光隔離器的功能是讓正向傳輸?shù)墓馔ㄟ^而隔離反向傳輸?shù)墓?，從而防止反射光影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，與電子器件中的二極管功能類似。光隔離器按偏振相關(guān)性分為兩種：偏振相關(guān)型和偏振無關(guān)型，前者又稱為自由空間型(Freespace)，因兩端無光纖輸入輸出;后者又稱為在線型(in-Line)，因兩端有光纖輸入輸出。自由空間型光隔離器一般用于半導(dǎo)體激光器中，因為半導(dǎo)體激光器發(fā)出的光具有極高的線性度，因而可以采用這種偏振相關(guān)的光隔離器而享有低成本的優(yōu)勢;在通信線路或者 EDFA 中，一般采用在線型光隔離器，因為線路上的光偏振特性非常不穩(wěn)定，要求器件有較小的偏振相關(guān)損耗。

　　光隔離器利用的基本原理是偏振光的馬呂斯定律和法拉第(Farady)磁光效應(yīng)，自由空間型光隔離器的基本結(jié)構(gòu)和原理如下圖所示，由一個磁環(huán)、一個法拉第旋光片和兩個偏振片組成，兩個偏振片的光軸成 45°夾角。正向入射的線偏振光，其偏振方向沿偏振片 1 的透光軸方向，經(jīng)過法拉第旋光片時逆時針旋轉(zhuǎn) 45°至偏振片 2 的透光軸方向，順利透射;反向入射的線偏振光，其偏振方向沿偏振片 2 的透光軸方向，經(jīng)法拉第旋光片時仍逆時針旋轉(zhuǎn) 45°至與偏振片 1 的透光軸垂直，被隔離而無透射光。自由空間型光隔離器相對簡單，裝配時偏振片和旋光片均傾斜一定角度(比如 4°)以減少表面反射光，搭建測試架構(gòu)時注意測試的可重復(fù)性，其他不贅述。下面詳細介紹在線式光隔離器的發(fā)展情況。

　　最早的在線式光隔離器是用Displacer晶體與法拉第旋光片組合制作的，因體積大和成本高而被Wedge型光隔離器取代;在線式光隔離器因采用雙折射晶體而引入 PMD，因此相應(yīng)出現(xiàn) PMD 補償型 Wedge 隔離器;某些應(yīng)用場合對隔離度提出更高要求，因此出現(xiàn)雙級光隔離器，在更寬的帶寬內(nèi)獲得更高隔離度。

　　下面依次介紹這些在線式光隔離器的結(jié)構(gòu)和原理。

1) Displacer 型光隔離器

　　Displacer型光隔離器結(jié)構(gòu)和光路如下圖所示，由兩個準直器、兩個Displacer晶體，一個半波片、一個法拉第旋光片和一個磁環(huán)(圖中未畫出)組成。正向光從準直器 1入射在Displacer1 上，被分成o光和e光傳輸，經(jīng)過半波片和法拉第旋光片后，逆時針旋轉(zhuǎn)45 +45 =90 ，發(fā)生o光與e光的轉(zhuǎn)換，經(jīng)Displacer2合成一束耦合進入準直器 2;反向光從準直器 2 入射在Displacer2 上，被分成o光和e光傳輸，經(jīng)過法拉第旋光片和半波片后，逆時針旋轉(zhuǎn)45 -45 =0 ，未發(fā)生o光和e光的轉(zhuǎn)換，經(jīng)Displacer1 后兩束光均偏離準直器 1 而被隔離。

　　Displacer 型光隔離器的缺點是，為了滿足隔離度要求，反向光路中的兩束光需偏移較大距離，可參考圖 2(a)，而雙折射特性較好的釩酸釔 Displacer 晶體，其長度與偏移量的比值也只能做到 10:1，這就要求 Displacer晶體體積非常大，造成器件體積大和成本高昂。

2) Wedge 型光隔離器

　　Wedge型光隔離器的結(jié)構(gòu)和光路如下圖所示，由兩個準直器(圖中未畫出)、一個磁環(huán)、一個法拉第旋光片和兩個楔形雙折射晶體組成，兩個楔角片的光軸成 45°夾角 。來自輸入準直器的正向光被Wedge1 分成o光和e光分別傳輸，經(jīng)過旋光片時偏振方向逆時針(迎著正向光傳播方向觀察，以下同)旋轉(zhuǎn) 45°，進入Wedge2 時未發(fā)生o光與e光的轉(zhuǎn)換，因此兩束光在兩個楔角偏中的偏振態(tài)分別是o→o和e→e，兩個楔角片的組合對正向光相當于一個平行平板，正向光通過后方向不變，耦合進入輸出準直器;來自輸出準直器的反向光被Wedge2 分成o光和e光分別傳輸，經(jīng)過旋光片時偏振方向仍逆時針旋轉(zhuǎn) 45°，進入wedge1 時發(fā)生o光和e光的轉(zhuǎn)換，因此兩束光在兩個楔角片中的偏振態(tài)是o→e和e→o，兩個楔角片的組合對反向光相當于一個渥拉斯頓棱鏡，反向光通過后偏離原方向，不能耦合進入輸入準直器。

　　注意正向光分成兩束通過后，相對于入射光發(fā)生橫向位移 Offset，兩束光分開一定距離 Walkoff，兩束光在楔角片中的的折射率不同，因而引入 PMD。封裝設(shè)計時應(yīng)對 Offset 加以考慮;Walkoff 一般約為10um，會引入少許 PDL，但關(guān)系不大;對于 PMD，視需要進行補償，PMD 補償方法是在后面增加一個雙折射晶體平板，其光軸與 Wedge2 的光軸垂直，厚度經(jīng)光路追跡計算后得到，此不贅述。

　　與 Displacer 型光隔離器相比，Wedge 型光隔離器對反向光的隔離機制大為不同，前者使反向光相對于輸入準直器發(fā)生橫向位移，后者使反向光相對于輸入準直器發(fā)生角度偏離，從圖 2(a)和(c)可以看到，后者的隔離效果更好。Wedge 晶體的截面積只要對通過的光斑保證有效孔徑，厚度只要便于裝配即可，因此 Wedge 型光隔離器的晶體體積小，因此器件體積小而且成本低，已經(jīng)取代 Displacer型。

3) 雙級光隔離器

　　下圖所示為雙級光隔離器方案一，兩個單級光隔離器芯串接起來，各楔角片的光軸方向亦如圖所示，正向光在第一級和第二級中分別為 o 光和e 光，因此兩級產(chǎn)生的 PMD相互補償，這種方案的缺點是對裝配精度要求非常之高，否則隔離度指標比單級光隔離器還差，后面將會有詳細分

析。

　　下圖是雙級光隔離器方案二，兩個如前圖所示的單級光隔離器相對旋轉(zhuǎn) 45°串接，這種方案的缺點是在旋轉(zhuǎn)時很難同時將隔離度和 PMD 調(diào)至最佳狀態(tài)，因此兩級先分別進行 PMD 補償，再相對旋轉(zhuǎn)組裝，這樣能做出合格的雙級光隔離器，但仍因工藝復(fù)雜而導(dǎo)致良率不高和效率低下。

　　下圖是雙級光隔離器方案三，與方案一相比，唯一的差別是前后兩級楔角片的角度不同，下面我們通過分析方案一以了解方案三的改變。

　　首先我們來了解雙級光隔離器能獲得比單級光隔離器更高隔離度的原因，前面提到 Wedge 型光隔離器使反向光偏離準直器一個角度以達到隔離目的，對 5°角的釩酸釔楔角片和 13°角的鈮酸鋰楔角片，反向光被偏移的角度約為 1°，從圖 2(e)可以看到，單考慮此偏角，單級光隔離器的隔離度就可以遠超過60dB。真正制約其隔離度的原因是法拉第旋光片的消光比和波長相關(guān)性，前者約為 40-50dB，后者約為-0.068°/nm，因此單級光隔離器的峰值隔離度約為 40-50dB，在 30nm 帶寬內(nèi)的隔離度>30dB。雙級光隔離器使反向光偏移更大角度，但屬錦上添花，真正起作用的是兩級串接克服旋光片的消光比和波長相關(guān)性制約。

　　我們接下來考察方案一，反向光在P22中開始分成兩路傳播，在各楔角片中的的偏振態(tài)為o→e→o→e和e→o→e→o，相當于通過兩個渥拉斯頓棱鏡，因此偏離角度約為單級光隔離器的兩倍。以上假設(shè)各楔角片的光軸處于理想方向，現(xiàn)在我們假設(shè)楔角片P12和P21的光軸并非完全垂直，其夾角為 90°-Δ，那么從P21進入P12的兩路光將各分為兩路傳播，因此除以上偏振態(tài)的兩路光，另外兩路光的偏振態(tài)為o→e→e→o和e→o→o→e，這兩束光的強度為sin (Δ)?？紤]后兩路光的偏振態(tài)，P12 和P21 組合對其相當于一個平行平板，P11 和P22 組合對其相當于另一個平行平板，因此這兩路光通過之后方向不變，或者解釋為前后兩級相當于兩個倒裝的渥拉斯頓棱鏡，被第二級偏離的光束，又被第一級折回，如圖 24 所示。這兩路光直接耦合進入輸入端準直器，成為制約隔離度的主要原因。分別取Δ=0.1°和 0.2°，得到隔離度為 55dB和49dB，可見對裝配精度要求之高。方案三對兩級中的楔角片取不同角度，被第二級偏離的光束，并不會被第一級完全折回，因為偏折角與楔角大小近似成正比。

　　方案三的核心在于了解到，P12與P21光軸非嚴格垂直對隔離度的影響至關(guān)重要，對此提出了解決辦法，采用相應(yīng)的裝配工藝，可以制作出高隔離度的雙級光隔離器，并因裝配容差大而提高效率。

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