光隔离器的基本原理和常见有哪几种类型？

光隔离器广泛应用于光纤通信系统、光纤传感系统和光纤激光器。 光隔离器的基本和常见原理是法拉第效应。 然而，器件结构和特性是可变的，具体如下。

1. 自由空间光隔离器

自由空间光隔离器的结构如图1所示，它包括两个偏振器、一个法拉第旋转器（FR）和一个磁环。 两个偏振片的透射轴以45°角对齐，并且FR在饱和磁场中具有45°的固定旋转角。

图1 自由空间光隔离器结构

对于前向光（线性偏振LP），它首先通过偏振器#1，经FR 旋转，因为光矢量与传输轴对齐，因此会以很小损耗通过偏振器#2 。对于后向光，先通过偏振器#2，然后经FR旋转，但因为光矢量垂直于透射轴，最终被偏振片#2 阻挡。以上原理就展示了前向光被允许通过，而后向光被隔离。

自由空间隔离器具有结构简单、成本低的特点，但由于其偏振相关性导致限制了应用。它要求前向光进行 LP 偏振，并且光矢量与第一个偏振器对齐。 因此它不能在线（光纤）使用，因为光纤中光信号的SOP（偏振态）是随机的。 自由空间隔离器的主要应用是激光二极管 (LD)。

FP LD（法布里-珀罗激光二极管）发射随机偏振光，而 DFB LD（分布式反馈激光二极管）发射 LP 光。 与FP LD相比，DFB LD具有更好的单色性、更高的输出功率和更高的调制率，这使其具有更多的应用前景。 在光发射机中，自由空间隔离器放置在 DFB LD 芯片和光纤之间。 来自光纤线路的任何背反射光均被隔离，以防止损坏 LD 芯片。

2. BD型光隔离器

在线应用（例如 EDFA）需要与偏振无关的光学隔离器，该隔离器可以使用任何 SOP 让前向光通过。 第一个与偏振无关的光隔离器基于光束位移器（BD），如图2所示。 它由两个BD、一个FR、一个HWP（半波片）、一个磁环和两个光纤准直器组成。

图2 基于光束位移器的光隔离器，FR-法拉第旋转器、HWP-半波片、BD-光束位移器

来自输入准直器的前向光入射到第一BD上。 它在BD块中被横向分离为o射线和e射线。 两条光线通过 FR+HWP 分量，SOP 变换为 e→o 和 o→e。 两条光线由第二个 BD 块重新组合，最后由输出准直器接收。 因此，前方的光线可以通过。

来自输出准直器的后向光首先被第二 BD 横向分离，然后被 FR+HWP 分量转换。 两条射线在横向上分离得更多，而不是重新组合。 两束分离的光线偏离输入准直器的中心，无法被输入准直器接收。 因此，向后的光被隔离。

基于 BD 的隔离器可以让带有两个 BD 的任何 SOP 前向光通过，以实现偏振分集。 因此它被称为偏振无关光隔离器。

需要注意的是，由于BD块对光线的不对称分离，输入和输出光纤准直器不是同轴的，这不便于器件的组装和封装。 实际上，同轴设计可以通过我们前面提到的优化BD来实现。

由于第一个 BD 块中光线的横向位移，后向光被隔离。 计算出射线隔离度与横向位移的关系如图3所示。 BD 块中的光线需要分开 0.6mm，才能获得 40dB 的隔离度。 单轴晶体 YVO4 由于其高双折射而被广泛用于制作 BD 块。 o射线与e射线的最大偏差比为d:L=1:10（d为两条射线之间的横向间隔，L为BD块的长度），这意味着最小BD长度为6mm 。 YVO4尺寸较大，价格昂贵。 因此，BD型光隔离器很少用于光纤通信系统，而光纤通信系统对光隔离器的需求最大。

图3 射线隔离度与横向位移关系

3. 楔形光隔离器

楔形光隔离器的结构如图4所示。 它包括两个光纤准直器和一个隔离器芯。 核心结构如图5所示，包括两个双折射楔块、一个45°FR和一个磁环。

图4 楔形光隔离器结构

图5 楔形光隔离器磁芯结构

楔块的光轴均平行于直角面，而方向的交叉角为45°，如图5所示。 来自第一个准直器的前向自然光在楔形#1 中被分为 o 射线和 e 射线。 然后光矢量在通过 FR 后旋转 45°。 当两条光线进入楔#2时，它们保持为o射线和e射线。 因此，两个楔中的两条射线的SOP变换分别为o→o和e→e。 每条光线的折射率保持不变。 整个隔离器核心充当前向光的平行板。 光线倾斜地穿过板并保持彼此平行。 每条射线都有横向偏移，并且走离（两条射线偏移之间的差异）很小（~10μm）。 这两束光线被第二个准直器接收，损失很小。

对于后向光，两个光楔中两条光线的SOP变换分别为o→e和e→o。 隔离器核心起到向后光的沃拉斯顿棱镜的作用。 两条光线都有角度偏差，无法被输入准直器接收。 射线隔离度与角度偏差的关系如图6所示。 隔离度随着角度偏差的增加而迅速增加。 0.5° 的角度偏差足以将后向光隔离 50dB。

图6 射线隔离度与角偏差关系

实际上，楔形光隔离器的隔离度受到FR消光比(ER)的限制。 商用FR的典型ER为40dB，这意味着当LP光的光矢量旋转到x轴时，在偏振器的透射轴与y轴对齐的情况下检测到1/10000光功率。 FR 的 ER 将最高隔离度限制为 ~40dB。

4. 双级光隔离器

在一些需要更高隔离度的特殊应用中，需要双级光隔离器。 双级楔形光隔离器的典型结构有3种。

1) 结构#1

图7显示了双级隔离器磁芯的结构#1，它由两个相对旋转45°的隔离器磁芯组成。 因此，对于前向光，四个楔中的两条光线的SOP变换分别为o→o→e→e和e→e→o→o。 双级隔离器核心充当前向光的两个平行板，尽管两个板的主要部分具有 45° 的交叉角。 两条光线倾斜地穿过板并保持彼此平行。 每条光线都有横向偏移，并且走离很小（~15μm）。 输出准直器接收两束光线，损失很小。

图7 双级楔形光隔离器的核心结构#1

对于后向光，四个楔子中两条光线的SOP变换分别为o→e→o→e和e→o→e→o。隔离器核心充当两个沃拉斯顿棱镜。 两条射线的角度偏差比单级隔离器中的角度偏差更大。 实际上，隔离度的提高并不是由于后向光的角度偏差更大。 多了一个 FR 就能使 ER 翻倍。

图7中的双级光隔离器可以获得高隔离度。 然而，由于两个隔离器芯之间的相对45°旋转总是会在后向光上引入意外的散射并降低器件的隔离度，因此组装效率和成品率并不好。

2) 结构#2

双级光隔离器的第二种解决方案如图8所示。 四个双折射楔块和两个FR 串联排列。 图中还显示了楔块的光轴。 请注意，P1 和 P2、P2 和 P3、P3 和 P4 之间的交叉角分别为 45°、90° 和 45°。 两个 FR 都将光矢量逆时针旋转 45°（观察者面向前方光线）[1]。

对于前向光，四个楔中两条光线的SOP变换分别为o→o→e→e和e→e→o→o。 双级隔离器芯体相当于两个主截面相互平行的平行板，两束光线倾斜地穿过板并保持彼此平行。 每条射线都有横向偏移，并且走离很小（~20μm）。 输出准直器接收两束光线，损失很小。

对于后向光，四个楔子中两条光线的SOP变换分别为o→e→o→e和e→o→e→o。隔离器核心充当两个沃拉斯顿棱镜。 两条射线的角度偏差比单级隔离器中的角度偏差更大。 我们知道，隔离度的提高归功于多一个 FR 使 ER 翻倍。

图8 双级楔形光隔离器的核心结构#2

我们来看看图 8 中的结构。 如果楔块 P2 和 P3 的光轴不严格相互垂直，会发生什么？ 后向光首先在楔块P4中被分成两束光线，然后在P2中进一步被分成四束光线。 四种光线中，有两种光线强度较高，它们在四个楔形中的SOP变换分别为o→e→o→e和e→o→e→o。 这两条光线由于角度偏差而被阻挡。 另外两条射线的强度较低，它们在四个楔形中的 SOP 变换分别为 o→e→e→o 和 e→o→o→e。 SOP变换意味着楔块P2和P3可以被视为平行板，而楔块P1和P4可以被视为另一个平行板。 后两条光线穿过两个平行板。 它们保持传输方向并最终被输入准直器接收。 因此，隔离度降低。

虽然后两道光芒的强度相当低。 对隔离的影响是显着的。 假定 P2 和 P3 轴之间的交叉角为 90°±δ，后两条射线的强度为 sin2δ。 由此得到隔离度与装配误差δ之间的关系如图9所示。 当δ为2°或1°时，隔离度为35dB或29dB。 为了获得双级隔离器预期的55dB隔离度，装配误差δ要求<0.1°，这对生产来说是相当困难的。

图9#2结构双级光隔离器隔离度与装配误差关系

3) 结构#3

基于上述结构#2的分析，给出了双级光隔离器的改进结构，如图10所示。 光轴方向与图8中的相同。 唯一的区别是图8中的所有楔块具有相同的楔角，而图10中的楔块具有不同的楔角。 第一级中的楔块 P1 和 P2 具有 φ1 楔角，而第二级中的楔块 P3 和 P4 具有不同的楔角 φ2 [2]。

图10 双级楔形光隔离器的核心结构#3

在图8所示的结构#2中，楔块P2(P1)和P3(P4)通过SOP变换o→e→e→o和e→o→o→e构成两条后向光线的平行板。 现在在图10中，P2(P1)和P3(P4)的楔角是不同的。 它们不能再构成平行板了。 因此这两道光线也被阻挡了。

两条后向光线的追踪如图 11 所示。 结构#2和#3中的情况都被示出以供比较。 隔离器核心的每一级都充当向后光的沃拉斯顿棱镜。 在图 11(a) 的结构 #2 中，第二级首先将两条射线按角度分开。 然后第一级将两条光线转向水平方向，因为两级的转角 ψ1 和 ψ2 相同。 在图 11(b) 的结构 #3 中，两条光线也首先被第二级产生角度位移，然后被第一级转动。 然而，由于楔角 φ1 和 φ2 的角度 φ1 和 φ2 不同，光线无法返回到水平方向。 如图 6 所示，隔离度对角位移相当敏感。 Φ1 和 Φ2 之间的微小差异可以产生足够的 ΔΦ=Φ2-Φ1 以保证隔离。 请注意，还有另一个因子 sin2δ（如图 9 所示）有助于阻挡 o→e→e→o 和 e→o→o→e 的 SOP 变换的两条射线。

图 11 o→e→e→o 和 e→o→o→e SOP 变换的两条光线的追迹

双级光隔离器核心的组装如图12所示。 楔块和 FR 被两个具有弧形交叉的石英基板夹在中间。 然后将所有部件装入磁环中并用粘合剂固定。

图12 双级光隔离器核心的装配

References

[1] Jing-Jong Pan, Ming Shih, and Jingyu Xu. Dual Stage Optical Device with Low Polarization Mode Dispersion and Wavelength Insensitivity. USA, US005581640A, 1996. 1~12

[2] Wan Zhujun, Cao Mingcui, Ji Hangfeng, Isolation Analysis of In-Line Dual Stage Optical Isolator, Chinese Journal of Lasers, 29(11): 995~999, 2002