Het basisprincipe van optische isolator Polarisatie-ongevoelige vezelisolator (Polarization Insensitive Fiber Isolator) kan worden onderverdeeld in polarisatie-onafhankelijk (Polarization Insensitive) en polarisatie-afhankelijk (Polarization Sensitive) volgens polarisatiekarakteristieken. Aangezien het optische vermogen dat door de polarisatie-afhankelijke optische vezelisolator gaat, afhangt van de polarisatietoestand van het ingangslicht, is het vereist om een polarisatiebehoudende vezel als een varkensstaart te gebruiken. Deze glasvezelisolator zal voornamelijk worden gebruikt in coherente optische communicatiesystemen. Op dit moment is de meest gebruikte glasvezelisolator nog steeds polarisatie-onafhankelijk, en we analyseren alleen dit type glasvezelisolator
1 Typische structuur van polarisatie-onafhankelijke vezelisolator Een relatief eenvoudige structuur wordt getoond in figuur 1. Deze structuur gebruikt slechts vier hoofdelementen: magnetische ring (magnetische buis), Faraday-rotator (Faraday-rotator), twee LiNbO3-wigstukken (LN-wig), en een paar vezelcollimatoren (Fiber Collimator), u kunt een in-line optische vezelisolator maken. 2 Basis werkingsprincipe Het volgende is een gedetailleerde analyse van de twee condities van optische signaalvoorwaartse en achterwaartse transmissie in de optische vezelisolator.
2.1 Voorwaartse transmissie Zoals getoond in (figuur 2), komt de parallelle lichtstraal die wordt uitgezonden door de collimator de eerste wigplaat P1 binnen, de lichtbundel wordt verdeeld in o licht en e licht, waarvan de polarisatierichtingen loodrecht op elkaar staan, en de voortplantingsrichting is één hoek. Wanneer ze door de 45 ° Faraday-rotator gaan, roteren de polarisatievlakken van het uitgestraalde licht en het licht 45 ° in dezelfde richting, omdat de kristalas van de tweede LN-wigplaat P2 precies relatief is ten opzichte van de eerste. De hoek is 45 °, dus het o-licht en het e-licht worden samen gebroken om twee parallelle lichtbundels met een kleine tussenruimte te combineren, en worden vervolgens door een andere collimator in de vezelkern gekoppeld. In dit geval gaat slechts een klein deel van het optische ingangsvermogen verloren. Dit verlies wordt het invoegverlies van de isolator genoemd. (GG quot; +" in de figuur geeft e lichtrichting aan)
2 Omgekeerde transmissie Zoals getoond in (figuur 3), wanneer een bundel parallel licht wordt doorgelaten in de omgekeerde richting, gaat deze eerst door het P2-kristal en wordt het verdeeld in o-licht en e-licht waarvan de polarisatierichting en de kristalas van P1 zijn onder een hoek van 45 °. Vanwege de niet-wederkerigheid van het Faraday-effect, nadat het o-licht en het e-licht door de Faraday-rotator zijn gegaan, wordt de polarisatierichting nog steeds in dezelfde richting gedraaid (tegen de klok in in de figuur) met 45 °, zodat het oorspronkelijke o-licht en e licht komt binnen. De tweede wig (P1) wordt e-light en o-light. Door het verschil in brekingsindex kunnen de twee lichtbundels in P1 niet meer gecombineerd worden tot een parallelle bundel, maar in verschillende richtingen gebroken worden. De e-light en o-light worden verder gescheiden door een grotere hoek, zelfs nadat ze door de zelffocusserende lens zijn gegaan. De koppeling kan de vezelkern niet binnendringen, waardoor het doel van omgekeerde isolatie wordt bereikt. Het transmissieverlies op dit moment wordt isolatie genoemd.
3 Technische parameters Voor optische vezelisolatoren zijn de belangrijkste technische indicatoren invoegverlies, isolatie, retourverlies, polarisatieafhankelijk verlies, polarisatiemodusdispersie (polarisatie). Mode Dispersion), enz., Worden een voor een hieronder uitgelegd.
3.1 Insertieverlies (insertieverlies) In de polarisatie-onafhankelijke vezelisolator omvat het insertieverlies voornamelijk het verlies van de vezelcollimator, de Faraday-rotator en het dubbelbrekende kristal. Voor een gedetailleerde analyse van het insertieverlies veroorzaakt door de vezelcollimator, zie" Principes van Collimator. De isolatorkern bestaat voornamelijk uit een Faraday-rotator en twee LN-wigstukken. Hoe hoger de extinctieverhouding van de Faraday-rotator, hoe lager het reflectievermogen en hoe kleiner de absorptiecoëfficiënt, hoe kleiner het insertieverlies. Over het algemeen is het verlies van een Faraday-rotator ongeveer 0,02 ～ 0,06 dB. Uit (figuur 2) blijkt dat nadat een straal parallel licht door de isolatorkern is gegaan, deze zal worden verdeeld in twee evenwijdige stralen o en e. Vanwege de inherente eigenschappen van dubbelbrekende kristallen, kunnen no¹ne, o light en e light niet volledig worden geconvergeerd, wat extra verlies tot gevolg heeft.
3.2 Omgekeerde isolatie (isolatie) Omgekeerde isolatie is een van de belangrijkste indicatoren van een isolator, die het verzwakkingsvermogen van de isolator naar het omgekeerde transmissielicht kenmerkt. Er zijn veel factoren die het isolement van een isolator beïnvloeden, en de specifieke discussie is als volgt.
(1) De relatie tussen de isolatie en de afstand tussen de polarisator en de Faraday-rotator (2) De relatie tussen de isolatie en de oppervlaktereflectie van het optische element Hoe groter de reflectie van het optische element in de isolator, hoe slechter het omgekeerde isolatie van de isolator. In het daadwerkelijke proces moet R kleiner zijn dan 0,25% om ervoor te zorgen dat Iso groter is dan 40 dB.
(3) De relatie tussen de isolatie en de wighoek en de afstand tussen de polarisator. Het dubbelbrekende kristal is een optische isolator met yttriumvanadaat (YVO4). Wanneer de wighoek kleiner is dan 2 °, neemt de isolatie snel toe met de toename van de hoek. Wanneer de wighoek groter is dan 2 °, is de verandering veel kleiner en ongeveer stabiel op ongeveer 43,8 dB. Voor optische isolatoren gemaakt van verschillende materialen varieert de isolatie met de wighoek. De optische isolatie varieert weinig met de toename van de afstand, omdat de isolatie voornamelijk afhangt van de hoek tussen het omgekeerde uitgangslicht en de optische as.
(4) De relatie tussen de isolatie en de relatieve hoek van de kristalas De relatieve hoek van de twee polarisatoren en de kristalas van de rotator heeft de grootste invloed op de isolatie. Als het hoekverschil groter is dan 0,3 graden, mag de isolatie niet groter zijn dan 40 dB. Er zijn veel andere factoren, voornamelijk de extinctieverhouding van de twee polarisatoren, kristaldikte, enz. Om de isolatie groter te maken dan 40dB, moet ook: R1 en R2 gelijk zijn, minder dan 0,25%; de straalsplitser kristalasklem De hoekfout is kleiner dan 0, 57 °, enz. Bovendien, omdat in het Faraday-effect, θ=VBL, V niet alleen een functie is van de golflengte, maar ook een functie van de temperatuur, dus de De rotatiehoek van Faraday zal ook veranderen met de temperatuur, wat ook een van de factoren is.
3.3 Retourverlies Het retourverlies RL van een optische isolator verwijst naar de verhouding tussen het optische vermogen dat invalt op de isolator in voorwaartse richting en het optische vermogen dat terugkeert naar de ingangspoort van de isolator langs het ingangspad. Dit is een belangrijke indicator omdat het rendement sterk is, isolatie zal sterk worden beïnvloed. Het retourverlies van de isolator wordt veroorzaakt door de mismatch van de brekingsindex van de componenten en de lucht en de reflectie. Gewoonlijk is het retourverlies veroorzaakt door vlakke componenten 14 dB
Links en rechts kan de echo verloren gaan tot meer dan 60dB door antireflectiecoating en schuine polijsten. Het retourverlies van een optische isolator komt voornamelijk van het gecollimeerde optische pad (dwz het collimatorgedeelte). Volgens theoretische berekeningen, wanneer de hellingshoek 8 ° is, is het retourverlies groter dan 65dB. Het retourverlies van de collimator is geanalyseerd in het principe van collimator, zie" Principle of Collimator" ;.
3.4 Polarisatie-afhankelijk verlies PDL PDL verschilt van insertieverlies. Het verwijst naar de maximale verandering in het invoegverlies van het apparaat wanneer de polarisatietoestand van het ingangslicht verandert terwijl andere parameters ongewijzigd blijven. Het is een indicator die de polarisatiegraad van het inbrengverlies van het apparaat meet. Voor polarisatie-onafhankelijke optische isolatoren is het, vanwege de aanwezigheid van enkele componenten die polarisatie kunnen veroorzaken, onmogelijk om een PDL van nul te bereiken. Over het algemeen is de acceptabele PDL minder dan 0,2 dB.
3.5 Polarisatiemodus Dispersie PMD
Polarisatiemodus dispersie PMD verwijst naar de fasevertraging van het signaallicht dat door het apparaat gaat in verschillende polarisatietoestanden. In optische passieve apparaten hebben verschillende polarisatiemodi verschillende voortplantingstrajecten en verschillende voortplantingssnelheden, resulterend in overeenkomstige polarisatiemodusdispersie. Tegelijkertijd, omdat het spectrum van de lichtbron een bepaalde bandbreedte heeft, zal het ook een bepaalde spreiding veroorzaken. In optische communicatiesystemen met hoge snelheid is PMD erg belangrijk. In de polarisatie-onafhankelijke optische isolator worden de twee bundels die worden gegenereerd door het dubbelbrekende kristal gepolariseerde licht doorgelaten met verschillende fase- en groepssnelheden, dat wil zeggen PMD, en de belangrijkste bron is het dubbelbrekende kristal dat wordt gebruikt om o-licht te scheiden en te condenseren. -licht. Het kan worden benaderd door het padverschil ΔL van de twee lineair gepolariseerde lichtbundels. Polarisatiemodusdispersie: In een polarisatie-onafhankelijke isolator: natuurlijk kan de PMD van het gehele apparaat worden verkregen door de optische weglengte L van elke component te berekenen. PMD wordt voornamelijk beïnvloed door het brekingsindexverschil tussen e-light en o-light, en heeft daarom een grotere relatie met golflengte.
