光隔离器根据应用形态分为自由空间型和在线光纤型其中自由空间光隔离器通常直接对接半导体激光器等线偏振光源由于入射光的偏振方向固定因此多采用结构简单的偏振相关型设计而在线光纤型光隔离器由于在普通单模光纤中传输的光波偏振态会随环境和应力发生随机、剧烈的变化为了避免引入巨大的偏振相关损耗并确保系统稳定通常必须采用偏振无关型结构如 Wedge 型楔片设计来独立处理并重新汇聚不同偏振分量只有在特殊的保偏光纤系统中才会选用偏振相关型的在线隔离器。一、偏振相关型1. 种类1.1 FSIFree Space Isolator自由空间隔离器通常由偏振片、法拉第旋转片、检偏器及磁环组成两端不带尾纤和连接器。FSI 自身不提供光纤耦合需要模块厂家完成 LD、FSI、透镜和光纤之间的主动对准。它是后面三种封装形式的基础隔离核心。1.2 Pigtail Isolator尾纤式隔离器Pigtail Isolator 是在 FSI 一端或两端集成准直器和光纤尾纤形成的隔离器。偏振相关型产品一般使用保偏光纤或者要求输入偏振方向与隔离器透光轴对准。其优势是使用方便、耦合稳定适用于保偏光纤激光器、种子源、光纤放大器和实验系统。1.3 SMT Isolator表面贴装隔离器SMT Isolator 即表面贴装型光隔离器。它把 FSI 核心和磁体封装在小型陶瓷或金属底座中可以直接安装在 TOSA 或激光器模块的基板上。SMT 隔离器主要用于 TOSA、BOSA、可调谐激光器和集成光发射组件。其工程优势是适合自动化生产缺点是贴装公差会直接影响耦合效率和隔离度。1.4 Receptacle Isolator适配器式隔离器它把 FSI 与 LC、SC 等光纤插座或套筒结构集成在一起外部光纤连接器可以直接插入。其优势是模块结构紧凑、装配和维护方便不足是连接器端面的灰尘、偏心和角度误差可能影响耦合效率和回波损耗。Receptacle Isolator 通常直接集成在 TOSA 输出端阻止连接光纤产生的反射进入 LD。2. 结构三片式偏振相关型制作一般来说较为容易最常见的就是三片式结构。0°偏振片 → FR → 45°偏振片一般来说隔离度要有 30 dB插入损耗要小于 0.3 dB。也有两片式一般是去掉第一个偏振片这种主要是要求激光器或输入接口已有选偏能力比如保偏光纤。同理也有四片式、五片式等等都是为了增加隔离度。当然不可避免会增加一些插入损耗。3. 法拉第旋转器这里着重讲一下法拉第旋转器是因为它对于光隔离器的重要性。3.1 法拉第效应线偏振光分解为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光两个圆偏振分量的折射率不同即它们在晶体中传播速度不同产生相位差重新叠加后仍是线偏振光但偏振面发生旋转。法拉第旋转的大小由材料、波长、温度、磁场的纵向分量和晶体长度决定旋转方向主要由磁场方向决定光反向传播不会使原来的旋转抵消。至于为什么两个圆偏振分量的折射率不同可以从两个角度理解3.1.1 经典角度圆偏振光的电场方向随时间旋转。外加磁场后晶体中的电子受到洛伦兹力作用对左旋和右旋圆偏振光的响应不同磁场会促进其中一种旋转同时阻碍另一种旋转。因此两种圆偏振光在晶体中的折射率不同即二者传播后产生相位差重新叠加时线偏振光的偏振方向发生旋转。3.1.2 量子角度外加磁场会使磁光晶体中原本简并的电子能级发生塞曼分裂。左旋和右旋圆偏振光分别对应不同的能级跃迁选择定则由于两种跃迁的共振频率不同左右旋圆偏振光与晶体的相互作用不同从而具有不同的折射率。两者累积相位差后使线偏振面的方向发生旋转。目前隔离器关注的一个方向就是如何承受更高功率因为现在光通信传输速率不断提高相应地光功率也会提高一般光功率过高会打坏法拉第旋转器。同时需要考虑法拉第的宽带和温度稳定性这是因为法拉第 Verdet 常数同时随波长和温度变化随着波长和温度变化旋转角度就会发生变化隔离度变差。3.2 应用场景3.2.1 APC 电路FSI 可以用于隔离光路背向散射光利用 APC 稳定光功率输出。LD 会在谐振腔背面透射出一点光因为后腔面即使镀膜也很难做到百分百全反射或者用 tap 耦合器分光也行。3.2.2 EDFA 中的应用EDFA 的输入端和输出端通常都可能设置隔离器输入隔离器 → 掺铒光纤放大 → 输出隔离器输入隔离器防止放大器内部的 ASE 和反射光返回前级光源输出隔离器防止后级光路中的反射光进入掺铒光纤。这样可以减少增益波动和寄生激光振荡。3.3 端面倾斜角一般来说FSI 与 LD 出射方向有一定夹角 α4°-8°以增大回波损耗即使端面镀了抗反射膜端面仍存在微弱反射。隔离器倾斜后正向光经过前、后两个近似平行表面连续折射出射方向仍与原光轴近似平行只产生很小的横向位移端面反射光只发生一次镜面反射会偏离原返回方向约 2α因此难以耦合回 LD。3.4 特征参数工程上评价光隔离器主要关注以下几类参数。参数含义工程关注点工作波长设计中心波长如 1310、1550 nm必须与激光器波长匹配工作带宽满足隔离度和损耗要求的波长范围C 波段、CL 波段应用尤其重要插入损耗 IL正向光通过隔离器产生的损耗越小越好通信器件通常希望低于 0.30.8 dB隔离度 ISO对反向传播光的抑制能力越大越好单级通常约 3040 dB双级可达 5060 dB回波损耗 RL器件端面反射光的大小数值越大返回激光器的反射光越小PDL不同输入偏振态产生的损耗差异偏振无关通信系统希望尽可能小PMD两个偏振分量之间的差分群时延高速相干通信重点关注越小越好消光比 ER保偏型隔离器保持目标偏振的能力PM 隔离器和窄线宽激光器应用重点关注最大平均功率连续光条件下允许通过的最大功率受到晶体、镀膜、胶水和光纤端面限制峰值功率/损伤阈值脉冲条件下允许的峰值功率或能量密度脉冲激光器不能只看平均功率通光孔径CA允许光束通过的有效尺寸孔径越大越有利于降低功率密度工作温度范围保证指标的环境温度范围温度变化会使 Verdet 常数和旋转角变化尺寸与封装器件体积、尾纤和接口形式决定是否适合光模块、EDFA 或激光设备一般来说CA 越大允许的光束直径越大能容忍更大的光束漂移承接更高的激光功率但与此同时成本也会增加。二、偏振无关型待补充