光隔离器的原理|分类|应用

　　光隔离器是一种只允许单向光通过的无源光器件，其工作原理是基于法拉第旋转的非互易性。通过光纤回波反射的光能够被光隔离器很好的隔离。光隔离器主要利用磁光晶体的法拉第效应。

　　从20世纪70年代开始，光隔离器就被主要国家列为ZD开发研究项目。到了20世纪80年代，光隔离器已经作为一种重要的光无源器件得到了系统性的研究和开发，并进入实用化阶段。在20世纪90年代后，光隔离器在欧美和日本的部分公司实现了产业化，并且同时实现器件指标高性能化、工作波长系列化和尺寸微小型化等特点。

　　我国从20世纪80年代中期开始进行光隔离器的研究开发工作，光隔离器的主要技术指标已经接近或者达到国外同类产品的技术水平，并且在各种试验和实际系统中得到广泛应用，在向产业化和高性能方向发展顺利，在器件的基础理论研究、测试方法和应用方面获取了大量有意义的经验。由我国主持制定的国际标准TEC202-1纤维光学隔离器总规范于1994年正式出版发行并实施，表明了我国当时在这一领域已经达到了国际领xian水平。

　　从21世纪初开始，光隔离器的制作工艺较成熟、市场需求迫切，并很快进入商业化阶段，国内外很多公司都已经推出了自由空间型和在线式光隔离器。由于光隔离器功能要求简单，理论模型也相对简单，目前在理论研究方面和工艺制作方面都比较成熟，加上迫切的市场需求，国内外光通讯公司生产的光隔离器产品得到迅猛发展。

　　光隔离器在Z近这20多年发展中，无论是产品的结构、关键材料，还是性能指标、制作工艺、可靠性等方面都得到了很大的发展和进步。

　　产品结构和制作工艺方面进展：

　　1、在产品尺寸结构方面，对现有的普通型光隔离器进行一些改进设计后，已经实现小型化。2003年以前市场上光隔离器的通用尺寸是直径5.5mm，现在主要生产商都推出了直径在3mm以下的光隔离器。

　　2、在制作工艺方面有较大的改进，现

　　光隔离器是允许光向一个方向通过而阻止向相反方向通过的无源器件，作用是对光的方向进行限制，使光只能单方向传输，通过光纤回波反射的光能够被光隔离器很好的隔离，提高光波传输效率。

　　光隔离器又称光单向器，是一种光非互易传输的光纤无源器件。在光纤通信系统中总是存在许多原因产生的反向光。例如，光发射机中光源所发出的信号光，通常是以活动连接器的形式耦合到光纤线路中去，活动接头处的光纤端面间隙会使约4%的反射光向着光源传输。这类反向光的存在，将导致光路系统问产生自耦合效应，使激光器的工作变的不稳定和产生反射噪声。使光放大器增益发生变化和产生自激，造成整个光纤通信系统无法正常工作，若在激光器输出端和光放大器输入或输出端连接上光隔离器，就可以使问题得到解决。

　　因此，光隔离器的基本功能是实现光信号的正向传输，同时YZ反向光，即具有不可逆性。通常情况下，光在各向同性或各向异性介质中的光路是可逆的，因此，光隔离器的设计必须考虑如何打破其可逆性。目前的解决方法是利用磁光材料对光偏振态调整的非互易性实现光的不可逆传输。

　　光隔离器中主要有光纤准直器、起偏器、检偏器和法拉第旋转器。

　　光纤准直器：

　　光纤准直器在光器件中应用非常广泛，更是光隔离器与光路连接的不可缺少的器件。它由四分之一节距的自聚焦透镜和单模光纤组成，其作用是对光纤中传输的高斯光束进行准直，以提高光纤间的耦合效率，其制作工艺已非常成熟。

　　偏振片：

　　在光隔离器中，常用的偏振片有双折射晶体，金属—介质多层振膜，偏振玻璃片，偏振薄膜(光学玻璃堆原理)，其中Z常用的是单轴双折射晶体，主要有方解石(CaCO3)金红石(TiO2)、钒酸钇(YVO4)和铌酸锂(LiNbO3)。

　　法拉第旋转器：

　　法拉第旋转器是光隔离器中的关键部件，用来制作法拉第旋转器的材料主要有钇铁石榴石(YIG)单晶，该晶体材料的缺陷

　　光隔离器是光通信系统中不可缺少的无源器件，楔形光隔离器插入损耗小，隔离度高，器件体积小，是目前主要应用的光隔离器结构，随着高速光通信发展的要求，隔离度高且无偏振模色散的两级光隔离器结构将越来越受重视。

　　根据光隔离器的偏振特性可将光隔离器分为偏振相关型和偏振无关型。偏振相关光隔离器不论入射光是否为偏振光，经过这种光隔离器后的出射光均为线偏振光，这种光隔离器的典型结构如下图所示。

　　整个光隔离器包括两个起偏(检偏)器和一个法拉第旋转器。偏振器置于法拉第旋转器前后两边，其透光轴方向彼此呈45°关系，当入射平行光经过diyi个起偏器P1时，被变成线偏振光，然后经法拉第旋转器，其偏振面被旋转45°，刚好与第二个检偏器P2的透光轴方向一致，于是光信号顺利通过而进入光路中。

　　反过来，由光路引起的反射光首先进入第二个偏振器P2，变成与diyi个偏振器P1透光轴方向呈45°夹角的线偏振光，再经过法拉第旋转器时，由于法拉第旋转器效应的非互易性，被法拉第旋转器继续旋转45°，其偏振面与P1透光轴的夹角变成了90°，即与起偏器P1的偏振方向正交，而不能通过起偏器P1，起到了反向隔离的作用。

　　在光纤通信中，由于光纤波导为圆形，光波在其中传播时，偏振方向是随机变化的，因此与偏振无关的光隔离器具有更强的适用性，应用也更为广泛。偏振无关的光隔离器主要有楔型和平行平板型两种。

　　1、楔型偏振无关光隔离器

　　楔型光隔离器的结构如下图所示，隔离体由两个光轴夹角为45°的楔形双折射晶体P1和P2和一个法拉第旋转器FR构成。

　　首先分析光信号正向传输的情况，经过自聚焦透镜射出的准直光束，进入楔形双折射晶体P1后，光束被分为o光和e光，其偏振方向相互垂直，传播方向呈一夹角，当它们经过45°法拉第旋转器时，出射的o光和e光的偏振面各自顺时针方向旋转45°，由于

　　光隔离器是一种双端口的具有非互易特性的光器件。它的作用是防止光路中由于各种原因产生的后向传输光对光源以及光路系统产生的不良影响。光隔离器对沿正向传输的光信号衰减很小而对沿相反方向传输的光信号衰减很大，构成光的单向通路。

　　光隔离器的品种很多，按其内部结构可分为：块状型、光纤型和波导型。

　　块状型结构属分立元件结构，是指在光隔离器光路结构中，通过棒透镜、偏振器和法拉第旋转器等分立元件，将光纤间接耦合起来。此类器件在技术上已经成熟，现在市场上的隔离器基本上都采用这种结构。其缺点在于所用光学元件多、体积相对较大。

　　光纤型是指在光隔离器的光路结构中，将光纤端面作适当的加工，如抛光、镀膜等，其它材料的元件则不介入或较少介入光路。其特点在于：体积小、重量轻、抗机械震动性能好。然而此类器件要用到特种光纤，且加工精度要求高、工艺复杂、价格昂贵。虽有应用于系统的例子，但其性能指标离实用化还有一定的距离。

　　波导型的光隔离器属集成光学器件，采用扩散有Ti的铌酸锂等衬底材料，经沉积、光刻、扩散等波导工艺，制成磁光波导，再与其它元件及单模光纤耦合，形成光隔离器。它体积小、重量轻、热稳定性和机械稳定性好，但由于波导制作技术、光纤和波导间的耦合技术还不成熟，因而其性能指标与实际应用的要求还有很大差距。

　　光隔离器按其外部结构可分为：尾纤型、连接器端口型(也称在线安装型)和微型化型。前两种也称为在线型，可直接插入光纤网络中;微型化光隔离器则常用于半导体激光器及其它器件中。

　　光隔离器按其性能可分为：偏振灵敏型(也称偏振相关)和偏振无关型。一般情况下，偏振灵敏型的光隔离器常做成微型化的，偏振无关型光隔离器则常做成在线型的。

　　偏振相关光隔离器的结构包括空间型和光纤型。由于不论入射是否为偏振光，经过这种光隔离器后的出射光均为线偏振光，因而称之为偏振相关光隔离器。主要用于DFB激光器中。偏