光隔离器的功能(néng)是让正向传输的光通过而隔离反向传输的光，从而防止反射光影响系统的稳定性，与電(diàn)子器件中的二极管功能(néng)类似。光隔离器按偏振相关性分(fēn)為(wèi)两种：偏振相关型和偏振无关型，前者又(yòu)称為(wèi)自由空间型(Freespace)，因两端无光纤输入输出;后者又(yòu)称為(wèi)在線(xiàn)型(in-Line)，因两端有(yǒu)光纤输入输出。自由空间型光隔离器一般用(yòng)于半导體(tǐ)激光器中，因為(wèi)半导體(tǐ)激光器发出的光具有(yǒu)极高的線(xiàn)性度，因而可(kě)以采用(yòng)这种偏振相关的光隔离器而享有(yǒu)低成本的优势;在通信線(xiàn)路或者 EDFA 中，一般采用(yòng)在線(xiàn)型光隔离器，因為(wèi)線(xiàn)路上的光偏振特性非常不稳定，要求器件有(yǒu)较小(xiǎo)的偏振相关损耗。

　　光隔离器利用(yòng)的基本原理(lǐ)是偏振光的马吕斯定律和法拉第(Farady)磁光效应，自由空间型光隔离器的基本结构和原理(lǐ)如下图所示，由一个磁环、一个法拉第旋光片和两个偏振片组成，两个偏振片的光轴成 45°夹角。正向入射的線(xiàn)偏振光，其偏振方向沿偏振片 1 的透光轴方向，经过法拉第旋光片时逆时针旋转 45°至偏振片 2 的透光轴方向，顺利透射;反向入射的線(xiàn)偏振光，其偏振方向沿偏振片 2 的透光轴方向，经法拉第旋光片时仍逆时针旋转 45°至与偏振片 1 的透光轴垂直，被隔离而无透射光。自由空间型光隔离器相对简单，装配时偏振片和旋光片均倾斜一定角度(比如 4°)以减少表面反射光，搭建测试架构时注意测试的可(kě)重复性，其他(tā)不赘述。下面详细介绍在線(xiàn)式光隔离器的发展情况。

　　最早的在線(xiàn)式光隔离器是用(yòng)Displacer晶體(tǐ)与法拉第旋光片组合制作的，因體(tǐ)积大和成本高而被Wedge型光隔离器取代;在線(xiàn)式光隔离器因采用(yòng)双折射晶體(tǐ)而引入 PMD，因此相应出现 PMD 补偿型 Wedge 隔离器;某些应用(yòng)场合对隔离度提出更高要求，因此出现双级光隔离器，在更宽的带宽内获得更高隔离度。

　　下面依次介绍这些在線(xiàn)式光隔离器的结构和原理(lǐ)。

1) Displacer 型光隔离器

　　Displacer型光隔离器结构和光路如下图所示，由两个准直器、两个Displacer晶體(tǐ)，一个半波片、一个法拉第旋光片和一个磁环(图中未画出)组成。正向光从准直器 1入射在Displacer1 上，被分(fēn)成o光和e光传输，经过半波片和法拉第旋光片后，逆时针旋转45 +45 =90 ，发生o光与e光的转换，经Displacer2合成一束耦合进入准直器 2;反向光从准直器 2 入射在Displacer2 上，被分(fēn)成o光和e光传输，经过法拉第旋光片和半波片后，逆时针旋转45 -45 =0 ，未发生o光和e光的转换，经Displacer1 后两束光均偏离准直器 1 而被隔离。

　　Displacer 型光隔离器的缺点是，為(wèi)了满足隔离度要求，反向光路中的两束光需偏移较大距离，可(kě)参考图 2(a)，而双折射特性较好的钒酸钇 Displacer 晶體(tǐ)，其長(cháng)度与偏移量的比值也只能(néng)做到 10:1，这就要求 Displacer晶體(tǐ)體(tǐ)积非常大，造成器件體(tǐ)积大和成本高昂。

2) Wedge 型光隔离器

　　Wedge型光隔离器的结构和光路如下图所示，由两个准直器(图中未画出)、一个磁环、一个法拉第旋光片和两个楔形双折射晶體(tǐ)组成，两个楔角片的光轴成 45°夹角 。来自输入准直器的正向光被Wedge1 分(fēn)成o光和e光分(fēn)别传输，经过旋光片时偏振方向逆时针(迎着正向光传播方向观察，以下同)旋转 45°，进入Wedge2 时未发生o光与e光的转换，因此两束光在两个楔角偏中的偏振态分(fēn)别是o→o和e→e，两个楔角片的组合对正向光相当于一个平行平板，正向光通过后方向不变，耦合进入输出准直器;来自输出准直器的反向光被Wedge2 分(fēn)成o光和e光分(fēn)别传输，经过旋光片时偏振方向仍逆时针旋转 45°，进入wedge1 时发生o光和e光的转换，因此两束光在两个楔角片中的偏振态是o→e和e→o，两个楔角片的组合对反向光相当于一个渥拉斯顿棱镜，反向光通过后偏离原方向，不能(néng)耦合进入输入准直器。

　　注意正向光分(fēn)成两束通过后，相对于入射光发生横向位移 Offset，两束光分(fēn)开一定距离 Walkoff，两束光在楔角片中的的折射率不同，因而引入 PMD。封装设计时应对 Offset 加以考虑;Walkoff 一般约為(wèi)10um，会引入少许 PDL，但关系不大;对于 PMD，视需要进行补偿，PMD 补偿方法是在后面增加一个双折射晶體(tǐ)平板，其光轴与 Wedge2 的光轴垂直，厚度经光路追迹计算后得到，此不赘述。

　　与 Displacer 型光隔离器相比，Wedge 型光隔离器对反向光的隔离机制大為(wèi)不同，前者使反向光相对于输入准直器发生横向位移，后者使反向光相对于输入准直器发生角度偏离，从图 2(a)和(c)可(kě)以看到，后者的隔离效果更好。Wedge 晶體(tǐ)的截面积只要对通过的光斑保证有(yǒu)效孔径，厚度只要便于装配即可(kě)，因此 Wedge 型光隔离器的晶體(tǐ)體(tǐ)积小(xiǎo)，因此器件體(tǐ)积小(xiǎo)而且成本低，已经取代 Displacer型。

3) 双级光隔离器

　　下图所示為(wèi)双级光隔离器方案一，两个单级光隔离器芯串接起来，各楔角片的光轴方向亦如图所示，正向光在第一级和第二级中分(fēn)别為(wèi) o 光和e 光，因此两级产生的 PMD相互补偿，这种方案的缺点是对装配精度要求非常之高，否则隔离度指标比单级光隔离器还差，后面将会有(yǒu)详细分(fēn)

析。

　　下图是双级光隔离器方案二，两个如前图所示的单级光隔离器相对旋转 45°串接，这种方案的缺点是在旋转时很(hěn)难同时将隔离度和 PMD 调至最佳状态，因此两级先分(fēn)别进行 PMD 补偿，再相对旋转组装，这样能(néng)做出合格的双级光隔离器，但仍因工艺复杂而导致良率不高和效率低下。

　　下图是双级光隔离器方案三，与方案一相比，唯一的差别是前后两级楔角片的角度不同，下面我们通过分(fēn)析方案一以了解方案三的改变。

　　首先我们来了解双级光隔离器能(néng)获得比单级光隔离器更高隔离度的原因，前面提到 Wedge 型光隔离器使反向光偏离准直器一个角度以达到隔离目的，对 5°角的钒酸钇楔角片和 13°角的铌酸锂楔角片，反向光被偏移的角度约為(wèi) 1°，从图 2(e)可(kě)以看到，单考虑此偏角，单级光隔离器的隔离度就可(kě)以遠(yuǎn)超过60dB。真正制约其隔离度的原因是法拉第旋光片的消光比和波長(cháng)相关性，前者约為(wèi) 40-50dB，后者约為(wèi)-0.068°/nm，因此单级光隔离器的峰值隔离度约為(wèi) 40-50dB，在 30nm 带宽内的隔离度>30dB。双级光隔离器使反向光偏移更大角度，但属锦上添花(huā)，真正起作用(yòng)的是两级串接克服旋光片的消光比和波長(cháng)相关性制约。

　　我们接下来考察方案一，反向光在P22中开始分(fēn)成两路传播，在各楔角片中的的偏振态為(wèi)o→e→o→e和e→o→e→o，相当于通过两个渥拉斯顿棱镜，因此偏离角度约為(wèi)单级光隔离器的两倍。以上假设各楔角片的光轴处于理(lǐ)想方向，现在我们假设楔角片P12和P21的光轴并非完全垂直，其夹角為(wèi) 90°-Δ，那么从P21进入P12的两路光将各分(fēn)為(wèi)两路传播，因此除以上偏振态的两路光，另外两路光的偏振态為(wèi)o→e→e→o和e→o→o→e，这两束光的强度為(wèi)sin (Δ)。考虑后两路光的偏振态，P12 和P21 组合对其相当于一个平行平板，P11 和P22 组合对其相当于另一个平行平板，因此这两路光通过之后方向不变，或者解释為(wèi)前后两级相当于两个倒装的渥拉斯顿棱镜，被第二级偏离的光束，又(yòu)被第一级折回，如图 24 所示。这两路光直接耦合进入输入端准直器，成為(wèi)制约隔离度的主要原因。分(fēn)别取Δ=0.1°和 0.2°，得到隔离度為(wèi) 55dB和49dB，可(kě)见对装配精度要求之高。方案三对两级中的楔角片取不同角度，被第二级偏离的光束，并不会被第一级完全折回，因為(wèi)偏折角与楔角大小(xiǎo)近似成正比。

　　方案三的核心在于了解到，P12与P21光轴非严格垂直对隔离度的影响至关重要，对此提出了解决办法，采用(yòng)相应的装配工艺，可(kě)以制作出高隔离度的双级光隔离器，并因装配容差大而提高效率。

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