高功率光隔离器及其制作过程中的一些共性问题

　　1 引言

　　光隔离器是只允许光沿一个方向通过而在相反方向阻挡光通过的光无源器件。半导体激光器、光放大器以及光纤激光器等对来自连接器、熔接点、滤波器等的反射光非常敏感，并可能导致性能恶化甚至损坏，因此需要用光隔离器来阻止反射光。在光纤通信中，通过光纤回波反射的光能够被光隔离器很好地隔离。在光纤激光等应用中，光隔离器通常被使用在光路中用来避免光路中的回波对光源、抽运源以及其他发光器件造成的干扰和损伤。隔离器的隔离度代表了光隔离器对回波的隔离(阻挡)能力。

　　2 光隔离器工作原理

　　光隔离器主要利用磁光晶体的法拉第效应(也称磁致旋光效应)。1845年，法拉第首先观察到不具有旋光性的材料在磁场作用下能够使通过该物质的光的偏振方向发生旋转，因此常称法拉第效应。在法拉第效应中，偏振方向旋转的方向与磁场有关，而和光的传输方向是正向或者反向无关，这与我们通常在折射、反射等现象中看到的光路可逆性不同。沿磁场方向传输的线偏振光，其偏振方向旋转角度θ和磁场强度B与材料长度L的乘积成正比，比例系数也就是我们常说的维尔德常数。

　　光隔离器根据偏振特性可分为偏振无关型和偏振相关型。这两种隔离器都用到了具有磁致旋光效应的磁光晶体，法拉第磁介质在1~2μm波长范围内通常采用光损耗较低的钇铁石榴石(YIG)单晶。新型尾纤输入输出的光隔离器有相当好的性能，最低插入损耗约0.5 dB，隔离度达35～60 dB，最高可达70 dB。

　　目前光隔离器用的最多的仍然是偏振无关型的，其原理如图1所示，利用正向和反向传输的光路不一致，也就是此时光信号传输是不可逆的，从而形成隔离。典型结构只用到四个主要元件：磁环、法拉第旋转器、两片LiNbO3 楔角片，配合一对光纤准直器，可以做成一种在线式的光纤隔离器。

　　正向传输时：从准直器出射的平行光束，进入第一个楔角片P1后，光束被分为o光和e光，其偏振方向相互垂直，传播方向成一夹角。当他们经过45o法拉第旋转器时，出射的o光和e光的偏振面各自向同一个方向旋转45o，由于第二个楔角片P2的晶轴相对于第一个楔角片正好呈45o夹角，所以o光和e光被折射到一起，合成两束间距很小的平行光，然后被另一个准直器耦合到光纤纤芯中去。这种情况下，输入的光功率只有很小一部分被损耗掉，这种损耗称之为隔离器的插入损耗。

　　反向传输时：当一束平行光反向传输时，首先经过P2晶体，分为偏振方向与P1的晶轴各呈45o夹角的o光和e光。由于法拉第效应的非互易性，o光和e光通过法拉第旋转器后，偏振方向仍然向同一个方向旋转45°，这样原先的o光和e光在进入第二个楔角片(P1)后成了e光和o光。由于折射率的差别，这两束光在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光被进一步分开一个更大的角度，即使经过自聚焦透镜的耦合，也不能进入到光纤纤芯中去，从而达到了反向隔离的目的。此时的传输损耗较大，这种损耗称之为隔离器的隔离度。

　　3 光隔离器主要技术参数

　　对于光隔离器，主要的技术指标有插入损耗、反向隔离度、回波损耗、偏振相关损耗、偏振模色散等。

　　(1)插入损耗(Insertion Loss)：隔离器芯主要由法拉第旋转器和两片LN楔角片组成，法拉第旋转器的消光比越高、反射率越低、吸收系数越小，插入损耗就越小，一般法拉第旋转器的损耗约为0.02～0.06dB。平行光经过隔离器芯后，会分成o，e两束平行光。由于双折射晶体的固有特性，o光和e光不能完全会聚，从而也会造成附加的插入损耗。