浅谈光隔离器

互易器件和非互易器件

连接器、 耦合器等大多数无源器件的输入和输出端是可以互换的， 称之为互易器件。

然而光通信系统也需要非互易器件， 如光隔离器。光隔离器是一种只允许单方向传输光的器件。

某些光器件特别是激光器和光放大器 对于从连接器、 接头、 调制器或滤波器反射回来的光非常敏感。因此通常要在最靠近这种光器件的输出端放置光隔离器， 以消除反射光的影响， 使系统工作稳定。

对光隔离器的要求是隔离度大、 插入损耗小、 饱和磁场低和价格便宜。

磁光块状光隔离器

光通信用的隔离器几乎都用法拉第磁光效应原理制成;

当平面偏振光沿着磁场方向入射到非旋光材料时， 光偏振面将旋转角度θ;如果反射光再一次通过法拉第介质， 则旋转角度增加到2θ。

隔离器

用法拉第磁光效应原理制成

光通信用的隔离器几乎都用法拉第磁光效应原理制成。当平面偏振光沿着磁场方向入射到非旋光材料时，光偏振面将旋转角度θ， 如果反射光再一次通过法拉第光偏振面将旋转角度θ， 如果反射光再 次通过法拉第介质， 则旋转角度增加到 2θ。角度θ可用下式表示：θ=pHL

式中p是材料的 Verdet 常数， 表示单位磁场强度使光偏振面旋转的角度

隔离器工作原理

起偏器 P 使入射光的垂直偏振分量通过调整加在法拉第介质的磁场强度， 使偏振面旋转45°， 然后通过检偏器A。反射光返回时， 通过法拉第介质又一次旋转45°，正好和入射光偏振面正交， 因此不会使入射光受到影响， 等于把入射光和反射光相互隔离开来。

磁光波导光隔离器

光纤通信发展的趋势是将光源、 光放大器、 光调制器和探测器等光器件集成在一起。而光隔离器在这个集成器件中是必不可少的。虽然块状自由空间光隔离器尺寸小， 隔离度大(>50 dB)， 插入损耗也小(<0.1 dB)， 但是这种基于法拉第旋转器和线性偏振片的隔离器不和基于InP的半导体LD兼容， 所以不能集成在一起。所以科学家们正在开发基于平面集成光路（PIC） 的磁光波导器件。

磁光波导器件

基于PIC的磁光波导器件具有非互易的特点， 成本低， 体积小， 稳定性好， 能与其他器件在同一个基板上集成，适合大批量生产。

随着研究的深入和工艺的改进， 它的隔离度会提高， 插入损耗也会降低， 相信不久的将来一定会从实验室进入市场。

集成光隔离器基本工作原理

集成光隔离器基本工作原理是基于YIG磁光薄膜的磁光法拉第效应;按YIG磁光薄膜磁化方向的不同， 光隔离器可分为纵向型和横向型两类：

纵向型是外加磁场方向平行于光的传输方向;

横向型是外加磁场方向垂直于光的传输方向。

磁光波导隔离器分类

根据目前已报道的磁光波导隔离器， 按其工作原理的不同可分为：

模式 (TE/TM) 转换型；

非互易损耗（SOA） 型；

非互易相移（MZI） 型。

模式转换型波导光隔离器

利用半漏泄结构波导制作的隔离器， 其突出优点在于可自动满足相位匹配的要求。

它是在YIG波导上覆盖一层LiNbO3晶体， 而且晶轴在波导平面内处于倾斜状态。在这种结构中， 非互易变换与各向异性介质所产生的互易变换相互抵消， 从而使得正向传输时， 入射波能够在不发生变换的情况下直接通过波导。而对于反向光， 非互易变换与各向异性介质所产生的互易变换是相加的， 因而发生模式变换， TM模转换为TE高阶模或辐射模而截至， 从而实现隔离反向光的功能。

非互易损耗 (SOA) 型波导光隔离器

对于TM波导传输模式表现出一种非互易特性， 这是因为前向向和后向传输的TM模式光在磁化的金属接触层表现出不同的折射率， 导致波导TM模的色散与传输方向有关；其结果是波导TM模的有效吸收系数和有效折射率变得与方向有关。

因此， 适当的给半导体光放大器SOA注入电流， 对正向传输的光通过， 而对反向传输的光衰减， 起到光隔离的作用。基于铁磁薄膜 作包层的半导体光放大器 (SOA)原理；磁场方向与光的传输方向垂直， 它是横向型光隔离器；

集成了 LD的非互易损耗型波导光隔离器

该芯片器件包括有源区长0.25 mm的DFB LD；和0.75 mm长的半导体有源波导光隔离器；该隔离器原理是基于在有铁磁材料的半导体光放大器（SOA） 波导中的非互易损耗。

集成了 LD的非互易损耗型波导光隔离器

非互易相移MZI型波导光隔离器

转载自公众号：泊光

审核编辑 黄宇