高功率光隔離器及其製作過程中的一些共性問題

　　1 引言

　　光隔離器是只允許光沿一個方向通過而在相反方向阻擋光通過的光無源器件。半導體雷射器、光放大器以及光纖雷射器等對來自連接器、熔接點、濾波器等的反射光非常敏感，並可能導致性能惡化甚至損壞，因此需要用光隔離器來阻止反射光。在光纖通信中，通過光纖回波反射的光能夠被光隔離器很好地隔離。在光纖雷射等應用中，光隔離器通常被使用在光路中用來避免光路中的回波對光源、抽運源以及其他發光器件造成的幹擾和損傷。隔離器的隔離度代表了光隔離器對回波的隔離(阻擋)能力。

　　2 光隔離器工作原理

　　光隔離器主要利用磁光晶體的法拉第效應(也稱磁致旋光效應)。1845年，法拉第首先觀察到不具有旋光性的材料在磁場作用下能夠使通過該物質的光的偏振方向發生旋轉，因此常稱法拉第效應。在法拉第效應中，偏振方向旋轉的方向與磁場有關，而和光的傳輸方向是正向或者反向無關，這與我們通常在折射、反射等現象中看到的光路可逆性不同。沿磁場方向傳輸的線偏振光，其偏振方向旋轉角度θ和磁場強度B與材料長度L的乘積成正比，比例係數也就是我們常說的維爾德常數。

　　光隔離器根據偏振特性可分為偏振無關型和偏振相關型。這兩種隔離器都用到了具有磁致旋光效應的磁光晶體，法拉第磁介質在1~2μm波長範圍內通常採用光損耗較低的釔鐵石榴石(YIG)單晶。新型尾纖輸入輸出的光隔離器有相當好的性能，最低插入損耗約0.5 dB，隔離度達35～60 dB，最高可達70 dB。

　　目前光隔離器用的最多的仍然是偏振無關型的，其原理如圖1所示，利用正向和反向傳輸的光路不一致，也就是此時光信號傳輸是不可逆的，從而形成隔離。典型結構只用到四個主要元件：磁環、法拉第旋轉器、兩片LiNbO3 楔角片，配合一對光纖準直器，可以做成一種在線式的光纖隔離器。

　　正向傳輸時：從準直器出射的平行光束，進入第一個楔角片P1後，光束被分為o光和e光，其偏振方向相互垂直，傳播方向成一夾角。當他們經過45o法拉第旋轉器時，出射的o光和e光的偏振面各自向同一個方向旋轉45o，由於第二個楔角片P2的晶軸相對於第一個楔角片正好呈45o夾角，所以o光和e光被折射到一起，合成兩束間距很小的平行光，然後被另一個準直器耦合到光纖纖芯中去。這種情況下，輸入的光功率只有很小一部分被損耗掉，這種損耗稱之為隔離器的插入損耗。

　　反向傳輸時：當一束平行光反向傳輸時，首先經過P2晶體，分為偏振方向與P1的晶軸各呈45o夾角的o光和e光。由於法拉第效應的非互易性，o光和e光通過法拉第旋轉器後，偏振方向仍然向同一個方向旋轉45°，這樣原先的o光和e光在進入第二個楔角片(P1)後成了e光和o光。由於折射率的差別，這兩束光在P1中再也不可能合成一束平行光，而是向不同的方向折射，e光和o光被進一步分開一個更大的角度，即使經過自聚焦透鏡的耦合，也不能進入到光纖纖芯中去，從而達到了反向隔離的目的。此時的傳輸損耗較大，這種損耗稱之為隔離器的隔離度。

　　3 光隔離器主要技術參數

　　對於光隔離器，主要的技術指標有插入損耗、反向隔離度、回波損耗、偏振相關損耗、偏振模色散等。

　　(1)插入損耗(Insertion Loss)：隔離器芯主要由法拉第旋轉器和兩片LN楔角片組成，法拉第旋轉器的消光比越高、反射率越低、吸收係數越小，插入損耗就越小，一般法拉第旋轉器的損耗約為0.02～0.06dB。平行光經過隔離器芯後，會分成o，e兩束平行光。由於雙折射晶體的固有特性，o光和e光不能完全會聚，從而也會造成附加的插入損耗。