光纤法拉第反射镜

一．定义

光纤法拉第反射镜能将入射光的偏振态(SOP)以90 °的正交偏振方向进行反射；具有低插入损耗、高回波损耗、高信噪比以及良好的环境稳定性和可靠性,能最大程度地减小光纤中由热扰动和机械扰动引起的偏振态的变化。

二．特点

     1.   出射光与入射光偏正态呈90 °正交。

     2.   输入与输出皆在同一根光纤中。

     3.   低插入损耗，小旋转角误差。

     4.   FC/APC和FC/UPC两种接头可选。

三．说明

1.     光纤法拉第反射镜的结构与原理

光纤法拉第反射镜主要由光纤准直器、法拉第旋光晶体、磁环（为法拉第旋光晶体提供磁场）、平面反射镜(一般为反射式滤波片)组成。其原理是：光纤出来的光，经由光纤准直器准直，穿过磁环+法拉第旋转晶体的组合，在法拉第磁光效应作用下偏正态向右旋转45°。再经由平面反射镜，光束按原路返回，再次穿过磁环+法拉第旋转晶体的组合，因为法拉第磁光效应的非互易性，偏正态再次向右旋转45°，与入射光偏振态呈90°正交。最后光束经光纤准直器再次耦合至光纤中传输。

2.    法拉第磁光效应

当线偏振光在介质中传播时，若在平行于光的传播方向上加一强磁场，则光子振动方向将发生偏转，偏转角度ψ和磁感应强度B与光穿越介质的长度l的乘积成正比，即ψ=VBl，比例系数V称为费尔德常数，与介质性质及光波频率有关。偏转方向取决于介质性质和磁场方向。上述现象称为法拉第效应或磁致旋光效应。

图1 法拉第磁光效应原理图

3.    关键参数

      插入损耗IL (Insertion Loss)

      是指增加光纤法拉第反射镜而产生的功率损耗，定义为该无源器件的输出和输入的光功率之比，即：

IL=10 lg（P_out /P_in）

式中： P_out为输出的光功率，P_in为输入的光功率。该器件的性能要求对正向入射光的插入损耗是越小越好。

      假设Input端输入光功率P_in =100mW，输出光功率P_out=90mW，那么该器件的的插损IL为：

IL= 10 × lg (90/100)

= 10 × (-0.046)

= -0.46dB

（注：一般计算结果为负值，但实际填写或使用时常常会将负号省略）

1.光纤放大器

图1 FM在光纤放大器中的应用

掺铒光纤放大器（EDFA, Erbium-doped Optical Fiber Amplifier），是一种特殊的光纤，其纤芯中注入了稀土元素饵（Er），使得在泵浦光源作用下，可直接对某一波长的光信号进行放大。如图1所示，PUMP泵浦光通过WDM进入掺饵光纤，其纤芯中的稀土离子吸收泵浦光，跃迁到激光上能级，产生粒子数反转。信号光（种子光）经Input端进入，通过WDM后在掺饵光纤中引发反转后的高能级粒子向下跃迁，产生大量与信号光相同的光，实现对信号光的放大作用。放大后的光又经FM反射，同时偏振态产生90°变化，再经掺饵光纤实现第二次放大，最后通过WDM和PBS(Polarization Beam Splitter)输出。在光纤末端加入的FM不仅提升掺饵光纤的利用率，对整个光路结构的简化起了非常大的作用。

2.光纤激光器

图2. FM在光纤激光器中的应用

光纤激光器（Fiber Laser）是指用掺稀土元素玻璃光纤作为增益介质的激光器。光纤激光器可在光纤放大器的基础上开发出来：在泵浦光的作用下光纤内极易形成高功率密度，造成激光工作物质的激光能级“粒子数反转”，当适当加入正反馈回路（构成谐振腔）便可形成激光振荡输出。如图2所示，在光纤放大器的基础上，增加一个光栅与FM可构成一个谐振腔，对光束振荡放大。

3.光纤干涉仪

图3. FM在光纤干涉仪中的应用

干涉现象是基本的波动光学现象之一，利用光纤实现光的干涉即光纤干涉仪，是光干涉现象的重要应用。由光纤取代透镜系统构成，光路具有柔软、形状可随意变化、传输距离远、可适用于各种有强电磁干扰、易燃易爆等恶劣环境，从而可以构造出各种结构的干涉仪和许多功能器件，如光纤陀螺、光开关、光定位器件等，有广泛的应用前景。

      将FM置于光纤干涉仪参考臂和信号臂的末端，除了实现光路的反射，同时也抵消了由光纤本身带来的热扰动或机械扰动引起的传输光偏振态变化，从而得到稳定的输出，可有效改善光纤干涉仪的性能。