光隔離器的功能是讓正向傳輸?shù)墓馔ㄟ^(guò)而隔離反向傳輸?shù)墓猓瑥亩乐狗瓷涔庥绊懴到y(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(wú)關(guān)型，前者又稱為自由空間型(Freespace)，因兩端無(wú)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?yàn)榘雽?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(shì);在通信線路或者 EDFA 中，一般采用在線型光隔離器，因?yàn)榫€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(gè)磁環(huán)、一個(gè)法拉第旋光片和兩個(gè)偏振片組成，兩個(gè)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(guò)法拉第旋光片時(shí)逆時(shí)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(shí)仍逆時(shí)針旋轉(zhuǎn) 45°至與偏振片 1 的透光軸垂直，被隔離而無(wú)透射光。自由空間型光隔離器相對(duì)簡(jiǎn)單，裝配時(shí)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(cè)試架構(gòu)時(shí)注意測(cè)試的可重復(fù)性，其他不贅述。下面詳細(xì)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(bǔ)償型 Wedge 隔離器;某些應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)隔離度提出更高要求，因此出現(xiàn)雙級(jí)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(gè)準(zhǔn)直器、兩個(gè)Displacer晶體，一個(gè)半波片、一個(gè)法拉第旋光片和一個(gè)磁環(huán)(圖中未畫(huà)出)組成。正向光從準(zhǔn)直器 1入射在Displacer1 上，被分成o光和e光傳輸，經(jīng)過(guò)半波片和法拉第旋光片后，逆時(shí)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(jìn)入準(zhǔn)直器 2;反向光從準(zhǔn)直器 2 入射在Displacer2 上，被分成o光和e光傳輸，經(jīng)過(guò)法拉第旋光片和半波片后，逆時(shí)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(zhǔn)直器 1 而被隔離。

　　Displacer 型光隔離器的缺點(diǎn)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(zhǎng)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(gè)準(zhǔn)直器(圖中未畫(huà)出)、一個(gè)磁環(huán)、一個(gè)法拉第旋光片和兩個(gè)楔形雙折射晶體組成，兩個(gè)楔角片的光軸成 45°夾角 。來(lái)自輸入準(zhǔn)直器的正向光被Wedge1 分成o光和e光分別傳輸，經(jīng)過(guò)旋光片時(shí)偏振方向逆時(shí)針(迎著正向光傳播方向觀察，以下同)旋轉(zhuǎn) 45°，進(jìn)入Wedge2 時(shí)未發(fā)生o光與e光的轉(zhuǎn)換，因此兩束光在兩個(gè)楔角偏中的偏振態(tài)分別是o→o和e→e，兩個(gè)楔角片的組合對(duì)正向光相當(dāng)于一個(gè)平行平板，正向光通過(guò)后方向不變，耦合進(jìn)入輸出準(zhǔn)直器;來(lái)自輸出準(zhǔn)直器的反向光被Wedge2 分成o光和e光分別傳輸，經(jīng)過(guò)旋光片時(shí)偏振方向仍逆時(shí)針旋轉(zhuǎn) 45°，進(jìn)入wedge1 時(shí)發(fā)生o光和e光的轉(zhuǎn)換，因此兩束光在兩個(gè)楔角片中的偏振態(tài)是o→e和e→o，兩個(gè)楔角片的組合對(duì)反向光相當(dāng)于一個(gè)渥拉斯頓棱鏡，反向光通過(guò)后偏離原方向，不能耦合進(jìn)入輸入準(zhǔn)直器。

　　注意正向光分成兩束通過(guò)后，相對(duì)于入射光發(fā)生橫向位移 Offset，兩束光分開(kāi)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(jì)時(shí)應(yīng)對(duì) Offset 加以考慮;Walkoff 一般約為10um，會(huì)引入少許 PDL，但關(guān)系不大;對(duì)于 PMD，視需要進(jìn)行補(bǔ)償，PMD 補(bǔ)償方法是在后面增加一個(gè)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(jì)算后得到，此不贅述。

　　與 Displacer 型光隔離器相比，Wedge 型光隔離器對(duì)反向光的隔離機(jī)制大為不同，前者使反向光相對(duì)于輸入準(zhǔn)直器發(fā)生橫向位移，后者使反向光相對(duì)于輸入準(zhǔn)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(duì)通過(guò)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(jí)光隔離器

　　下圖所示為雙級(jí)光隔離器方案一，兩個(gè)單級(jí)光隔離器芯串接起來(lái)，各楔角片的光軸方向亦如圖所示，正向光在第一級(jí)和第二級(jí)中分別為 o 光和e 光，因此兩級(jí)產(chǎn)生的 PMD相互補(bǔ)償，這種方案的缺點(diǎn)是對(duì)裝配精度要求非常之高，否則隔離度指標(biāo)比單級(jí)光隔離器還差，后面將會(huì)有詳細(xì)分

析。

　　下圖是雙級(jí)光隔離器方案二，兩個(gè)如前圖所示的單級(jí)光隔離器相對(duì)旋轉(zhuǎn) 45°串接，這種方案的缺點(diǎn)是在旋轉(zhuǎn)時(shí)很難同時(shí)將隔離度和 PMD 調(diào)至最佳狀態(tài)，因此兩級(jí)先分別進(jìn)行 PMD 補(bǔ)償，再相對(duì)旋轉(zhuǎn)組裝，這樣能做出合格的雙級(jí)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(jí)光隔離器方案三，與方案一相比，唯一的差別是前后兩級(jí)楔角片的角度不同，下面我們通過(guò)分析方案一以了解方案三的改變。

　　首先我們來(lái)了解雙級(jí)光隔離器能獲得比單級(jí)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(zhǔn)直器一個(gè)角度以達(dá)到隔離目的，對(duì) 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(jí)光隔離器的隔離度就可以遠(yuǎn)超過(guò)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(zhǎng)相關(guān)性，前者約為 40-50dB，后者約為-0.068°/nm，因此單級(jí)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(jí)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(jí)串接克服旋光片的消光比和波長(zhǎng)相關(guān)性制約。

　　我們接下來(lái)考察方案一，反向光在P22中開(kāi)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(dāng)于通過(guò)兩個(gè)渥拉斯頓棱鏡，因此偏離角度約為單級(jí)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(jìn)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(qiáng)度為sin (Δ)?？紤]后兩路光的偏振態(tài)，P12 和P21 組合對(duì)其相當(dāng)于一個(gè)平行平板，P11 和P22 組合對(duì)其相當(dāng)于另一個(gè)平行平板，因此這兩路光通過(guò)之后方向不變，或者解釋為前后兩級(jí)相當(dāng)于兩個(gè)倒裝的渥拉斯頓棱鏡，被第二級(jí)偏離的光束，又被第一級(jí)折回，如圖 24 所示。這兩路光直接耦合進(jìn)入輸入端準(zhǔn)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(jiàn)對(duì)裝配精度要求之高。方案三對(duì)兩級(jí)中的楔角片取不同角度，被第二級(jí)偏離的光束，并不會(huì)被第一級(jí)完全折回，因?yàn)槠劢桥c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(yán)格垂直對(duì)隔離度的影響至關(guān)重要，對(duì)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(jí)光隔離器，并因裝配容差大而提高效率。

（來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)，版權(quán)歸原作者，若有侵權(quán)請(qǐng)聯(lián)系刪除）