光纤隔离器：提高网络安全的重要设备

光纤隔离器是一种基于磁光效应的非互易性，只允许正向光传输、抑制反向光通过的无源器件。在光传输链路中，可以起到消除反射噪声和反向光的作用。传统的光学隔离器是基于空间光学，它需要将磁光介质、起偏器、检偏器等辅助器件组合在一起，通常体积较大，成本较高，并需要精确对准和小心处理［229，230］。由于界面污染、空气洁净度、部件错位等原因还易导致插入损耗较大，限制了它在高功率激光器系统中的使用。与传统光隔离器相比，全光纤型隔离器具有传输损耗小、体积小、成本低、操作方便、与光纤器件连接简单、不受电磁干扰和无磁通饱和效应等优点，更有利于实现器件的集成化；而且由于在光纤中相互作用长度较大，可以有效补偿法拉第旋转效率的损失。

目前商用光纤隔离器工作波长为4051550 nm，隔离度为2530 dB，插入损耗为1.22.3 dB，损伤阈值为50250 mW。实际上，光纤隔离器性能的提升空间仍然很大。考虑到传统石英光纤Verdet常数较小，而法拉第磁光效应中光振动面旋转的角度与Verdet常数成正比，因此需要选择具有较高磁光效应的复合光纤。2010年，Sun等［231］报道了纤芯为高掺铽（含量65%）硼铝硅酸盐玻璃光纤隔离器，其Verdet常数达到32 rad/（T·m）@1053 nm，比石英光纤大27倍，为基于块体晶体商用隔离器的83%。其隔离度为19dB，反射光的偏振态旋转88°±4°。Schmidt等制备了碲酸盐玻璃纤芯－石英包层磁光复合光纤，此复合光纤Verdet常数约40 rad/（T·m）@500 nm［232］。2019年，Linganna等研制出纤芯为高浓度掺杂Pr3+的SiO2－Al2O3－B2O3－Pr6O11玻璃、包层为聚合物EFIRON UVF PC－375的复合多模光纤，光纤的Verdet常数为17.28 rad/（T·m）@650nm［233］。Ismaeel等报道了一种掺杂钆（Gd）的低损耗光纤，在1T的磁场中测试，显示法拉第旋转比现有的产品高两个数量级［234］。利用这些光纤有可能研制出极有竞争力的光纤隔离器。

为了降低插入损耗，提高隔离度，研究人员提出在热扩散膨胀纤芯（thermally diffused expanded core，TEC）的光纤中插入偏光片的方法。这种结构接近全光纤结构，无透镜，无需光学对准，结构简单小巧，大大降低了插入损耗。Shiraishi等［235］通过热处理，使掺Ge石英保偏单模光纤中Ge扩散形成TEC光纤，然后在其中插入一个超薄的石榴石偏振片。TEC光纤的折射率分布沿轴渐变，传播模式的光斑尺寸也随之变化，在1.3μm实现了0.91 dB低插入损耗，隔离度为44 dB。Sun等采用类似技术，利用大模场TEC光纤实现了一种高性能光纤集成隔离器，其插入损耗降低至0.470.75 dB，偏振态反向损耗为5648 dB［236］。(www.xing528.com)

复合光纤技术的发展，不仅提升了光纤隔离器的性能，也推动了光纤隔离器产品向小型化、功能集成化和模块化发展。例如，将隔离器和WDM器件集成，同时具有分光和隔离的功能。2019年，Jung等在准直器组件中采用少模光纤和多芯光纤，研制出紧凑型光纤隔离器［237］。在少模光纤隔离器中，成功实现了小于1 dB的插入损耗和小于0.5 dB的模式损耗；最大峰值隔离度大于40 dB，C波段的光隔离度大于30 dB。而32芯光纤隔离器的平均插入损耗为1.4 dB，芯对芯变化＜1.4 dB，芯间串扰＜－40 dB。Kim等也于2019年在OFC上提出了一种基于空芯光纤的微准直器，可实现低反向反射（＜－47 dB）和高模式纯度（＞20 dB）［238］。2016年，Stevens等［212］报道的欧盟FP7项目ISLA也是一个集成化的典型例子。他们将兼容有源和无源光纤、光纤耦合器和合束器、光纤耦合和隔离器、调制器和高功率泵浦激光二极管组成一个集成化平台，采用具有大Verdet常数的材料研制出光纤耦合隔离器，实现插入损耗＜1 dB，且隔离度＞35 dB。保偏隔离器的PER＞23 dB。这种设计思路可进一步推广，如采用长周期光纤光栅可将光纤导模的能量耦合到同方向传播的辐射模，实现隔离滤波器功能一体化。甚至可采用复合光纤实现全光网络。全光网络是基于集成化技术，将许多常用的光纤组件，如光隔离器、滤波器、耦合器、开关和衰减器等集成到一个小型光准直器中，实现光学功能元件的共享和集成，同时可减低系统的造价和运行成本，提高系统的稳定性。全光网络不仅有利于器件的小型化和集成化，而且无需经过光电转变，避免了光电转换的降速、损耗等问题，可充分利用光纤的特性，提供海量、高速的通信传输与处理，是解决“电子瓶颈”的最佳途径。