隨著光電技術(shù)的發(fā)展，自由空間光隔離器在有源光器件中的使用越來(lái)越廣泛，其主要功能是允許正向光無(wú)損耗地通過(guò)，同時(shí)阻擋反射光進(jìn)入有源芯片，從而使發(fā)光或增益有源光器件能夠穩(wěn)定輸出，如：LD，SOA，SLD等。從上世紀(jì)末開(kāi)始逐步商用的光隔離器技術(shù)主要分為兩大類(lèi)：偏振相關(guān)光隔離器和偏振無(wú)關(guān)光隔離器。偏振相關(guān)光隔離器要求正向輸入光為線偏振光，且偏振方向固定，此類(lèi)隔離器通常由一個(gè)輸入端起偏元件，一個(gè)法拉第旋光器和一個(gè)輸出端檢偏元件組成，反射光通常被起偏或檢偏元件吸收或反射出正向光路，從而達(dá)到隔離反射光的目的；偏振無(wú)關(guān)光隔離器不限定輸入光的偏振態(tài)，允許任意偏振態(tài)的正向光無(wú)損耗通過(guò)，同時(shí)使反射光偏離正向光路，不能進(jìn)入有源光芯片，從而達(dá)到隔離反射光的目的。在過(guò)去20多年中，商用的偏振無(wú)關(guān)光隔離器僅有楔形雙折射晶體的設(shè)計(jì)方案，此設(shè)計(jì)方案僅可用于平行光路的反射光隔離；深圳市福瑞貝斯光電科技有限公司于2020年底推出了可用于匯聚光路的偏振無(wú)關(guān)光隔離器（XFSI），填補(bǔ)了自由空間光隔離器在這一領(lǐng)域的應(yīng)用空白，并于2021年向市場(chǎng)批量供貨。
當(dāng)光源輸出為線偏振態(tài)且偏振方向固定時(shí)（如：LD），可以選擇偏振相關(guān)光隔離器；當(dāng)光源輸出為低消光比（如：SLD）或輸出偏振態(tài)不固定（如：SOA）時(shí)，其光隔離器方案需要選擇偏振無(wú)關(guān)光隔離器。在光有源器件的偏振無(wú)關(guān)光隔離器耦合光路設(shè)計(jì)時(shí)，由于在過(guò)去20多年僅有適用于平行光路的楔形雙折射晶體方案，因此只能選擇將隔離器置于兩個(gè)準(zhǔn)直透鏡之間的方案，如圖一，
圖一：偏振無(wú)關(guān)/平行光自由空間隔離器耦合光路設(shè)計(jì)
而福瑞貝斯的創(chuàng)新型偏振無(wú)關(guān)/匯聚光自由空間隔離器，使光有源器件的偏振無(wú)關(guān)光隔離器耦合光路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化為圖二，減少一個(gè)透鏡，將隔離器置于光纖和透鏡之間。
圖二：偏振無(wú)關(guān)/匯聚光自由空間隔離器耦合光路設(shè)計(jì)
在光器件的具體實(shí)施案例中，傳統(tǒng)的平行光方案通常有圖三左側(cè)所示3種結(jié)構(gòu)，如采用福瑞貝斯的創(chuàng)新型匯聚光隔離器方案，可以將設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化為右側(cè)所示結(jié)構(gòu)?？梢詼p少一個(gè)透鏡，同時(shí)將封裝工藝非常不穩(wěn)定的“隔離器+透鏡+適配器一體化”和“透鏡+適配器一體化”方案簡(jiǎn)化為成熟穩(wěn)定的“隔離器+適配器一體化”或“單獨(dú)適配器”。而且，此設(shè)計(jì)變更可以更好地滿(mǎn)足器件小型化的市場(chǎng)需求。
圖三：具體實(shí)施例對(duì)比
對(duì)比平行光設(shè)計(jì)方案和匯聚光設(shè)計(jì)方案，平行光方案的耦合光路設(shè)計(jì)包括4個(gè)零部件（輸入波導(dǎo)，2個(gè)透鏡，輸出波導(dǎo)），匯聚光方案包括3個(gè)零部件（輸入波導(dǎo)，1個(gè)透鏡，輸出波導(dǎo)）。注：隔離器等效于平行玻璃板，僅產(chǎn)生光路的平移，因此不計(jì)入耦合零部件。在進(jìn)行光路耦合時(shí)，每一個(gè)零部件的擺放位置和角度都需要進(jìn)行控制，才能達(dá)到最佳耦合效率，因此更多零部件的平行光方案需要控制更多的零部件自由度。而在實(shí)際的自動(dòng)調(diào)光設(shè)備的設(shè)計(jì)中，更多自由度意味著更復(fù)雜的算法，更低的調(diào)光效率，以及更昂貴的設(shè)備成本，因此實(shí)際調(diào)光設(shè)備開(kāi)發(fā)中不得不在光學(xué)性能（耦合效率）和綜合成本（設(shè)備成本，生產(chǎn)效率）之間做出平衡，市場(chǎng)上成熟的針對(duì)透鏡耦合的自動(dòng)調(diào)光設(shè)備的最復(fù)雜方案也僅為6維自動(dòng)調(diào)光（不含手動(dòng)）。而6維自動(dòng)調(diào)光不足以實(shí)現(xiàn)平行光設(shè)計(jì)方案的最佳耦合，因此不得不用精確控制零部件公差和裝配誤差來(lái)替代對(duì)更多調(diào)光自由度的需求，以得到更好的耦合效率，但是無(wú)法達(dá)到最佳耦合效率，且最終耦合效率受零部件公差和裝配誤差影響較大，生產(chǎn)制程不穩(wěn)定。如果采用匯聚光方案，6維調(diào)光充分滿(mǎn)足耦合調(diào)光的自由度需求，可以在不嚴(yán)格控制零件公差及裝配誤差的情況下穩(wěn)定達(dá)成最佳耦合效率。
為了準(zhǔn)確評(píng)測(cè)匯聚光設(shè)計(jì)的耦合效率，耦合光路設(shè)計(jì)采用SMF-28e單模光纖作為輸入和輸出波導(dǎo)，以提供理想圓光斑，并選擇光器件行業(yè)常規(guī)的8°斜拋角結(jié)構(gòu)，以及一個(gè)非球透鏡，如圖四。
圖四：匯聚光耦合效率測(cè)試光路（無(wú)隔離器）
然后在我司開(kāi)發(fā)的半自動(dòng)調(diào)光設(shè)備上進(jìn)行耦合調(diào)光，可以穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)最佳耦合，實(shí)測(cè)耦合效率為99%左右，如圖五。而平行光設(shè)計(jì)方案的耦合效率受零部件公差和裝配誤差影響較大，因此無(wú)法得到確定的耦合效率分布。
圖五：匯聚光耦合IL統(tǒng)計(jì)
然后將匯聚光隔離器插入測(cè)試光路，評(píng)測(cè)匯聚光隔離器耦合效率（IL），PDL和隔離度（ISO），如圖六。
圖六：有隔離器光路設(shè)定
在半自動(dòng)調(diào)光設(shè)備上耦合調(diào)光的結(jié)果可以穩(wěn)定達(dá)成約95%左右的耦合效率（IL約為0.2dB左右），如圖七。
圖七：匯聚光隔離器測(cè)試結(jié)果
根據(jù)上述設(shè)計(jì)方案及測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比，可以看到相較于平行光路設(shè)計(jì)，匯聚光路設(shè)計(jì)可以提供更高更穩(wěn)定的耦合效率，更小更簡(jiǎn)潔的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，以及更穩(wěn)定的生產(chǎn)制程和合格率。
深圳市福瑞貝斯光電科技有限公司的偏振無(wú)關(guān)/匯聚光自由空間光隔離器給偏振無(wú)關(guān)光器件設(shè)計(jì)提供的這個(gè)更優(yōu)解決方案，目前已經(jīng)在光通訊行業(yè)的100G ZR（SOA+PIN）和400G ZR，傳感行業(yè)的SLD和激光雷達(dá)的FMCW+SOA方案上評(píng)測(cè)，且已批量發(fā)貨。我們可以向客戶(hù)提供隔離器產(chǎn)品及調(diào)光工藝的全套交鑰匙工程，幫助客戶(hù)快速完成產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。