3.7　光隔离器和光环形器

光连接器、光纤耦合器等大多数无源器件的输入端和输出端是可以互换的，称为互易器件。然而光纤通信系统也需要非互易器件，如光隔离器（Optical Isolator）和光环形器。光隔离器是一种只允许通过单方向光的器件，即光沿正向传输时具有较低的损耗，而沿反向传输时却有很大的损耗，因此可以阻挡反射光对光源的影响。对光隔离器的要求是：隔离度大、插入损耗小、饱和磁场低和价格便宜。某些光器件特别是激光器和光放大器，对于从诸如光连接器、光接头、光调制器或光滤波器反射回来的光非常敏感，并引起性能恶化。因此，通常要在最靠近这种光器件的输出端放置光隔离器，以消除反射光的影响，使系统工作稳定。

3.7.1　磁光块状光隔离器

光纤通信用的光隔离器几乎都是基于法拉第磁光效应原理制成的。当平面偏振光沿着磁场方向入射到法拉第介质时，光偏振面将旋转角度θ，如果反射光再一次通过法拉第介质，则光偏振面旋转角度增加到2θ。

法拉第旋转隔离器工作原理如图3.7.1所示。起偏器P（Polarizer）使与起偏器偏振方向相同的非偏振光分量通过，所以非偏振光通过起偏器后就变成线性偏振光，调整加在法拉第介质的磁场强度，使偏振面旋转45°，然后通过偏振方向与起偏器成45°角的检偏器（Analyzer）。光路反射回来的非偏振光通过检偏器又变成线性偏振光，该线性偏振光的偏振方向与入射光第一次通过法拉第介质的方向相同，即偏振方向与起偏器输出偏振光的偏振方向相位差45°。由此可见，这里的检偏器也起着起偏器的作用。当反射光经检偏器返回时，通过法拉第介质后，其偏振方向又一次旋转了45°，变成了90°，正好和起偏器的偏振方向正交，因此不能够通过起偏器，也就不会影响到入射光。光隔离器的作用就是把入射光和反射光相互隔离开来。

目前，国内外广泛采用的法拉第介质是钇铁石榴石（YIG-Y3Fe5O12）和用稀土元素如钆（Gd）、镱（Yb）部分取代钇（Y）形成的晶体。在饱和磁场作用下，对于1.32μm和1.55μm波长的光，法拉第旋转隔离器的旋转角分别为21.5°和15°，法拉第旋转隔离器旋转45°所需YIG材料厚度分别为2.1mm和3.0mm。用这种材料构成的光隔离器，隔离度为30dB，插入损耗为1～2dB，旋转角的温度特性较好。

法拉第旋转隔离器所用单晶YIG是熔炼生长的，其传输光的速度慢且价格昂贵。薄膜波导器件因性能差而不能被接受。最近，用液相外延（LPE）方法研制的一种在GGG（Gd3Ga5O12）基片上生长Gd:YIG（Gd0,2 Y2,8 Fe5O12）厚膜构成的器件，其性能良好、价格低廉，克服了上述缺点，因此受到了重视。

Gd:YIG厚膜构成的光隔离器结构如图3.7.2所示。方解石厚度为500μm，在基片上的Gd:YIG厚膜尺寸为2×2.3×0.2mm3。自聚焦透镜焦距为1.1mm，光束被聚焦的直径约为160μm，小于膜的厚度。用钐-钴（Sm-Co）环状永磁铁产生饱和磁场，其内外直径分别为3mm和5mm，长度为1.5mm。这种光隔离器在1.3μm波长的性能是：隔离度为25dB，插入损耗为0.8dB（不包括透镜损耗1dB），性能和晶体YIG器件相近，饱和磁场只需100Oe，器件尺寸为7×7mm2，价格只有晶体YIG器件的1/10。这种光隔离器已用于单模光纤通信系统。

【例3.7.1】法拉第旋转隔离器要求的磁场强度

对于石英光纤制成的法拉第旋转隔离器，假如光纤长度为100m，要求的磁场强度是多少？假如光纤长度为1m，要求的磁场强度又是多少？

解：旋转角必须是45°，由式（3.6.3）可知，对于石英光纤，ρ=4.68×10-6 rad/A。当L=100m时，有

当L=1m时，有

【例3.7.2】光隔离器的长度

若将光偏振面旋转45°，分别计算由石英光纤和BIG（Bi-substituted Iron Garnet）晶体制成的光隔离器的长度，石英光纤的ρ=0.0128′（Oe·cm）-1，BIG晶体的ρ=9°（Oe·cm）-1，施加的磁场强度都是1000Oe。

解：通过式1Oe=103/（4π）A/m，把磁场强度单位Oe转换成A/m，并将角度的单位由分转变为度（60′=1°）或将度转变为分。通过式（3.6.3）可得石英光纤的长度为

Lfiber=θ/（ρH）≈210.9cm

用这么长的光纤制作一个微型光隔离器，显然是不能接受的，但使用掺杂光纤便可以缩短其长度到可以接受的值，所以已有该种光隔离器被研究成功。

用BIG晶体制成的光隔离器，其长度仅为0.05mm，可以用它制成实际使用的微型光隔离器。

3.7.2　磁光波导光隔离器

光纤通信发展的趋势是将光源、光放大器、光调制器和光探测器等光器件集成在一起。而光隔离器在这个集成器件中是必不可少的。虽然磁光块状光隔离器尺寸小、隔离度大（>50dB）、插入损耗也小（<0.1dB），但是这种基于法拉第介质和线性偏振片的光隔离器不能和基于InP的半导体激光器兼容，所以不能集成在一起。科学家们正在开发基于平面集成光路（Photonic Integrated Circuits，PIC）的磁光波导（Waveguide）光隔离器。

基于PIC的磁光波导光隔离器具有非互易的特点，且成本低、体积小、稳定性好，能与其他器件在同一个基板上集成，适合大批量生产。随着研究的深入和工艺的改进，它的隔离度会被提高，插入损耗也会被降低，相信不久的将来，它一定会从实验室进入市场。

集成光隔离器基本工作原理是基于YIG磁光薄膜的法拉第磁光效应。按YIG磁光薄膜磁化方向的不同，光隔离器可分为纵向型和横向型两类。纵向型光隔离器的外加磁场方向平行于光的传输方向；横向型光隔离器的外加磁场方向垂直于光的传输方向。根据目前已报道的磁光波导光隔离器，按其工作原理的不同，也可分为模式转换（TE/TM）型、非互易损耗型、非互易相移型和非互易相移微环磁光型等[37][40][42]。

1. 模式转换（TE/TM）型波导光隔离器

在这种结构中，磁化方向与光传输方向平行，模式转换型波导光隔离器通常只工作在TE或TM单一模式下，所以其输入端和输出端都要加偏振器。将法拉第磁光效应与科顿-穆顿效应并用，就可实现TE和TM的模式转换。法拉第磁光效应是一种非互易效应，而科顿-穆顿效应是一种互易效应。当光在TE或TM下沿正向传输时，先由法拉第磁光效应使偏振面旋转45°，再由科顿-穆顿效应使偏振面反转45°，因而偏振面不产生旋转，输出光模式不变，可通过偏振器；当光反向传输时，先由科顿-穆顿效应使偏振面旋转45°，由于法拉第磁光效应的非互易性，法拉第磁光效应也使偏振面旋转45°，因此偏振面共旋转90°，输出光模式发生变化而不能通过偏振器，实现了隔离反向光的功能。

但在波导结构中，通常光在TE下的传输常数βTE与在TM下的传输常数βTM并不相同。根据模耦合理论，当相位失配时，光在TE下和TM下的能量转换比始终小于1，两模式不能完全转换，因而降低了隔离性能。为了实现相位匹配，一种方法是利用周期Λ=2π/（βTE-βTM）=2π/Δ的磁场进行补偿；另一种方法是制作出Δ=0的波导，使隔离度超过30dB。

模式转换型波导光隔离器如图3.7.3所示。它是利用半泄漏结构波导制作的光隔离器，其突出优点在于可自动满足相位匹配的要求。它在YIG波导上覆盖一层LiNbO3晶体，而且晶轴在波导平面内处于倾斜状态。在这种结构中，非互易变换与各向异性介质所产生的互易变换相互抵消，从而使得输入光在正向传输时，能够在不发生变换的情况下直接通过波导。而对于反向光，非互易变换与各向异性介质所产生的互易变换是相加的，因而发生模式变换，TE转换为TM高阶模式或辐射模式，从而实现隔离反向光的功能。

2. 非互易损耗型波导光隔离器

非互易损耗型波导光隔离器如图3.7.4所示。它是以铁磁薄膜（如Co50Fe50）作为包层的半导体光放大器（Semiconductor Optical Amplifiers，SOA）。由于它的磁场方向与光的传输方向垂直，所以它是横向型光隔离器。这种光隔离器对于TM表现出一种非互易特性，这是前向和后向传输的TM光在磁化的金属接触层表现出不同的折射率，即横向磁光克尔效应导致的，从而波导TM的色散与传输方向有关，继而波导TM的有效吸收系数和有效折射率变得与方向有关。因此，适当地给这种光隔离器注入电流，会使正向传输的光通过该器件，而使反向传输的光衰减，从而使该器件起到光隔离的作用。通过进一步优化该器件的层结构，有望使其隔离度达到20dB。

3. 非互易相移型波导光隔离器

非互易相移（NonReciprocal Phase Shift，NRPS）型波导光隔离器如图3.7.5所示。它是基于马赫-曾德尔干涉仪（MZI）原理制成的。它在GaInAsP/InP基片上集成了一个激光器（LD）。为了制作光隔离器，首先将铁石榴石波片键合在马赫-曾德尔干涉仪GaInAsP/InP波片上，该隔离器由两个锥形耦合器、在两个干涉臂中的非互易相移器和在一个臂中的互易相移器组成。互易相移器由λ/4臂长差提供。MZI设计成在两个臂中前向传输的光没有相位差（同相），而后向传输的光有180°（π）的相位差（反相）。这可以选择合适的MZI两臂波导长度，引入90°（π/2）的非互易相移和90°（π/2）的互易相移完成。因此，前向传输的光在出Y2分支处时的总相移为零，两光相长干涉而增强；而后向传输的光在出Y1分支处时的总相移为π，两光相消干涉而抵消。其工作原理与马赫-曾德尔干涉幅度调制器的类似。这类器件不需要精确的相位匹配和复杂的外加磁场控制，且波导结构设计灵活，工艺制作简单，更具有实际应用价值。

由图3.7.5（a）可见，该器件磁化方向与光的传播方向垂直，是一种横向型光隔离器。非互易相移器由TM模式控制，该相移由波导层厚度决定的一阶磁光效应产生。图3.7.5（b）为计算出的与材料特性有关的干涉隔离器的衰减波长特性，在1 550nm波长处，前向传输的光没有衰减，而后向传输的光则有50dB的衰减。

下面介绍工作在TE模式的非互易相移型波导光隔离器，如图3.7.6所示。该光隔离器是MZI波导结构的，波导芯是非对称的氢化非晶硅（a-Si:H），其两臂一侧有一部分紧挨提供相位差的磁光铈（Ce）部分取代钇铁石榴石（Ce:YIG，CeY2Fe5O12）晶体。该磁光石榴石晶体生长在钆镓石榴石铁氧体（Substituted Gadolinium Gallium Garnet，SGGG）衬底上，与光传输方向正交的外部磁场施加在Ce:YIG晶体上，如图3.7.6（b）所示。

因为Ce:YIG晶体位于MZI相对两臂的一侧，从端口1输入的线性偏振光，经3dB耦合器分成上/下行两路光，在端口2输出时，产生的非互易相位差符号相反，因此非互易相移器在上/下行两个波导中提供推挽式的相位差。当传输方向反转时，非互易相移器提供的相位差符号将改变。然而，在下行臂波导中的互易相移器提供的相位差与传输方向无关。例如，上行非互易相移器提供90°的相移，则下行非互易相移器提供-90°的相移，如果互易相移器提供180°的相移，下行光总相移为90°。在端口2，上/下行光相长干涉而增强，有输出光。对于后向反射光，上行非互易相移器提供-90°的相移，则下行非互易相移器提供90°的相移，互易相移器仍提供180°的相移，下行光总相移为270°。在端口1，上/下行光相消干涉而减小，没有反射光，实现光隔离的作用。

非互易相移型波导光隔离器显微图如图3.7.7所示。非互易相移器波导芯a-Si:H很窄（294nm），如图3.7.8所示。

实验表明，该光隔离器在1 561.7nm波长、TE模式下的隔离度为17.9dB。

4. 非互易相移微环磁光型波导光隔离器

光隔离器是一个很重要的器件，但是，若要把它集成在Si或III-V族半导体材料上，却是富有挑战的。集成光隔离器极大地依赖于非互易相移，该相移是由施加一个横向磁场到一个非对称波导产生的，该波导由磁光材料，如铈（Ce）部分取代钇铁石榴石（Ce:YIG）组成。

这些光隔离器要么基于非平衡的马赫-曾德尔干涉仪（MZI），要么基于磁光材料微环结构。要实现光隔离器的光路集成必须要考虑的两个问题是：典型的磁光器件插入损耗大，这是MZI光隔离器覆盖面积大导致的；要使用永久磁铁产生包围磁光波导的静态磁场，会导致光路集成困难。

下面介绍一种能解决以上问题的由法拉第介质磁光材料制成微环结构的光隔离器，如图3.7.9所示。该光隔离器有利于实现在芯片上产生磁场的集成技术。该微环半径只有35μm，几乎实现了与光纤的临界耦合，制成的光隔离器对TM光的隔离度为32dB（施加80mA电流），1 555nm波长处的芯片损耗为2.3dB。

制作该光隔离器时，首先将法拉第磁光单晶Ce:YIG生长在钆镓石榴石铁氧体（SGGG）衬底上，然后把SGGG衬底粘在Si层上。所有材料在1 555nm波长处的损耗都很小，但是Ce:YIG晶体例外，它的传输损耗为60dB/cm，然而它的法拉第旋转角可达-4500°。在SGGG衬底的底部，用离子束光刻技术沉淀一个正对Si的Ti/Au环，当Ti/Au沉淀层总线接入电源并有电流通过时，在Ti/Au波导环中将产生磁场，如图3.7.9（b）所示，所以该Ti/Au环同时也视为一个磁铁环。借助这样的磁场，顺时针和反时针磁场在Ce:YIG法拉第非旋光材料中，对入射光和反射光产生非互易相位差（NRPS），即反射光的相移是入射光的两倍。

非互易相移微环磁光型波导光隔离器特性如图3.7.10所示。为了测试这种光隔离器的特性，我们使用一个调谐激光源，其输出光对准保偏光纤，保偏光纤输出光对准光隔离器半径35μm的Ti/Tu环，光隔离器输出端通过单模光纤接入光谱分析仪的输入端，观测其光谱线的变化。通过该光隔离器电极注入电流，以便产生辐射进入法拉第磁光材料Ce:YIG环的磁场。为了把入射光切换为反射光，我们可以切换注入电流的方向，即切换磁场的方向。借助测量入射光和反射光之间的消光比，我们可以得到该光隔离器的隔离度。如图3.7.10（a）所示，当入射光波长为1555.26nm、注入电流为80mA时，该光隔离器的隔离度为32dB，磁光非互易波长分开0.16nm。

当注入电流太大时，由于焦耳热效应，将使波长发生红移，该波长变化定义为互易相移，如图3.7.10（b）所示。磁光非互易相移光隔离度与注入电流的关系如图3.7.10（b）所示。

3.7.3　光环行器

光环行器（Optical Circuilator）除了有多个端口外，其工作原理与光隔离器类似，也是一种单向传输器件，主要用于单纤双向传输系统和光分插复用器中。光环形器用于双向传输系统的工作原理如图3.7.11所示，输入端口1的光只能在端口2输出，输入端口2的光只能在端口3输出。在所谓“理想”的光环行器中，输入端口3的光只会在端口1输出。但是在许多应用中，这最后一种状态是不必要的。因此，大多数商用光环行器都被设计成“非理想”状态，即吸收从端口3输入的任何光，方向性一般大于50dB。

用多个光隔离器就可以构成一个只允许单一方向传输的光环形器。光环行器原理图如图3.7.12所示，其中省略了输入/输出对中装置和光连接器。图3.7.12（a）表示光从端口1输入、从端口2输出的情况，起偏器将输入光分离成正交偏振的寻常光（o）和非寻常光（e）。寻常光继续沿着其原来的光路前进，而非寻常光则向上位移。法拉第介质和相位延迟器的复合效应使两束光线的偏振方向反转。检偏器把两束光线重新复合，在端口2输出。

图3.7.12（b）表示光从端口2输入、从端口3输出的情况，输入光被检偏器分成两个正交偏振光，由于法拉第介质的非互易性，所以光纤偏振不会在该方向上改变。这时起偏器使两束光线更加分离，致使它们偏离端口1的光轴。但是，两束光线分别通过立方体透镜和反射棱镜后又重新复合，从端口3输出。

光环行器的插入损耗一般为0.5～1.5dB，反射损耗和方向性均大于50dB。当用光环行器取代光隔离器（插入损耗为1dB）和3dB方向耦合器用于双向传输时，可允许传输线路损耗增加4dB。