光隔離器--一種重要的光無源器件

2023/9/2 來源：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)材料放在磁場中時(shí)，對于沿磁場傳播的光，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，偏振方向的旋轉(zhuǎn)與沿光傳播方向磁場的分量成正比。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��，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）可簡述如下：

圖1 光隔離器的工作原理 （來源：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。對反向入射光，由檢偏器B出來的偏振光經(jīng)法拉第旋轉(zhuǎn)器后仍沿逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)過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和放大級之間以及放大級和放大級之間，而輸出隔離器主要用于整機(jī)系統(tǒng)的輸出上，沒有耦合注入光纖中。

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，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和放大級之間安裝光隔離器，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。

國內(nèi)外視角看光隔離器

國外的光隔離器市場上，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，過去十幾年來，尋找可以集成化的隔離器材料的努力一直沒有中斷。2020年3月，美國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磁薄膜波導(dǎo)光隔離器”。通過改進(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)量級的改善，開啟了更小器件的可能性。

美國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。

2019年8月，電子科技大學(xué)國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、光纖放大器、相干光長距離通信系統(tǒng)等領(lǐng)域。2020年上半年，鑫宇光科技的營收同比增長近40%，而這其中80%的營收來源于光隔離器。

光越科技主要從事光學(xué)原材料、光無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脈沖激光隔離器的攻關(guān)。

小結(jié)

近年來，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。