光隔离器的功能和基本原理

  光隔离器的功能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，与电子器件中的二极管功能类似。光隔离器按偏振相关性分为两种：偏振相关型和偏振无关型，前者又称为自由空间型(Freespace)，因两端无光纤输入输出;后者又称为在线型(in-Line)，因两端有光纤输入输出。自由空间型光隔离器一般用于半导体激光器中，因为半导体激光器发出的光具有极高的线性度，因而可以采用这种偏振相关的光隔离器而享有低成本的优势;在通信线路或者 EDFA 中，一般采用在线型光隔离器，因为线路上的光偏振特性非常不稳定，要求器件有较小的偏振相关损耗。

  光隔离器利用的基本原理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。正向入射的线偏振光，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;反向入射的线偏振光，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重复性，其他不赘述。下面详细介绍在线式光隔离器的发展情况。

  最早的在线式光隔离器是用Displacer晶体与法拉第旋光片组合制作的，因体积大和成本高而被Wedge型光隔离器取代;在线式光隔离器因采用双折射晶体而引入 PMD，因此相应出现 PMD 补偿型 Wedge 隔离器;某些应用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线式光隔离器的结构和原理。

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晶体，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，为了满足隔离度要求，反向光路中的两束光需偏移较大距离，可参考图 2(a)，而双折射特性较好的钒酸钇 Displacer 晶体，其长度与偏移量的比值也只能做到 10:1，这就要求 Displacer晶体体积非常大，造成器件体积大和成本高昂。

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体组成，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 分成o光和e光分别传输，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 分成o光和e光分别传输，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，不能耦合进入输入准直器。

  注意正向光分成两束通过后，相对于入射光发生横向位移 Offset，两束光分开一定距离 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 一般约为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体平板，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为不同，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)可以看到，后者的隔离效果更好。Wedge 晶体的截面积只要对通过的光斑保证有效孔径，厚度只要便于装配即可，因此 Wedge 型光隔离器的晶体体积小，因此器件体积小而且成本低，已经取代 Displacer型。

3) 双级光隔离器

  下图所示为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别为 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，后面将会有详细分析。

  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难同时将隔离度和 PMD 调至最佳状态，因此两级先分别进行 PMD 补偿，再相对旋转组装，这样能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为 1°，从图 2(e)可以看到，单考虑此偏角，单级光隔离器的隔离度就可以远超过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长相关性，前者约为 40-50dB，后者约为-0.068°/nm，因此单级光隔离器的峰值隔离度约为 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，真正起作用的是两级串接克服旋光片的消光比和波长相关性制约。

  我们接下来考察方案一，反向光在P22中开始分成两路传播，在各楔角片中的的偏振态为o→e→o→e和e→o→e→o，相当于通过两个渥拉斯顿棱镜，因此偏离角度约为单级光隔离器的两倍。以上假设各楔角片的光轴处于理想方向，现在我们假设楔角片P12和P21的光轴并非完全垂直，其夹角为 90°-Δ，那么从P21进入P12的两路光将各分为两路传播，因此除以上偏振态的两路光，另外两路光的偏振态为o→e→e→o和e→o→o→e，这两束光的强度为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，或者解释为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，成为制约隔离度的主要原因。分别取Δ=0.1°和 0.2°，得到隔离度为 55dB和49dB，可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，因为偏折角与楔角大小近似成正比。

  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，采用相应的装配工艺，可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。