偏振无关光隔离器耦合光路设计及福瑞贝斯的汇聚光解决方案

随着光电技术的发展,自由空间光隔离器在有源光器件中的使用越来越普遍,其主要功能是允许正向光无损耗地通过,同时阻挡反射光进入有源芯片,从而使发光或增益有源光器件能够稳定输出,如:LD,SOA,SLD等。从上世纪末开始逐步商用的光隔离器技术主要分为两大类:偏振相关光隔离器和偏振无关光隔离器。偏振相关光隔离器要求正向输入光为线偏振光,且偏振方向固定,此类隔离器通常由一个输入端起偏元件,一个法拉第旋光器和一个输出端检偏元件组成,反射光通常被起偏或检偏元件吸收或反射出正向光路,从而达到隔离反射光的目的;偏振无关光隔离器不限定输入光的偏振态,允许任意偏振态的正向光无损耗通过,同时使反射光偏离正向光路,不能进入有源光芯片,从而达到隔离反射光的目的。在过去20多年中,商用的偏振无关光隔离器仅有楔形双折射晶体的设计方案,此设计方案仅可用于平行光路的反射光隔离;深圳市福瑞贝斯光电科技有限公司于2020年底推出了可用于汇聚光路的偏振无关光隔离器(XFSI),填补了自由空间光隔离器在这一领域的应用空白,并于2021年向市场批量供货。

 当光源输出为线偏振态且偏振方向固定时(如:LD),可以选择偏振相关光隔离器;当光源输出为低消光比(如:SLD)或输出偏振态不固定(如:SOA)时,其光隔离器方案需要选择偏振无关光隔离器。在光有源器件的偏振无关光隔离器耦合光路设计时,由于在过去20多年仅有适用于平行光路的楔形双折射晶体方案,因此只能选择将隔离器置于两个准直透镜之间的方案,如图一,

图一:偏振无关/平行光自由空间隔离器耦合光路设计

 而福瑞贝斯的创新型偏振无关/汇聚光自由空间隔离器,使光有源器件的偏振无关光隔离器耦合光路设计简化为图二,减少一个透镜,将隔离器置于光纤和透镜之间。

图二:偏振无关/汇聚光自由空间隔离器耦合光路设计

 在光器件的具体实施案例中,传统的平行光方案通常有图三左侧所示3种结构,如采用福瑞贝斯的创新型汇聚光隔离器方案,可以将设计简化为右侧所示结构。可以减少一个透镜,同时将封装工艺非常不稳定的“隔离器+透镜+适配器一体化”和“透镜+适配器一体化”方案简化为成熟稳定的“隔离器+适配器一体化”或“单独适配器”。而且,此设计变更可以更好地满足器件小型化的市场需求。

图三:具体实施例对比

 对比平行光设计方案和汇聚光设计方案,平行光方案的耦合光路设计包括4个零部件(输入波导,2个透镜,输出波导),汇聚光方案包括3个零部件(输入波导,1个透镜,输出波导)。注:隔离器等效于平行玻璃板,仅产生光路的平移,因此不计入耦合零部件。在进行光路耦合时,每一个零部件的摆放位置和角度都需要进行控制,才能达到最佳耦合效率,因此更多零部件的平行光方案需要控制更多的零部件自由度。而在实际的自动调光设备的设计中,更多自由度意味着更复杂的算法,更低的调光效率,以及更昂贵的设备成本,因此实际调光设备开发中不得不在光学性能(耦合效率)和综合成本(设备成本,生产效率)之间做出平衡,市场上成熟的针对透镜耦合的自动调光设备的最复杂方案也仅为6维自动调光(不含手动)。而6维自动调光不足以实现平行光设计方案的最佳耦合,因此不得不用精确控制零部件公差和装配误差来替代对更多调光自由度的需求,以得到更好的耦合效率,但是无法达到最佳耦合效率,且最终耦合效率受零部件公差和装配误差影响较大,生产制程不稳定。如果采用汇聚光方案,6维调光充分满足耦合调光的自由度需求,可以在不严格控制零件公差及装配误差的情况下稳定实现接近理论计算值的耦合效率。

 为了准确评测汇聚光设计的耦合效率,耦合光路设计采用SMF-28e单模光纤作为输入和输出波导,以提供理想圆光斑,并选择光器件行业常规的8°斜抛角结构,以及一个非球透镜,如图四。

图四:汇聚光耦合效率测试光路(无隔离器)

 然后在我司开发的半自动调光设备上进行耦合调光,可以稳定实现接近理论计算值的耦合,实测耦合效率为99%左右,如图五。而平行光设计方案的耦合效率受零部件公差和装配误差影响较大,因此无法得到确定的耦合效率分布。

图五:汇聚光耦合IL统计

 然后将汇聚光隔离器插入测试光路,评测汇聚光隔离器耦合效率(IL),PDL和隔离度(ISO),如图六。

图六:有隔离器光路设定

 在半自动调光设备上耦合调光的结果可以稳定达成约95%左右的耦合效率(IL约为0.2dB左右),如图七。

图七:汇聚光隔离器测试结果

 根据上述设计方案及测试数据对比,可以看到相较于平行光路设计,汇聚光路设计可以提供更高更稳定的耦合效率,更小更简洁的产品结构,以及更稳定的生产制程和合格率。

 深圳市福瑞贝斯光电科技有限公司的偏振无关/汇聚光自由空间光隔离器给偏振无关光器件设计提供的这个更优解决方案,目前已经在光通讯行业的100G ZR(SOA+PIN)和400G ZR,传感行业的SLD和激光雷达的FMCW+SOA方案上评测,且已批量发货。我们可以向客户提供隔离器产品及调光工艺的全套交钥匙工程,帮助客户快速完成产品开发。