光电器件应用 让光“有去无回”的光隔离器

什么是光隔离器

在理解光隔离器之前，我们需要先理解一下Faraday效应（法拉第效应）。

Faraday效应是透明材料的一种性质，当材料放在磁场中时，对于沿磁场传播的光，Faraday效应使光的偏振方向随距离而旋转，更确切地说，偏振方向的旋转与沿光传播方向磁场的分量成正比。同时，Faraday效应所导致的光偏振方向的旋转是不可逆的。

而光隔离器是一种利用Faraday效应制成的使光单向传输的一种非互易性器件。按构成材料，光隔离器可分为三类，即体结构型、光纤型以及波导型。基本上，光隔离器都是由起偏器、检偏器及Faraday旋转器组成。Faraday旋转器的材料多为磁性晶体，如钇铁石榴石(YIG)、铋铁石榴石(BIG)等。光隔离器的结构和工作原理（图1）可简述如下：

图1 光隔离器的工作原理 （来源：北京理工大学波导光学基础）

起偏器A的偏振方向为x方向，检偏器B的偏振方向与之成45°，Faraday旋转器的旋转角

＝45°。对正向入射光，入射光经起偏器A后，偏振方向沿x轴，经Faraday旋转器后逆时针旋转45°，与检偏器B的偏振方向一致，因而能顺利通过。对反向入射光，由检偏器B出来的偏振光经法拉第旋转器后仍沿逆时针方向转过45°，恰与起偏器A的偏振方向垂直，因而完全被阻止。

在光通信系统中，光隔离器的作用是消除光路中不连续处产生的反射光对光源以及光路系统中所产生的不良影响。例如在光源(LD)和光传输系统之间安装一个光隔离器，可消除反射光对光源的不良影响，使光源在模式和频率方面的稳定性明显提高；在掺饵光纤放大器(EDFA)中放置光隔离器则能避免由于线路反射导致的自激振荡及有效降低EDFA的噪声。因此，光隔离器在光纤通信、光信息处理系统、光纤传感以及精密光学测量系统中有重要作用。

光隔离器的分类

根据光隔离器的偏振特性，可将光隔离器分为偏振相关型和偏振无关型。

在光纤通信中，由于光纤波导为圆形，光波在其中传播时，偏振方向是随机变化的，因此与偏振无关的光隔离器具有更强的适用性，应用也更为广泛。偏振无关的光隔离器主要有楔型和平行平板型两种。

按照在光纤激光系统中的作用又可分为在线隔离器和输出隔离器（图2），在线隔离器主要是用于种子级和放大级之间以及放大级和放大级之间，而输出隔离器主要用于整机系统的输出上，没有耦合注入光纤中。

图2 在线隔离器（左）和输出隔离器（右）

光隔离器——集成方向的一大难题

光隔离器是保障光通信系统稳定运行的重要核心器件。光通信器件在单个芯片上的集成是必然趋势，但光隔离器的集成仍然存在损耗高、隔离度差、集成工艺困难等诸多问题，复杂有源光通信器件片上集成的发展也因此受到了阻碍。

目前，光隔离器是唯一不能实现芯片集成的核心光学器件，被称为“集成光学领域的一大难题”。理想的光隔离器应具备单片集成、小尺寸、高宽带、偏振无关性以及与半导体工艺兼容等特点，而基于磁光效应的无源器件是最有吸引力的解决方案之一。目前商用的分立器件均是基于YIG，Bi:YIG等磁光晶体的法拉第效应实现光隔离。然而，由于磁光材料与半导体基片材料间很大的晶格失配和热失配，材料集成难，因此片上集成的磁光隔离器一直没有得到很好的发展。

光隔离器——在光纤通信/传感领域不可或缺

光隔离器目前已经被广泛地应用到了光纤通信和光纤传感等信息传输领域。光隔离器作为一种使用光信息技术的光无源器件，在光路系统中有许多应用。例如在脉冲MOPA光纤放大器中的种子级和放大级之间安装光隔离器，可以提高光纤放大器的工作稳定性。因此，光隔离器在工业脉冲激光器系统、光纤通信、光信息处理系统中具有重要的作用。

国内外视角看光隔离器

国外的光隔离器市场上，主要供应商包括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月收购集成光子IPI公司，意欲拓展光隔离器业务。

在光通信系统里，由于光隔离器是基于特殊材料的分立器件，过去十几年来光电器件应用，寻找可以集成化的隔离器材料的努力一直没有中断。2020年3月，美国SRICO公司和密西根大学研究团队报道了 “基于掺铋的铁石榴石的集成无磁薄膜波导光隔离器”。通过改进制作工艺和模式匹配，预计薄膜光隔离器能够很快实现30 dB隔离度和小于1 dB的插损。

2020年9月，密歇根科技大学和阿尔贡国家实验室展示其合作研究成果，进一步改善了光信号处理，可以制造出更小的光纤设备。该项研究揭示了光学非互易性的特殊机制，使隔离器工作的物理效应有了数量级的改善，开启了更小器件的可能性。

美国EOT公司专业致力于法拉第旋光器和光隔离器，2021年5月，公司推出PAVOS Ultra系列低吸收的法拉第旋光器和隔离器，其吸收率只有传统隔离器的十分之一。PAVOS Ultra系列旋光器和隔离器专门针对1 μm的高功率、高能量激光应用，可以在高达400 W的平均功率下稳定工作。

而在国内，包括上海中科光纤通讯器件有限公司、河南鑫宇光科技股份有限公司，无限光通讯（深圳）有限公司、光越科技(深圳)有限公司、北京康冠世纪光电科技有限公司等都是主要的光隔离器生产厂家。苏州天孚光通信股份有限公司也于2016年进入光隔离器市场。

2019年8月，电子科技大学国家电磁辐射控制材料工程技术研究中心团队与美国麻省理工、加州大学圣芭芭拉分校团队合作，解决了硅基单片集成高优值磁光薄膜的难题，发展了波导侧壁磁光材料沉积技术，研制了首个硅基单片集成的宽带磁光隔离器。

河南鑫宇光科技致力于开发各种光隔离器产品并拓展其应用，当前已经覆盖了0.35~5.5 mm系列的光隔离器，应用于半导体激光源的传输、高速直接调制、直接检测、光纤放大器、相干光长距离通信系统等领域。2020年上半年，鑫宇光科技的营收同比增长近40%，而这其中80%的营收来源于光隔离器。

光越科技主要从事光学原材料、光无源器件和光有源器件等的生产销售。主要产品有：一是应用于通信市场的低功率器件，例如光隔离器。二是应用于高功率光纤激光器的无源器件。光越科技主要有自由空间隔离器、光纤进自由空间输出隔离器以及光纤进光纤出隔离器三个款型，同时也研发设计出基于磁致旋光效应的各种环形器，目前已经推出了500 W自由空间输出隔离器，最近也在专注千瓦级脉冲激光隔离器的攻关。

小结

近年来，光电子器件正朝着小型化和集成化的方向发展。这更让人们看到了光通信系统在片上集成方面的发展前景，实现光电融合这一目标指日可待。当前隔离器的应用也在向更大的领域扩展，新的领域则进一步促进了现有技术的创新，比如更大尺寸、更高隔离度的隔离器，以适用于光纤传感、光纤激光等领域。

本文由光电汇根据公开资料整理

（编辑：好传媒网）

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