光隔離器--一種重要的光無(wú)源器件

2023/9/2 來(lái)源：東莞市懿展精密五金制品有限公司

什么是光隔離器

在理解光隔離器之前，我們需要先理解一下Faraday效應(yīng)（法拉第效應(yīng)）。

Faraday效應(yīng)是透明材料的一種性質(zhì)，當(dāng)材料放在磁場(chǎng)中時(shí)，對(duì)于沿磁場(chǎng)傳播的光，F(xiàn)araday效應(yīng)使光的偏振方向隨距離而旋轉(zhuǎn)，更確切地說(shuō)，偏振方向的旋轉(zhuǎn)與沿光傳播方向磁場(chǎng)的分量成正比。同時(shí)，F(xiàn)araday效應(yīng)所導(dǎo)致的光偏振方向的旋轉(zhuǎn)是不可逆的。

而光隔離器是一種利用Faraday效應(yīng)制成的使光單向傳輸?shù)囊环N非互易性器件。按構(gòu)成材料，光隔離器可分為三類，即體結(jié)構(gòu)型、光纖型以及波導(dǎo)型�；�本上，光隔離器都是由起偏器、檢偏器及Faraday旋轉(zhuǎn)器組成。Faraday旋轉(zhuǎn)器的材料多為磁性晶體，如釔鐵石榴石(YIG)、鉍鐵石榴石(BIG)等。光隔離器的結(jié)構(gòu)和工作原理（圖1）可簡(jiǎn)述如下：

圖1 光隔離器的工作原理 （來(lái)源：北京理工大學(xué)波導(dǎo)光學(xué)基礎(chǔ)）

起偏器A的偏振方向?yàn)閤方向，檢偏器B的偏振方向與之成45°，F(xiàn)araday旋轉(zhuǎn)器的旋轉(zhuǎn)角

＝45°。對(duì)正向入射光，入射光經(jīng)起偏器A后，偏振方向沿x軸，經(jīng)Faraday旋轉(zhuǎn)器后逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)45°，與檢偏器B的偏振方向一致，因而能順利通過(guò)。對(duì)反向入射光，由檢偏器B出來(lái)的偏振光經(jīng)法拉第旋轉(zhuǎn)器后仍沿逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)過(guò)45°，恰與起偏器A的偏振方向垂直，因而完全被阻止。

在光通信系統(tǒng)中，光隔離器的作用是消除光路中不連續(xù)處產(chǎn)生的反射光對(duì)光源以及光路系統(tǒng)中所產(chǎn)生的不良影響。例如在光源(LD)和光傳輸系統(tǒng)之間安裝一個(gè)光隔離器，可消除反射光對(duì)光源的不良影響，使光源在模式和頻率方面的穩(wěn)定性明顯提高；在摻餌光纖放大器(EDFA)中放置光隔離器則能避免由于線路反射導(dǎo)致的自激振蕩及有效降低EDFA的噪聲。因此，光隔離器在光纖通信、光信息處理系統(tǒng)、光纖傳感以及精密光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)中有重要作用。

光隔離器的分類

根據(jù)光隔離器的偏振特性，可將光隔離器分為偏振相關(guān)型和偏振無(wú)關(guān)型。

在光纖通信中，由于光纖波導(dǎo)為圓形，光波在其中傳播時(shí)，偏振方向是隨機(jī)變化的，因此與偏振無(wú)關(guān)的光隔離器具有更強(qiáng)的適用性，應(yīng)用也更為廣泛。偏振無(wú)關(guān)的光隔離器主要有楔型和平行平板型兩種。

按照在光纖激光系統(tǒng)中的作用又可分為在線隔離器和輸出隔離器（圖2），在線隔離器主要是用于種子級(jí)和放大級(jí)之間以及放大級(jí)和放大級(jí)之間，而輸出隔離器主要用于整機(jī)系統(tǒng)的輸出上，沒(méi)有耦合注入光纖中。

圖2 在線隔離器（左）和輸出隔離器（右）

光隔離器——集成方向的一大難題

光隔離器是保障光通信系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的重要核心器件。光通信器件在單個(gè)芯片上的集成是必然趨勢(shì)，但光隔離器的集成仍然存在損耗高、隔離度差、集成工藝?yán)щy等諸多問(wèn)題，復(fù)雜有源光通信器件片上集成的發(fā)展也因此受到了阻礙。

目前，光隔離器是唯一不能實(shí)現(xiàn)芯片集成的核心光學(xué)器件，被稱為“集成光學(xué)領(lǐng)域的一大難題”。理想的光隔離器應(yīng)具備單片集成、小尺寸、高寬帶、偏振無(wú)關(guān)性以及與半導(dǎo)體工藝兼容等特點(diǎn)，而基于磁光效應(yīng)的無(wú)源器件是最有吸引力的解決方案之一。目前商用的分立器件均是基于YIG，Bi:YIG等磁光晶體的法拉第效應(yīng)實(shí)現(xiàn)光隔離。然而，由于磁光材料與半導(dǎo)體基片材料間很大的晶格失配和熱失配，材料集成難，因此片上集成的磁光隔離器一直沒(méi)有得到很好的發(fā)展。

光隔離器——在光纖通信/傳感領(lǐng)域不可或缺

光隔離器目前已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用到了光纖通信和光纖傳感等信息傳輸領(lǐng)域。光隔離器作為一種使用光信息技術(shù)的光無(wú)源器件，在光路系統(tǒng)中有許多應(yīng)用。例如在脈沖MOPA光纖放大器中的種子級(jí)和放大級(jí)之間安裝光隔離器，可以提高光纖放大器的工作穩(wěn)定性。因此，光隔離器在工業(yè)脈沖激光器系統(tǒng)、光纖通信、光信息處理系統(tǒng)中具有重要的作用。

國(guó)內(nèi)外視角看光隔離器

國(guó)外的光隔離器市場(chǎng)上，主要供應(yīng)商包括AC Photonics、AFW Technologies、Agiltron、Aistana、Corning、DK Photonics、General Photonics、Opto-Link、Thorlabs、SENKO、Advanced CoMPOnents、Electro-Optics Technology，SRICO等。II-VI也曾在2017年6月收購(gòu)集成光子IPI公司，意欲拓展光隔離器業(yè)務(wù)。

在光通信系統(tǒng)里，由于光隔離器是基于特殊材料的分立器件，過(guò)去十幾年來(lái)，尋找可以集成化的隔離器材料的努力一直沒(méi)有中斷。2020年3月，美國(guó)SRICO公司和密西根大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)報(bào)道了 “基于摻鉍的鐵石榴石的集成無(wú)磁薄膜波導(dǎo)光隔離器”。通過(guò)改進(jìn)制作工藝和模式匹配，預(yù)計(jì)薄膜光隔離器能夠很快實(shí)現(xiàn)30 dB隔離度和小于1 dB的插損。

2020年9月，密歇根科技大學(xué)和阿爾貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室展示其合作研究成果，進(jìn)一步改善了光信號(hào)處理，可以制造出更小的光纖設(shè)備。該項(xiàng)研究揭示了光學(xué)非互易性的特殊機(jī)制，使隔離器工作的物理效應(yīng)有了數(shù)量級(jí)的改善，開(kāi)啟了更小器件的可能性。

美國(guó)EOT公司專業(yè)致力于法拉第旋光器和光隔離器，2021年5月，公司推出PAVOS Ultra系列低吸收的法拉第旋光器和隔離器，其吸收率只有傳統(tǒng)隔離器的十分之一。PAVOS Ultra系列旋光器和隔離器專門針對(duì)1 μm的高功率、高能量激光應(yīng)用，可以在高達(dá)400 W的平均功率下穩(wěn)定工作。

而在國(guó)內(nèi)，包括上海中科光纖通訊器件有限公司、河南鑫宇光科技股份有限公司，無(wú)限光通訊（深圳）有限公司、光越科技(深圳)有限公司、北京康冠世紀(jì)光電科技有限公司等都是主要的光隔離器生產(chǎn)廠家。蘇州天孚光通信股份有限公司也于2016年進(jìn)入光隔離器市場(chǎng)。

2019年8月，電子科技大學(xué)國(guó)家電磁輻射控制材料工程技術(shù)研究中心團(tuán)隊(duì)與美國(guó)麻省理工、加州大學(xué)圣芭芭拉分校團(tuán)隊(duì)合作，解決了硅基單片集成高優(yōu)值磁光薄膜的難題，發(fā)展了波導(dǎo)側(cè)壁磁光材料沉積技術(shù)，研制了首個(gè)硅基單片集成的寬帶磁光隔離器。

河南鑫宇光科技致力于開(kāi)發(fā)各種光隔離器產(chǎn)品并拓展其應(yīng)用，當(dāng)前已經(jīng)覆蓋了0.35~5.5 mm系列的光隔離器，應(yīng)用于半導(dǎo)體激光源的傳輸、高速直接調(diào)制、直接檢測(cè)、光纖放大器、相干光長(zhǎng)距離通信系統(tǒng)等領(lǐng)域。2020年上半年，鑫宇光科技的營(yíng)收同比增長(zhǎng)近40%，而這其中80%的營(yíng)收來(lái)源于光隔離器。

光越科技主要從事光學(xué)原材料、光無(wú)源器件和光有源器件等的生產(chǎn)銷售。主要產(chǎn)品有：一是應(yīng)用于通信市場(chǎng)的低功率器件，例如光隔離器。二是應(yīng)用于高功率光纖激光器的無(wú)源器件。光越科技主要有自由空間隔離器、光纖進(jìn)自由空間輸出隔離器以及光纖進(jìn)光纖出隔離器三個(gè)款型，同時(shí)也研發(fā)設(shè)計(jì)出基于磁致旋光效應(yīng)的各種環(huán)形器，目前已經(jīng)推出了500 W自由空間輸出隔離器，最近也在專注千瓦級(jí)脈沖激光隔離器的攻關(guān)。

小結(jié)

近年來(lái)，光電子器件正朝著小型化和集成化的方向發(fā)展。這更讓人們看到了光通信系統(tǒng)在片上集成方面的發(fā)展前景，實(shí)現(xiàn)光電融合這一目標(biāo)指日可待。當(dāng)前隔離器的應(yīng)用也在向更大的領(lǐng)域擴(kuò)展，新的領(lǐng)域則進(jìn)一步促進(jìn)了現(xiàn)有技術(shù)的創(chuàng)新，比如更大尺寸、更高隔離度的隔離器，以適用于光纖傳感、光纖激光等領(lǐng)域。