激光振蕩和光學(xué)諧振腔課件

第3章通信用光器件小結(jié)

光無源器件光檢測器光源3.1.1半導(dǎo)體激光器工作原理和基本結(jié)構(gòu)

半導(dǎo)體激光器是向半導(dǎo)體PN結(jié)注入電流，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，產(chǎn)生受激輻射，再利用諧振腔的正反饋，實(shí)現(xiàn)光放大而產(chǎn)生激光振蕩的。激光，其英文LASER就是LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation(受激輻射的光放大)的縮寫。所以討論激光器工作原理要從受激輻射開始。3.1光源

1.受激輻射和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布

有源器件的物理基礎(chǔ)是光和物質(zhì)相互作用的效應(yīng)。在物質(zhì)的原子中，存在許多能級，最低能級E1稱為基態(tài)，能量比基態(tài)大的能級Ei(i=2,3,4…)稱為激發(fā)態(tài)。電子在低能級E1的基態(tài)和高能級E2的激發(fā)態(tài)之間的躍遷有三種基本方式(見圖3.1)：

(1)受激吸收。

(2)自發(fā)輻射。

(3)受激輻射。產(chǎn)生受激輻射和產(chǎn)生受激吸收的物質(zhì)是不同的。設(shè)在單位物質(zhì)中，處于低能級E1和處于高能級E2(E2>E1)的原子數(shù)分別為N1和N2。當(dāng)系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)時，存在下面的分布

式中，k=1.381×10－23J/K，為玻爾茲曼常數(shù)，T為熱力學(xué)溫度。由于(E2－E1)>0，T>0，所以在這種狀態(tài)下，總是N1>N2。這是因?yàn)殡娮涌偸鞘紫日紦?jù)低能量的軌道。受激吸收和受激輻射的速率分別比例于N1和N2，且比例系數(shù)(吸收和輻射的概率)相等。如果N1>N2，即受激吸收大于受激輻射。當(dāng)光通過這種物質(zhì)時，光強(qiáng)按指數(shù)衰減，這種物質(zhì)稱為吸收物質(zhì)。(3.2)如果N2>N1，即受激輻射大于受激吸收，當(dāng)光通過這種物質(zhì)時，會產(chǎn)生放大作用，這種物質(zhì)稱為激活物質(zhì)。N2>N1的分布和正常狀態(tài)(N1>N2)的分布相反，所以稱為粒子(電子)數(shù)反轉(zhuǎn)分布。例：以氫原子為例，它的第一激發(fā)態(tài)能量為E2=-3.40eV，基態(tài)能量為E1=-13.6eV，則

E2-E1=10.20eV

令g2=g1=1，在室溫T=300K時(kT近似為0.026eV)，可以計算出2.PN結(jié)的能帶和電子分布

半導(dǎo)體是由大量原子周期性有序排列構(gòu)成的共價晶體。在這種晶體中，由于鄰近原子的作用，電子所處的能態(tài)擴(kuò)展成能級連續(xù)分布的能帶。晶體的能級譜在原子能級的基礎(chǔ)上按共有化運(yùn)動的不同分裂成若干組，每組中能級彼此靠近，組成有一定寬度的帶，稱為能帶。形成共價鍵的價電子所占據(jù)的能帶稱為價帶（低能帶），而價帶上面臨近的空帶（自由電子占據(jù)的能帶）稱為導(dǎo)帶（高能帶）。二者之間的區(qū)域稱為禁帶。

3.激光振蕩和光學(xué)諧振腔

粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布是產(chǎn)生受激輻射的必要條件，但還不能產(chǎn)生激光。只有把激活物質(zhì)置于光學(xué)諧振腔中，對光的頻率和方向進(jìn)行選擇，才能獲得連續(xù)的光放大和激光振蕩輸出。

基本的光學(xué)諧振腔由兩個反射率分別為R1和R2的平行反射鏡構(gòu)成，并被稱為法布里-珀羅(F-P，F(xiàn)abryPerot)諧振腔。由于諧振腔內(nèi)的激活物質(zhì)具有粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，可以用它產(chǎn)生的自發(fā)輻射光作為入射光。入射光經(jīng)反射鏡反射，沿軸線方向傳播的光被放大，沿非軸線方向的光被減弱。反射光經(jīng)多次反饋，不斷得到放大，方向性得到不斷改善，結(jié)果增益大幅度得到提高。另一方面，由于諧振腔內(nèi)激活物質(zhì)存在吸收，反射鏡存在透射和散射，因此光受到一定損耗。當(dāng)增益和損耗相等(滿足振幅平衡條件)時，在諧振腔內(nèi)就會建立穩(wěn)定的激光振蕩，其閾值條件為

式中，γth為閾值增益系數(shù)，α為諧振腔內(nèi)激活物質(zhì)的損耗系數(shù)，L為諧振腔的長度，R1、R2<1為兩個反射鏡的反射率。

(3.4)(3.5)式中，λ為激光在真空中傳播的波長，n為激活物質(zhì)的折射率，λ/n為激光在介質(zhì)中傳播的波長，q=1,2,3，…稱為縱模模數(shù)。式(3.5)意味著，L應(yīng)為介質(zhì)中激光傳播波長的1/2的整數(shù)倍。激光振蕩的相位條件為

4.半導(dǎo)體激光器基本結(jié)構(gòu)

半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)多種多樣，基本結(jié)構(gòu)如圖3.5示出的雙異質(zhì)結(jié)(DH)平面條形結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)由三層不同類型半導(dǎo)體材料構(gòu)成，不同材料發(fā)射不同的光波長。圖中標(biāo)出所用材料和近似尺寸。結(jié)構(gòu)中間有一層厚0.1~0.3μm的窄禁帶P型半導(dǎo)體，稱為有源層；兩側(cè)分別為寬禁帶的P型和N型半導(dǎo)體，稱為限制層。三層半導(dǎo)體置于基片(襯底)上，前后兩個晶體介質(zhì)里面作為反射鏡構(gòu)成法布里-珀羅(F-P)諧振腔。3.1.2半導(dǎo)體激光器的主要特性

1.發(fā)射波長和光譜特性

半導(dǎo)體激光器的發(fā)射波長取決于導(dǎo)帶的電子躍遷到價帶時所釋放的能量，這個能量近似等于禁帶寬度Eg(eV)，由式(3.1)得到

hf=Eg

式中，f=c/λ，f(Hz)和λ(μm)分別為發(fā)射光的頻率和波長，c=3×108

m/s為光速，h=6.628×10－34

J·s為普朗克常數(shù)，1eV=1.6×10-19J，代入上式得到(3.6)

2.激光束的空間分布

激光束的空間分布用近場和遠(yuǎn)場來描述。近場是指激光器輸出反射鏡面上的光強(qiáng)分布，遠(yuǎn)場是指離反射鏡面一定距離處的光強(qiáng)分布。圖3.8是GaAlAs-DH激光器的近場圖和遠(yuǎn)場圖，近場和遠(yuǎn)場是由諧振腔(有源區(qū))的橫向尺寸，即平行于PN結(jié)平面的寬度w和垂直于結(jié)平面的厚度t所決定，并稱為激光器的橫模。由圖3.8可以看出，平行于結(jié)平面的諧振腔寬度w由寬變窄，場圖呈現(xiàn)出由多橫模變?yōu)閱螜M模；垂直于結(jié)平面的諧振腔厚度t很薄，這個方向的場圖總是單橫模。

3.轉(zhuǎn)換效率和輸出光功率特性

激光器的電/光轉(zhuǎn)換效率用外微分量子效率ηd表示，其定義是在閾值電流以上，每對復(fù)合載流子產(chǎn)生的光子數(shù)(3.7a)(3.7b)由此得到

4.頻率特性

在直接光強(qiáng)調(diào)制下，激光器輸出光功率P和調(diào)制信號頻率f的關(guān)系為(3.8a)(3.8b)

5.溫度特性

對于線性良好的激光器，輸出光功率特性如式(3.7b)和圖3.10所示。激光器輸出光功率隨溫度而變化有兩個原因：一是激光器的閾值電流Ith隨溫度升高而增大，二是外微分量子效率ηd隨溫度升高而減小。溫度升高時，Ith增大，ηd減小，輸出光功率明顯下降，達(dá)到一定溫度時，激光器就不激射了。

當(dāng)以直流電流驅(qū)動激光器時，閾值電流隨溫度的變化更加嚴(yán)重。當(dāng)對激光器進(jìn)行脈沖調(diào)制時，閾值電流隨溫度呈指數(shù)變化，在一定溫度范圍內(nèi)，可以表示為

式中，I0為常數(shù)，T為結(jié)區(qū)的熱力學(xué)溫度，T0為激光器材料的特征溫度。GaAlAs-GaAs激光器T0=100～150K、InGaAsP-InP激光器T0=40～70K，所以長波長InGaAsP-InP激光器輸出光功率對溫度的變化更加敏感。

外微分量子效率隨溫度的變化不十分敏感，例如，GaAlAs-GaAs激光器在77K時ηd≈50%，在300K時，ηd≈30%。

(3.9)3.1.3分布反饋激光器

隨著技術(shù)的進(jìn)步，高速率光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展和新型光纖通信系統(tǒng)(例如波分復(fù)用系統(tǒng))的出現(xiàn)，都對激光器提出更高的要求。和由F-P諧振腔構(gòu)成的DH激光器相比，要求新型半導(dǎo)體激光器的光譜寬度更窄，并在高速率脈沖調(diào)制下保持動態(tài)單縱模特性；發(fā)射光波長更加穩(wěn)定，并能實(shí)現(xiàn)調(diào)諧；閾值電流更低，而輸出光功率更大。具有這些特性的動態(tài)單縱

模激光器有多種類型，其中性能優(yōu)良并得到廣泛應(yīng)用的是分布反饋(DFB，DistributedFeed-Back)激光器。普通激光器用F-P諧振腔兩端的反射鏡，對激活物質(zhì)發(fā)出的輻射光進(jìn)行反饋，DFB激光器用靠近有源層沿長度方向制作的周期性結(jié)構(gòu)(波紋狀)衍射光柵實(shí)現(xiàn)光反饋。這種衍射光柵的折射率周期性變化，使光沿有源層分布式反饋，所以稱為分布反饋激光器。

如圖3.13所示，由有源層發(fā)射的光，從一個方向向另一個方向傳播時，一部分在光柵波紋峰反射(如光線a)，另一部分繼續(xù)向前傳播，在鄰近的光柵波紋峰反射(如光線b)。如果光線a和b匹配，相互疊加，則產(chǎn)生更強(qiáng)的反饋，而其他波長的光將相互抵消。雖然每個波紋峰反射的光不大，但整個光柵有成百上千個波紋峰，反饋光的總量足以產(chǎn)生激光振蕩。

發(fā)光二極管(LED)是低速、短距離光波系統(tǒng)中常用的光源，結(jié)構(gòu)簡單，是由GaAsAl類的P型材料和N型材料制成的一個正向偏置的PN結(jié)，電子-空穴對在耗盡區(qū)輻射復(fù)合發(fā)光，稱為電致發(fā)光，屬自發(fā)輻射發(fā)光。它所發(fā)的光是非相干光，具有較寬的譜寬(30-60nm)和較大的發(fā)射角(100°)。

3.1.4發(fā)光二極管發(fā)光二極管(LED)的工作原理與激光器(LD)有所不同，LD發(fā)射的是受激輻射光，LED發(fā)射的是自發(fā)輻射光。LED的結(jié)構(gòu)和LD相似，大多是采用雙異質(zhì)結(jié)(DH)結(jié)構(gòu)，把有源層夾在P型和N型限制層中間，不同的是LED不需要光學(xué)諧振腔，沒有閾值。發(fā)光二極管有兩種類型：一類是正面發(fā)光型LED，另一類是側(cè)面發(fā)光型LED，其結(jié)構(gòu)示于圖3.14。和正面發(fā)光型LED相比，側(cè)面發(fā)光型LED驅(qū)動電流較大，輸出光功率較小，但由于光束輻射角較小，與光纖的耦合效率較高，因而入纖光功率比正面發(fā)光型LED大。

(1)光譜特性。發(fā)光二極管發(fā)射的是自發(fā)輻射光，沒有諧振腔對波長的選擇作用，光譜較寬。

(2)光束的空間分布。

(3)輸出光功率特性。

(4)頻率特性。發(fā)光二極管工作特性3.1.5半導(dǎo)體光源一般性能和應(yīng)用

LED通常和多模光纖耦合，用于1.3μm(或0.85μm)波長的小容量短距離系統(tǒng)。因?yàn)長ED發(fā)光面積和光束輻射角較大，而多模SIF光纖或G.651規(guī)范的多模GIF光纖具有較大的芯徑和數(shù)值孔徑，有利于提高耦合效率，增加入纖功率。LD通常和G.652或G.653規(guī)范的單模光纖耦合，用于1.3μm或1.55μm大容量長距離系統(tǒng)，這種系統(tǒng)在國內(nèi)外都得到最廣泛的應(yīng)用。分布反饋激光器(DFB-LD)主要和G.653或G.654規(guī)范的單模光纖或特殊設(shè)計的單模光纖耦合，用于超大容量的新型光纖系統(tǒng)，這是目前光纖通信發(fā)展的主要趨勢。3.2.1光電二極管工作原理

實(shí)際上，僅采用半導(dǎo)體平板制作光檢測器也不能實(shí)現(xiàn)較高的量子效率，這主要是因?yàn)閮r帶中產(chǎn)生的電子在運(yùn)動到外電路之前和空穴產(chǎn)生了復(fù)合，所以必須快速地讓價帶電子離開半導(dǎo)體，這可以采用在電子產(chǎn)生的區(qū)域加足夠強(qiáng)的電場的方法來實(shí)現(xiàn)，當(dāng)然最好的方法是采用反向偏置的PN結(jié)來代替均勻的半導(dǎo)體平板，這樣的光檢測器稱為光電二極管。光電二極管(PD)把光信號轉(zhuǎn)換為電信號的功能，是由半導(dǎo)體PN結(jié)的光電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的。3.2光檢測器

由于PN結(jié)耗盡層只有幾微米，大部分入射光被中性區(qū)吸收，因而光電轉(zhuǎn)換效率低，響應(yīng)速度慢。為改善器件的特性，在PN結(jié)中間設(shè)置一層摻雜濃度很低的本征半導(dǎo)體(稱為I)，這種結(jié)構(gòu)便是常用的PIN光電二極管。

PIN光電二極管的工作原理和結(jié)構(gòu):中間的I層是N型摻雜濃度很低的本征半導(dǎo)體，用Π(n)表示；兩側(cè)是摻雜濃度很高的P型和N型半導(dǎo)體，用P＋和N＋表示。I層很厚，吸收系數(shù)很小，入射光很容易進(jìn)入材料內(nèi)部而產(chǎn)生大量電子-空穴對，因而大幅度提高了光電轉(zhuǎn)換效率。光生電流中漂移分量占支配地位，從而大大提高了響應(yīng)速度。另外，可通過控制耗盡層的寬度w，來改變器件的響應(yīng)速度。3.2.2

PIN光電二極管

PIN光電二極管具有如下主要特性：

(1)量子效率和光譜特性。光電轉(zhuǎn)換效率用量子效率η或響應(yīng)度ρ表示。量子效率η定義為相同時間內(nèi)一次光生電子-空穴對和入射光子數(shù)的比值

響應(yīng)度的定義為一次光生電流Ip和入射光功率P0的比值

式中，hf為光子能量，e為電子電荷。(3.13)(3.14)量子效率和響應(yīng)度取決于材料的特性和器件的結(jié)構(gòu)。假設(shè)器件表面反射率為零，P層和N層對量子效率的貢獻(xiàn)可以忽略，在工作電壓下，I層全部耗盡，那么PIN光電二極管的量子效率可以近似表示為

η=1－exp(－α(λ)w)

(3.15)

式中，α(λ)和w分別為I層的吸收系數(shù)和寬度。由式(3.15)可以看到，當(dāng)α(λ)w>>1時，η→1，所以為提高量子效率η，I層的寬度w要足夠大。

(2)響應(yīng)時間和頻率特性。光電二極管對高速調(diào)制光信號的響應(yīng)能力用脈沖響應(yīng)時間τ或截止頻率fc(帶寬B)表示。對于數(shù)字脈沖調(diào)制信號，把光生電流脈沖前沿由最大幅度的10%上升到90%，或后沿由90%下降到10%的時間，分別定義為脈沖上升時間τr和脈沖下降時間τf。當(dāng)光電二極管具有單一時間常數(shù)τ0時，其脈沖前沿和脈沖后沿相同，且接近指數(shù)函數(shù)exp(t/τ0)和exp(－t/τ0)，由此得到脈沖響應(yīng)時間

τ=τr=τf=2.2τ0

(3.16)

對于幅度一定，頻率為ω=2πf的正弦調(diào)制信號，截止頻率fc定義為光生電流I(ω)下降3dB的頻率。

(3)噪聲。噪聲是反映光電二極管特性的一個重要參數(shù)，它直接影響光接收機(jī)的靈敏度。光電二極管的噪聲包括由信號電流和暗電流產(chǎn)生的散粒噪聲(ShotNoise)和由負(fù)載電阻和后繼放大器輸入電阻產(chǎn)生的熱噪聲。噪聲通常用均方噪聲電流(在1Ω電阻負(fù)載上的噪聲功率)來描述。

均方散粒噪聲電流

〈i2sh〉=2e(Ip+Id)B

(3.22)

式中，e為電子電荷，B為光電二極管及后繼放大器的等效噪聲帶寬，Ip和Id分別為信號電流和暗電流的強(qiáng)度。

光電二極管輸出電流I和反偏壓U的關(guān)系示于圖3.24。隨著反向偏壓的增加，開始光電流基本保持不變。當(dāng)反向偏壓增加到一定數(shù)值時，光電流急劇增加，最后器件被擊穿，這個電壓稱為擊穿電壓UB。APD就是根據(jù)這種特性設(shè)計的器件。

根據(jù)光電效應(yīng)，當(dāng)光入射到PN結(jié)時，光子被吸收而產(chǎn)生電子-空穴對。如果電壓增加到使電場達(dá)到200kV/cm以上，初始電子(一次電子)在高電場區(qū)獲得足夠能量而加速運(yùn)動。高速運(yùn)動的電子和晶格原子相碰撞，使晶格原子電離，產(chǎn)生新的電子-空穴對。新產(chǎn)生的二次電子再次和原子碰撞。如此多次碰撞，產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，致使載流子雪崩式倍增，見圖3.25。所以這種器件就稱為雪崩光電二極管(APD)。3.2.3雪崩光電二極管(APD)

1.倍增因子

由于雪崩倍增效應(yīng)是一個復(fù)雜的隨機(jī)過程，所以用這種效應(yīng)對一次光生電流產(chǎn)生的平均增益的倍數(shù)來描述它的放大作用，并把倍增因子g定義為APD輸出光電流Io和一次光生電流IP的比值。

顯然，APD的響應(yīng)度比PIN增加了g倍。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，并考慮到器件體電阻的影響，g可以表示為(3.25)

2.過剩噪聲因子

雪崩倍增效應(yīng)不僅對信號電流而且對噪聲電流同樣起放大作用，所以如果不考慮別的因素，APD的均方量子噪聲電流為

〈i2q〉=2eIpBg2

(3.26a)

這是對噪聲電流直接放大產(chǎn)生的，并未引入新的噪聲成分。事實(shí)上，雪崩效應(yīng)產(chǎn)生的載流子也是隨機(jī)的，所以引入新的噪聲成分，并表示為附加噪聲因子F。F(>1)是雪崩效應(yīng)的隨機(jī)性引起噪聲增加的倍數(shù)，設(shè)F=gx，APD的均方量子噪聲電流應(yīng)為

〈i2q〉=2eIpBg2＋x

(3.26b)3.3光無源器件

3.3.1光纖連接器

光纖連接器（opticalconnector）：俗稱活接頭，ITU將其定義為“用以穩(wěn)定地但并不是永久地連接兩根或多根光纖的無源組件”。主要用于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中設(shè)備間、設(shè)備與儀表間、設(shè)備與光纖間以及光纖與光纖間的非永久性固定連接，是光纖通信系統(tǒng)中不可缺少的無源器件。連接器有單纖(芯)連接器和多纖(芯)連接器，其特性主要取決于結(jié)構(gòu)設(shè)計、加工精度和所用材料。單纖連接器結(jié)構(gòu)有許多種類型，其中精密套管結(jié)構(gòu)設(shè)計合理、效果良好，適宜大規(guī)模生產(chǎn)，因而得到很廣泛的應(yīng)用。圖3.27示出精密套管結(jié)構(gòu)的連接器簡圖，包括用于對中的套管、帶有微孔的插針和端面的形狀(圖中畫出平面的端面)。光纖固定在插針的微孔內(nèi)，兩支帶光纖的插針用套管對中實(shí)現(xiàn)連接。要求光纖與微孔、插針與套管精密配合。對低插入損耗的連接器，要求兩根光纖之間的橫向偏移在1μm以內(nèi)，軸線傾角小于0.5°。普通的FC型連接器，光纖端面為平面。對于高反射損耗的連接器，要求光纖端面為球面或斜面，實(shí)現(xiàn)物理接觸(PC型)。套管和插針的材料一般可以用銅或不銹鋼，但插針材料用ZrO2陶瓷最理想。ZrO2陶瓷機(jī)械性能好、耐磨，熱膨脹系數(shù)和光纖相近，使連接器的壽命(插拔次數(shù))和工作溫度范圍(插入損耗變化±0.1dB)大大改善。3.3.2光耦合器

耦合器的功能是把一個輸入的光信號分配給多個輸出，或把多個輸入的光信號組合成一個輸出。這種器件對光纖線路的影響主要是附加插入損耗，還有一定的反射和串?dāng)_。耦合器大多與波長無關(guān)，與波長相關(guān)的耦合器專稱為波分復(fù)用器/解復(fù)用器。

T形耦合器這種耦合器通常用作多端功率分配器。

定向耦合器定向耦合器可用作分路器，不能用作合路器。

波分復(fù)用器/解復(fù)用器

這是一種與波長有關(guān)的耦合器

1.耦合器類型(也稱合波器/分波器)

3.主要特性

耦合比CR是一個指定輸出端的光功率Poc和全部輸出端的光功率總和Pot的比值，用%表示

由此可定義功率分路損耗Ls為(3.30)(3.29)

2.基本結(jié)構(gòu)

比較實(shí)用和有發(fā)展前途的有光纖型、微器件型和波導(dǎo)型。附加損耗Le由散射、吸收和器件缺陷產(chǎn)生的損耗，是全部輸入端的光功率總和Pit和全部輸出端的光功率總和Pot的比值，用分貝表示如下：

插入損耗Lt是一個指定輸入端的光功率Pic和一個指定輸出端的光功率Poc的比值，用分貝表示(3.31)(3.32)方向性DIR(隔離度)是一個輸入端的光功率Pic和由耦合器反射到其他端的光功率Pr的比值，用分貝表示

一致性U是不同輸入端得到的耦合比的均勻性，或者不同輸出端耦合比的等同性。

(3.33)3.3.3光隔離器與光環(huán)行器

在許多實(shí)際光通信系統(tǒng)中通常也需要非互易器件。隔離器就是一種非互易器件，其主要作用是只允許光波往一個方向上傳輸，阻止光波往其他方向特別是反方向傳輸。隔離器主要用在激光器或光放大器的后面，以避免反射光返回到該器件致使器件性能變壞。插入損耗和隔離度是隔離器的兩個主要參數(shù)，對正向入射光的插入損耗其值越小越好，對反向反射光的隔離度其值越大越好，目前插入損耗的典型值約為1dB，隔離度的典型值的大致范圍為40～50dB。首先介紹一下光偏振(極化)的概念。單模光纖中傳輸?shù)墓獾钠駪B(tài)(SOP，StateofPolarization)是在垂直于光傳輸方向的平面上電場矢量的方向。在任何時刻，電場矢量都可以分解為兩個正交分量，這兩個正交分量分別稱為水平模和垂直模。

隔離器工作原理：這里假設(shè)入射光只是垂直偏振光，第一個偏振器的透振方向也在垂直方向，因此輸入光能夠通過第一個偏振器。緊接第一個偏振器的是法拉第旋轉(zhuǎn)器，法拉第旋轉(zhuǎn)器由旋光材料制成，能使光的偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)一定角度，例如45°，并且其旋轉(zhuǎn)方向與光傳播方向無關(guān)。法拉第旋轉(zhuǎn)器后面跟著的是第二個偏振器，這個偏振器的透振方向在45°方向上，因此經(jīng)過法拉第旋轉(zhuǎn)器旋轉(zhuǎn)45°后的光能夠順利地通過第二個偏振器，也就是說光信號從左到右通過這些器件(即正方向傳輸)是沒有損耗的(插入損耗除外)。另一方面，假定在右邊存在某種反射(比如接頭的反射)，反射光的偏振態(tài)也在45°方向上，當(dāng)反射光通過法拉第旋轉(zhuǎn)器時再繼續(xù)旋轉(zhuǎn)45°，此時就變成了水平偏振光。水平偏振光不能通過左面偏振器(第一個偏振器)，于是就達(dá)到隔離效果。然而在實(shí)際應(yīng)用中，入射光的偏振態(tài)(偏振方向)是任意的，并且隨時間變化，因此必須要求隔離器的工作與入射光的偏振態(tài)無關(guān)，于是隔離器的結(jié)構(gòu)就變復(fù)雜了。具有任意偏振態(tài)的入射光首先通過一個空間分離偏振器(SWP，SpatialWalk-offPolarizer)。這個SWP的作用是將入射光分解為兩個正交偏振分量，讓垂直分量直線通過，水平分量偏折通過。兩個分量都要通過法拉第旋轉(zhuǎn)器，其偏振態(tài)都要旋轉(zhuǎn)45°。法拉第旋轉(zhuǎn)器后面跟隨的是一塊半波片(

plate或half-waveplate)。這個半波片的作用是將從左向右傳播的光的偏振態(tài)順時針旋轉(zhuǎn)45°，將從右向左傳播的光的偏振態(tài)逆時針旋轉(zhuǎn)45°。因而法拉第旋轉(zhuǎn)器與半波片的組合可以使垂直偏振光變?yōu)樗狡窆?，反之亦然。最后兩個分量的光在輸出端由另一個SWP合在一起輸出，如圖3.35(a)所示。另一方面，如果存在反射光在反方向上傳輸，半波片和法拉第旋轉(zhuǎn)器的旋轉(zhuǎn)方向正好相反，當(dāng)兩個分量的光通過這兩個器件時，其旋轉(zhuǎn)效果相互抵消，偏振態(tài)維持不變，在輸入端不能被SWP再組合