间的涨落关系取

27、决于角度和 ，由于调整 会同时影响 h1和 h2，因此可以通过调整使21。从式（6.18）可以看到，两束光夹角21受角度 影响最大，可以通过调整来使21与双光纤准直器的输出光夹角c2匹配。从式（ 6.21）可以看到，在角度 、 、 确定的情况下，交叉点Q 的位置 Lc取决名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 13 页，共 41 页 - - - - - - - - - 于第二个楔角片的厚度d2，因此可以通过调整d2来得到需要的 Lc。式（ 6.19-6.20）显示 h1和 h

28、2与 d2相关，实际上， h1和 h2之间的涨落关系主要取决于 ，调整 d2只会影响其和值 h1+h2。根据以上分析，在精确光线追迹过程中，可以遵循以下步骤：1) 参数初值设定：角度 =0、 =0、)2/(22oecnnn（当 =0、 =0 时，根据式（6.18）得到） ，在便于操作的前提下，楔角片厚度d1应取尽量小的值，d2取比 d1稍大的任意值， 比如取 d1=0.2mm，d2=0.3mm；通过精确的光线追迹， 计算参数1、2、h1、h2、Lc。2) 调整 ，使 h1=h2，调整时 的取值范围可参考式（ 6.19-6.20） 。3) 调整 ，使21，调整时 的取值范围可参考式（ 6.16-

29、6.17） 。4) 调整 ，使c221，调整时 的取值范围可参考式（ 6.18） 。5) 调整 d2，使 Lc等于实际器件要求的值，调整时d2的取值范围可参考式（ 6.21） 。由于参数之间的交叉影响， 在后续的元件参数调整过程中， 前面得到的目标参数往往随之改变。 以最后一步得到的元件参数作为初值，按照以上步骤进行循环设计，就会越来越接近目标参数。一般经过23 次循环设计，就可以达到设计目标。确定元件参数 、 、 、d1、d2之后，就可以根据光线追迹过程中得到的e 光波法线方向和最大离散角条件，计算第二个楔角片的光轴方向 。列举一组设计实例，元件参数： =4.58o 、 =7.04o、 =5

30、.16o 、d1=0.2mm、d2=2.8mm、W=1mm、 =45.21o ，得到目标参数：84.121、Lc=4.2mm（h1=h2为设计过程中的限制条件，其具体值不是我们的设计目标）。位移型 Wedge对在光环形器和偏振光合束器等器件中有重要的应用。以上介绍了晶体光学的基础知识，以及晶体光学器件中常用的元件，以此为基础，下面开始介绍各种晶体光学器件的工作原理、器件结构和设计方法。6.2 光隔离器光隔离器分偏振相关型和偏振无关型两种，前者以偏振片和法拉第旋光片制作，后者以双折射晶体和法拉第旋光片制作。偏振相关型光隔离器中没有用到双折射晶体，从名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - -

31、 - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 14 页，共 41 页 - - - - - - - - - 本书的结构考虑，仍然放在此处介绍。6.2.1 偏振相关型光隔离器偏振相关型光隔离器的输入输出端均无光纤耦合，光束完全在自由空间传输， 因此又称为自由空间型（ Freespace ）光隔离器。1)偏振相关型单级光隔离器偏振相关型光隔离器的结构如图6.19 所示，它由两个偏振片、一个法拉第旋光片和一个磁环构成， 两个偏振片的透光轴成45 夹角，旋光片和磁环构成一个非互易结构，无论正向还是反向偏振光通过时，光矢量均顺时针旋转45

32、（从左往右看）。正向入射光的光矢量与偏振片1 的透光轴方向平行，顺时针旋转45 之后，与偏振片 2 的透光轴方向平行，顺利通过；反向入射光的光矢量与偏振片2 的透光轴平行，顺时针旋转45之后，与偏振片 1 的透光轴方向垂直，因此被隔离。图 6.19 偏振相关型光隔离器结构如果一个偏振片的透光轴与边缘平行，另一个与边缘成45o角，则需要加工两种规格的偏振片，而在图6.19 中，两个偏振片的透光轴均与其边缘成22.5o角，这样就只需要加工一种规格的偏振片，两片背对背排列，透光轴之间的夹角就是45o。减少元件的规格种类，可以给器件的生产管理带来便利，在器件的设计阶段中，要尽量给予考虑。偏振相关型光隔

33、离器一般应用于对稳定性要求极高的DWDM 光源 （DFB 或者 DBR名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 15 页，共 41 页 - - - - - - - - - 型半导体激光器） 中，以减小光纤系统中的反射光对光源的干扰。由于这些光源发出的光具有极高的线偏振度，因此可以采用这种成本相对低廉的偏振相关型光隔离器。偏振片和旋光片均倾斜放置， 这是为了防止其表面反射光 （表面均镀增透膜， 但是仍然存在 0.1%0.2%的反射）回到光源中，影响光源的稳定性。一般倾斜4o角，即

34、可满足对回波损耗的要求。2)偏振相关型双级光隔离器受限于材料的消光比， 单级光隔离器的峰值隔离度在40dB 左右， 在中心波长 15nm的带宽内，隔离度在30dB 左右。在某些应用场合，要求更高的隔离度，可以采用双级光隔离器，峰值隔离度可达到55dB 以上，在中心波长 15nm 的带宽内，隔离度可达到45dB 以上。偏振相关型双级光隔离器的结构如图6.20 所示，它由三个偏振片、两个法拉第旋光片、一个元件支架和一个磁环构成，元件支架一般采用金属材料，通过线切割工艺制作，偏振片和旋光片以一定的倾斜角度排放其中并以胶水固定，再一起塞入磁环之中。图中同时示出了正向光和反向光的偏振态变化情况，需要特别

35、说明的是反向光路， 入射在偏振片 P2上的光波，其光矢量与P2的透光轴正交，因此被隔离，考虑到材料的消光比，仍然有少部分的漏光沿P2的透光轴方向通过，通过旋光片R1之后，其光矢量与偏振片 P1的透光轴正交，被再次隔离，因此隔离度较单级光隔离器大大提高。图 6.20 偏振相关型双级光隔离器结构名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 16 页，共 41 页 - - - - - - - - - 3)偏振相关型光隔离器的隔离度分析隔离度是光隔离器的最重要指标，主要受装配误差和材料的消

36、光比影响，装配误差会造成偏振片透光轴之间的夹角偏离45o，降低隔离度，但是可以通过适当的检测和调试工艺使之最小化。 材料消光比则决定了光隔离器能达到的最高隔离度，并且单级和双级光隔离器的制约因素稍有相同，下面分别进行分析。一束线偏振光入射在法拉第旋光晶体上，绝大部分光的光矢量将被旋转 角，但是由于旋光晶体的双折射效应和二向色性等因素，总会有少部分光的光矢量位于其正交方向，这两部分光功率之比为法拉第旋光晶体的对比度Dr，以对数表示为消光比Er。比如消光比为 40dB 的旋光片，对比度为100001。考虑旋光晶体的消光比，法拉第旋光片的功能可以用琼斯矩阵描述，如式（6.22） 。sincoscos

37、sincossinsincosrdR（6.22）其中 dr为场的对比度，2rrdD，rrDElg10。偏振片的功能是， 理论上，只有光矢量平行于其透光轴的光波能够通过，光矢量与透光轴正交的光波被阻止。 而实际上， 由于材料的消光比有限， 光矢量与透光轴正交的光波并不能完全被阻止，仍有少量通过。比如消光比为50dB 的偏振片，两部分光功率之比为 1000001。 考虑材料的消光比，偏振片的功能可以用琼斯矩阵描述， 如式 （6.23） 。2222coscossincossinsinsincossincossincospdP（6.23）其中为透光轴与横坐标的夹角，dp为场的对比度，2ppdD，ppD

38、Elg10。对于单级光隔离器， 反向入射光的光矢量与偏振片2 的透光轴平行， 可用琼斯矩阵描述，如式（ 6.24） 。22sincosinE（6.24）反向光依次通过偏振片2、旋光片和偏振片1，输出光的琼斯矢量如式（6.25） ，光强度如式（ 6.26） 。)90sin()90cos(sincos111121prinoutddEPRPE（6.25）proutoutDDEI2（6.26）名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 17 页，共 41 页 - - - - - - -

39、- - 法拉第旋光片的消光比一般40dB，典型值在45dB 左右；偏振片的消光比一般50dB，典型值在55dB 左右。因此从式（ 6.26）可以看出，单级光隔离器的隔离度主要受限于法拉第旋光片的消光比。对于双级光隔离器， 反向入射光的光矢量与偏振片3 的透光轴平行， 可用琼斯矩阵描述，如式（ 6.27） 。33sincosinE（6.27）反向光依次通过偏振片3、旋光片 2、偏振片 2、旋光片 1 和偏振片 1，输出光的琼斯矢量如式（ 6.28） ，光强度如式（ 6.29） 。010110102232211prprrpinoutddddddEPRPRPE（6.28）222prprrpoutou

40、tDDDDDDEI（6.29）取法拉第旋光片的消光比为Er=45dB，则对比度为 Dr=10-4.5，可视为一阶小量；偏振片的消光比为 Ep=55dB，则对比度为 Dp=10-5.5，亦可视为一阶小量。式（6.29）中的第一项为一阶小量， 第二和第三项为二阶小量， 第三项为三阶小量， 隔离度主要受一阶小量的影响， 其他三项可以忽略。 由此可知， 双级光隔离器的隔离度主要受限于偏振片的消光比，如果偏振片的消光比为55dB，则隔离度最高只能达到55dB，而不是单级光隔离器的两倍。以上结论也可以直观的解释，式（6.29）中的第一项反向泄漏光，其光矢量变化如图 6.21 所示（图中未考虑元件的插入损耗

41、） ，除偏振片 P2提供一道屏障之外， 其他元件均顺利通过，因此其功率为DpPin。图 6.21 从偏振片透光轴正交方向通过的反向泄漏光需要说明的是，在以上矩阵运算过程中，我们没有把式（6.25）和式（ 6.28）中所名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 18 页，共 41 页 - - - - - - - - - 得到的列向量合并， 而是先计算出每个列向量的模平方再相加，从而得到输出光强。 对此的物理解释是， 各列向量分别代表一束线偏振光，这些线偏振光在空间上重叠但相位不同

42、，如果合并之后再计算模平方，表示考虑了各束光的偏振干涉，而我们在处理过程中并没有考虑各束光之间的相位关系，不能直接相加。6.2.2 偏振无关型光隔离器在大部分应用场合， 要求光隔离器能够让任意偏振态的正向光通过，而反向光被隔离，也就是说，光隔离器的插入损耗应该是偏振无关的。1)位移型偏振无关光隔离器光隔离器是利用线偏振光的光矢量在旋光材料中的非互易变化来工作的，因此偏振元件和旋光元件是光隔离器中的两个必要组成部分。偏振片会对与其透光轴不平行的光波产生原理性的损耗， 使光隔离器的插入损耗与入射光偏振态相关。最早的偏振无关型光隔离器以位移型双折射晶体作为偏振元件，以“旋光片 +半波片” 结构作为旋

43、光元件，如图 6.22 所示。位移晶体相当于具有两个透光轴的偏振片，因此不会对正向光产生原理性的损耗。图 6.22 基于位移晶体的偏振无关型光隔离器在 6.1.3 部分提到，“旋光片 +半波片”结构对正向光的光矢量旋转90o ，而对反向光的光矢量无影响。因此在图6.22所示的光隔离器中，正向光的偏振态变化为o 光e光和 e 光o 光，输出准直器在相应位置接收；反向光的偏振态变化为o 光o 光和 e光e 光，偏离输入准直器的接收位置，因此被隔离。这种光隔离器是利用反向光的横向位移来实现隔离的，从图 2.7 中可以看到， 光纤名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - -

44、 - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 19 页，共 41 页 - - - - - - - - - 准直器的耦合损耗对横向位移不敏感，要实现 40dB 的隔离度，横向位移须大于 0.6mm，而根据 6.1.4 部分的分析结论，如果采用YVO4晶体，要实现 0.6mm 的横向位移，晶体长度须大于6mm。因此这种光隔离器方案有两个明显的缺点，其一是输入输出准直器的轴线不重合，错位量大于0.6mm，不利于器件封装；其二是YVO4晶体材料昂贵，造成器件成本太高。2)Wedge型偏振无关光隔离器从图 2.9 可以看到，光纤准直器的耦合损耗对角向失配非常敏感

45、，0.5o的角向失配可引起 55dB 的耦合损耗。因此如果通过偏角来隔离反向光，其效果远胜于位移型光隔离器。目前的光隔离器都是采用图6.23 所示结构，它由两个光纤准直器和一个隔离器型构成，隔离器芯结构如图6.24 所示，由两个双折射楔角片、一个法拉第旋光片和一个磁环构成，两个楔角片的光轴夹角为45o ，旋光片的旋光角也是45o 。图 6.23 基于双折射楔角片的偏振无关型光隔离器图 6.24 基于双折射楔角片的光隔离器芯名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 20 页，共

46、41 页 - - - - - - - - - 正向光在隔离器型中的偏振态变化为o 光o光和 e 光e光，因此整个隔离器芯对其相当于一个平行平板，光束发生一定的横向位移，方向不变，被输出准直器接收。反向光的偏振态变化为o 光e光和 e 光o光，整个隔离器芯对其相当于一个变型的Wollaston 棱镜，两束光分别向上和向下偏移，因此不能耦合到输入准直器中，达到隔离效果。图 6.24 中的两个楔角片，光轴与边缘的夹角为22.5o ，这样就只要加工一种规格的楔角片， 装配时只需相对翻转180o即可。 两个楔角片均斜面朝外如一个变型的Wollaston棱镜，而非直角面朝外如一个Wollaston棱镜（这

47、样正向光就不会产生横移了） ，这是为了避免直角面反射光对隔离度的影响。由于不需要较大的折射率差来实现光束的横移，Wedge型光隔离器可以采用价格相对低廉的 LiNbO3晶体，这是一种负单轴晶体，对应1.55 m 的折射率分别为 no=2.2112和 ne=2.1381，折射率差为 n=0.0731，大约为 YVO4晶体的 1/3。楔角片的斜角一般为13o ，根据式（6.15）得到反向光偏角为95.0，这个偏角使输入准直器接收时的耦合损耗超过 100dB，因此制约 Wedge型光隔离器的隔离度的因素是旋光片的消光比，与偏振相关型单级光隔离器类似。3)Wedge型双级光隔离器为适应某些对隔离度要求

48、极高的应用场合，Wedge 型光隔离器也可以做成双级结构，常用的方案是， 将两个单级隔离器芯置于一个磁环中，二者相对旋转 45o ， 如图 6.25所示。第一个隔离器芯中的偏振片2 与第二个隔离器芯中的偏振片1，二者光轴相互垂直， 因此正向光在四个楔角片中的偏振态变化为o光o光e光e 光和 e光e 光o光o光，也就是说，正向光在两级之间实现了o 光e光和 e 光o光的切换，偏振模色散（ Polarization Mode Dispersion ，PMD）相互补偿。图 6.25 双级光隔离器方案一名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - -

49、 - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 21 页，共 41 页 - - - - - - - - - 反向光偏角JDSU公司提出了另外一种双级光隔离器方案，如图 6.26所示，四个楔角片整齐排列，其光轴方向如图6.27所示。正向光在四个楔角片中的偏振态变化为o 光o光e光e光和 e 光e光o光o光，两级之间的 PMD 相互补偿；反向光的偏振态为o光e光o 光e光和 e光o 光e光o光，偏离角度为单级光隔离器的两倍。图 6.26 双级光隔离器方案二图 6.27楔角片光轴方向上述第二种方案，对装配精度要求非常高，特别是楔角片P2与 P3的光轴须严格相互垂直，容差只有90o 0.1

50、o（稍后的隔离度分析部分将会给出理论依据），否则其隔离度将明显降低， 甚至低于单级光隔离器。 这样的装配精度在实际的生产工艺中，特别是批量生产工艺中，中很难做到。针对第二种方案工艺容差过小的缺点，图6.28 所示的第三种方案中提出了改进措名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 22 页，共 41 页 - - - - - - - - - 施，就是两级隔离器芯中的楔角片采用不同的楔角（1 2） ，而各楔角片的光轴方向仍与第二种方案相同，如图6.27 所示。该方案使装配容差大大提高