半导体激光器对从系统其他部分反射回的光能量是非常敏感的。反射光增加了发射光束中的噪声,降低了系统的性能。返回的光子到达激光器谐振腔内部时,可能被放大,而且通常还会影响激光器的工作。它们与已存在于腔体中的光子竞争激发原子态。由于返回光子与激光谐振腔中的现存光子不大可能同相位,因此会迫使半导体激光器重新开始振荡。新的振荡与返回的光子同相位,结果导致半导体激光器会输出相位随机波动的发射光,从而增加了系统的噪声。
发射机附近的反射是主要的影响因素。光纤和连接器以及通道上的其他元件可以削弱远处产生的反射,因此这种从远处来的反射光在到达半导体激光器时已经衰减得很弱。所以,这里提到的大多数预防措施仅应用于设置在系统中距离发射机位置很近的情况下。在实用系统中,有许多方法可以将反射减到最小。系统中诸如光纤或透镜等元器件,如果在其头端涂敷消反射涂层可以减小任何反射的振幅。光纤头可以是圆的,结果反射光线不能传回发射机,反射光线转换成光纤中无法传播的模式:特殊设计连接器和耦合器,从而使反射光减到最小。回波损耗是控制反射有效性的度量。
隔离器可以确保返回到半导体激光器的光功率很小。光隔离器实际上是一个光的单向传输线。即仅允许光沿着光纤的一个方向传输。这类器件的基本结构如图1(a)所示,由两个线偏振器和一个45°的法拉第旋转器组成。如图1(c)所示,从左端来的入射光束由起偏振器R调整为垂直偏振。此垂直偏振波通过法拉第旋转器,通常,法拉第旋转器使入射光束的偏振方向发生旋转,旋转量由器件的特性确定。为了构成隔离器,旋转角必须是45°。因此,旋转器输出光的偏振平面偏离垂直方向45°。右端的检偏振器一的偏振方向调整在45°,允许沿45°方向偏振的光通过。光从左至右的传输就是以这种方式进行的。
现在考虑图1(d)中光束从右到左的传输情况。当光束进入隔离器后,PR使光束沿45°方向偏振。而法拉第旋转器则使光束再旋转45°,因此如图中所示,从旋转器的左端输出时已是水平偏振光束。偏振器PL将阻止水平偏振光束通过。于是,我们可以断定在隔离器中没有光自右向左传输。必须强调的是,法拉第旋转是非互易的。
图1: 法拉第旋转型光隔离器。(a)构成元件;(b)允许的偏振状态;
(c)左到右传播的电场取向;(d)右到左传播的电场取向
具有高法拉第效应的透明材料是钇铁石榴石,通常称之为YIG。外加磁场沿单晶体中光波传输方向时,会产生法拉第旋转现象。我们已经强调过,在光纤链路中对隔离器的最主要的要求是保护半导体激光器免受反射光的影响?具有这种功能的隔离器与光源耦合系统的连接结构如图2所示。YIG球的作用犹如一个透镜,将来自光源的光聚焦到光纤上,并提供所需的法拉第旋转。这种结构不需要第一个偏振器,因为半导体激光器的输出光束已经是偏振光。返回到激光器的反射光以90°方向偏振,将不会与发射光束发生耦合、所需要的磁场由永久磁铁来提供。
一个理想的隔离器在前(或允许的)向传输时无损耗,而在反(或禁止的)向传输时损耗为无穷大。实际上,由于在元件接口的反射,以及偏振器和旋转器的缺陷,隔离器的性能不町能是理想的。典型的插入损耗约为1 dB,而隔离度约为30 dB。
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