光隔離器是一種只允許單向光通過的無源光器件，其工作原理是基于法拉第旋轉(zhuǎn)的非互易性。通過光纖回波反射的光能夠被光隔離器很好的隔離。光隔離器主要利用磁光晶體的法拉第效應(yīng)。光隔離器的特性是：正向插入損耗低，反向隔離度高，回波損耗高。
它的作用是防止光路中由于各種原因產(chǎn)生的后向傳輸光對(duì)光源以及光路系統(tǒng)產(chǎn)生的不良影響。例如，在半導(dǎo)體激光源和光傳輸系統(tǒng)之間安裝一個(gè)光隔離器，可以在很大程度上減少反射光對(duì)光源的光譜輸出功率穩(wěn)定性產(chǎn)生的不良影響。在高速直接調(diào)制、直接檢測(cè)光纖通信系統(tǒng)中，后向傳輸光會(huì)產(chǎn)生附加噪聲，使系統(tǒng)的性能劣化，這也需要光隔離器來消除。在光纖放大器中的摻雜光纖的兩端裝上光隔離器，可以提高光纖放大器的工作穩(wěn)定性，如果沒有它，后向反射光將進(jìn)入信號(hào)源（激光器）中，引起信號(hào)源的劇烈波動(dòng)。在相干光長(zhǎng)距離光纖通信系統(tǒng)中，每隔一段距離安裝一個(gè)光隔離器，可以減少受激布里淵散射引起的功率損失。
光隔離器原理圖
光隔離器種類繁多，包括在線式光隔離器，自由空間光隔離器等。國(guó)內(nèi)部分1310/1480/1550nm偏振無關(guān)光隔離器內(nèi)部設(shè)計(jì)針對(duì)單模光纖中兩種正交的偏振態(tài)分別處理的工藝，保證整個(gè)器件的偏振無關(guān)特性。單極器件具有較低的插入損耗，雙級(jí)器件有極高的光隔離度，適合于不同的應(yīng)用場(chǎng)合，主要應(yīng)用于光纖放大器，光纖激光器等。
隔離器在光纖激光器中的應(yīng)用
與常見的光纖通信系統(tǒng)中使用的較低功率光隔離器相比，在較高的激光功率下，光隔離器的設(shè)計(jì)及制作也呈現(xiàn)出一些不同之處，這也是在高功率器件的設(shè)計(jì)研發(fā)中需要解決的主要問題。
光學(xué)元件在高功率密度激光輻射作用下的損傷問題。這個(gè)問題不僅在高功率光隔離器中存在，就是在其他高功率光器件的設(shè)計(jì)制作過程中也同樣要面對(duì)。為了解決此問題。
首先需要在產(chǎn)品的制作及測(cè)試過程中保證良好的環(huán)境潔凈度并選用損傷閾值較高的光學(xué)器件及光學(xué)薄膜，當(dāng)然這也受到產(chǎn)品成本的制約。因?yàn)榭諝庵械奈⑿☆w粒如果粘附在光學(xué)表面將極大降低光學(xué)表面的激光損傷閾值，這些微小顆粒對(duì)激光的吸收比較大，容易導(dǎo)致顆粒附近能量集中，從而導(dǎo)致光學(xué)表面薄膜損傷甚至面損傷，在元件表面出現(xiàn)麻點(diǎn)甚至小坑而使器件失效。
其次，由于在通常情況下光學(xué)元件內(nèi)部的損傷閾值要比其表面的激光損傷閾值高很多，所以元件表面的激光功率密度也就決定了整個(gè)器件抗激光損傷的能力，尤其在脈沖工作的情況下更是如此。這時(shí)可以通過光學(xué)變換的方法設(shè)法使光學(xué)元件表面的光斑面積擴(kuò)大的方法來提高損傷閾值，例如擴(kuò)芯光纖方法以及擴(kuò)束透鏡光纖方法等就是利用這個(gè)原理工作的，或者通過激光脈沖展寬的方法變相地降低激光功率密度，通過避免激光能量在空間和時(shí)間上的集中能夠有效地提高產(chǎn)品的抗激光損傷性能。
高功率器件的熱影響及散熱設(shè)計(jì)。因?yàn)楦吖β势骷ぷ髟谳^高的功率下，與低功率器件相比，更容易發(fā)熱，不可避免地會(huì)受到溫度上升的影響，所以器件的性能受到材料熱特性以及散熱設(shè)計(jì)的影響比較嚴(yán)重。通常旋光晶體的旋光特性容易受到溫度的影響，如果在器件工作時(shí)由于所吸收激光能量的積累而導(dǎo)致內(nèi)部溫度出現(xiàn)較大上升，就會(huì)使得旋光晶體對(duì)光偏振面的旋轉(zhuǎn)角度偏離正常值而導(dǎo)致性能明顯下降，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致器件損壞。
另外，永磁體在高溫下工作也更容易發(fā)生磁場(chǎng)減弱和退磁現(xiàn)象，甚至出現(xiàn)磁場(chǎng)的不可逆損失，所以高溫對(duì)永磁體的穩(wěn)定工作也是不利的；而且，在特高光功率的情況下，光學(xué)元件的溫度會(huì)出現(xiàn)較大上升，由于熱量從內(nèi)部向表面?zhèn)鬟f，其內(nèi)部的溫度必然高于其表面的溫度，這樣就會(huì)在光學(xué)元件內(nèi)部出現(xiàn)溫度梯度和熱應(yīng)力，導(dǎo)致光束橫截面內(nèi)部中心的折射率和邊緣的折射率變化幅度不同，從而出現(xiàn)折射率差，也就是出現(xiàn)了類透鏡效應(yīng)，這將會(huì)改變光束的傳播特性，導(dǎo)致光束質(zhì)量嚴(yán)重下降，嚴(yán)重影響器件正常工作甚至導(dǎo)致?lián)p壞。
因此，必須采取有效的措施減少對(duì)激光的吸收并有效散熱。減少對(duì)激光的吸收要求選用吸收系數(shù)較小的光學(xué)材料、減小光在元件內(nèi)部傳輸?shù)木嚯x、設(shè)計(jì)合理的結(jié)構(gòu)，有效散熱就要求在熱量可能出現(xiàn)積累的地方提供有效的傳熱路徑并散熱，根據(jù)功率的大小可以采取被動(dòng)散熱或者主動(dòng)散熱的方法。萬瓦級(jí)光隔離器設(shè)計(jì)中就采用板條形狀的旋光晶體以提高器件的散熱控溫能力。
高功率隔離器的磁場(chǎng)設(shè)計(jì)。高功率光隔離器設(shè)計(jì)中的另一個(gè)關(guān)鍵是磁場(chǎng)及磁體的設(shè)計(jì)及選擇。一般情況下，光隔離器都是利用磁致旋光效應(yīng)工作的，所以必須在旋光晶體上加合適的磁場(chǎng)。為了節(jié)能以及方便使用，一般都采用強(qiáng)永磁材料來產(chǎn)生所需的磁場(chǎng)，這時(shí)磁場(chǎng)及磁體的選擇和設(shè)計(jì)就非常重要，對(duì)器件的性能和成本影響很大。通常情況下都要求在旋光晶體的空間內(nèi)提供較強(qiáng)的均勻磁場(chǎng)，這樣就能夠減小旋光晶體的尺寸，獲得較高的性能價(jià)格比，所以就要求在不明顯增加器件體積的情況下設(shè)計(jì)選擇合適的磁體以獲得較強(qiáng)的均勻磁場(chǎng)。具體設(shè)計(jì)中可通過選擇磁性能較強(qiáng)的磁體，并采用合適的形狀及體積，獲得所需磁場(chǎng)。
高功率隔離器的裝配工藝。高功率光隔離器要求能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定工作在惡劣的環(huán)境下，這就對(duì)器件的結(jié)構(gòu)以及裝配等工藝提出了很高的要求。設(shè)計(jì)良好的結(jié)構(gòu)及裝配工藝能夠有效減小光學(xué)元器件內(nèi)部的應(yīng)力，從而提高產(chǎn)品的性能及穩(wěn)定性，使得器件能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠工作。隔離器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中主要需要解決兩個(gè)問題：首先是光學(xué)元器件的裝配，要求穩(wěn)定可靠，能夠有效散熱控溫；其次需要牢固可靠裝配強(qiáng)永磁鐵，隨著磁體設(shè)計(jì)制造能力的提高，器件中可能采用較復(fù)雜形狀的多塊磁體組合來提供較強(qiáng)的均勻磁場(chǎng)，而磁體之間較強(qiáng)的磁力就要求設(shè)計(jì)合適的裝配工藝方法來可靠裝配磁體，并要求在裝配過程中不會(huì)導(dǎo)致磁體損壞或者退磁。這些都需要在實(shí)踐中積累并提高。
隔離器市場(chǎng)規(guī)模及發(fā)展趨勢(shì)
2012---2018年全球光纖激光器隔離器市場(chǎng)規(guī)模（單位：百萬美元）
據(jù)O統(tǒng)計(jì)，2014年，全球光纖激光器隔離器市場(chǎng)規(guī)模約為1997萬美元，比2013年的1890萬美元同比增長(zhǎng)了5.65%。同時(shí)，預(yù)計(jì)2015年市場(chǎng)銷售規(guī)模將達(dá)到2163萬美元，同比增長(zhǎng)8.28%。未來，隨著國(guó)內(nèi)企業(yè)大功率隔離器的發(fā)展，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的增長(zhǎng)率將會(huì)高于國(guó)際市場(chǎng)。
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