高功率光隔离器

近年来光纤激光器的研究和应用蓬勃发展，光隔离器是保证光纤激光器可靠性的重要器件。在实际应用中，有很多不同类型的光隔离器，例如楔形直插式光隔离器由于其散热问题较多应用于一些光功率比较低的场景中，而一些高光功率的应用，则更多的采用BD型直插式光隔离器。在上一篇中我们讲到了光隔离器的主要类型：自由空间光隔离器、BD型光隔离器、楔形光隔离器以及双级光隔离器，这一篇这样讲解高功率的光隔离器以及其原理和应用。

为什么选择BD型光隔离器？

用于电信应用的法拉第旋转器（FR）是通过液相外延生长的 Bi 取代稀土铁石榴石单晶 (RIG) 薄膜。 RIG 薄膜会被高功率激光损坏。 因此，TGG（铽镓石榴石）晶体由于其耐高光功率而被用作旋光晶体的替代品。 TGG 晶体的旋转角度取决于 Verdet 常数、晶体厚度和磁场强度，如式（1）所示。 但式(1)通常磁场不均匀，因此方程(1) 修改为式（2）。

对于电信应用中的RIG FR，旋转角度在饱和磁场下是固定的。实际的旋转角度取决于在衬底上外延生长的RIG薄膜的厚度。 90° 旋转器的薄膜厚度是 45° 旋转器的两倍。 45° FR @1550nm 的厚度约为 0.36mm（包括基板厚度）。 RIG FR 只需要一个小磁环，提供大于饱和度（通常为 200Oe）的磁场。

而对于TGG旋转器，磁环需要精心设计以提供精确的旋转角度。 而且TGG晶体的厚度（10~15mm）远大于RIG FR。 如果在楔形隔离器中使用TGG旋转器，则光线的横向偏移和走离太大。 该装置组装困难，输出准直器无法同时接收两束前向光线。

由此我们知道，对于高功率应用，需要TGG而不是RIG。 厚度10~15mm不包括楔型结构。 选择BD型作为替代。

TGG旋转器的设计

TGG晶体的费尔德常数为V=0.002°/(G·cm)。 根据方程(2)需要高强度的磁场，该磁场需要由大磁铁产生。 TGG旋转器（包括磁环和TGG晶体）需要精心设计，才能用最少的磁铁获得所需的磁场强度。

RIG FR的磁环通常是轴向磁化的，如图1（a）所示。 它产生如图1（b）所示的磁场。 中心轴处的磁场强度由等式给出(3) 仿真如图4 中的曲线(a)。 RIG FR通常放置在磁环的中心，这里的磁场几乎均匀且饱和。

其中Br是材料的剩磁磁场，2La是磁环的长度，Ra1和Ra2分别是内半径和外半径。

Fig.1轴向磁化磁环及其产生的磁场

Fig.2径向（发散）磁化磁环及其产生的磁场

Fig.3 R径向（会聚）磁化磁环及其产生的磁场

Fig.4沿中心轴的磁场强度（由不同磁铁产生）

然而，TGG 旋转器需要比 RIG FR 更强的磁场强度。 如果仅采用轴向磁化的磁环，则尺寸太大，不适合应用。 引入径向磁化磁环以更有效地产生磁场。 磁环的径向磁化如图2(a)和图3(a)所示。 前者在发散磁场中磁化，而后者在会聚磁场中磁化。 发散径向磁化磁环产生的磁场如图2(b)所示，而会聚径向磁化磁环产生的磁场如图3(b)所示。 磁场的分布相同，只是方向不同。

沿中心轴，轴向磁化磁环的磁场强度由式（1）给出 (4) 并仿真为图4中的曲线(b)和(c)。

其中Br是材料的剩磁磁场，2Lc是磁环的长度，Rc1和Rc2分别是内半径和外半径。

发散磁化磁环和会聚磁化磁环产生的中心轴磁场是中心对称的。 磁场强度的峰值位于磁环的边缘。 相对边缘的两个峰方向相反。 如图4所示，如果将曲线（c）向右移动，将曲线（d）向左移动，则可以将它们添加到曲线（a）中。 由轴向和两个径向（一个发散，另一个会聚）磁化磁环产生的磁场的叠加由等式1给出 (5) 并模拟如图(5)中的曲线(d)。 为了进行比较，轴向和径向（左移和右移）磁化磁体产生的磁场也以曲线（a-b）给出。

Fig.5 沿中心轴的磁场强度（由磁体组件产生）

如图5所示，三个磁铁的组合在更宽的空间中产生更强的磁场。 当长度为 L 的 TGG 晶体放置在磁体组件的中心时，旋转角度由式 (1) 给出（6）。

旋转角度 θ 需要恰好为 45°。 改变径向磁化磁体和TGG晶体的长度是对θ进行微调的有效方法。 精确的参数可以通过模拟实验获得。