双级式楔形光隔离器中的光路分析

引　言

光隔离器是一种只允许单向光通过的光无源器件,其工作原理是基于法拉第旋转器的非互易性。某些光器件,如激光器及光放大器等,对来自光路中的反射光非常敏感,导致其自身性能的恶化,因此需要用光隔离器来阻止光反射。但是光隔离器的使用也会对光通信系统带来一些无源器件所固有的消极影响———如增大插入损耗、增加系统偏振模色散(polarizationmodedispersion,PMD)与偏振相关损耗等不确定因素。作者通过对光路的分析,讨论了双级式楔形光隔离器的光束分离和光程变化情况。

1　楔形光隔离器

1. 1　结　构

双级式楔形光隔离器如图1所示[1]。其优点在于,它的前后两部分在结构上相当于两个单级楔形光隔离器,具有互补性。这种光隔离器的隔离度、PMD等性能比单级楔形光隔离器都有明显的提高,其缺点是对装配精度要求很高。作者将讨论光在光楔中和法拉第旋转器中的光轨迹情况。图1中P1~P4为具有双折射性的光楔,通常由单轴晶体制成,普通的平面光(经过自聚焦透镜的高斯光束)通过时,如果光线与光轴方向不一致,则发生双折射现象,在晶体中称为o光(寻常光)和e光(非寻常光)。F1和F2是法拉第旋光器,它们把偏振光的偏振面顺时针旋转45°。对返程光的旋转方向也相同,光通过时不具有可逆性。

1. 2　建立坐标

在光楔中传输的e光和o光不同,一般并不位于入射面内。为了准确地表达光在各段均匀介质中的光路情况,引入了五维坐标:除了用x2y2z来表示起始点的空间坐标外,同时引入光线与z轴的水平方向和垂直方向的角度坐标来定义光线,如图2所示。在坐标系中,对于光线AB而言,A处为入射点(xi,yi, zi),Φ为AB在水平面y2z中的投影AB2与z轴夹角;θ为AB在垂直面x2z中的投影AB1与z轴的夹角,这样就能准确地定义在同一连续介质中光轨迹AB的位置以及AB上任一点确切的坐标值。

光楔P1~P4的楔角都相同,设为γ;光轴方向平行于x2y面,其相对夹角如图3所示。这样设计的目的就是使光在正向传播时具有较小的光线间偏移和较小的光程差;而对于反射光则使光线间的偏角与偏移足够大以使其尽量少地进入入射端自聚焦透镜。此类光隔离器的原理,相关文献中[1, 2]已经有论述;一般取因为o光在晶体中的传播遵守光的折射定律,不再累述,这里重点分析e光在楔形晶体中的传播和光在法拉第旋转器中的等效处理。

2　分　析

2. 1　光楔P1中的e光

对e光的处理,首先确定e光波法线BC段的方向,然后确定e光线与其波法线的夹角δ1,再将这个夹角在x2z面和y2z面内分解,最后可确定此段e光线的轨迹。CC′表示通过C点的光轴方向。见图4。