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。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)生的后向傳輸光對光源以及光路系統(tǒng)產(chǎn)生的不良影響。例如，在半導體激光源和光傳輸系統(tǒng)之間安裝一個光隔離器，可以在很大程度上減少反射光對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、直接檢測光纖通信系統(tǒng)中，后向傳輸光會產(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，后向反射光將進入信號源（激光器）中，引起信號源的劇烈波動。在相干光長距離光纖通信系統(tǒng)中，每隔一段距離安裝一個光隔離器，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。國內(nèi)部分1310/1480/1550nm偏振無關(guān)光隔離器內(nèi)部設(shè)計針對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，雙級器件有極高的光隔離度，適合于不同的應用場合，主要應用于光纖放大器，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)計研發(fā)中需要解決的主要問題。
光學元件在高功率密度激光輻射作用下的損傷問題。這個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)計制作過程中也同樣要面對。為了解決此問題。
首先需要在產(chǎn)品的制作及測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器件及光學薄膜，當然這也受到產(chǎn)品成本的制約。因為空氣中的微小顆粒如果粘附在光學表面將極大降低光學表面的激光損傷閾值，這些微小顆粒對激光的吸收比較大，容易導致顆粒附近能量集中，從而導致光學表面薄膜損傷甚至面損傷，在元件表面出現(xiàn)麻點甚至小坑而使器件失效。
其次，由于在通常情況下光學元件內(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。這時可以通過光學變換的方法設(shè)法使光學元件表面的光斑面積擴大的方法來提高損傷閾值，例如擴芯光纖方法以及擴束透鏡光纖方法等就是利用這個原理工作的，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。因為高功率器件工作在較高的功率下，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)計的影響比較嚴重。通常旋光晶體的旋光特性容易受到溫度的影響，如果在器件工作時由于所吸收激光能量的積累而導致內(nèi)部溫度出現(xiàn)較大上升，就會使得旋光晶體對光偏振面的旋轉(zhuǎn)角度偏離正常值而導致性能明顯下降，嚴重時甚至會導致器件損壞。
另外，永磁體在高溫下工作也更容易發(fā)生磁場減弱和退磁現(xiàn)象，甚至出現(xiàn)磁場的不可逆損失，所以高溫對永磁體的穩(wěn)定工作也是不利的；而且，在特高光功率的情況下，光學元件的溫度會出現(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，這樣就會在光學元件內(nèi)部出現(xiàn)溫度梯度和熱應力，導致光束橫截面內(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，這將會改變光束的傳播特性，導致光束質(zhì)量嚴重下降，嚴重影響器件正常工作甚至導致?lián)p壞。
因此，必須采取有效的措施減少對激光的吸收并有效散熱。減少對激光的吸收要求選用吸收系數(shù)較小的光學材料、減小光在元件內(nèi)部傳輸?shù)木嚯x、設(shè)計合理的結(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散熱或者主動散熱的方法。萬瓦級光隔離器設(shè)計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設(shè)計。高功率光隔離器設(shè)計中的另一個關(guān)鍵是磁場及磁體的設(shè)計及選擇。一般情況下，光隔離器都是利用磁致旋光效應工作的，所以必須在旋光晶體上加合適的磁場。為了節(jié)能以及方便使用，一般都采用強永磁材料來產(chǎn)生所需的磁場，這時磁場及磁體的選擇和設(shè)計就非常重要，對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)提供較強的均勻磁場，這樣就能夠減小旋光晶體的尺寸，獲得較高的性能價格比，所以就要求在不明顯增加器件體積的情況下設(shè)計選擇合適的磁體以獲得較強的均勻磁場。具體設(shè)計中可通過選擇磁性能較強的磁體，并采用合適的形狀及體積，獲得所需磁場。
高功率隔離器的裝配工藝。高功率光隔離器要求能夠長期穩(wěn)定工作在惡劣的環(huán)境下，這就對器件的結(jié)構(gòu)以及裝配等工藝提出了很高的要求。設(shè)計良好的結(jié)構(gòu)及裝配工藝能夠有效減小光學元器件內(nèi)部的應力，從而提高產(chǎn)品的性能及穩(wěn)定性，使得器件能夠長期穩(wěn)定可靠工作。隔離器結(jié)構(gòu)設(shè)計中主要需要解決兩個問題：首先是光學元器件的裝配，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永磁鐵，隨著磁體設(shè)計制造能力的提高，器件中可能采用較復雜形狀的多塊磁體組合來提供較強的均勻磁場，而磁體之間較強的磁力就要求設(shè)計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導致磁體損壞或者退磁。這些都需要在實踐中積累并提高。
隔離器市場規(guī)模及發(fā)展趨勢
2012---2018年全球光纖激光器隔離器市場規(guī)模（單位：百萬美元）
據(jù)O統(tǒng)計，2014年，全球光纖激光器隔離器市場規(guī)模約為1997萬美元，比2013年的1890萬美元同比增長了5.65%。同時，預計2015年市場銷售規(guī)模將達到2163萬美元，同比增長8.28%。未來，隨著國內(nèi)企業(yè)大功率隔離器的發(fā)展，國內(nèi)市場的增長率將會高于國際市場。
轉(zhuǎn)載請注明出處。
相關(guān)文章
熱門資訊
精彩導讀
關(guān)注我們
