光隔离器主要分为哪几类（光隔离器原理应用与技术参数）
光隔离器主要分为哪几类（光隔离器原理应用与技术参数）(2)进一步研究，根据电磁波在磁光材料中的传播规律，线偏振光通过一定厚度的磁光晶体，其旋转角度为θ=VLB （1）式中，V是比例系数，它是材料的特性常数，称维尔德常数，单位：deg/(Gs•cm)。在法拉第旋转效应中，磁场对磁光材料产生作用，是导致磁光现象发生的原因，所以磁光材料引起的光偏振面旋转方向取决于外加磁场的方向，与光的传播方向无关。迎着光看去，当线偏振光沿磁力线方向通过介质时，其振动面向右旋转（顺时针旋转），这种物质叫正旋体；当偏振光沿磁力线反方向通过磁光介质时，其振动面则向左旋转（逆时针旋转），这种物质叫负旋体。图1 法拉第磁旋光效应
磁光效应与光隔离器
1磁光效应
1846年，法拉第发现原来不具有旋光性的物质，在磁场的作用下，偏振光通过该物质时其振动面将发生旋转。这种现象叫磁致旋光效应，也称法拉第效应。
实现研究表明，在给定的磁光材料，光振动面旋转的角度θ与光在该物质中通过的距离L和磁感应强度B成正比，
θ=VLB （1）
式中，V是比例系数，它是材料的特性常数，称维尔德常数，单位：deg/(Gs•cm)。在法拉第旋转效应中，磁场对磁光材料产生作用，是导致磁光现象发生的原因，所以磁光材料引起的光偏振面旋转方向取决于外加磁场的方向，与光的传播方向无关。迎着光看去，当线偏振光沿磁力线方向通过介质时，其振动面向右旋转（顺时针旋转），这种物质叫正旋体；当偏振光沿磁力线反方向通过磁光介质时，其振动面则向左旋转（逆时针旋转），这种物质叫负旋体。
图1 法拉第磁旋光效应
进一步研究，根据电磁波在磁光材料中的传播规律，线偏振光通过一定厚度的磁光晶体，其旋转角度为
(2)
w 为光的频率，ε为材料的特性常数，C为光速，γ为材料的旋磁比，H 为外加磁场强度，μs为饱和磁场强度。
由（2）式子可看到旋转角θ的大小受磁光材料的旋磁特性，长度，工作波长及磁场强度的影响。材料越长，磁场强度越大，旋转角将越大。另外，旋转角θ的大小还受环境温度的影响，对大多数晶体来说，温度增加将导致旋转角减小。
法拉第效应也有旋光色散，即维尔德常数随波长而变，一束白色的线偏振光穿过磁致旋光介质，则紫光的偏振面要比红光的偏振面转过的角度大，这就是旋光色散。实验表明，磁致旋光物质的维尔德常数V随波长的增加而减少，如图2所示，旋光色散曲线又称为法拉第旋转谱。
图2 旋光色散现象维尔德常数V随波长的变化关系
表1 为一些旋磁材料的维尔德常数V参数表
表1维尔德常数V参数表
2 光隔离器
光隔离器的基本功能是实现光信号的正向传输，同时拟制反向光，具有不可逆性。通常情况下，光在介质中的传播光路是可逆的，光隔离器的设计就是实现光路的不可逆性。目前是利用磁光材料对其偏振态调整的非互易性实现光的不可逆传输。
由于磁致旋光性产生的振动面旋转与光线传播方向无关，利用这一点来实现隔离器的非互易性。因此一个隔离器的构成主要有：起偏器或者偏振分束器，由偏振片或者双折射晶体构成，实现由自然光得到偏振光；磁光晶体制成的法拉第旋转器，完成对光偏振态的非互易调整；检偏器或者偏振合束器，实现将光纤会聚平行出射。
根据光隔离器的偏振特性可将隔离器分为偏振相关型和偏振无关型两种。
2.1偏振相关型
如下图所示，沿光传播方向设一平行磁场，磁场方向由磁光晶体的磁致旋光特性决定，磁光晶体材料放置与磁场中，磁光材料前后分别放置偏振器。
图3 偏振相关隔离器
偏振器置于法拉第旋转器前后两边，其透光轴方向彼此呈现β=45°关系，当入射平行光经过第一个起偏器P1时，变为线偏振光，然后经过法拉第旋转器，其偏振面被旋转45°，刚好与第二个检偏器P2的透光轴方向一致。于是光信号顺利通过而进入光路中。
设磁光晶体沿光轴向长度为L，产生的法拉第旋转角度为θ=VBL。略去磁光材料及起偏器偏振片表面的反射损耗，假设通过偏振片光衰减为零，磁光 材料光吸收系数为α。那么，入射强度为I0，偏振器相同的入射光，透射过磁光材料后的投射强度为
（3）
其中β是检偏器的偏振轴与起偏器偏振轴之间的夹角。
对于反射光，设其偏振方向与检偏器偏振轴同向，光强度为，反向传输最终投射过起偏器的光强度为
（4）
当β=θ=45°，则当正向光通过时，它的投射强度
（5）
当发射光反向通过时，透射光的强度
（6）
即实现了反向隔离功能。
如下图为商用的偏振相关型隔离器的基本结构
图4偏振相关型隔离器的基本结构
2.2偏振无关型
偏振无关型光隔离器是一种对输入光偏振态依赖很小（典型值小于0.2dB）的光隔离器。与偏振相关隔离器相比，它采用有角度地分离光束的原理来制成，可以达到偏振无关的目的。由于其输出不为偏振光，所以更具实用型。主要有以下几种结构。
- Wedge 型
如下图所示，它包括两个双折射晶体楔角片和中间的一片法拉第旋光晶体，一个永磁性磁环。
图5 Wedge 型隔离器结构与光路图
首先分析光信号正向传输的情况。经过斜面透镜射出的准直光束，进入双折射晶体P1 后，光束被分为o光和e光，其偏振方向相互垂直，传播方向呈现一个夹角，当它们经过45°法拉第旋转器时，出射的o光和e光的偏振面各自向同一个防线旋转45°，由于第2个双折射晶体P2的晶轴相对于第1个晶体正好呈45°夹角，所以o光和e光被P2 折射到一起，合成两束间距很小的平行光。如图5 所示光路。
当光束反向传输时，首先经过晶体P2，分为偏振面与P1晶轴成45°角的o光和e光，由于这两束线偏振光经45°法拉第旋转器后，相对于第一个晶体P1的晶轴共旋转了90°，整个逆光路相当于经过一个渥拉斯顿棱镜，出射的两束线偏振光被P2进一步分开一个较大的角度。
图6 Wedge 型光纤隔离器结构
这种结构的光隔离器制作简单，插入损耗小，整个器件体积小，但却会因斜面和双折射冷静的使用，带来一定的偏振相关损耗（PLD）和偏折模色散（PMD）
- Walk-off 型结构
这种结构的偏振无关光隔离器的结构如图7所示。隔离器主体部分由3个平行偏振分束器。P1，P2，P3和一个45°法拉第旋转器FR构成，且P1，P2，P3的L厚度满足
（7）
图7 Walk-off 型光纤隔离器结构
P1与P2的光轴夹角为45°，P2与P3的光轴夹角为90°。输入光信号经自聚焦透镜准直成平行光束，入射到P1，入射光被分解为o光和e光，o光不发生偏折，以原来的方向出射，e光走离，以两束平行线偏振光初涉，这两束线偏振光进入法拉第旋转器FR，振动面被顺时针旋转45°，由于P2与P1的广州方向相差45°，所以P1中的o光和e光进入P2后仍为o光和e光，e光进一步走离，只是走离方向与P1中的走离方向不同。进入P3后，由于P3与P2的光轴垂直，所以P2中的o光和e光在P3中分别为e光和o光，P3中的e光走离。从P3出射时，两束线偏振光重新汇聚，平行出射，被聚焦透镜耦合进入输出光纤。
反向光入射时，经过将入射光分解为两束线偏振光，再经P2，由于P2和P3的光轴垂直，两束线偏振光分别在P3和P2中走离原来的方向，进入FR。由于它的非互易性，它们的振动面被顺时针旋转45°，这样P2中的o光和e光在P1中分别为e光和o光，e光进一步走离，出射光分光距离进一步增加，而不会汇聚在一起，故不会被自聚焦透镜耦合进输入光纤，从而实现反向隔离。
这种结构中的偏振器采用平面结构，所以不会增加偏振相关损耗。但由于偏振元件的增加，体积较大，光路较长，因而制成的器件整体体积大，同时因为增加了光学元件，所以带来了插入损耗的增加和组装工艺的困难。主要存在的缺陷是由于采用平行板型偏振分束器，其反向光的分光距离取决于双折射晶体的厚度，如果分光距离有限，则反向光会重新耦合进光纤，直接影响隔离度。
3 隔离器光学指标
光隔离器的主要技术指标有插入损耗IL，隔离度ISO，偏振相关损耗PDL，回波损耗RL，偏振模色散PMD等
3.1 插入损耗
光隔离器的插入损耗IL，是指信号光沿传输方向顺利通过光隔离器时光功率降低值，定义为
（8）
其中，P1为隔离器从输入端的光功率，P2为从 接收端的光功率。
影响插入损耗的因素有材料的固有吸收，各端面的回波损耗，双折射晶体和法拉第旋转器的角度误差，消光比及透镜的耦合损耗等。
3.2 隔离度
隔离器ISO，是信号光反向通过光隔离器时的光功率衰减能力，是隔离器的重要指标之一，定义为
（9）
其中，P1为隔离器从从反向端输入的光功率，P2为从正向端接收的光功率。影响隔离度的主要因素有磁光晶体的旋光角度误差，晶体的消光比和各表面的反射影响等。
3.2 偏振相关损耗（PDL）
PDL 与插损不同，它是指当输入光偏振态发生变化而其它参数 不变时，器件插入损耗的最大变化量，是衡量器件插入损耗受偏振态影响程度的指标。对于偏振无关光隔离器，由于器件中存在着一些可能引起偏振的元件，不可能实现 PDL 为零，一般可接受 PDL 小于 0.2dB。
3.3 偏振模色散 PMD
偏振 模色散 PMD 是指通过器件的信号光不同偏振态之间的相位延迟 。 在光无源器件中，不同偏振模式具有不同的传播轨迹和不同的传播速度 ， 产生相应的偏振模色散。同时，由于光源谱线有一定带宽，也会引起一定色散。在高速光通讯系统中，PMD 就非常重要了。 在偏振无关光隔离器 中，双折射晶体产生的两束线偏振光以不同的相速和群速传输，即是PMD，其主要来源是用以分离和会聚 o 光、 e 光的双折射晶体。它可由两束线偏振光的光程差Δ L 近似得到。
偏振模色散 ：在偏振无关隔离器 中：显然可以通过求分立元件的光程来求整个的器件的 PMD 。PMD 主要受 e 光和 o 光折射率差的影响 ，因此与波长也有较大的关系。
3.4 回波损耗 RL
光隔离器的 回波损耗 RL 是指正向入射到隔离器中的光功率P1和沿输入路径返回隔离器输入端口 光功率Pr之比， 这是一个重要的指标 因为 回波强，隔离度将受到很大的影响 。
（10）
隔离器的回波损耗由各元件和空气折射率失配并形成反射引起。通常平面元件引起的回波损耗在 14dB 左右，通过增透膜和斜面抛光等可以使回波损耗到 60dB 以上。光隔离器的回波损耗主要来自它的准直光路（ 即准直器部分）， 经理论计算当斜面倾角在 8°时，回波损耗大于 65dB 。
