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图6.21 从偏振片透光轴正交方向通过的反向泄漏光
需要说明的是，在以上矩阵运算过程中，我们没有把式（6.25）和式（6.28）中所得到的列向量合并，而是先计算出每个列向量的模平方再相加，从而得到输出光强。对此的物理解释是，各列向量分别代表一束线偏振光，这些线偏振光在空间上重叠但相位不同，如果合并之后再计算模平方，表示考虑了各束光的偏振干涉，而我们在处理过程中并没有考虑各束光之间的相位关系，不能直接相加。
6.2.2 偏振无关型光隔离器
在大部分应用场合，要求光隔离器能够让任意偏振态的正向光通过，而反向光被隔离，也就是说，光隔离器的插入损耗应该是偏振无关的。 1) 位移型偏振无关光隔离器
光隔离器是利用线偏振光的光矢量在旋光材料中的非互易变化来工作的，因此偏振元件和旋光元件是光隔离器中的两个必要组成部分。偏振片会对与其透光轴不平行的光波产生原理性的损耗，使光隔离器的插入损耗与入射光偏振态相关。最早的偏振无关型光隔离器以位移型双折射晶体作为偏振元件，以“旋光片+半波片”结构作为旋光元件，如图6.22所示。位移晶体相当于具有两个透光轴的偏振片，因此不会对正向光产生原理性的损耗。
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图6.22 基于位移晶体的偏振无关型光隔离器
在6.1.3部分提到，“旋光片+半波片”结构对正向光的光矢量旋转90o，而对反向光的光矢量无影响。因此在图6.22所示的光隔离器中，正向光的偏振态变化为o光→e光和e光→o光，输出准直器在相应位置接收；反向光的偏振态变化为o光→o光和e光→e光，偏离输入准直器的接收位置，因此被隔离。
这种光隔离器是利用反向光的横向位移来实现隔离的，从图2.7中可以看到，光纤准直器的耦合损耗对横向位移不敏感，要实现40dB的隔离度，横向位移须大于0.6mm，而根据6.1.4部分的分析结论，如果采用YVO4晶体，要实现0.6mm的横向位移，晶体长度须大于6mm。因此这种光隔离器方案有两个明显的缺点，其一是输入输出准直器的轴线不重合，错位量大于0.6mm，不利于器件封装；其二是YVO4晶体材料昂贵，造成器件成本太高。
2) Wedge型偏振无关光隔离器
从图2.9可以看到，光纤准直器的耦合损耗对角向失配非常敏感，0.5o的角向失配可引起55dB的耦合损耗。因此如果通过偏角来隔离反向光，其效果远胜于位移型光隔离器。
目前的光隔离器都是采用图6.23所示结构，它由两个光纤准直器和一个隔离器型
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构成，隔离器芯结构如图6.24所示，由两个双折射楔角片、一个法拉第旋光片和一个磁环构成，两个楔角片的光轴夹角为45
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o，旋光片的旋光角也是45o。
图6.23 基于双折射楔角片的偏振无关型光隔离器
图6.24 基于双折射楔角片的光隔离器芯
正向光在隔离器型中的偏振态变化为o光→o光和e光→e光，因此整个隔离器芯对其相当于一个平行平板，光束发生一定的横向位移，方向不变，被输出准直器接收。反向光的偏振态变化为o光→e光和e光→o光，整个隔离器芯对其相当于一个变型的Wollaston棱镜，两束光分别向上和向下偏移，因此不能耦合到输入准直器中，达到隔离效果。
图6.24中的两个楔角片，光轴与边缘的夹角为22.5o，这样就只要加工一种规格的楔角片，装配时只需相对翻转180
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o即可。两个楔角片均斜面朝外如一个变型的Wollaston棱镜，而非直角面朝外如一个Wollaston棱镜（这样正向光就不会产生横移了），这是为了避免直角面反射光对隔离度的影响。
由于不需要较大的折射率差来实现光束的横移，Wedge型光隔离器可以采用价格相对低廉的LiNbO3晶体，这是一种负单轴晶体，对应1.55μm的折射率分别为no=2.2112和ne=2.1381，折射率差为Δn=0.0731，大约为YVO4晶体的1/3。楔角片的斜角一般为13o，根据式（6.15）得到反向光偏角为??0.95?，这个偏角使输入准直器接收时的耦合损耗超过100dB，因此制约Wedge型光隔离器的隔离度的因素是旋光片的消光比，与偏振相关型单级光隔离器类似。 3) Wedge型双级光隔离器
为适应某些对隔离度要求极高的应用场合，Wedge型光隔离器也可以做成双级结构，常用的方案是，将两个单级隔离器芯置于一个磁环中，二者相对旋转45o，如图6.25所示。第一个隔离器芯中的偏振片2与第二个隔离器芯中的偏振片1，二者光轴相互垂直，因此正向光在四个楔角片中的偏振态变化为o光→o光→e光→e光和e光→e光→o光→o光，也就是说，正向光在两级之间实现了o光→e光和e光→o光的切换，偏振模色散（Polarization Mode Dispersion，PMD）相互补偿。
图6.25 双级光隔离器方案一
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第六章 晶体光学器件
