光隔离器的性能及指标测试

光隔离器的性能要求有：正向插入损耗低，反向隔离度高，回波损耗高，器件体积小，环境性能好。

1.插入损耗

（1）光隔离器插入损耗的产生原因

光隔离器插入损耗主要来源于偏振器、法拉第旋转器芯片和光纤准直器的插入损耗。

偏振相关光隔离器中，根据马吕斯定律：

其中，θ0为法拉第旋转角，θ0为起偏器和检偏器间的夹角，λ为波长，I为正向入射光强，IF为正向出射光强。

正向插入损耗IL为

其中，P、PF分别表示与光强对应的光功率。

正向插入损耗IL与起偏器和检偏器间的夹角θ0之间的关系如图9.8.14所示。

图9.8.14　IL－θ0曲线

偏振无关光隔离器的插入损耗主要来源于偏振器、法拉第旋转器芯片和光纤准直器的插入损耗，其中芯片部分的插入损耗主要依赖于出射线偏振光中o光和e光的会聚效果。

由于偏振器固有的特性，no≠ne，o光和e光将不可能完全会聚，总存在一微小的横向位移，给整个器件带来一定的附加损耗，Δn＝ne－no越小，横向位移就越小，附加损耗也小；反之，附加损耗就会变大。整个器件的插入损耗还与偏振器、法拉第旋转器芯片的消光比、o光和e光所经过的光学界面的反射率及准直器的耦合效率有关。消光比越高，反射率越低，准直器的耦合效率越高，则插入损耗越小。另外，各元件存在的尺寸和装配误差，也将影响o光和e光的会聚效果，使整个器件耦合效率下降，增大插入损耗。

对于Wedge型结构的偏振无关光隔离器，其正向耦合效率：

其中，h为从偏振器P2出射的两束平行光中o光和e光的间距，它与偏振器晶体的楔角有关；n0、A为自聚焦透镜的参数。

其插入损耗为

Wedge型光隔离器的隔离度、插入损耗与双折射晶体楔角的关系曲线如图9.8.15所示。其中双折射晶体为金红石（TiO2）时变化最快，钒酸钇（YVO4）次之，锂酸钇（LiNbO3）最慢。

图9.8.15　Wedge型光隔离器的隔离度、插入损耗与双折射晶体楔角的关系曲线

采用不同材料时光隔离器的正向插入损耗与双折射晶体楔角的关系，光隔离器的插入损耗随楔角的增大而增大。这是因为双折射晶体的楔角越大，从第二个双折射晶体输出的o光和e光的间距就越大（即会聚效果越差）；同时，不同晶体构成的光隔离器，其插入损耗随双折射晶体的楔角变化也不一样。

假设两双折射晶体为钒酸钇，楔角为7°，可得到光隔离器插入损耗与两双折射晶体纵向间距s的关系曲线。由图9.8.16可知，光隔离器的插入损耗随间距s的增加而增大，这也是由于s的增加，导致了输出的o光和e光的间距相应变大而造成的。光纤准直器的准直效果将会直接影响到它自身和偏振器及法拉第芯片的插损。在偏振无关光隔离器中，准直器的耦合非常重要。

图9.8.16　Wedge型光隔离器的隔离度、插入损耗与两双折射晶体间距的关系曲线

①光纤和自聚焦透镜耦合

自聚焦（GRIN）透镜：渐变折射率透镜。

其中，n0为轴线折射率，r为离轴距离，A为自聚焦透镜的聚焦常数。

自聚焦透镜的焦距为

其中，z为自焦透镜的长度，A是波长的函数（因此，f是波长的函数）。

图9.8.17是透镜焦距为波长的函数示意图。透镜的长度误差必然会影响到光束耦合效果，这是造成准直器损耗的主要原因之一。

图9.8.17　透镜焦距为波长的函数

光纤准直器是由光纤和节距为0.25P的具有抗反射镀层的自聚焦透镜组成。

自聚焦透镜的长度为其中，P为自聚焦透镜的节距，是在近轴近似条件下，根据子午光线遵循正弦路径传播而确定的。同时，GRIN的折射率分布在离轴心0.8mm半径处有一拐点。所以，由式（9.8.9）计算出的z值还不够准确，带来了耦合时的损耗；另外，GRIN的象差也会使光束的耦合效率下降，增加了器件的损耗。

②两个光纤准直器之间的耦合

两个单模光纤准直器耦合时，准直器的失配会使单模光纤间产生附加损耗。图9.8.18是光纤准直器之间的耦合示意图。两个光纤准直器的失配主要来源于三个方面：

a.光纤准直器间的偏轴距离；

b.光纤准直器间的角度偏差θ；

c.光纤准直器间的轴向间距d。

图9.8.18　光纤准直器之间的耦合

当GRIN的长度为四分之一节距时，根据模场耦合理论，光场分布为φ的

1高斯光束与φ2的高斯光束的耦合效率为

光纤准直器在离轴耦合、偏角耦合及间距耦合三种情况下，光纤与光纤间的耦合效率分别如下。

a.两光纤准直器离轴耦合：

b.两光纤准直器偏角耦合：

c.两光纤准直器间距耦合：

其中，ω0、λ分别为高斯光束的模场半径和波长，d为光纤准直器间的间距，x0为两光纤准直器的轴间距，θ为两光纤准直器间的角度。图9.8.19是光纤准直器损耗关系曲线图。

图9.8.19　光纤准直器损耗关系曲线

（2）插入损耗的测试

测试插入损耗时，光源的波长必须在工作波长范围内，并使任何可能注入的高次模得到足够的衰减，使光隔离器的输入端和检测器处仅有基模传输；光信号沿隔离器的正向输入。当隔离器尾端不带连接器，为尾纤输出时，可采用熔接法进行隔离器的制作和测试。图9.8.20是光隔离器插入损耗测试方框图。

插入损耗IL＝－10lg，测量偏振相关光隔离器时，P为不插入隔离器的情况下，1将准直器调节到最小损耗时测得的初始功率；P2为插入隔离器后将隔离器和偏振器的偏振方向调到一致时，测得的光功率。

2.反向隔离度

光隔离器的反向隔离度表征隔离器对反向传输光的衰减能力。

（1）偏振相关光隔离器的隔离度

偏振相关光隔离器的起偏器和检偏器夹角的微小变化，将严重影响反向隔离度。

其中，I′为反向入射光强，I′R为反向出射光强。

若以P′、P′R分别表示与光强对应的光功率，反向隔离度Iso为

图9.8.20　光隔离器插入损耗测试方框图

（2）偏振无关隔离器的隔离度

以Wedge型结构为例来分析其隔离度。其整个隔离器的隔离器为

由此可得整个隔离度与起偏器和检偏器距法拉第旋转器的距离的曲线图9.8.21。

图9.8.21　ISO～L1、L2关系曲线图

隔离度与光学元件表面反射率的关系如图9.8.22所示。光隔离器中光学元件表面反射率越大，隔离器的反向隔离度就越差。

图9.8.22　ISO－R关系曲线

（3）光隔离度的测试

隔离器隔离度测试方框图如图9.8.23、图9.8.24所示。

图9.8.23　连接器端口式偏振无关光隔离器

图9.8.24　空间偏振相关光隔离器隔离度测试方框图

3.回波损耗

光隔离器的回波损耗RL是指正向入射到隔离器中的光功率Pi和沿输入路径返回隔离器输入端口的光功率P′r之比：

隔离器的回波损耗由各元件和空气折射率失配并形成反射引起。通常平面元件引起的回波损耗：14dB左右；利用抗反射膜、斜面抛光及合适的装配工艺：回波损耗可达60dB以上。隔离器回波损耗主要来源于入射光的准直光路部分。一般结构的光纤准直器（平面插针耦合GRIN透镜的光纤准直器）：回波损耗为18dB左右。斜面耦合结构的光纤准直器（斜面倾角为8°）：回波损耗值可大于60dB。

图9.8.25　斜面光纤准直器的示意图

图9.8.25是斜面光纤准直器的示意图。光纤准直器的返回光主要来自三个面的菲涅尔反射：单模光纤端面（端面1）的反射、GRIN透镜前端面（端面2）及后端面（端面3）的反射。

关于回波损耗的测试主要有如下两种测试法。

（1）定向耦合器测试法

测试时，选择一个插入损耗小，分光比为1∶1带连接器端口的定向耦合器进行测试。图9.8.26是回波损耗耦合器测试法方框图。

图9.8.26　回波损耗耦合器测试法方框图

先将耦合器的第三端口用匹配剂匹配起来，用光功率计测得耦合器第二端口的光功率P0，再将隔离器接上，并再隔离器的尾端涂好匹配液，测得耦合器第三端口的回返光功率P1。

被测隔离器的回波损耗：

其中，T23为定向耦合器的传输系数。

（2）回损仪测试法

回波损耗测试仪是测量回波损耗的专用测试仪器。它将光源、探测器、光学元件及软件集成于一体，并带有连接器输出口，可实现对器件回波损耗的直接测量。图9.8.27是回损仪测试示意图。

4.偏振相关损耗

偏振相关损耗（PDL）是指当输入光偏振态发生变化而其他参数不变时，器件插入损耗的最大变化量，是衡量器件插入损耗受偏振态影响程度的指标。对偏振无关光隔离器来说，斜面耦合自聚焦透镜和高折射率的双折射晶体等可能引起偏振，当输入的光信号偏振态不同时，也会产生一定的偏振相关损耗。理论上要求偏振无关光隔离器的PDL为零，但实际上是不可能的，不过可通过设计将其降到最小。一般普通型偏振无关光隔离器可接受的PDL指标小于0.2dB。PDL的测试如图9.8.28所示。

图9.8.27　回损仪测试示意图

图9.8.28　PDL的测试方框图