3.7 光隔离器和光环形器

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，如光隔离器和光环形器。光隔离器（Optical Isolator）是一种只允许单方向传输光的器件，即光沿正向传输时具有较低的损耗，而沿反向传输时却有很大的损耗，因此可以阻挡反射光对光源的影响。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。某些光器件特别是激光器和光放大器，对于从诸如连接器、接头、调制器或滤波器反射回来的光非常敏感，引起性能恶化。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。

3.7.1 法拉第磁光效应

把非旋光材料（如玻璃）放在强磁场中，当平面偏振光沿着磁场方向入射到非旋光材料时，光偏振面将发生右旋转，如图3.7.1a所示，这种效应就称作法拉第（Faraday）效应，它由M.Faraday在1845年首先观察到。旋转角θ和磁场强度与材料长度的乘积成比例，即

式中，ρ是材料的维德（Vertet）常数，表示单位磁场强度使光偏振面旋转的角度，对于石英光纤，ρ=4.68×10-6r/A，H是沿入射光方向的磁场强度，单位是安每米（A/m）或奥斯特（Oe，1 Oe=103/4πA/m），L是光和磁场相互作用长度，单位为m。如果反射光再一次通过介质，则旋转角增加到2θ。磁场由包围法拉第介质的稀土磁环产生，起偏器由双折射材料（如方解）石充当（见3.9.2节），它的作用是将非偏振光变成线性偏振光，因为它只让与自己偏振化方向相同的非偏振光分量通过，法拉第介质可由掺杂的光纤或者具有大的维德常数的材料构成。

已有中心波长1310nm和1550nm的法拉第旋转器，波长范围-50～50nm，插入损耗0.3dB，法拉第旋转角度90°，最大承受功率>300mW，它能使光纤上任意一点出射光的偏振态与入射光的偏振态正交。图3.7.1b为实用法拉第旋转器产品。

3.7.2 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。图3.7.2表示法拉第旋转隔离器的原理，图3.7.3表示厚膜Gd∶YIG构成的光隔离器的机械结构。起偏器P使与起偏器偏振方向相同的非偏振入射光分量通过，所以非偏振光通过起偏器后就变成线性偏振光，调整加在法拉第介质的磁场强度，使偏振面旋转45°，然后通过偏振方向与起偏器成45°角的检偏器A。光路反射回来的非偏振光通过检偏器又变成线偏振光，该线偏振光的偏振方向与入射光第一次通过法拉第旋转器的相同，即偏振方向与起偏器输出偏振光的偏振方向相差45°。由此可见，这里的检偏器也是扮演着起偏器的作用。反射光经检偏器返回时，通过法拉第介质后，偏振方向又一次旋转了45°，变成了90°，正好和起偏器的偏振方向正交，因此不能够通过起偏器，也就不会影响到入射光。光隔离器的作用就是把入射光和反射光相互隔离开来。

【例3.7.1】光隔离器磁场强度计算

石英光纤制成的法拉第旋转隔离器，假如光纤长100m，要求磁场强度是多少？假如光纤长1m，要求磁场强度又是多少？

解：旋转角必须是45°，由式（3.7.1）可知，对于石英光纤，ρ=4.68×10-6rad/A。当L=100m时

当L=1m时，

【例3.7.2】光隔离器

若要旋转光偏振面45°角，分别计算由石英光纤和BIG（Bi-substituted Iron Garnet）晶体制成的法拉第旋转器的长度，石英光纤的ρ=0.0128分/（Oe·cm），BIG晶体的ρ=9°/（Oe·cm），假如施加的磁场都是1000Oe。

解：利用1Oe=103/4π（A/m）将Oe转换成安培每米（A/m），并将角度分转变为度（60分等于1度），或将度转变为分。利用式（3.7.1）可以得到石英光纤的长度为

L_fib=θ/（ρH）=210.9cm

用这么长的光纤制作一个微型隔离器，显然是不能接受的。但是用掺杂光纤可以将其缩短到可以接受的值，所以已有光纤隔离器研究成功。

用BIG晶体制成的隔离器，其长度仅为

L_cry=θ/（ρH）=0.05mm

可以用它制成实际使用的微型隔离器。

3.7.3 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（＞50dB），插入损耗也小（＜0.1dB），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。

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，而横向型是外加磁场方向垂直于光的传输方向。根据目前已报道的磁光波导隔离器，按其工作原理的不同，也可分为模式（TE/TM）转换型、非互易损耗半导体光放大器（Semiconductor Optical Amplifier, SOA）型和非互易相移马赫-曾德尔干涉型三类。有关它们的进一步介绍见文献［4］的3.7节。

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。

3.7.4 光环行器

光环行器除了有多个端口外，其工作原理与光隔离器类似，也是一种单向传输器件，主要用于单纤双向传输系统和光分插复用器中。光环形器用于单纤双向传输系统的工作原理如图3.7.4所示，端口1输入的光信号只有在端口2输出，端口2输入的光信号只有在端口3输出。在所谓“理想”的环行器中，在端口3输入的信号只会在端口1输出。但是在许多应用中，这最后一种状态是不必要的。因此，大多数商用环行器都设计成“非理想”状态，即吸收从端口3输入的任何信号，方向性一般大于50dB。用多个光隔离器就可以构成一个只允许单一方向传输的光环形器。