高功率光隔离器及其制作过程中的一些共性问题

1/24/2013,光隔离器是只允许光沿一个方向通过而在相反方向阻挡光通过的光无源器件。半导体激光器、光放大器以及光纤激光器等对来自连接器、熔接点、滤波器等的反射光非常敏感，并可能导致性能恶化甚至损坏，因此需要用光隔离器来阻止反射光。在光纤通信中，通过光纤回波反射的光能够被光隔离器很好地隔离。在光纤激光等应用中，光隔离器通常被使用在光路中用来避免光路中的回波对光源、抽运源以及其他发光器件造成的干扰和损伤。隔离器的隔离度代表了光隔离器对回波的隔离(阻挡)能力。

光隔离器工作原理
    光隔离器主要利用磁光晶体的法拉第效应(也称磁致旋光效应)。1845年，法拉第首先观察到不具有旋光性的材料在磁场作用下能够使通过该物质的光的偏振方向发生旋转，因此常称法拉第效应。在法拉第效应中，偏振方向旋转的方向与磁场有关，而和光的传输方向是正向或者反向无关，这与我们通常在折射、反射等现象中看到的光路可逆性不同。沿磁场方向传输的线偏振光，其偏振方向旋转角度θ和磁场强度B与材料长度L的乘积成正比，比例系数也就是我们常说的维尔德常数。

　　光隔离器根据偏振特性可分为偏振无关型和偏振相关型。这两种隔离器都用到了具有磁致旋光效应的磁光晶体，法拉第磁介质在1~2μm波长范围内通常采用光损耗较低的钇铁石榴石(YIG)单晶。新型尾纤输入输出的光隔离器有相当好的性能，最低插入损耗约0.5 dB，隔离度达35～60 dB，最高可达70 dB。

　　目前光隔离器用的最多的仍然是偏振无关型的，其原理如图1所示，利用正向和反向传输的光路不一致，也就是此时光信号传输是不可逆的，从而形成隔离。典型结构只用到四个主要元件：磁环、法拉第旋转器、两片LiNbO3 楔角片，配合一对光纤准直器，可以做成一种在线式的光纤隔离器。


    正向传输时：从准直器出射的平行光束，进入第一个楔角片P1后，光束被分为o光和e光，其偏振方向相互垂直，传播方向成一夹角。当他们经过45o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方向旋转45o，由于第二个楔角片P2的晶轴相对于第一个楔角片正好呈45o夹角，所以o光和e光被折射到一起，合成两束间距很小的平行光，然后被另一个准直器耦合到光纤纤芯中去。这种情况下，输入的光功率只有很小一部分被损耗掉，这种损耗称之为隔离器的插入损耗。

　　反向传输时：当一束平行光反向传输时，首先经过P2晶体，分为偏振方向与P1的晶轴各呈45o夹角的o光和e光。由于法拉第效应的非互易性，o光和e光通过法拉第旋转器后，偏振方向仍然向同一个方向旋转45°，这样原先的o光和e光在进入第二个楔角片(P1)后成了e光和o光。由于折射率的差别，这两束光在P1中再也不可能合成一束平行光，而是向不同的方向折射，e光和o光被进一步分开一个更大的角度，即使经过自聚焦透镜的耦合，也不能进入到光纤纤芯中去，从而达到了反向隔离的目的。此时的传输损耗较大，这种损耗称之为隔离器的隔离度。

光隔离器主要技术参数
    对于光隔离器，主要的技术指标有插入损耗、反向隔离度、回波损耗、偏振相关损耗、偏振模色散等。

　　(1)插入损耗(Insertion Loss)：隔离器芯主要由法拉第旋转器和两片LN楔角片组成，法拉第旋转器的消光比越高、反射率越低、吸收系数越小，插入损耗就越小，一般法拉第旋转器的损耗约为0.02～0.06dB。平行光经过隔离器芯后，会分成o，e两束平行光。由于双折射晶体的固有特性，o光和e光不能完全会聚，从而也会造成附加的插入损耗。

　(2) 反向隔离度(Isolation)：反向隔离度是隔离器最重要的指标之一，它表征隔离器对反向传输光的衰减能力。影响隔离器隔离度的因素有很多：1) 隔离度与偏振器距法拉第旋转器的距离有关；2) 隔离度与光学元件表面反射率的关系。隔离器中光学元件表面反射率越大，隔离器的反向隔离度就越差。实际工艺中必须使R小于0.25%，才能保证隔离度大于40 dB；3) 隔离度与偏振器楔角、间距有关。双折射晶体为钒酸钇(YVO4)的光隔离器，当其楔角小于2o时，隔离度随角度的增大而迅速增大，当楔角大于2o时，变化就小多了，大约稳定在43.8 dB左右。光隔离度随间距的增大而变化的幅度不大，因为隔离度主要取决于反向输出光与光轴之间的夹角；4) 隔离度与晶轴相对角度的关系。两个偏振器及旋光器晶轴相对角度对隔离度的影响是最大的，当角度相差大于0.3o则隔离度将不会大于40 dB；5) 两个偏振器的消光比，晶体厚度等也对隔离度有影响；6) 温度及磁铁的影响。在法拉第效应中，维尔德常数是温度的函数，所以法拉第旋转角也会随着温度而变化，而且温度也会对永磁体的性能有影响，所以这也是重要因素之一。

　　(3) 回波损耗(Return Loss)：光隔离器的回波损耗是指正向入射到隔离器中的光功率和沿输入路径返回隔离器输入端口的光功率之比，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。隔离器的回波损耗由各元件和空气折射率失配所形成反射引起。通常平面元件引起的回波损耗在14 dB左右，通过增透膜和斜面抛光等可以使回波损耗达到60 dB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65 dB。

　　(4) 偏振相关损耗(Polarization Dependent Loss，PDL)：PDL与插入损耗不同，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0.2 dB。

　　(5) 偏振模色散(Polarization Mode Dispersion，PMD)：PMD是指通过器件的信号光的不同偏振态之间的相位延迟，在高速光通讯系统中PMD非常重要。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光及e光的双折射晶体。它可由两束线偏振光的光程差ΔL近似得到。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。

高功率光隔离器关键技术
    与常见的光纤通信系统中使用的较低功率光隔离器相比，在较高的激光功率下，光隔离器的设计及制作也呈现出一些不同之处，这也是在高功率器件的设计研发中需要解决的主要问题。

　　(1) 光学元件在高功率密度激光辐射作用下的损伤问题。这个问题不仅在高功率光隔离器中存在，就是在其他高功率光器件的设计制作过程中也同样要面对。为了解决此问题，首先需要在产品的制作及测试过程中保证良好的环境洁净度并选用损伤阈值较高的光学器件及光学薄膜，当然这也受到产品成本的制约。因为空气中的微小颗粒如果粘附在光学表面将极大降低光学表面的激光损伤阈值，这些微小颗粒对激光的吸收比较大，容易导致颗粒附近能量集中，从而导致光学表面薄膜损伤甚至面损伤，在元件表面出现麻点甚至小坑而使器件失效。其次，由于在通常情况下光学元件内部的损伤阈值要比其表面的激光损伤阈值高很多，所以元件表面的激光功率密度也就决定了整个器件抗激光损伤的能力，尤其在脉冲工作的情况下更是如此。这时可以通过光学变换的方法设法使光学元件表面的光斑面积扩大的方法来提高损伤阈值，例如扩芯光纤方法以及扩束透镜光纤方法等就是利用这个原理工作的，或者通过激光脉冲展宽的方法变相地降低激光功率密度，通过避免激光能量在空间和时间上的集中能够有效地提高产品的抗激光损伤性能。

(2) 高功率器件的热影响及散热设计。因为高功率器件工作在较高的功率下，与低功率器件相比，更容易发热，不可避免地会受到温度上升的影响，所以器件的性能受到材料热特性以及散热设计的影响比较严重。通常旋光晶体的旋光特性容易受到温度的影响，如果在器件工作时由于所吸收激光能量的积累而导致内部温度出现较大上升，就会使得旋光晶体对光偏振面的旋转角度偏离正常值而导致性能明显下降，严重时甚至会导致器件损坏；另外，永磁体在高温下工作也更容易发生磁场减弱和退磁现象，甚至出现磁场的不可逆损失，所以高温对永磁体的稳定工作也是不利的；而且，在特高光功率的情况下，光学元件的温度会出现较大上升，由于热量从内部向表面传递，其内部的温度必然高于其表面的温度，这样就会在光学元件内部出现温度梯度和热应力，导致光束横截面内部中心的折射率和边缘的折射率变化幅度不同，从而出现折射率差，也就是出现了类透镜效应，这将会改变光束的传播特性，导致光束质量严重下降，严重影响器件正常工作甚至导致损坏。因此，必须采取有效的措施减少对激光的吸收并有效散热。减少对激光的吸收要求选用吸收系数较小的光学材料、减小光在元件内部传输的距离、设计合理的结构，有效散热就要求在热量可能出现积累的地方提供有效的传热路径并散热，根据功率的大小可以采取被动散热或者主动散热的方法。报道中的万瓦级光隔离设计中就采用板条形状的旋光晶体以提高器件的散热控温能力。

　　(3) 高功率隔离器的磁场设计。高功率光隔离器设计中的另一个关键是磁场及磁体的设计及选择。一般情况下，光隔离器都是利用磁致旋光效应工作的，所以必须在旋光晶体上加合适的磁场。为了节能以及方便使用，一般都采用强永磁材料来产生所需的磁场，这时磁场及磁体的选择和设计就非常重要，对器件的性能和成本影响很大。通常情况下都要求在旋光晶体的空间内提供较强的均匀磁场，这样就能够减小旋光晶体的尺寸，获得较高的性能价格比，所以就要求在不明显增加器件体积的情况下设计选择合适的磁体以获得较强的均匀磁场。具体设计中可通过选择磁性能较强的磁体，并采用合适的形状及体积，获得所需磁场。

　　(4) 高功率隔离器的装配工艺。高功率光隔离器要求能够长期稳定工作在恶劣的环境下，这就对器件的结构以及装配等工艺提出了很高的要求。设计良好的结构及装配工艺能够有效减小光学元器件内部的应力，从而提高产品的性能及稳定性，使得器件能够长期稳定可靠工作。隔离器结构设计中主要需要解决两个问题，首先是光学元器件的装配，要求稳定可靠，能够有效散热控温；其次需要牢固可靠装配强永磁铁，随着磁体设计制造能力的提高，器件中可能采用较复杂形状的多块磁体组合来提供较强的均匀磁场，而磁体之间较强的磁力就要求设计合适的装配工艺方法来可靠装配磁体，并要求在装配过程中不会导致磁体损坏或者退磁。这些都需要在实践中积累并提高。

文章来源于光库通讯(珠海)有限公司