一种双向光隔离器的设置方法

专利名称：一种双向光隔离器的设置方法
技术领域：
本发明属于光电子技术领域，具体涉及磁光介质的偏振旋转特性和波片相位延迟的 波长相关性，以及基于这种性质的一种新型的双向光隔离器的设置。更具体而言，是 一种基于同一块波片对于某组波长的信号可以表现为全波片，而对另一组波长的信号 又可能表现为半波片，再经过磁光介质非可逆的偏振旋转作用后，使得两组偏振光的 偏振方向垂直，从而设置出的一种新型的双向光隔离器(稀疏波分复用器)以及在此基 础上设置出的(可调)密集波分复用器。
背景技术：
进入21世纪以来，由于信息量的骤增，使得通信技术的发展日新月异。由于光通 信具有带宽大、可靠性高、成本低、速度快等优点，光通信系统和光网络的飞速发展 给信息时代带来新的革命。而光纤通信技术凭借其通信容量大、传输距离远，信号串 扰小、保密性能好，抗电磁干扰、传输质量高，作为载体的光纤尺寸小、材料来源丰 富等优点，在众多的光通信技术中脱颖而出，成为现代通信的主要支柱之一。光纤到 户和全光网等概念的提出和发展，更将光纤通信技术推向了另一个高峰，带动着光纤 通信中各种有源和无源器件的技术发展和革新。
在这些无源器件中，光隔离器是一种只允许光沿一个方向通过而在相反方向阻挡光 通过的光无源器件。常用的光隔离器的原理(如图1):器件一般由3个部件组成起偏 器、(法拉第)磁光介质和检偏器，起偏器与检偏器为光轴方向呈45°夹角的两块偏振 片，磁光介质使得通过的光的偏振方向发生45。的旋转。
它的作用是防止光路中由于各种原因产生的反向传输光对光源以及光路系统产生 的不良影响。例如在半导体激光器和光传输系统之间安装一个光隔离器，可以在很 大程度上减少反射光对光源的光谱输出功率稳定性产生的不良影响；在高速直接调制、 直接检测光纤通信系统中，反向传输光会产生附加噪声，使系统性能变差，这可以用 光隔离器来消除；在光纤放大器的掺杂光纤的两端装上光隔离器，可以提高光纤放大 器的工作稳定性，避免了反向光进入信号源中，引起信号源的剧烈波动；此外，在相 干光长距离光纤通信系统中，每隔一段距离安装一个光隔离器，可以减少受激布里渊 散射引起的功率损失。因此，光隔离器在光纤通信等系统中，有着十分重要的应用。
伴随着光纤通信技术在各个领域的应用以及功能的扩展和完善，其网络结构也越来 越复杂，而双向光隔离器的引入，可以将上行和下载的信号同时在一根光纤上传播， 从而大大的简化了通信网络结构。此外，双向光隔离器在光纤激光器或放大器中应用
4广泛它可以实现只有泵浦光进入光纤激光器或放大器的同时，输出光信号中只有光
纤激光器或放大器产生的光而不含泵浦光。
伴随着信息量的膨胀，用户对网络速度和带宽的要求越来越高，而90年代中后期 走向实用的光波分复用(WDM)技术可以较好地利用光纤的宽带能力，是一种较好的扩大 传输容量的方法，因而发展迅速。将我们设置的双向光隔离在参数上修改一下，就可 以作为一种密集波分复用器。

发明内容
本发明目的是从常用的光隔离器出发，提出了一种双向的光隔离器设置，使其 不仅具有单向的光隔离器的所有功能的同时，还能够实现让两个不同的波长信号的传
输具有方向性。此外，双向的光隔离器还可以当作一种稀疏的光波分复用器件，可使 用正向和反向分别得到两个不同波长的信号。本发明目的还在于更进一步调整设置 参数，可以在不同的方向产生两组带宽为对应通信带宽频率的波长(如0. 8nm，对应 1550nm, lOOGHz带宽)的透过波形互补的信号，即密集光波分复用器。当引入液晶后， 还可以通过电场比较精密的调节该器件的输出波形。
本发明的技术方案是双向光隔离器的设置方法，包括
(1)、双向光隔离器的设置方法，包括起偏器、波片、磁光介质、检偏器四个部件 构成，起偏器和检偏器位于光隔离器的两端，波片和磁光介质位于起偏器与检偏器之 间，四个部件中心都位于一条直线上；让光信号正向或反向依次通过起偏器、波片、 磁光介质和检偏器。双向光隔离器(双向稀疏波分复用器(CWDM))的波片参数如下，波 片的相位延迟和磁光介质满足如下要求，调节波片光轴方向"和起偏器和检偏器两块 偏振片夹角^:使波片对于波长不同的两个信号(A,^)相应地分别表现为全波片和半 波片时对于正向的信号，^透过而；12不透；对于反向的信号，义2透过而^不透； 根据波片参数的不同，即为双向光隔离器或双向稀疏波分复用器(CWDM)。
另一双向光隔离器的设置方法，包括起偏器、波片、磁光介质、检偏器四个部件 构成，起偏器和检偏器位于光隔离器的两端，波片和磁光介质位于起偏器与检偏器之 间，四个部件中心都位于一条直线上；波片的相位延迟和磁光介质满足如下要求，调 节波片光轴方向"和起偏器和检偏器两块偏振片夹角^:使形成相邻两个全波片和半 波片所对应的波长差为对应通信带宽频率的波长(1550nm波段lOOGHz带宽时0. 8nm), 当信号中包括多个相互之间波长相差对应光通信的通信带宽频率的波长时，作为双向 的光通信带宽的密集波分复用器件，且正向和反向信号的输出波形刚好相反。1550nm 波段lOOGHz带宽时对应0. 8nm,相应的200GHz带宽时对应1. 6nm,这个方案并没有超 过本发明的范围。对于不同波长的宽带信号，波片厚度不同，选用使得信号源中心波 长旋转45°的磁光介质。在波片后加入一个平行排列的液晶盒(PA盒)后，该设置可作为可调节的双向密 集波分复用器。在双向密集波分复用器釆用多波片设置，可使输出波形平坦化。可调 双向密集波分复用器中的平行排列的液晶盒，对于几十个纳米(几个THz)的波长差范围 内的光信号的相位延迟基本相同，即对所用光信号中所有的波长都有一个相同的且可 调节的相位延迟。
双向光隔离器中的磁光介质为常用的磁光介质对于偏振光，它具有非可逆的偏振旋 转特性，即偏振光正反两次经过该介质后，其偏振旋转加倍而不是普通旋光介质的作 用相抵消。
双向密集波分复用器(DTOM)的波片其要满足对于一(组)波长A为为全波片，而对 另一(组)波长^为半波片；即波片的厚度和折射率的乘积满足
「 2血1 ，
(m, n为整数)
p2;zAnl , 1、 ^ r2 =-= (/ + —) x 2;r
义2 2
即
Aw/二附A =02 + 1/2)4,其中r表示波片的相位延迟，m, n为整数，l波片厚度， 入通过波片的波长，An指波片折射率差。
所述的(可调)双向密集波分复用器中的波片，要求形成相邻两个全波片和半波片所 对应的波长差为0. 8nm(100GHz),改变波片的厚度，可以改变波长差，及波片厚度和波
片与介质形成的双折射率差的乘积满足
a"/ = ;i02/(2a;i) = c/(2a/)。
(2)、磁光介质(即法拉第磁光介质)具有偏振旋转特性，要求其线偏振性较好， 即在偏振旋转过程中不会将线偏振光变成椭圆偏振光。其旋光率与波长成反比
g = c/;i。因此，对于含有两个波长的光信号(A，4),通过磁光介质后的偏转角分别
为g'-C/义,和g^C/^。参数C^go々在不同的设置中有所不同，由光信号的波 长(^，;i2)决定。在光通信中通常选用L31um-1.55 um波段的45°的磁光介质。
(3)、由于波片(即相位延迟波片)具有波长效应一_对于不同的波长产生的相位 延迟不同，可用式厂二2;^"'//;1表示，r表示波片的相位延迟，n是波片材料的折 射率，l波片厚度，入通过波片的波长。特别地(如图2):当磁光介质满足要求，且波 片对于波长不同的两个信号(A,^)相应地分别表现为全波片和半波片时，并调节波片 光轴方向"和两块偏振片夹角^到特定值，该器件有以下性质对于正向的信号，A透 过而^不透；对于反向的信号，^透过而4不透。
6如正向和反向不同的方向产生两组对应通信带宽频率的波长，即1550nm波段 100GHz带宽(对应0. 8nm),两组带宽100GHz的透过波形互补的信号，即密集光波分 复用器。
(4) 、光信号经过起偏器或检偏器后，都只剩下透过轴方向的偏振光。如图3,含
坐标系表示(6>为光偏振方向f相对于起偏器透光轴的角度)。由于该器件对于；^和；i2
都为单向导通，可以根据这条要求来得到该设置中的各项参数。 本发明所述的(可调)双向密集波分复用器的设置方法，包括
(5) 、用合适的磁光介质和波片，并让波片的光轴处在合适方向，使形成相邻两个 全波片和半波片所对应的波长差为0. 8nm(100GHz)，当信号中包括很多个相互之间波长 相差0.8mn(带宽为lOOGHz)的信号时，该设置可作为双向的带宽为IOOG的密集波分复 用器件，且正向和反向的输出波形刚好相反(如图6)。对于不同波长的宽带信号，波片 厚度不同，选用使得信号源中心波长旋转45。的磁光介质。
(6) 、在波片后面加入一平行排列的液晶盒，对所用光信号中所有的波长都有一个 相同的且可调节的相位延迟，可构成可调节的双向波分复用器。根据液晶盒上所加电 场的不同，会产生不同的相位延迟，电压越高，相位延迟越小。当液晶盒达到饱和电 压后，不产生相位延迟，输出波形和未加入液晶盒时的波形相同。若相位延迟在一个 周期(0-2;r)内变化，该信号的输出波形也在一个周期内变化(如图7)。液晶盒是对于 几十个纳米(几个THz)的波长差范围内的光信号的相位延迟调节，即对所用光信号中所 有的波长都有一个相同的且可调节的相位延迟。
(7) 、如图8、如果在上述双向密集波分复用器的波片后面，再增添几块波片，会 使输出的信号的波形变得平坦。其原理是由于增加的波片的透过波形的频率为原波形 频率的整数倍，加入这些波片后，会分别对原波形的波峰和波谷进行修正，使得输出 波形的波峰和波谷较为平坦。因此，所增加的波片的厚度应为原波片的整数倍，其光 轴方向也不一样。
本发明有益效果是本发明与现有技术相比，其显著有点是
(1) 、与常用的光隔离器相比，双向光隔离不仅具有其所有功能，还在于它具有双 向的特性。该器件不仅能能应用在单向光隔离器的应用领域中，还可应用于其他领域。
(2) 、本发明中的密集波分复用器，相对于传统的这类器件，由于应用了液晶，能 够方便的调节其输出的信号，且可实现双向实时同步输出。
(3) 、本发明中的设置，都有一个共同点，即结构简单，制作方便，部件来源广泛、 便宜，在科研和生活中应用广泛，具有广阔的前景。


图l、常用的光隔离器原理正向的光信号通过起偏器后，只剩下水平方向的偏振 光，经磁光介质的作用后，偏振方向旋转45° ,与检偏器的透光轴方向相同，从而透 射出去；而反向的光信号经检偏器后，只剩下45°方向的偏振光，偏振方向在也被磁 光介质旋转45° ，成为垂直方向的偏振光，此时，它的偏振方向与起偏器的透光轴方 向垂直，因而反向的光不能通过该器件，这就是光隔离器单向导通的原理。
图2、双向光隔离器对于正向的信号，^透过而A2不透；对于反向的信号，A透 过而Aj不透。
图3、光信号(A,4)通过各部件后，偏振方向的变化的示意图(P为光偏振方向^ 相对于起偏器透光轴的角度)。图3(a)为光沿正向传播；图3(b)为光沿反向传播。左 边为信号A的偏振变化情况，右边为信号&的偏振变化情况。
a指波片的角度；g是磁光介质的偏转角度；6为光偏振方向f相对于起偏器透光 轴的角度，即通过的光的偏振方向形成的角度；两块偏振片夹角^
图4、光通过该器件后的输出波形。图4a为光信号(A,4)在不同波片后情况下的 透过率；图4b为波片厚度在最佳厚度/二5.4968mm附近时该信号的透过率变化。
图5、波片厚度为最佳厚度/ = 5.4968附附时，不同波长的光信号经过该器件的透 过率。
图6、 1.31um-1.55咖的宽带信号通过该密集波分复用器后，正反两个方向的输出 波形。图6a以波长为横坐标，波分与波谷的间隔为0. 8nm;图6b以频率为横坐标，波 分与波谷的间隔为100GHz。
图7、可调节密集波分复用器输出波形可调的示意图。以中心波长1.55um的光信 号在一个周期(O-2tt)内透过率的变化为例。
图8、经过多波片设置后，输出波形会变得平坦，表中为各波片的参数。图8a、 8b、 8c分别对应一、二、三片波片设置后的输出波形图。
具体实施例方式
双向光隔离器(稀疏波分复用器)
如图2,起偏器和检偏器位于两端，波片和磁光介质位于起偏器与检偏器之间，其 中心都位于一条直线上，让光信号(4,^)正向或反向依次通过起偏器、波片、磁光介 质和检偏器。我们设置中(如图3a和b中)，让正向信号中的^和反向信号中的；i2的 透过率相同，即有
让^和/12刚好落在光纤的两个低吸收窗口 & 二1.55wm和& =1.31wm。可得到该设置的参数
磁光介质常数C = = 41.22° *1.55 = &义2 = 48.78° *1.31; 波片光轴方向a = 45°; 起偏器与检偏器交角0 = 48.78°;
A和反向信号中的A的透过率r = cos2朋=cos2 7.56 = 0.9827 = -0.076^5。
图4中
部件偏振方向部件偏振方向
起偏甚起偏器
波片波片
磁光介质:Wilt 纱，磁光介盾
与检偏器夹角与检偏器夹角
ia中
部伴偏拔方向部件 j偏拔方向
4线器检偏器
幾先介屑磁先介质叫沐
波片伊-'爲(碌=《#+為)*》渡片伊:馬树=《2 "^-&》1
与检偏S夹I萄 承会為=豕/2為緣《靂夹《箱=(2 —-&j
模拟计算中，波片为石英晶体，有Aw-0.00846。图4(a)为该信号通过此器件后， 随波片厚度的不同，^和/l2透过率的变化。波片满足对于1.55um的光为全波片， 对于1.31um的光为半波片。对波片的厚度/有
r 2血1 ,
& ， (m,n都为整数) ^2;rAnl ,1、。
r， =-= (w + —) x 2;r
2 A2 2
当011=30，11=35)时，波片厚度为
此时，该设置的隔离度可达40dB,性能较好，如图4(b)。这就是说，当波片厚度为 5.4968mm时，该器件在(1.55wm,1.31ww)处有较好的性能，如图5。 双向密集波分复用器
两偏振片之间的夹角0 = 45°;若所用波片为YV04,光轴方向oc=45° ,其折射 为"e=2.1486、 "。=1.9447,即= "e—"。 = 0.2039 ;磁光介质的常数
9<formula>formula see original document page 10</formula>可得到波片的厚度为/ = 7.3514附附。如图6，采用琼斯矩阵算法，通过MatLAB编程计算1.53咖-1. 57um的连续宽带信号，该密集波分复用器件的带宽为0.8nm(100GHz),隔离度可达40dB以上，满足实际应用的要求。可调密集波分复用器
常用的液晶盒有两种类型平行排列液晶盒(PA),扭曲向列相液晶盒(TN)。在电场
下，液晶的排列会发生变化，因此，当外加电场改变时，平行盒的总相位延迟会发生
改变，可以看作一可调的相位延迟片。若在波片后面加入一个平行排列的液晶盒，在
信号谱线较窄(如1.53um-1.57um)时，由于液晶盒的色散不明显，可构成在电场下可调
密集波分复用器。如七，以1.5^im的光信号为例，若所加电场使得液晶盒产生的相位
延迟变化(0-2 7T)，其透过率也会相应的在一个周期内发生变化。采用多波片设置图3b中
<image>image see original document page 10</image>
在上述的密集波分复用器件的波片后恰当地添加更多厚度满足要求的波片，可使的输出波形的波峰和波谷变得平坦。如图8所示，这里计算了最多添加到3块波片的输出波形，其光轴方向分别为",45° ， 《2=—16°和《3=9°;厚度分别为/,2/和2/ (其中/ = 7.3514附附)。
权利要求
1、一种双向光隔离器的设置方法，其特征为双向光隔离器包括起偏器、波片、磁光介质、检偏器四个部件构成，起偏器和检偏器位于光隔离器的两端，波片和磁光介质位于起偏器与检偏器之间，四个部件中心都位于一条直线上；波片的相位延迟和磁光介质满足如下要求，调节波片光轴方向α和起偏器和检偏器两块偏振片夹角φ使波片对于波长不同的两个信号λ1，λ2相应地分别表现为全波片和半波片时对于正向的信号，λ1透过而λ2不透；对于反向的信号，λ2透过而λ1不透；构成双向光隔离器或双向稀疏波分复用器(CWDM)。
2、 一种双向光隔离器的设置方法，其特征为双向光隔离器包括起偏器、波片、 磁光介质、检偏器四个部件构成，起偏器和检偏器位于光隔离器的两端，波片和磁光 介质位于起偏器与检偏器之间，四个部件中心都位于一条直线上；波片的相位延迟和 磁光介质满足如下要求，调节波片光轴方向"和起偏器和检偏器两块偏振片夹角^: 使形成相邻两个全波片和半波片所对应的波长差为对应通信带宽频率的波长，当信号 中包括多个相互之间波长相差对应光通信的通信带宽频率的波长时，作为双向的光通 信带宽的密集波分复用器件，且正向和反向信号的输出波形刚好相反。
3、 根据权利要求2所述的双向光隔离器的设置方法，其特征是双向密集波分复用 器(DWDM)中的波片后加入一个平行排列的液晶盒后，该设置作为可调相位延迟的双向 密集波分复用器，可调双向密集波分复用器中的平行排列的液晶盒对所用光信号中所 有的波长都有一个相同的且可调节的相位延迟。
4、 根据权利要求2所述的双向光隔离器的设置方法，其特征是在双向密集波分复 用器中采用多波片设置，使输出波形平坦化。
5、 根据权利要求2或3所述的双向光隔离器的设置方法，其特征是双向光隔离器 中的磁光介质为常用的磁光介质对于偏振光，它具有非可逆的偏振旋转特性，即偏振 光正反两次经过该介质后，其偏振旋转加倍而不是普通旋光介质的作用相抵消。
6、 根据权利要求2、 3所述的双向光隔离器的设置方法，其特征是双向密集波分复 用器(DWDM)的波片其要满足对于一 信号的波长4为全波片，而对另一信号的波长^ 为半波片；即波片的厚度和折射率的乘积满足<formula>formula see original document page 2</formula>即Aw/二mA =("+1/2);^,其中r表示波片的相位延迟，m， n为整数，1波片厚度， 入通过波片的波长，An指波片折射率差。
7、 根据权利要求l、 2或3所述的双向光隔离器的设置方法，其特征是所述的起偏 器和检偏器都为线偏振片，当光信号经过该偏振片时，只有沿透光轴方向的偏振光才 能透过，而垂直方向的偏振光会被吸收或反射，两偏振片的夹角与所选用的磁光介质 的参数和光信号中的波长决定。
8、 根据权利要求2或3所述的双向光隔离器的设置方法，其特征是所述的双向密 集波分复用器中的波片，形成相邻两个全波片和半波片所对应的波长差为对应通信带 宽频率的波长，改变波片的厚度，可改变波长差；波片厚度和波片与介质形成的双折 射率差的乘积满足A"/=々7(2A;i) = c/(2A/)双向光隔离器和可调密集波分复用器中的波片，其光轴方向为当波片对应的波长 处于半波片时，光的经过波片后，其偏振方向会以波片光轴方向为对称轴发生改变。
9、 根据权利要求2或3所述的双向光隔离器的设置方法，其特征是对于不同波长 的宽带信号，波片厚度不同，选用使得信号源中心波长旋转45。的磁光介质。
10、 根据权利要求2或3所述的双向光隔离器的设置方法，其特征是所述的正向和 反向不同的方向产生两组对应通信带宽频率的波长，即1550nm波段100GHz带宽时 0.8nm，两组带宽lOOGHz的透过波形互补的信号，即密集光波分复用器。
全文摘要
本发明公开了一种双向光隔离器的设置方法，双向光隔离器包括起偏器、波片、磁光介质、检偏器四个部件构成，起偏器和检偏器位于光隔离器的两端，波片和磁光介质位于起偏器与检偏器之间，四个部件中心都位于一条直线上；波片的相位延迟和磁光介质满足如下要求，调节波片光轴方向α和起偏器和检偏器两块偏振片夹角φ使波片对于波长不同的两个信号λ₁，λ₂相应地分别表现为全波片和半波片时对于正向的信号，λ₁透过而λ₂不透；对于反向的信号，λ₂透过而λ₁不透；构成双向光隔离器或双向稀疏波分复用器(CWDM)。也可构成密集波分复用器件。
文档编号G02F1/09GK101581837SQ20091003002
公开日2009年11月18日 申请日期2009年3月26日 优先权日2009年3月26日
发明者李苏陕, 胡锡奎, 陆延青, 黄张迪 申请人:南京大学