淺談光隔離器

互易器件和非互易器件

連接器、 耦合器等大多數(shù)無源器件的輸入和輸出端是可以互換的， 稱之為互易器件。

然而光通信系統(tǒng)也需要非互易器件， 如光隔離器。光隔離器是一種只允許單方向傳輸光的器件。

某些光器件特別是激光器和光放大器 對于從連接器、 接頭、 調(diào)制器或濾波器反射回來的光非常敏感。因此通常要在最靠近這種光器件的輸出端放置光隔離器， 以消除反射光的影響， 使系統(tǒng)工作穩(wěn)定。

對光隔離器的要求是隔離度大、 插入損耗小、 飽和磁場低和價格便宜。

磁光塊狀光隔離器

光通信用的隔離器幾乎都用法拉第磁光效應原理制成;

當平面偏振光沿著磁場方向入射到非旋光材料時， 光偏振面將旋轉(zhuǎn)角度θ;如果反射光再一次通過法拉第介質(zhì)， 則旋轉(zhuǎn)角度增加到2θ。

隔離器

用法拉第磁光效應原理制成

光通信用的隔離器幾乎都用法拉第磁光效應原理制成。當平面偏振光沿著磁場方向入射到非旋光材料時，光偏振面將旋轉(zhuǎn)角度θ， 如果反射光再一次通過法拉第光偏振面將旋轉(zhuǎn)角度θ， 如果反射光再 次通過法拉第介質(zhì)， 則旋轉(zhuǎn)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 常數(shù)， 表示單位磁場強度使光偏振面旋轉(zhuǎn)的角度

隔離器工作原理

起偏器 P 使入射光的垂直偏振分量通過調(diào)整加在法拉第介質(zhì)的磁場強度， 使偏振面旋轉(zhuǎn)45°， 然后通過檢偏器A。反射光返回時， 通過法拉第介質(zhì)又一次旋轉(zhuǎn)45°，正好和入射光偏振面正交， 因此不會使入射光受到影響， 等于把入射光和反射光相互隔離開來。

磁光波導光隔離器

光纖通信發(fā)展的趨勢是將光源、 光放大器、 光調(diào)制器和探測器等光器件集成在一起。而光隔離器在這個集成器件中是必不可少的。雖然塊狀自由空間光隔離器尺寸小， 隔離度大(>50 dB)， 插入損耗也小(<0.1 dB)， 但是這種基于法拉第旋轉(zhuǎn)器和線性偏振片的隔離器不和基于InP的半導體LD兼容， 所以不能集成在一起。所以科學家們正在開發(fā)基于平面集成光路（PIC） 的磁光波導器件。

磁光波導器件

基于PIC的磁光波導器件具有非互易的特點， 成本低， 體積小， 穩(wěn)定性好， 能與其他器件在同一個基板上集成，適合大批量生產(chǎn)。

隨著研究的深入和工藝的改進， 它的隔離度會提高， 插入損耗也會降低， 相信不久的將來一定會從實驗室進入市場。

集成光隔離器基本工作原理

集成光隔離器基本工作原理是基于YIG磁光薄膜的磁光法拉第效應;按YIG磁光薄膜磁化方向的不同， 光隔離器可分為縱向型和橫向型兩類：

縱向型是外加磁場方向平行于光的傳輸方向;

橫向型是外加磁場方向垂直于光的傳輸方向。

磁光波導隔離器分類

根據(jù)目前已報道的磁光波導隔離器， 按其工作原理的不同可分為：

模式 (TE/TM) 轉(zhuǎn)換型；

非互易損耗（SOA） 型；

非互易相移（MZI） 型。

模式轉(zhuǎn)換型波導光隔離器

利用半漏泄結(jié)構(gòu)波導制作的隔離器， 其突出優(yōu)點在于可自動滿足相位匹配的要求。

它是在YIG波導上覆蓋一層LiNbO3晶體， 而且晶軸在波導平面內(nèi)處于傾斜狀態(tài)。在這種結(jié)構(gòu)中， 非互易變換與各向異性介質(zhì)所產(chǎn)生的互易變換相互抵消， 從而使得正向傳輸時， 入射波能夠在不發(fā)生變換的情況下直接通過波導。而對于反向光， 非互易變換與各向異性介質(zhì)所產(chǎn)生的互易變換是相加的， 因而發(fā)生模式變換， TM模轉(zhuǎn)換為TE高階?；蜉椛淠６刂?， 從而實現(xiàn)隔離反向光的功能。

非互易損耗 (SOA) 型波導光隔離器

對于TM波導傳輸模式表現(xiàn)出一種非互易特性， 這是因為前向向和后向傳輸?shù)腡M模式光在磁化的金屬接觸層表現(xiàn)出不同的折射率， 導致波導TM模的色散與傳輸方向有關(guān)；其結(jié)果是波導TM模的有效吸收系數(shù)和有效折射率變得與方向有關(guān)。

因此， 適當?shù)慕o半導體光放大器SOA注入電流， 對正向傳輸?shù)墓馔ㄟ^， 而對反向傳輸?shù)墓馑p， 起到光隔離的作用。基于鐵磁薄膜 作包層的半導體光放大器 (SOA)原理；磁場方向與光的傳輸方向垂直， 它是橫向型光隔離器；

集成了 LD的非互易損耗型波導光隔離器

該芯片器件包括有源區(qū)長0.25 mm的DFB LD；和0.75 mm長的半導體有源波導光隔離器；該隔離器原理是基于在有鐵磁材料的半導體光放大器（SOA） 波導中的非互易損耗。

集成了 LD的非互易損耗型波導光隔離器

非互易相移MZI型波導光隔離器

轉(zhuǎn)載自公眾號：泊光

審核編輯 黃宇