1/24/2013,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(dǎo)體激光器、光放大器以及光纖激光器等對來自連接器、熔接點、濾波器等的反射光非常敏感，并可能導(dǎo)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。在光纖激光等應(yīng)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(fā)光器件造成的干擾和損傷。隔離器的隔離度代表了光隔離器對回波的隔離(阻擋)能力。

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(yīng)(也稱磁致旋光效應(yīng))。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(zhì)的光的偏振方向發(fā)生旋轉(zhuǎn)，因此常稱法拉第效應(yīng)。在法拉第效應(yīng)中，偏振方向旋轉(zhuǎn)的方向與磁場有關(guān)，而和光的傳輸方向是正向或者反向無關(guān)，這與我們通常在折射、反射等現(xiàn)象中看到的光路可逆性不同。沿磁場方向傳輸?shù)木�偏振光，其偏振方向旋轉(zhuǎn)角度θ和磁場強度B與材料長度L的乘積成正比，比例系數(shù)也就是我們常說的維爾德常數(shù)。

　　光隔離器根據(jù)偏振特性可分為偏振無關(guān)型和偏振相關(guān)型。這兩種隔離器都用到了具有磁致旋光效應(yīng)的磁光晶體，法拉第磁介質(zhì)在1~2μm波長范圍內(nèi)通常采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(guān)型的，其原理如圖1所示，利用正向和反向傳輸?shù)墓饴凡灰恢�，也就是此時光信號傳輸是不可逆的，從而形成隔離。典型結(jié)構(gòu)只用到四個主要元件：磁環(huán)、法拉第旋轉(zhuǎn)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后，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(jīng)過45o法拉第旋轉(zhuǎn)器時，出射的o光和e光的偏振面各自向同一個方向旋轉(zhuǎn)45o，由于第二個楔角片P2的晶軸相對于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，然后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(jīng)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。由于法拉第效應(yīng)的非互易性，o光和e光通過法拉第旋轉(zhuǎn)器后，偏振方向仍然向同一個方向旋轉(zhuǎn)45°，這樣原先的o光和e光在進入第二個楔角片(P1)后成了e光和o光。由于折射率的差別，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(jīng)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。

光隔離器主要技術(shù)參數(shù)
    對于光隔離器，主要的技術(shù)指標有插入損耗、反向隔離度、回波損耗、偏振相關(guān)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(zhuǎn)器和兩片LN楔角片組成，法拉第旋轉(zhuǎn)器的消光比越高、反射率越低、吸收系數(shù)越小，插入損耗就越小，一般法拉第旋轉(zhuǎn)器的損耗約為0.02～0.06dB。平行光經(jīng)過隔離器芯后，會分成o，e兩束平行光。由于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。

　(2) 反向隔離度(Isolation)：反向隔離度是隔離器最重要的指標之一，它表征隔離器對反向傳輸光的衰減能力。影響隔離器隔離度的因素有很多：1) 隔離度與偏振器距法拉第旋轉(zhuǎn)器的距離有關(guān)；2) 隔離度與光學(xué)元件表面反射率的關(guān)系。隔離器中光學(xué)元件表面反射率越大，隔離器的反向隔離度就越差。實際工藝中必須使R小于0.25%，才能保證隔離度大于40 dB；3) 隔離度與偏振器楔角、間距有關(guān)。雙折射晶體為釩酸釔(YVO4)的光隔離器，當其楔角小于2o時，隔離度隨角度的增大而迅速增大，當楔角大于2o時，變化就小多了，大約穩(wěn)定在43.8 dB左右。光隔離度隨間距的增大而變化的幅度不大，因為隔離度主要取決于反向輸出光與光軸之間的夾角；4) 隔離度與晶軸相對角度的關(guān)系。兩個偏振器及旋光器晶軸相對角度對隔離度的影響是最大的，當角度相差大于0.3o則隔離度將不會大于40 dB；5) 兩個偏振器的消光比，晶體厚度等也對隔離度有影響；6) 溫度及磁鐵的影響。在法拉第效應(yīng)中，維爾德常數(shù)是溫度的函數(shù)，所以法拉第旋轉(zhuǎn)角也會隨著溫度而變化，而且溫度也會對永磁體的性能有影響，所以這也是重要因素之一。

　　(3) 回波損耗(Return Loss)：光隔離器的回波損耗是指正向入射到隔離器中的光功率和沿輸入路徑返回隔離器輸入端口的光功率之比，這是一個重要的指標，因為回波強，隔離度將受到很大的影響。隔離器的回波損耗由各元件和空氣折射率失配所形成反射引起。通常平面元件引起的回波損耗在14 dB左右，通過增透膜和斜面拋光等可以使回波損耗達到60 dB以上。光隔離器的回波損耗主要來自它的準直光路（即準直器部分），經(jīng)理論計算當斜面傾角在8°時，回波損耗大于65 dB。

　　(4) 偏振相關(guān)損耗(Polarization Dependent Loss，PDL)：PDL與插入損耗不同，它是指當輸入光偏振態(tài)發(fā)生變化而其它參數(shù)不變時，器件插入損耗的最大變化量，是衡量器件插入損耗受偏振態(tài)影響程度的指標。對于偏振無關(guān)光隔離器，由于器件中存在著一些可能引起偏振的元件，不可能實現(xiàn)PDL為零，一般可接受PDL小于0.2 dB。

　　(5) 偏振模色散(Polarization Mode Dispersion，PMD)：PMD是指通過器件的信號光的不同偏振態(tài)之間的相位延遲，在高速光通訊系統(tǒng)中PMD非常重要。在光無源器件中，不同偏振模式具有不同的傳播軌跡和不同的傳播速度，產(chǎn)生相應(yīng)的偏振模色散。同時，由于光源譜線有一定帶寬，也會引起一定色散。在偏振無關(guān)光隔離器中，雙折射晶體產(chǎn)生的兩束線偏振光以不同的相速和群速傳輸，即是PMD，其主要來源是用以分離和會聚o光及e光的雙折射晶體。它可由兩束線偏振光的光程差ΔL近似得到。PMD主要受e光和o光折射率差的影響，因此與波長也有較大的關(guān)系。

高功率光隔離器關(guān)鍵技術(shù)
    與常見的光纖通信系統(tǒng)中使用的較低功率光隔離器相比，在較高的激光功率下，光隔離器的設(shè)計及制作也呈現(xiàn)出一些不同之處，這也是在高功率器件的設(shè)計研發(fā)中需要解決的主要問題。

　　(1) 光學(xué)元件在高功率密度激光輻射作用下的損傷問題。這個問題不僅在高功率光隔離器中存在，就是在其他高功率光器件的設(shè)計制作過程中也同樣要面對。為了解決此問題，首先需要在產(chǎn)品的制作及測試過程中保證良好的環(huán)境潔凈度并選用損傷閾值較高的光學(xué)器件及光學(xué)薄膜，當然這也受到產(chǎn)品成本的制約。因為空氣中的微小顆粒如果粘附在光學(xué)表面將極大降低光學(xué)表面的激光損傷閾值，這些微小顆粒對激光的吸收比較大，容易導(dǎo)致顆粒附近能量集中，從而導(dǎo)致光學(xué)表面薄膜損傷甚至面損傷，在元件表面出現(xiàn)麻點甚至小坑而使器件失效。其次，由于在通常情況下光學(xué)元件內(nèi)部的損傷閾值要比其表面的激光損傷閾值高很多，所以元件表面的激光功率密度也就決定了整個器件抗激光損傷的能力，尤其在脈沖工作的情況下更是如此。這時可以通過光學(xué)變換的方法設(shè)法使光學(xué)元件表面的光斑面積擴大的方法來提高損傷閾值，例如擴芯光纖方法以及擴束透鏡光纖方法等就是利用這個原理工作的，或者通過激光脈沖展寬的方法變相地降低激光功率密度，通過避免激光能量在空間和時間上的集中能夠有效地提高產(chǎn)品的抗激光損傷性能。

(2) 高功率器件的熱影響及散熱設(shè)計。因為高功率器件工作在較高的功率下，與低功率器件相比，更容易發(fā)熱，不可避免地會受到溫度上升的影響，所以器件的性能受到材料熱特性以及散熱設(shè)計的影響比較嚴重。通常旋光晶體的旋光特性容易受到溫度的影響，如果在器件工作時由于所吸收激光能量的積累而導(dǎo)致內(nèi)部溫度出現(xiàn)較大上升，就會使得旋光晶體對光偏振面的旋轉(zhuǎn)角度偏離正常值而導(dǎo)致性能明顯下降，嚴重時甚至?xí)��?dǎo)致器件損壞；另外，永磁體在高溫下工作也更容易發(fā)生磁場減弱和退磁現(xiàn)象，甚至出現(xiàn)磁場的不可逆損失，所以高溫對永磁體的穩(wěn)定工作也是不利的；而且，在特高光功率的情況下，光學(xué)元件的溫度會出現(xiàn)較大上升，由于熱量從內(nèi)部向表面?zhèn)鬟f，其內(nèi)部的溫度必然高于其表面的溫度，這樣就會在光學(xué)元件內(nèi)部出現(xiàn)溫度梯度和熱應(yīng)力，導(dǎo)致光束橫截面內(nèi)部中心的折射率和邊緣的折射率變化幅度不同，從而出現(xiàn)折射率差，也就是出現(xiàn)了類透鏡效應(yīng)，這將會改變光束的傳播特性，導(dǎo)致光束質(zhì)量嚴重下降，嚴重影響器件正常工作甚至導(dǎo)致?lián)p壞。因此，必須采取有效的措施減少對激光的吸收并有效散熱。減少對激光的吸收要求選用吸收系數(shù)較小的光學(xué)材料、減小光在元件內(nèi)部傳輸?shù)木嚯x、設(shè)計合理的結(jié)構(gòu)，有效散熱就要求在熱量可能出現(xiàn)積累的地方提供有效的傳熱路徑并散熱，根據(jù)功率的大小可以采取被動散熱或者主動散熱的方法。報道中的萬瓦級光隔離設(shè)計中就采用板條形狀的旋光晶體以提高器件的散熱控溫能力。

　　(3) 高功率隔離器的磁場設(shè)計。高功率光隔離器設(shè)計中的另一個關(guān)鍵是磁場及磁體的設(shè)計及選擇。一般情況下，光隔離器都是利用磁致旋光效應(yīng)工作的，所以必須在旋光晶體上加合適的磁場。為了節(jié)能以及方便使用，一般都采用強永磁材料來產(chǎn)生所需的磁場，這時磁場及磁體的選擇和設(shè)計就非常重要，對器件的性能和成本影響很大。通常情況下都要求在旋光晶體的空間內(nèi)提供較強的均勻磁場，這樣就能夠減小旋光晶體的尺寸，獲得較高的性能價格比，所以就要求在不明顯增加器件體積的情況下設(shè)計選擇合適的磁體以獲得較強的均勻磁場。具體設(shè)計中可通過選擇磁性能較強的磁體，并采用合適的形狀及體積，獲得所需磁場。

　　(4) 高功率隔離器的裝配工藝。高功率光隔離器要求能夠長期穩(wěn)定工作在惡劣的環(huán)境下，這就對器件的結(jié)構(gòu)以及裝配等工藝提出了很高的要求。設(shè)計良好的結(jié)構(gòu)及裝配工藝能夠有效減小光學(xué)元器件內(nèi)部的應(yīng)力，從而提高產(chǎn)品的性能及穩(wěn)定性，使得器件能夠長期穩(wěn)定可靠工作。隔離器結(jié)構(gòu)設(shè)計中主要需要解決兩個問題，首先是光學(xué)元器件的裝配，要求穩(wěn)定可靠，能夠有效散熱控溫；其次需要牢固可靠裝配強永磁鐵，隨著磁體設(shè)計制造能力的提高，器件中可能采用較復(fù)雜形狀的多塊磁體組合來提供較強的均勻磁場，而磁體之間較強的磁力就要求設(shè)計合適的裝配工藝方法來可靠裝配磁體，并要求在裝配過程中不會導(dǎo)致磁體損壞或者退磁。這些都需要在實踐中積累并提高。

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